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回转窑提质过程对褐煤热碎性影响因素的分析

回转窑以其结构简单、处理量大、易于工业化等特点,为国内外诸多褐煤提质工艺所采用。但回转过程中褐煤易碎,焦油气体夹带粉尘严重,制约了该种技术的发展。本文应用千克级回转窑对热提质过程中褐煤的碎裂及粉化特性进行定量考察,旨在为回转提质工艺的条件选择及配套控粉、抑尘方法的开发奠定基础。

回转窑

一、试验

1、试验原料及设备

试验原料:以我国内蒙古褐煤为试验原料。

试验设备:回转窑,空分制氮机,标准振筛机,特制细粉截留器,温控加热器,热电偶,气体预热器,流量计,标准筛(25~0.075mm),电子天平。

测试设备:表面结构测试采用比表面积分析仪;表面形貌观察采用扫描电子显微镜。

2、试验方法

回转窑为外热式,操作条件为微正压,反应器总尺寸为2800mm×1100mm×1600mm(长×宽×高)。待设备 完毕,启动回转窑,由制氮机制取纯度为9.9%的氮气经流量计调节流速为4m³/h后通入气体预热器并作为保护气体通入反应器中。取破碎、筛分后的空气干燥基煤样(1000±0.1)g,加入回转反应器中,设定提质温度(120~700℃)、回转速率(2~10r/min)、保温时间(20~60min)及入料粒度(25~13mm到6~3mm)进行试验。为便于描述,以下均简称为温度、转速、时间和粒度。试验完毕后,将产物放入冷却罐冷却,而后利用振筛机将产物梯级筛分为25~13,13~6,6~3,3~1,1~0.5,0.5~0.25,0.25~0.125,0.125~0.075,-0.075mm共9个粒级,并分别利用电子天平称重(±0.01g),确定不同条件下产物的粒度分布,明确产物碎裂、粉化状况。

产物热碎程度的表征方法参见文献,即:将全部碎裂产物所占总产物的比例定为总碎裂率α,以表征产物总体碎裂程度。将-1mm产物所占总产物的比例定为粉化率β,以表征产物的粉化状况。随着α和β的增大,产物碎裂及粉化程度相应增加。

样品的结构测试采用比表面积分析仪在77k低温下以高纯氮为吸附介质测试样品,得到吸-脱附等温曲线,并运用模型计算比表面积和孔容积,采用扫描电镜观测煤样表面形态,放大 数调整为200,工作电压设定为15kV。

回转窑

二、结果与讨论

1、提质温度对褐煤热碎性的影响

根据产物粒度的不同,将提质产物分为3类:

(1)保持粒级,即保持原有入料粒级的产物(25~13mm);(2)碎裂粒群,即粒度低于入料粒度但高于粉化粒度界限1mm的多个碎裂粒级产物(13~6,6~3,3~1mm);(3)粉化粒群,即小于1mm的多个粒度级产物(1~0.5,0.5~0.25,0.25~0.125,0.125~0.075,-0.075mm)。在转速为4r/min,时间为30min,入料粒度为25~13mm的试验条件下,分析热碎产物的粒度分布随温度的变化规律。

温度为120~700℃时,产物中保持粒级的产物变化呈下降趋势,其比率由86.62%急剧下降至4.32%,表明受温度的影响,褐煤保持原有粒级的能力大幅下降;碎裂粒群中6~3mm颗粒的比率在300℃前呈增加趋势,而后趋于平缓,表明300℃后,13~6mm颗粒发生部分碎裂,使得本应上升的曲线趋势变缓。6~3mm和3~1mm粒级的变化趋势均随温度的增加呈线性增加,其中6~3mm颗粒的比率由2.09%增至30.33%,3~1mm颗粒的比率由2.23%增至18.23%;粉化粒群中除-0.075mm颗粒外其他粒级的比率均随温度的升高而增加,分别由1.95%,1.09%,0.39%,0.17%增至5.26%,3.58%,2.68%,2.27%,同时1~0.5及0.125~0.075mm粒级的变化曲线斜率相同,呈平行上升关系。此外,1~0.075mm内4个粒级的产物比率有序逐级递减,越小的粒级比率越低。-0.075mm粒级则区别于1~0.5mm粒级的变化曲线,其增幅在粉化粒群中 ,由0.27%增至4.18%,说明温度越高,褐煤产生的极细粉量越明显。

温度为120~600℃时,α由13.38%增至94.95%,而后趋于平稳。温度为700℃时,α为95.68%。随温度的升高,褐煤总体碎裂情况严重;β则呈线性增加,由3.87%增至15.63%,褐煤粉化程度逐步上升。褐煤的碎裂及粉化与热作用过程中水汽及挥发分的析出密切相关,当温度为120~300℃时,褐煤处于干燥过程,水分的急剧蒸发致使褐煤碎粉,而挥发分此阶段基本无变化;温度大于300℃后进入热解过程,水分基本无变化,但褐煤挥发分开始析出,同时伴随褐煤的大幅碎裂及粉化,挥发分在600℃时最为强烈,至700℃时产物挥发分趋于平稳,而α也在600℃后趋于稳定。

