蘭炭基茶葉烘焙型炭成型工藝參數(shù)研究

2023-07-13 12:04:18李彎彎

煤炭與化工 2023年5期

李彎彎

（陜西新能星炭能源有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

蘭炭又名半焦，是以低階煤為原料，在中低溫（500~800 ℃）條件下干餾炭化除去煤中大部分揮發(fā)分與焦油后得到的固體副產(chǎn)物。由于蘭炭具有固定碳高、熱值高、灰分與揮發(fā)分含量低，多應(yīng)用于供能材料的生產(chǎn)，是一種高附加值的炭素材料。

茶葉烘焙炭是專指茶葉做青、炒青時為茶葉提供熱量助于茶葉干燥的炭產(chǎn)品。茶葉烘焙炭材料通常是以各種木質(zhì)型炭為主，由于木炭在烘焙茶葉過程中會迅速燃燒，表現(xiàn)為燃燒時間過短的缺點。以及市場上的果木炭原料價格普遍較高，果木炭年消耗量大。因此，本實驗采用果木炭與蘭炭摻雜制備蘭炭基茶葉烘焙型炭，綜合兩者原料優(yōu)點，以制備出熱值高、價格低廉、燃燒持久的型炭產(chǎn)品。

由于蘭炭機械強度不高，僅在生產(chǎn)過程中就會有占總量10%的半焦碎裂成小于3 mm 的半焦末，因此將采用有黏結(jié)劑的冷壓成型型炭技術(shù)。王東升等就使用有黏結(jié)劑成型方式對褐煤蘭炭進行了高壓對輥成型試驗，當(dāng)黏結(jié)劑的總添加量為6%時，蘭炭型炭的成型率為88.6%。張萬元里等的研究結(jié)果表明，含約20%生物質(zhì)的型炭和普通型炭的原料粒徑與抗壓強度具有不同的相關(guān)性。因此，采用有黏結(jié)劑冷壓成型工藝可提高產(chǎn)品的成型率與機械強度。本試驗探究了黏結(jié)劑添加比例、成型壓力、水分對型炭機械性能的影響，獲得適合型炭制備的較優(yōu)工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本文采用蘭炭（SC）與果木炭（FC）為原料，通過添加適量的黏結(jié)劑與助劑通過混合攪拌冷壓成型，實驗主要原料工業(yè)分析和全硫分析見表1。

表1 原料工業(yè)分析和全硫分析Table 1 Raw industrial analysis and its total sulfur analysis

1.2 試驗儀器

5E-MF6100K 型馬弗爐。

5E-C5500A 型量熱儀。

5E-S3200 型測硫儀。

EBJ-10GC 手動油壓成型機。

HNYL 型電子萬能試驗機。

1.3 分析測試方法

1.3.1 工業(yè)分析

樣品水分、灰分、揮發(fā)分按照GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》測定，發(fā)熱量按照GB/T 212008《煤的發(fā)熱量測定方法》測定；全硫按照GB/T 214-2007《煤中全硫的測定方法》測定。

1.3.2 冷壓強度測定

按照MT/T 748-2007 方法標(biāo)準(zhǔn)進行冷壓強度測試，在抗壓強度測試儀的中心位置放置一定數(shù)量（＞10 個）的型炭，測量樣品的抗壓能力，記錄試樣破碎前的最大壓力，以算術(shù)平均值作為所測樣品的冷壓強度值。

2 結(jié)果與分析

成型壓力、成型水分、黏結(jié)劑摻雜比例等工藝參數(shù)對型炭成型的致密性有著顯著的影響，在SC與FC 按照質(zhì)量比2∶1 的條件下，探究其冷壓成型條件的工藝參數(shù)。

2.1 成型壓力對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響

隨著成型壓力的增加，型炭的SCC 先增加后減小。當(dāng)型炭成型壓力為10 MPa 時，型炭的SCC為238 N；型炭成型壓力為25 MPa 時，其SCC 達到最大值為525 N；型炭成型壓力逐漸增大，型炭的SCC 呈現(xiàn)減小的趨勢。型炭SCC（冷壓強度）隨成型壓力的變化而變化。成型壓力對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響如圖1 所示。

圖1 成型壓力對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響Fig.1 Effect of forming pressure on SCC of the tea baked briquette based semi-coke

