焦作無煙煤制備型煤的混料配方實驗研究

孫 兆，馬名杰，黃山秀，趙 姬

(河南理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 焦作 454000)

?開發(fā)與研究?

焦作無煙煤制備型煤的混料配方實驗研究

孫 兆，馬名杰*，黃山秀，趙 姬

(河南理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 焦作 454000)

介紹了以水泥、黏土、腐植酸鈉、膨潤土、瀝青為黏結(jié)劑，用焦作無煙煤制備型煤的試驗研究。通過對型煤冷強度及熱強度的測定，探究了不同黏結(jié)劑配比對型煤強度性能的影響。結(jié)果表明，焦作無煙煤制取型煤的最佳黏結(jié)劑配方為黏土和瀝青的摻入量分別占總量的10%和5%。此研究對焦作無煙煤粉煤的潔凈利用有較大的實際應(yīng)用意義。

型煤 ； 黏結(jié)劑 ； 無煙煤 ； 強度

0 前言

我國的一次能源主要是煤炭，煤炭產(chǎn)量、消費量長期占據(jù)世界首位。隨著其他一次能源的日益緊張以及中國能源儲備的結(jié)構(gòu)特點和煤炭的成本優(yōu)勢，在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，中國的能源消費仍將以煤炭為主[1]。而且許多工業(yè)產(chǎn)業(yè)和民用行業(yè)對塊煤的需求量很大，可是在煤炭開采及運輸?shù)倪^程中，極易產(chǎn)生難以利用的粉煤，型煤技術(shù)的使用能有效緩解塊煤供需矛盾，充分利用粉煤資源，降低生產(chǎn)成本，減少和控制用煤過程中的污染情況，對我國實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都具有重要的意義[2-4]。

本課題主要研究焦作無煙煤制備型煤的黏結(jié)劑配方，選用水泥、黏土、腐植酸鈉、膨潤土和瀝青5種黏結(jié)劑，通過單因素實驗，利用型煤的機械強度做標準來探究適宜的黏結(jié)劑及摻入量。

1 實驗部分

1.1試驗用煤

采用焦作無煙煤，粒度均lt;3 mm，煤質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 煤質(zhì)分析 %

1.2試驗用黏結(jié)劑

采用水泥、黏土、腐植酸鈉、膨潤土、瀝青為本次試驗的型煤黏結(jié)劑。

①水泥。實驗采用市售普通硅酸鹽水泥，等級為42.5。②黏土。主要成分為高嶺石類黏土礦物。黏土被潤濕后具有較好的黏結(jié)性和可塑性，烘干后硬結(jié)并保持較高的強度。③腐植酸鈉。腐植酸鈉是一種水溶性的黏結(jié)劑，遇水且在成型壓力作用下，能很好地黏結(jié)煤料，使型煤具有一定的初始強度。型煤烘干后，隨水分的蒸發(fā)，腐植酸鹽能縮聚成膠體，最后收縮固化，將煤料黏結(jié)牢固，使型煤具有較高的強度。④膨潤土。膨潤土是以蒙脫石為主的含水黏土礦。它在水介質(zhì)中能分散呈膠體懸浮液，并具有一定的黏滯性，與煤料混合在一起，具有可塑性和黏結(jié)性。⑤瀝青。實驗采用的煤焦油瀝青，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與煤相近，和煤具有很強的親合力，能夠較好地潤濕煤粒，固化后與煤粒緊緊地黏結(jié)在一起，同時，瀝青的加入可以提高型煤的防水防潮性能。

1.3實驗方案

本試驗重點考察煤料焦作無煙煤和水泥、黏土、膨潤土、腐植酸鈉、瀝青5種黏結(jié)劑的摻比對型煤冷強度和熱強度的影響。因為所選取的黏結(jié)劑多數(shù)為無機黏結(jié)劑，過多的無機物會增加型煤的灰分，故試驗選取的黏結(jié)劑摻入量控制在10%之內(nèi)。配合水分為12%，成型時采用強力輥式壓球機，成型壓力為20 kN[5-6]。

根據(jù)課題組前期的試驗資料，本次試驗選取的黏結(jié)劑添加量分別為總量的8%和10%，其中一組混合物料中，腐植酸鈉和膨潤土的用量比例為3∶1，壓制得生球經(jīng)兩天的陽光曬干后測其強度[7]。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1不同黏結(jié)劑摻比下的實驗

實驗結(jié)果見表2。

表2 不同黏結(jié)劑摻比下的實驗結(jié)果

由表2中可知，摻入不同的黏結(jié)劑所制取的型煤強度差別明顯，其中摻黏土制得的型煤熱強度最好，接近工業(yè)型煤熱強度的要求標準200 N/球[8]。摻膨潤土和腐植酸鈉的冷強度最佳，摻入量為10%時，已達到工業(yè)型煤冷強度的要求標準400 N/球以上。摻水泥或者摻單一膨潤土的整體機械強度相對較低；隨著黏結(jié)劑摻入量的增大，型煤強度均有所提高。從試驗結(jié)果看盡管4種摻黏結(jié)劑所制取的型煤強度大部分未達標，但摻黏土、摻膨潤土腐植酸鈉混合物料的型煤強度明顯高于摻水泥或單一膨潤土的型煤強度，因此在后續(xù)實驗研究中重點考察以黏土、膨潤土腐植酸鈉混合物料為黏結(jié)劑的成型工藝及配方優(yōu)化[9]。

