型煤“球化”炭化粘结机理和收缩动力学研究

Based on research we found that the masses of non-intermediate-phase aggregated small spheres were generated in briquette, adding a type of anthracite briquette of spheroidization agents. The size and blinding properties of small spheres can be adjusted by changing the particle size and addition of the spheroidization agents. And then the size and blinding properties of small spheres can adjust the generation and contraction properties of crack in the process of briquettes carbonization. However, the basic science problem of properties of "interfacial bond", blinding mechanism of spheroidization, carbonization among them, the action mechanism of generation and contraction of crack are not clear in the carbonization process of the spheroidization structure briquettes. To solve these problems, the project systematically organize ：the research of pyrolysis properities of coal, binder , spheroidization agents and its ingredients; the research of generated and developed rule of Small sphere and the relation with Ng free radicals concentration; the research of the action essence and contracted properities of generation and inhibit to crack. The aim of this project research is to establish carbonization mechanism of spheroidization structure of high-rank pulverized briquette, and provide theoretical guidance for deep processing of the new high-rank pulverized coal.

基于研究发现：添加一种球化剂的无烟粉煤型块，炭化时生成大量的、非中间相惰性煤料聚集小球体，而且通过调整球化剂的粒度和添加量等参数，可调节小球体尺寸及其粘结等特性，进而可调节型煤块炭化时裂纹生成和收缩等特性。但是，在添加球化剂进行的球化结构炭化过程中，煤料、粘结剂和球化剂之间的结合特性、"球化"炭化粘结机理以及小球体对裂纹生成和收缩的作用机制等基础科学问题不明确。针对这些问题，本项目系统地开展：煤料、粘结剂和球化剂及其配料的热解特性研究；小球体生成和发育的规律及其与自由基浓度Ng关系的研究；小球体对裂纹生成和抑制的作用本质和收缩特性等研究；项目研究旨在建立高阶粉煤块球化炭化机理理论，为新型高阶粉煤矿产深加工提供理论指导，项目具有重要的意义。

针对型煤球化炭化过程中煤料、粘结剂和球化剂之间的结合特性、粘结炭化机理以及小球体对裂纹生成和收缩的作用机制等基础科学问题不明确等问题，利用SEM、FTIR、XPS、Raman、TG-DTG和13C-NMR等分析方法，系统地开展了型煤“球化”炭化粘结机理和收缩动力学研究，主要结论如下：（1）认识了型煤炭化过程中结构和自由基变迁规律，并将这些变化与炭化型煤强度进行了合理关联（Ng500/Ng900 ∝△La= La900-La500∝M40），从微观角度阐述了粘结剂与无烟煤形成牢固粘结的关键因素。（2）认识了小球体生成和发育规律及其抑制裂纹生成的本质作用。加入球化剂后，物料的收缩以非均一、弧形应力面方式向低温推进，固化时形成了大量“小球体”，同时，小球体之间的收缩也在进行，这两种收缩的相互作用使得应力充分分散，减少和克服了裂纹的生成。（3）建立了大尺寸（100mm×100mm×100mm）型煤炭化收缩动力学模型：(dV_t)/dt=V_0 [(1-x) dβ/dt-A_0 e^(-E⁄RT) (1-x)^n β] ，其计算所得理论值与实验值吻合较好。在此基础上，进一步延伸建立了工业化4.3m焦炉炭化室中大型捣固型煤（13.3m×5.0m×4.3m）的收缩速率模型：(d〖V'〗_t)/dt=1/5×∑_1^5▒(d〖V'〗_ti)/dt，其中(d〖V'〗_ti)/dt=〖V'〗_0i [(1-x_i ) (dβ_i)/dt-k_i (1-x_i )^n β_i ]。（4）提出了型煤球化炭化机理：煤和粘结剂热解生成的自由基在热迁移驱动下相互作用，通过形成碳-碳键缩聚的界面结合物实现了煤料的粘结，在进一步加热和缩聚过程中，粘结煤料在球化剂作用下形成小球体，此时型煤的收缩在“球化结构”自身和“球化结构”间的收缩固化中拉锯进行，随着分子结构有序化和紧密化的发展，最终形成了以缩聚芳烃为主、结构致密的炭化型煤、具有“球化结构”的炭化型煤。本课题研究对丰富、发展煤化学理论以及发展非粘结性粉煤深加工产业有重要的理论意义和应用价值。