兰炭基茶叶烘焙型炭成型工艺参数研究

李弯弯

（陕西新能星炭能源有限公司，陕西 西安 710000）

0 引 言

兰炭又名半焦，是以低阶煤为原料，在中低温（500~800 ℃） 条件下干馏炭化除去煤中大部分挥发分与焦油后得到的固体副产物。由于兰炭具有固定碳高、热值高、灰分与挥发分含量低，多应用于供能材料的生产，是一种高附加值的炭素材料。

茶叶烘焙炭是专指茶叶做青、炒青时为茶叶提供热量助于茶叶干燥的炭产品。茶叶烘焙炭材料通常是以各种木质型炭为主，由于木炭在烘焙茶叶过程中会迅速燃烧，表现为燃烧时间过短的缺点。以及市场上的果木炭原料价格普遍较高，果木炭年消耗量大。因此，本实验采用果木炭与兰炭掺杂制备兰炭基茶叶烘焙型炭，综合两者原料优点，以制备出热值高、价格低廉、燃烧持久的型炭产品。

由于兰炭机械强度不高，仅在生产过程中就会有占总量10%的半焦碎裂成小于3 mm 的半焦末，因此将采用有黏结剂的冷压成型型炭技术。王东升等就使用有黏结剂成型方式对褐煤兰炭进行了高压对辊成型试验，当黏结剂的总添加量为6%时，兰炭型炭的成型率为88.6%。张万元里等的研究结果表明，含约20%生物质的型炭和普通型炭的原料粒径与抗压强度具有不同的相关性。因此，采用有黏结剂冷压成型工艺可提高产品的成型率与机械强度。本试验探究了黏结剂添加比例、成型压力、水分对型炭机械性能的影响，获得适合型炭制备的较优工艺参数。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本文采用兰炭（SC） 与果木炭（FC） 为原料，通过添加适量的黏结剂与助剂通过混合搅拌冷压成型，实验主要原料工业分析和全硫分析见表1。

表1 原料工业分析和全硫分析Table 1 Raw industrial analysis and its total sulfur analysis

1.2 试验仪器

5E-MF6100K 型马弗炉。

5E-C5500A 型量热仪。

5E-S3200 型测硫仪。

EBJ-10GC 手动油压成型机。

HNYL 型电子万能试验机。

1.3 分析测试方法

1.3.1 工业分析

样品水分、灰分、挥发分按照GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》 测定，发热量按照GB/T 212008《煤的发热量测定方法》 测定；全硫按照GB/T 214-2007《煤中全硫的测定方法》测定。

1.3.2 冷压强度测定

按照MT/T 748-2007 方法标准进行冷压强度测试，在抗压强度测试仪的中心位置放置一定数量（＞10 个） 的型炭，测量样品的抗压能力，记录试样破碎前的最大压力，以算术平均值作为所测样品的冷压强度值。

2 结果与分析

成型压力、成型水分、黏结剂掺杂比例等工艺参数对型炭成型的致密性有着显著的影响，在SC与FC 按照质量比2∶1 的条件下，探究其冷压成型条件的工艺参数。

2.1 成型压力对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响

随着成型压力的增加，型炭的SCC 先增加后减小。当型炭成型压力为10 MPa 时，型炭的SCC为238 N；型炭成型压力为25 MPa 时，其SCC 达到最大值为525 N；型炭成型压力逐渐增大，型炭的SCC 呈现减小的趋势。型炭SCC（冷压强度）随成型压力的变化而变化。成型压力对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响如图1 所示。

图1 成型压力对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响Fig.1 Effect of forming pressure on SCC of the tea baked briquette based semi-coke

由图1 可以看出，随着成型压力的增加，型炭更加密实，炭粒的填充密度变大，型炭变得更加紧实。在成型压力、黏结剂和成型水分等共同作用下，型炭的填充进一步紧实。成型压力的增加，通过这种机械手段促进了黏结剂与炭粒之间的粘结，降低了炭粒之间大孔隙的存在。较高的成型压力导致炭粒破碎，改变了炭粒之间堆积方式，甚至黏结剂不能及时填充在炭粒中形成的新的断面，导致型炭表面分布细微的裂纹，使型炭的抗压强度降低。综上，型炭的最优的成型压力为25 MPa。

