一种型煤制备工艺的制作方法

本发明涉及煤炭深加工与资源化利用，具体为一种型煤制备工艺。

背景技术：

1、将工业粉煤或低阶碎煤加工成型煤，是提高煤炭资源利用率、改善燃烧效率并减少粉尘污染的有效途径。在型煤制备过程中，粘结剂的选择与配伍直接决定了成品的力学强度、热稳定性以及防潮抗水性能。为了综合提升型煤的各项理化指标，目前工业上常采用无机粘结剂（如水玻璃、膨润土）与有机粘结剂（如木质素、淀粉）进行复合。

2、在采用水玻璃与碱木质素的复合粘结体系时，为了使两者在煤粉颗粒间形成稳固的结合，通常需要引入酸性物质或多价金属盐作为固化剂，以促使水玻璃脱水缩聚并引导木质素分子发生交联。然而，在实际的连续化制备工艺中，这种复合体系的流变操作窗口期与成品固化强度之间存在难以调和的矛盾。

3、如果在混料阶段直接加入具有较高活性的酸类或游离金属离子固化剂，体系的ph值会迅速发生改变，导致水玻璃和碱木质素在常温下提前发生化学反应。这种早期固化现象会促使湿混物料的粘度在短时间内急剧上升，导致物料丧失压制成型所需的塑性与流动性。这不仅严重缩短了工艺的操作窗口期，还容易造成混料设备粘附以及对辊压球机堵塞，影响生产的连续性。

4、相反，为了维持物料在常温下的低粘度以保证成型工序顺畅进行，部分工艺选择降低交联固化剂的添加量或采用低反应活性的粘结配方。但这种处理方式导致成型后的湿基型煤无法发生深度的化学交联反应，其硬化过程主要依赖于水分的物理挥发。单纯依靠脱水干燥形成的物理粘结结构较为松散，无法在型煤内部构建致密的网络骨架，最终导致型煤成品的冷态抗压强度偏低。且由于内部存在较多亲水性微孔，此类型煤在露天储运过程中遇到雨水浸泡时，容易发生吸水溶胀和结构溃散，无法满足实际工业应用对型煤机械强度和抗水性能的要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种型煤制备工艺，解决了现有型煤粘结体系中，常温流变操作窗口期与高温固化交联强度之间存在制约关系。高反应活性的粘结剂体系在混料及成型阶段容易发生早期固化，导致物料粘度激增从而导致设备堵塞；而低反应活性的粘结剂体系则需要延长的干燥时间，且最终型煤成品的固化强度、抗水性及热稳定性不佳的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种型煤制备工艺，采用如下的技术方案：

3、一种型煤制备工艺，采用包含以下重量份的原料制成：

4、原煤粉：100份；

5、粉状碱木质素：2～5份；

6、液体水玻璃：3～6份；

7、碳酸亚丙酯：0.3～0.8份；

8、柠檬酸螯合铝溶液：0.5～1.2份；

9、以及补加水；

10、所述制备工艺包括以下步骤：

11、s1、干混：将按配比称取的原煤粉与粉状碱木质素加入混合机中进行干混；

12、s2、湿混：向干混物料中同步喷入所述液体水玻璃、碳酸亚丙酯、柠檬酸螯合铝溶液以及补加水，在控制温度下持续湿混获得湿混料；

13、s3、成型：将所述湿混料送入成型设备中施加压力压制，获得湿基型煤；

14、s4、固化：将所述湿基型煤输送至干燥设备中，在设定的进风温度下进行热处理；

15、s5、冷却：将热处理后的型煤进行强制风冷降温，筛分后即得型煤成品。

16、通过采用上述技术方案，本发明的型煤制备工艺能够在常温混料阶段使物料保持相对稳定的流变状态，减缓早期交联造成的设备粘结风险；随后在受热固化阶段，依靠温度变化引发化学反应，以此来改善型煤成品的力学性能与抗水能力。

