焦炭粉制备高强度型焦的工艺及机理研究

论文摘要

近年来,国际焦炭供求紧张,价格不断攀升,而焦炭在生产、破碎、运输和使用过程中不可避免产生的焦粉,却大量地被廉价处理甚至被废弃。因此,利用焦粉制备型焦,恢复其焦炭的功能,对于提高焦粉的使用价值,保护环境,节约炼焦所需的焦煤和肥煤等优质煤资源具有重要的意义。本研究以焦粉为原料,煤沥青为粘结剂,通过添加助剂BJ,研究开发了由成型、挥发、炭化焙烧等主要环节组成的新工艺,制备出高强度型焦,研究探讨了焦粉制备型焦的固结机理。研究发现,助剂BJ对煤沥青具有活化作用,使煤沥青在常温下表现出良好的粘结性能。通过添加助剂BJ,实现了以煤沥青为粘结剂的焦粉常温成型,并获得了质量良好的湿块和干块。在煤沥青用量12%,成型压力35Mpa,成型水分13%,-0.45mm占32.5%,1～0.45mm占16.75%,3～1mm占48.2%,5～3mm占2.55%的焦粉粒度分布的成型条件下,未添加BJ时,湿块落下强度为0,干块强度为10.6次·（2m）-1、5.54Mpa,通过添加2.4ml·（100g焦粉）-1的助剂BJ,湿块落下强度达到>50次·（m）-1,干块强度达到44.7次·（2m）-1、11.38Mpa。基于粘结剂热行为的研究结果,开发了以焦粉为原料、煤沥青为粘结剂的挥发一炭化焙烧热处理工艺。研究表明,与一般工艺中对型块直接进行高温炭化焙烧相比,本工艺基于助剂BJ的作用,先采用空气气氛对型块进行挥发热处理,再采用N2气氛对型块进行炭化焙烧,型焦达到了良好固结的效果,并降低了炭化温度,缩短了炭化时间。成型后的湿块在370℃中先挥发20min,挥发块的强度达到14.07Mpa,再在550℃中炭化焙烧30min,型焦的强度继续提高至21.30Mpa。而成型后的湿块直接在550℃中炭化焙烧30min,型焦的强度仅为12.64Mpa。可见,挥发缩聚是实现型焦充分固结的一个关键技术环节。采用本工艺可制备出抗压强度>21Mpa、反应性和反应后强度分别为30.31%和30.88%的高强度型焦产品,其强度与普通冶金焦和DKS工艺的型焦产品相当。本型焦工艺产品性能好,在常温下成型,热处理温度低,热处理时间短,工艺流程简单,混捏前不需对原料预热,可省略干燥流程,能耗小,成本低,具有许多优势,其应用前景广阔。型焦的固结机理研究表明：在挥发炭化过程中,助剂BJ促进煤沥青进行一系列的分解、聚合、缩合反应,在焦粉颗粒表面形成硬化膜,并在焦粉颗粒间形成粘结剂“碳链桥”,从而将焦粉颗粒牢固地粘结起来,形成具有一定强度的宏观均质的焦块。型焦的固结作用机理可由C+CxA+C→C-Cn-C+CmA表示。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 国内外回收利用焦粉的研究现状
• 1.1.1 普通工业燃料
• 1.1.2 配入炼焦原料
• 1.1.3 制备活性炭
• 1.1.4 型焦配料
• 1.2 型焦制备技术的研究进展
• 1.2.1 型焦成型的主要工艺
• 1.2.2 型焦粘结剂的技术研究
• 1.2.3 冷压型焦的粘结和成焦机理
• 1.3 煤沥青粘结剂的研究
• 1.3.1 煤沥青的组成
• 1.3.2 焙烧过程中煤沥青粘结剂的热分解缩聚行为
• 1.3.3 煤沥青的成焦机理的研究
• 1.4 本课题的研究目的和意义
• 第二章 原料性能及研究方法
• 2.1 原料性能
• 2.1.1 焦粉
• 2.1.2 煤沥青
• 2.1.3 助剂
• 2.2 试验研究方法
• 2.2.1 试验流程
• 2.2.2 试验方法
• 2.2.3 型焦质量检测方法
• 2.3 粘结成焦机理的研究方法
• 2.3.1 型块的化学组成和显微结构
• 2.3.2 煤沥青的化学组成和结构
• 第三章 焦粉成型的工艺研究
• 3.1 模压成型的理论基础
• 3.2 焦粉成型的粘结剂技术研究
• 3.2.1 助剂的作用
• 3.2.2 煤沥青种类的影响
• 3.2.3 粘结剂用量的影响
• 3.3 成型工艺条件的研究
• 3.3.1 原料粒度分布的影响
• 3.3.2 成型压力的影响
• 3.3.3 成型水分的影响
• 3.4 成型过程中粘结剂的粘结机理研究
• 3.4.1 粘结剂的化学成分
• 3.4.2 粘结剂的化学结构
• 3.4.3 粘结剂的粘结状态
• 3.5 本章小结
• 第四章 型块的热处理技术研究
• 4.1 粘结剂的热行为研究
• 2中的热行为'>4.1.1 粘结剂在N₂中的热行为
• 4.1.2 粘结剂在空气中的热行为
• 2气氛与空气气氛中的热行为比较'>4.1.3 粘结剂在N₂气氛与空气气氛中的热行为比较
• 4.2 型块的热挥发缩聚技术的研究
• 4.2.1 挥发气氛的影响
• 4.2.2 挥发温度的影响
• 4.2.3 挥发时间的影响
• 4.2.4 助剂的作用
• 4.2.5 粘结剂用量的影响
• 4.3 型焦炭化焙烧固结技术的研究
• 4.3.1 炭化温度的影响
• 4.3.2 炭化时间的影响
• 4.3.3 挥发温度的影响
• 4.3.4 挥发时间的影响
• 4.3.5 助剂的作用
• 4.3.6 粘结剂用量的影响
• 4.4 型焦产品的质量分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 型焦的固结机理研究
• 5.1 粘结剂的化学成分和化学结构的演变过程
• 5.1.1 粘结剂的化学成分
• 5.1.2 粘结剂的化学结构
• 5.2 型块的内部结构的演变过程
• 5.2.1 型块的内部形貌
• 5.2.2 型块的气孔结构
• 5.3 型焦的固结机理
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间主要研究成果