2.2 水分对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响

果木炭含氧量高，使得水可以很好地润湿其表面。在型炭的制备过程中，添加适量的水分可以润湿炭表面，通过中间体水可以促进炭粒与黏结剂粘连，促使炭粒形成大的絮体以表现出较好的强度。适量的成型水分促进型炭形成密集的絮体网络，提高型炭的强度。

2.2.1 成型水分对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响

成型水分含量对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响如图2 所示。

图2 成型水分含量对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响Fig.2 The forming moisture content on SCC of the tea baked briquette based semi-coke

由图2 可知，型炭的成型水分为28%，型炭的成型SCC 最优，达538 N，说明水分能够充分溶解黏结剂形成黏结剂胶体，黏结剂胶体与炭粒混合均匀后成键，形成冷压强度较强的型炭；低于最优成型水分时，型炭的SCC 逐渐增加，高于最优成型水分时，型炭SCC 呈下降趋势。成型水分过高，导致炭粒之间的粘结剂胶体层过厚，进行挤压成型时黏结剂胶体会被压缩流动至型炭表面，造成型炭脱模困难与型炭表面粗糙，在测试SCC 过程中，应力集中导致型炭的SCC 降低。综上，型炭的最佳成型水分质量百分比为28%。

2.2.2 型炭含水量对强度的影响

新制备出的型炭因含有大量水分，需经过干燥处理去除内部影响产品的自由水，留存的结合水有助于产品的强度表达。型炭内部含水量对SCC 有影响，残余水分对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响如图3 所示。

图3 残余水分对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响Fig.3 Effect of residual water on SCC of the tea baked briquette based semi-coke

由图3 可以看出，型炭样品内部含水量的变化对型炭SCC 有着重要的影响。内部含水量较大时，型炭内部炭粒与黏结剂之间形成的螯合物比较湿软，螯合物之间的距离性导致样品中形成的桥键少且作用力小，型炭SCC 较低；当内部水分为7.5%时，型炭SCC 达到最大，随着继续减小内部含水量，型炭SCC 开始减小。果木炭孔隙率大、表面粗糙，在成型的过程中为黏结剂提供更多的表面场所来粘结炭粒，并且适量的水有着提供氢键具有一定的粘结作用。水分过低，型炭内部孔隙裸露，导致炭粒之间的成键能力下降，型炭SCC 降低。因此，将型炭产品的含水量维持在约7.5%。

2.3 黏结剂浓度对兰炭基茶叶烘焙型炭的影响

由于型炭的用途与食品密切相关，因而选用预糊化淀粉等为主要成分，黏结剂的添加比例对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响如图4 所示。

图4 黏结剂添加比例对兰炭基茶叶烘焙型炭强度的影响Fig.4 Effect of binder addition ratio on SCC of the tea baked briquette based semi-coke

由图4 可以看出，当黏结剂添加比例为2%时，型炭的SCC 分别仅有73 N，表明黏结剂未能使炭粒表面粘结，黏结剂不能够与粉炭充分结合形成较强性能的型炭。随着黏结剂添加比例的增加型炭的SCC 持续增大，当添加比例约为5%时，型炭的SCC 达到533 N，增加至6%时，型炭的SCC 达到582 N；添加比例从5%增加至6%时，型炭SCC仅增加9.2%，因而黏结剂添加比例选为5%。

型炭的最优成型压力为25 MPa，成型水分为28%，黏结剂添加比例为5%，烘干后残余水分为7.5%，冷压强度约为533 N。

2.4 兰炭基茶叶烘焙型炭工业分析

为了进一步验证型炭生产工艺参数，故对其进行了工业分析，兰炭基茶叶烘焙型炭产品指标见表2。

由表2 可以知，型炭与果木炭的产品指标结果表明，两者性能相近，主要指标甚至优于果木炭。

表2 兰炭基茶叶烘焙型炭产品指标Table 2 Index of the tea baked briquette based semi-coke

3 结 语

以兰炭与木炭制备兰炭基茶叶烘焙型炭，得到型炭的最优成型压力为25 MPa，成型水分为28%，黏结剂添加比例为5%，当烘干后残余水分为7.5%时，型炭的冷压强度约533N。该型炭的产品指标与果木炭相近，主要指标优于果木炭。