17、该工艺的反应机理主要包含以下过程：在干混与湿混阶段，由于水玻璃与碱木质素的存在，物料体系表现出一定的碱性环境。在此常温条件下，碳酸亚丙酯及柠檬酸螯合铝溶液基本不发生明显的离解或水解反应，此时柠檬酸分子对铝离子形成配位掩蔽，使得水玻璃体系得以维持溶胶状态，各组分在此阶段主要以物理分散为主，维持体系相对较低的粘度，从而为后续的压制成型操作提供流动性支持。

18、当进入固化热处理阶段后，随着型煤内部温度的逐渐上升，碳酸亚丙酯吸收热能并发生开环水解。该水解反应会消耗体系内的部分氢氧根离子，生成丙二醇和碳酸根，进而导致型煤内部微环境的ph值出现下降趋势。伴随体系ph值的降低以及持续的热量输入，预置的柠檬酸螯合铝体系内部的配位平衡逐渐被打破，柠檬酸配体开始脱离，使得游离态的铝离子被释放出来。

19、与此同时，ph值的下降与水分的蒸发过程加速了水玻璃中偏硅酸根离子的脱水缩聚，进而生成主要由si-o-si键构成的无机刚性骨架。在这一过程中，被释放的铝离子能够与碱木质素分子结构中的酚羟基及羧基等基团发生配位，形成相应的铝-氧-碳交联节点，交联形成柔性有机高分子网络。

20、上述生成的无机硅酸盐骨架与有机木质素网络在型煤微观孔隙内同步发展并产生一定程度的相互穿透与缠结。此外，水解副产物丙二醇留存在网络间隙中，起到了适度的润滑与增塑作用。这种复合网络结构有助于固定原煤粉颗粒，减少水分浸入的通道，进而改善了型煤的冷态抗压强度与浸水后的强度保持率。

21、优选的，所述原煤粉的粒径≤3.0mm，其中粒径≤1.0mm的质量分数≥70wt%；所述液体水玻璃的模数为2.4～3.2，波美度为40bé～45bé；所述粉状碱木质素的数均分子量为3000g/mol～5000g/mol，且粉状碱木质素的1wt%的水溶液的ph值为9.5～11.0。

22、通过采用上述技术方案，控制原煤粉的细颗粒比例，有助于其在压制过程中形成相对紧密的堆积状态，降低内部空隙。采用特定模数与波美度的水玻璃，能够为体系提供基础的硅酸根低聚物。限定木质素的分子量参数，主要是为了获得较为适宜的链段长度与活性官能团分布，使其更易于在水相体系中展开，并与无机组分发生混合。

23、优选的，所述柠檬酸螯合铝溶液通过以下步骤制备得到：

24、a1、配制质量浓度为30wt%的柠檬酸水溶液；

25、a2、在常温机械搅拌下向其中加入十八水合硫酸铝晶体直至完全溶解，形成铝离子与柠檬酸分子的摩尔比为1:(1.5～2.0)的酸性络合液；

26、a3、在维持体系温度不超过30℃的条件下，向所述酸性络合液中缓慢滴加质量浓度为20wt%的氢氧化钠水溶液，待体系ph值升高至10.5～11.0时停止滴加，继续在30℃下保温搅拌60min，得到柠檬酸螯合铝溶液。

27、通过采用上述技术方案，利用特定比例的柠檬酸来促进铝离子的配位掩蔽效果。在较低温度下滴加碱液并进行陈化处理，目的是调节络合液的初始ph值，使其与湿混料主体的ph值相接近，以减少含铝溶液加入时引发的局部酸碱中和，从而降低水玻璃过早析出硅胶沉淀的可能性。

28、优选的，在原煤粉称取之前，预先对所述原煤粉进行干燥及均化处理，使原煤粉实际投料时的初始含水率控制为3.0wt%～5.0wt%。

29、通过采用上述技术方案，有助于减弱原煤原料在不同批次间水分波动带来的影响。保持较为稳定的初始含水率，能够促进粉状碱木质素在煤粉表面的初步附着，为后续加入的液相组分提供更好的铺展条件。