2、回转速率对褐煤热碎性的影响

在温度为120℃,时间为30min,粒度为25~13mm的典型干燥条件下,分析褐煤产物粒度分布及碎粉程度随转速的变化规律。保持粒级的比率由90.33%降至75.24%,但在产物中的比率仍然 ;碎裂粒群中13~6mm颗粒的比率由3.74%升至16.73%,但6~3mm和3~1mm颗粒的比率介于1.6%~2.6%之间,未随转速发生 ;粉化粒群中除1~0.5mm粒级外,其他粒级的比率均低于1%。-0.075mm颗粒的比率由0.34%升至1.75%,增幅 ,表明褐煤在回转干燥过程中,转速的改变主要引起产物中保持粒级的减小、碎裂粒群中13~6mm和粉化粒群中-0.075mm颗粒比率的增加。转速的增加,使得产物的α由9.67%增至22.75%,而β由2.49%增至4.47%。

在时间为30min,入料粒度为25~13mm,温度为600℃的典型热解条件下,分析产物粒级随转速的变化。保持粒级的比率由8.76%降至4.19%,所剩无几;碎裂粒群中13~6mm颗粒的比率由24.51%升高至29.09%,6~3mm和3~1mm粒级的比率趋势变化不大,占比分别介于27.99%~29.55%和22.97%~25.80%;粉化粒群中-0.075mm颗粒比率由2.86%上升至3.98%,其他粒级的变化趋势均不明显。热解过程转速的改变主要引起保持粒级比率的减小、碎裂粒群中13~6mm及粉化粒群中-0.075mm颗粒比率的增加.热解过程α由91.24%升至95.81%,仍有增加,而β则介于15.77%~16.95%,说明高温过程中转速仍对粉碎有影响。

回转窑

3、保温时间对褐煤热碎性的影响

在转速为4r/min,入料粒度为25~13mm,温度为120℃的典型干燥温度试验条件下,当保温时间由20min增至60min时,分析褐煤产物的粒度分布。保持粒级的比率由87.32%降至68.02%;碎裂粒群中13~6mm颗粒的比率由4.84%增至11.01%,6~3mm颗粒的比率由2.73%增至6.41%,3~1mm颗粒的比率由2.78%增至6.83%;粉化粒群中1~0.5mm颗粒的比率由1.02%增至2.83%,0.5~0.25mm颗粒的比率由0.64%增至1.85%,0.25~0.125mm颗粒的比率由0.29%增至0.94%,0.125~0.075mm颗粒的比率由0.21%增至0.70%,-0.075mm颗粒的比率由0.17%增至1.41%,各粒级均有所增加,但幅度较小,介于0.4%~1.8%之间.产物的α由12.68%增至31.98%,产物碎裂程度增加,但在30~40min时骤然升高,这是因为煤样在30~40min时脱水速率 ,水分析出最为强烈,使斜率发生陡增,粉化率β呈线性增加,由2.34%升至7.74%,未出现陡增现象。

在温度为600℃,转速为4r/min,入料粒度为25~13mm的典型热解过程条件下,分析褐煤热碎产物粒度分布。保持粒级的比率由7.93%降至3.84%;碎裂粒群产物未有 ,13~6mm,6~3mm和3~1mm颗粒的比率分别介于29%~33%,27%~28%,17%~21%;粉化粒群中,-0.075mm颗粒的比率由2.72%增至7.12%,其他粒径的比率均低于6%。随时间的增加,α和β分别由92.07%,13.68%增至96.16%,19.74%,说明高温过程时间的延长也会对褐煤的碎裂及粉化起作用,但此阶段的褐煤已趋近完全碎裂(α>90%),因此影响 有限。

回转窑

4、入料粒度对热碎性的影响

在转速为4r/min,时间为30min,温度为120℃的干燥试验条件下,分析不同入料粒度的褐煤产物粒度分布。低温干燥过程中不同入料粒度的碎裂产物分布具有相似性,即产物主体由保持粒级和次级碎裂粒度产物组成。入料为6~3mm时,产物中6~3和3~1mm的比率分别为87.79%和9.87%,粉化粒群仅占2.35%;入料为13~6mm时,产物中13~6和6~3mm颗粒的比率分别为87.27%和8.08%,-3mm颗粒的比率均低于1%;入料为25~13mm时,产物中25~13,13~6mm颗粒的比率分别为86.62%,5.19%;6~1mm粒级颗粒的比率在2%左右;粉化粒群产物则主要分布于0.2%~1%之间。产物总碎裂率α分别为12.21%,12.73%,13.38%,粉化率β分别为2.35%,2.37%和3.87%,随入料粒度的增加仅有小幅增加。

在转速为4r/min,时间为30min,入料粒度为25~13mm的热解过程中,分析不同入料粒度的产物粒度分布。入料为25~13mm颗粒时,产物中25~13,13~6,6~3,3~1mm颗粒的比率分别为5.05%,29.08%,28.37%,21.80%,成为碎裂后的主要粒级;-1mm粒级总占比为15.70%;入料为13~6mm颗粒时,13~6,6~3,3~1mm颗粒的比率分别为29.96%,41.67%,14.95%,-1mm粒级总占比为13.42%;入料为6~3mm时,6~3,3~1mm颗粒的比率分别为33.11%,53.49%,-1mm粒级占总比13.40%,表明随入料粒度的增加,碎裂产物的粒度分布更均匀。产物的α分别为94.95%,70.04%,66.89%,表明粒度较大,更易碎裂;β分别为16.70%,13.42%和13.41%,表明入料粒度的改变对粉化的影响较小。

回转提质过程中,随温度的升高(120~700℃),褐煤产物的总碎裂率α由13.38%增至94.95%;粉化率β由3.87%增至16.70%。褐煤热碎产物中,保持粒级(25~13mm)的含量降低,碎裂和粉化粒群含量均有上升且13~6和-0.075mm粒级的变化更显著。温度使褐煤受热作用过程水汽、挥发分析出等行为影响而导致孔隙结构改变并促使热碎发生。

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