由圖1 可以看出，隨著成型壓力的增加，型炭更加密實，炭粒的填充密度變大，型炭變得更加緊實。在成型壓力、黏結(jié)劑和成型水分等共同作用下，型炭的填充進一步緊實。成型壓力的增加，通過這種機械手段促進了黏結(jié)劑與炭粒之間的粘結(jié)，降低了炭粒之間大孔隙的存在。較高的成型壓力導(dǎo)致炭粒破碎，改變了炭粒之間堆積方式，甚至黏結(jié)劑不能及時填充在炭粒中形成的新的斷面，導(dǎo)致型炭表面分布細(xì)微的裂紋，使型炭的抗壓強度降低。綜上，型炭的最優(yōu)的成型壓力為25 MPa。

2.2 水分對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響

果木炭含氧量高，使得水可以很好地潤濕其表面。在型炭的制備過程中，添加適量的水分可以潤濕炭表面，通過中間體水可以促進炭粒與黏結(jié)劑粘連，促使炭粒形成大的絮體以表現(xiàn)出較好的強度。適量的成型水分促進型炭形成密集的絮體網(wǎng)絡(luò)，提高型炭的強度。

2.2.1 成型水分對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響

成型水分含量對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響如圖2 所示。

圖2 成型水分含量對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響Fig.2 The forming moisture content on SCC of the tea baked briquette based semi-coke

由圖2 可知，型炭的成型水分為28%，型炭的成型SCC 最優(yōu)，達538 N，說明水分能夠充分溶解黏結(jié)劑形成黏結(jié)劑膠體，黏結(jié)劑膠體與炭粒混合均勻后成鍵，形成冷壓強度較強的型炭；低于最優(yōu)成型水分時，型炭的SCC 逐漸增加，高于最優(yōu)成型水分時，型炭SCC 呈下降趨勢。成型水分過高，導(dǎo)致炭粒之間的粘結(jié)劑膠體層過厚，進行擠壓成型時黏結(jié)劑膠體會被壓縮流動至型炭表面，造成型炭脫模困難與型炭表面粗糙，在測試SCC 過程中，應(yīng)力集中導(dǎo)致型炭的SCC 降低。綜上，型炭的最佳成型水分質(zhì)量百分比為28%。

2.2.2 型炭含水量對強度的影響

新制備出的型炭因含有大量水分，需經(jīng)過干燥處理去除內(nèi)部影響產(chǎn)品的自由水，留存的結(jié)合水有助于產(chǎn)品的強度表達。型炭內(nèi)部含水量對SCC 有影響，殘余水分對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響如圖3 所示。

圖3 殘余水分對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響Fig.3 Effect of residual water on SCC of the tea baked briquette based semi-coke

由圖3 可以看出，型炭樣品內(nèi)部含水量的變化對型炭SCC 有著重要的影響。內(nèi)部含水量較大時，型炭內(nèi)部炭粒與黏結(jié)劑之間形成的螯合物比較濕軟，螯合物之間的距離性導(dǎo)致樣品中形成的橋鍵少且作用力小，型炭SCC 較低；當(dāng)內(nèi)部水分為7.5%時，型炭SCC 達到最大，隨著繼續(xù)減小內(nèi)部含水量，型炭SCC 開始減小。果木炭孔隙率大、表面粗糙，在成型的過程中為黏結(jié)劑提供更多的表面場所來粘結(jié)炭粒，并且適量的水有著提供氫鍵具有一定的粘結(jié)作用。水分過低，型炭內(nèi)部孔隙裸露，導(dǎo)致炭粒之間的成鍵能力下降，型炭SCC 降低。因此，將型炭產(chǎn)品的含水量維持在約7.5%。

2.3 黏結(jié)劑濃度對蘭炭基茶葉烘焙型炭的影響

由于型炭的用途與食品密切相關(guān)，因而選用預(yù)糊化淀粉等為主要成分，黏結(jié)劑的添加比例對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響如圖4 所示。

圖4 黏結(jié)劑添加比例對蘭炭基茶葉烘焙型炭強度的影響Fig.4 Effect of binder addition ratio on SCC of the tea baked briquette based semi-coke

由圖4 可以看出，當(dāng)黏結(jié)劑添加比例為2%時，型炭的SCC 分別僅有73 N，表明黏結(jié)劑未能使炭粒表面粘結(jié)，黏結(jié)劑不能夠與粉炭充分結(jié)合形成較強性能的型炭。隨著黏結(jié)劑添加比例的增加型炭的SCC 持續(xù)增大，當(dāng)添加比例約為5%時，型炭的SCC 達到533 N，增加至6%時，型炭的SCC 達到582 N；添加比例從5%增加至6%時，型炭SCC僅增加9.2%，因而黏結(jié)劑添加比例選為5%。

型炭的最優(yōu)成型壓力為25 MPa，成型水分為28%，黏結(jié)劑添加比例為5%，烘干后殘余水分為7.5%，冷壓強度約為533 N。