30、优选的，s1步骤中，所述混合机为双轴桨叶混合机，混合机的转速为40r/min～60r/min，干混的时间为3min～5min。 通过采用上述技术方案，借助混合设备的剪切作用，有利于分散原煤粉及碱木质素中存在的软团聚现象，促进固相粉末物料的初步混合均一。

31、优选的，s2步骤中，开启水冷系统控制物料混合温度为20℃～30℃；根据所述原煤粉的实测初始含水率及液体组分含水量折算所述补加水的添加量，使湿混料的含水率为8.0wt%～12.0wt%，湿混的时间为10分钟～15分钟。

32、通过采用上述技术方案，控制混合温度有助于带走搅拌过程中产生的热量，减小因温度升高而引发碳酸亚丙酯提前水解的概率。通过折算并调节湿混料的水分，既为液相组分的传质扩散提供了一定的溶剂介质，又能避免由于含水量偏高导致物料塑性过大、脱模困难的问题。

33、优选的，s3步骤中，采用对辊压球机作为成型设备，设置压制的线压力为20mpa～30mpa，辊皮转速为10r/min～15r/min。

34、通过采用上述技术方案，机械压制作用促使原煤粉颗粒发生一定程度的位移与重排，帮助排出物料内部包裹的部分空气。此线压力参数与湿混料的状态相适应，能够使湿基型煤获得便于后续搬运和传输的基础力学强度。

35、优选的，s4步骤中，采用网带式穿流干燥机作为干燥设备，设定进风温度为110℃～130℃，热处理的时间为25分钟～45分钟；热处理结束时，控制所述型煤中心温度达到95℃以上。

36、通过采用上述技术方案，选定的热风温度区间能够在型煤由表及里的传热过程中形成温度梯度，为碳酸亚丙酯的水解提供所需的热能。设定热处理时长与目标中心温度，旨在提高内部交联反应的进行程度，加速网络骨架的构建。

37、优选的，s5步骤中，固化后的型煤进入逆流冷却段，在强制风冷下将型煤中心温度降至40℃以下，型煤成品的含水率≤3.0wt%。

38、通过采用上述技术方案，强制风冷能够使型煤快速降温，从而延缓并基本停止内部的后续反应。在降温过程中，随着温度降至木质素链段的玻璃化转变温度以下，其状态发生改变并伴随一定的硬化效应，配合无机骨架结构，并且将最终成品的含水率控制在较低水平，有助于交联网络脱水收缩闭合，实现型煤成品的最终强度成型。

39、本发明提供了一种型煤制备工艺。具备以下有益效果：

40、1、本发明的制备工艺延长了混料与成型过程的操作窗口期。通过引入碳酸亚丙酯与柠檬酸螯合铝溶液作为复合固化体系，并结合20℃～30℃的湿混温度控制，使交联反应在常温混料阶段处于相对停滞状态。物料在此阶段维持了较低的粘度与适宜的流变性能，降低了因粘结剂早期固化而导致混合与压球成型设备发生粘附或堵塞的概率，有利于连续化工业生产的顺利进行。

41、2、本发明的技术方案能够提高最终型煤产品的冷态抗压强度。在固化热处理阶段，随着进风温度升高，碳酸亚丙酯受热发生水解并降低物料体系的ph值，进而促使水玻璃发生脱水缩聚形成无机硅酸盐骨架；与此同时，解络合释放的游离铝离子与碱木质素发生配位反应形成有机网络。这种无机与有机组分在原煤粉颗粒间生成的复合交联结构，增加了煤粉颗粒间的结合力，使型煤成品获得了较好的宏观力学强度。

42、3、本发明改善了型煤成品的抗水浸泡性能。在热处理固化过程中，由水玻璃脱水缩聚生成的无机硅酸盐骨架与铝离子-木质素配位交联形成的有机柔性链段在型煤微观孔隙内同步生成并相互交织，这种复合网络结构在一定程度上填充和封闭了型煤内部的空隙，截断了外部水分向内部渗透的毛细连通通道。结合工艺中控制残余含水率低于3.0wt%所带来的网络脱水收缩效应，减轻了型煤在遇水环境下的吸水溶胀现象，从而提高了其浸水后的强度保持率，减少了遇水易溃散的情况。