蘭炭基茶葉烘焙型炭成型工藝參數研究

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分與焦油后得到的固體副產物。由于蘭炭具有固定碳高、熱值高、灰分與揮發分含量低，多應用于供能材料的生產，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品。茶葉烘焙炭材料通常是以各種木質型炭為主，由于木炭在烘焙茶葉過程中會迅速燃燒，表現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，綜合兩者原料優點，以制備出熱值高、價格低廉、燃燒持久的型炭產品。

由于蘭炭機械強度不高，僅在生產過程中就會有占總量10%的半焦碎裂成小于3 mm 的半焦末，因此將采用有黏結劑的冷壓成型型炭技術。王東升等就使用有黏結劑成型方式對褐煤蘭炭進行了高壓對輥成型試驗，當黏結劑的總添加量為6%時，蘭炭型炭的成型率為88.6%。張萬元里等的研究結果表明，含約20%生物質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性。因此，采用有黏結劑冷壓成型工藝可提高產品的成型率與機械強度。本試驗探究了黏結劑添加比例、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工藝參數。

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劑與助劑通過混合攪拌冷壓成型，實驗主要原料工業分析和全硫分析見表1。

表1 原料工業分析和全硫分析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 工業分析

樣品水分、灰分、揮發分按照GB/T 212-2008《煤的工業分析方法》測定，發熱量按照GB/T 212008《煤的發熱量測定方法》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 方法標準進行冷壓強度測試，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，以算術平均值作為所測樣品的冷壓強度值。

2 結果與分析

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

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劑與炭粒之間的粘結，降低了炭粒之間大孔隙的存在。較高的成型壓力導致炭粒破碎，改變了炭粒之間堆積方式，甚至黏結劑不能及時填充在炭粒中形成的新的斷面，導致型炭表面分布細微的裂紋，使型炭的抗壓強度降低。綜上，型炭的最優的成型壓力為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劑粘連，促使炭粒形成大的絮體以表現出較好的強度。適量的成型水分促進型炭形成密集的絮體網絡，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，達538 N，說明水分能夠充分溶解黏結劑形成黏結劑膠體，黏結劑膠體與炭?；旌暇鶆蚝蟪涉I，形成冷壓強度較強的型炭；低于最優成型水分時，型炭的SCC 逐漸增加，高于最優成型水分時，型炭SCC 呈下降趨勢。成型水分過高，導致炭粒之間的粘結劑膠體層過厚，進行擠壓成型時黏結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，應力集中導致型炭的SCC 降低。綜上，型炭的最佳成型水分質量百分比為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，需經過干燥處理去除內部影響產品的自由水，留存的結合水有助于產品的強度表達。型炭內部含水量對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，型炭樣品內部含水量的變化對型炭SCC 有著重要的影響。內部含水量較大時，型炭內部炭粒與黏結劑之間形成的螯合物比較濕軟，螯合物之間的距離性導致樣品中形成的橋鍵少且作用力小，型炭SCC 較低；當內部水分為7.5%時，型炭SCC 達到最大，隨著繼續減小內部含水量，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劑提供更多的表面場所來粘結炭粒，并且適量的水有著提供氫鍵具有一定的粘結作用。水分過低，型炭內部孔隙裸露，導致炭粒之間的成鍵能力下降，型炭SCC 降低。因此，將型炭產品的含水量維持在約7.5%。

2.3 黏結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，因而選用預糊化淀粉等為主要成分，黏結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，當黏結劑添加比例為2%時，型炭的SCC 分別僅有73 N，表明黏結劑未能使炭粒表面粘結，黏結劑不能夠與粉炭充分結合形成較強性能的型炭。隨著黏結劑添加比例的增加型炭的SCC 持續增大，當添加比例約為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%，因而黏結劑添加比例選為5%。

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