粉煤無粘結劑成型機理

 21世紀是能源結構多元化時代，煤炭在能源消費結構中的主導地位不會改變．專家估計未來二三十年煤炭需求量將會增加．伴隨機械化采煤產生的大量粉煤需要處理，發展型煤技術勢在必行．中國從20世紀50年代開始研究民用型煤，其技術已達到國際水平；60年代開始研究工業型煤，取得了一定成果，建起了一批型煤廠．據1996年煤炭部型煤技術現狀調查報道，所考察的近四十家工業造氣煤廠中，沒有一個能正常生產；近十幾年來，型煤廠仍在低水平重復建設；型煤生產過程中諸多問題不能突破，嚴重制約了型煤產業化．其主要原因是成型基礎研究薄弱，正如Druhl所言，實踐一直超越理論的發展．因此，加強粉煤成型性能及成型機理等基礎研究迫在眉睫．
    粉煤成型工藝分冷壓成型和熱壓成型，以冷壓成型為主；冷壓成型又分為粘結劑成型和無粘結劑成型，以有粘結劑成型為主．根據我國國情，粉煤成型多采用添加粘結劑、中低壓、免烘干、冷壓成型工藝．
1 粉煤無粘結劑成型機理
    粉煤無粘結劑成型是指不外加粘結劑，而是依靠煤炭自身的性質和粘結性組分，在外力作用下壓制成型煤的過程．適于無粘結劑成型的煤種為年輕褐煤．
1．1 褐煤無粘結劑成型機理
    關于褐煤無粘結劑成型機理眾說不一，有各種假說，如瀝青、腐植酸、毛細孔、膠體、分子粘合等假說但都認為“自身粘結劑”的存在，是褐煤無粘結劑成型的重要基礎．
    (1)瀝青假說．瀝青假說是早期的假說．瀝青假說認為，煤中瀝青質是煤粒間粘結成型的主要物質．瀝青的軟化點為70℃～80℃．在加壓成型過程中，由于煤粒間相對位移，彼此相互推擠、摩擦產生的熱 量，使瀝青質軟化成為具有粘結性的塑性物質，將煤粒粘結在一起成為型煤．
    (2)腐植酸假說．褐煤中含有游離腐植酸，游離腐植酸是一種膠體，具有強極性．在成型過程中，外力作用使煤粒間緊密接觸．具有強極性的腐植酸分子，使煤粒間相結合的分子間力得以加強而成型．
    (3)毛細孔假說．毛細孔假說認為，褐煤中有大量含水的毛細孔．成型時毛細孔被壓潰，其中的水被擠出，覆蓋于煤粒表面形成水膜，進而充填煤粒間的空隙，呈現出相互作用的分子間力，加強了煤粒的接觸而成型．
    (4)膠體假說．膠體假說認為，褐煤由固相和液相兩部分物質組成，固相物質是由許多極小的膠質腐植酸顆粒構成，其粒度為1μm一10nm．在成型過程中使膠粒密集而產生聚集力，形成具有一定強度的型煤．
    (5)分子粘合假說．分子粘合假說由那烏莫維奇提出．認為粒子間的結合是在壓力作用下，由于粒子間接觸緊密而出現分子粘合的結果．
    上述假說都只從某一個方面解釋了成型過程中的一些現象，還有待進一步探討．
1．2 其他煤種無粘結劑成型機理
    文獻[3]著重介紹了無煙煤成型試驗研究結果，分析了工業型煤無粘結劑成型的濕態粘結機理與干態粘結機理．
    (1)型煤的濕態粘結機理．碎散性煤料在濕態下被壓制成型的主要原因，是煤粒間存在著一定的粘結性．煤在破碎加工過程中，其中一些橋鍵或晶格斷裂，形成一些不飽和鍵，使煤粒表面產生微弱的負電荷，極性的水分子被煤粒吸附形成水化膜，煤粒通過粘結性的水化膜連接而成型．
    (2)型煤的干態粘結機理．在型煤干燥過程中，隨著型煤的水化膜逐漸變薄，液膜水的表面張力增大，煤粒受力彼此靠的更近，煤分子間的范德華力增大．直至液膜的水蒸干，煤分子間的范德華力達到最大．此外，干煤粒間摩擦阻力大，煤粒彼此鑲嵌產生較大的機械嚙合力．因此，干態型煤主要靠煤分子間的范德華力和煤粒間的機械嚙合力使煤粒緊密粘結而成型，
    筆者研究了弱粘結煤、肥煤、焦煤、無煙煤等不同煤種的無粘結劑成型．發現焦煤成型性能最好，其型煤表面致密、光潔，抗壓強度高，防水性能好；而無煙煤成型性能最差，其型煤質量低，抗壓強度小．這是由于焦煤的顯微硬度小，無煙煤顯微硬度大．軟質煤在成型過程中易被壓碎，產生更細的煤粉填充到煤粒間隙中，達到最緊密堆積，使型煤致密光潔，抗壓強度高.