2.2成型工藝及配方優(yōu)化實驗

經(jīng)對輥成型機壓制出的型煤通過陽光晾曬干燥，其強度一般較低，為了使型煤生球的強度能夠大幅度的提高，實驗改用干燥箱階段升溫干燥的方式對型煤生球進行后期處理。升溫方式為：60 ℃(保溫40 min)—90 ℃(保溫40 min)—120 ℃(保溫40 min)取出[10]。

根據(jù)表2中的熱強度數(shù)據(jù)可知，摻入黏土或者膨潤土腐植酸鈉的型煤熱強度稍低于工業(yè)型煤的標準要求。而煤焦油瀝青作為黏結(jié)劑在各類文獻中得到廣泛應(yīng)用，煤焦油瀝青的摻入不僅可以提高型煤的發(fā)熱量和機械強度，還可以讓型煤保有較優(yōu)越的防水、防潮性能。故在配方優(yōu)化實驗中，依照相關(guān)資料的技術(shù)經(jīng)驗，在基礎(chǔ)試驗的配方中加入5%的瀝青。具體實驗結(jié)果見表3。

表3 型煤機械強度的測定結(jié)果

由表2和表3的強度數(shù)據(jù)對比可知，將型煤生球的后期處理方式從陽光晾曬干燥改為干燥箱階段升溫干燥后，整體機械強度顯著提高；同時在基礎(chǔ)配方中加入5%的瀝青，使4組試驗型煤的熱強度也得到了有效的提高?？赡苁且驗槊航褂蜑r青在一定溫度下熱解產(chǎn)生的液相產(chǎn)物，能將煤顆粒表面潤濕并形成液相薄膜，液相產(chǎn)物縮聚和固化的過程中，形成碳化骨架將煤顆粒包裹起來，從而使型煤具有較高的熱強度。其中第4組型煤樣本的冷強度和熱強度均達到工業(yè)型煤對強度的要求標準。

3 結(jié)論

通過單因素試驗表明，摻入不同的黏結(jié)劑所制取的型煤冷強度和熱強度差別明顯，其中摻黏土制得的型煤熱強度最好，接近工業(yè)型煤熱強度的要求標準200 N/球。摻膨潤土和腐植酸鈉混合物料的冷強度最佳，摻水泥和單一膨潤土的型煤強度較低。型煤生球的后期處理工藝從陽光晾曬干燥改為干燥箱階段升溫干燥后，整體機械強度顯著提高。綜合考慮型煤冷強度、熱強度的分析結(jié)果，焦作無煙煤制取型煤的最佳配方為黏土和瀝青的摻入量分別占總量的10%和5%。

[1] 黃山秀,馬名杰, 沈玉霞,等. 我國型煤技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].中國煤炭,2010,36(1):84-87.

[2] 郭陶明.國內(nèi)外型煤技術(shù)現(xiàn)狀分析與展望[J].煤炭技術(shù),2007,26 (11) :3-5.

[3] 趙躍民.煤炭資源綜合利用手冊[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[4] 徐玉華.腐植酸型煤制作與造氣控制[J].全國造氣技術(shù)通訊,2010(2):10-15.

[5] 周浩宇,賀新華,王賽輝.使用正交實驗法對工業(yè)爐窯用高強度型煤黏結(jié)劑組分的優(yōu)化研究[J].金屬材料與冶金工程,2008,36(2):25-28.

[6] 孫 朋,戴林超,賈泉敏,等.冷壓型煤強度影響因素的研究現(xiàn)狀及展望[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2015,42(6):100-104.

[7] 徐振剛,劉隨芹.型煤技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001.

[8] 國家發(fā)展和改革委員會.工業(yè)型煤熱穩(wěn)定性測定方法MT/T 924-2004[S].北京:中國煤炭工業(yè)出版社,2004.

[9] 黃山秀,馬名杰.低階煙煤制取氣化型煤的熱態(tài)黏結(jié)機理研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2013,34(2):74-78.

[10] 黃山秀,馬名杰.低階煤制取型煤生球干燥終溫優(yōu)化實驗研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2014,37(1):80-82.

中國科大鈷基催化劑在二氧化碳加氫反應(yīng)中的活性物相研究獲進展

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究鈷(Co)基催化劑在CO2加氫反應(yīng)中的活性物相。研究人員將N原子引入到Co催化劑中構(gòu)筑出Co4N催化劑，并通過原位機理研究發(fā)現(xiàn)，Co4NHx是該催化過程中真正的活性物相。

CO2加氫反應(yīng)一方面可以利用CO2合成化工原料，緩解CO2的排放壓力，實現(xiàn)碳能源的循環(huán)利用；另一方面可與新能源電解制氫、氯堿工業(yè)銜接，實現(xiàn)氫資源的儲存。CO2加氫反應(yīng)是碳一化學(xué)中的重要反應(yīng)，對它的研究可以幫助我們更好地認識CO2在催化劑上的活化與轉(zhuǎn)化，對理解非均相催化劑上表面碳物種的形成以及碳鏈增長意義重大，并能指導(dǎo)其他含碳物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

CO2加氫轉(zhuǎn)化工藝中存在能耗過大問題。由于CO2的化學(xué)惰性，此反應(yīng)需要在高溫高壓條件下實現(xiàn)。在過去的幾十年里，人們開發(fā)出一系列不同的策略，以期提高非貴金屬催化劑對CO2加氫反應(yīng)的活性。迄今為止，對非貴金屬催化劑在CO2加氫反應(yīng)中的活性物相研究仍處在初步階段。

研究人員將N原子引入到Co催化劑中形成Co4N催化劑。在CO2加氫催化中，Co4N催化劑在3.2 MPa和150 ℃的條件下，轉(zhuǎn)換頻率(TOF)為同等條件下Co催化劑的64倍。Co4N催化劑的表觀活化能是43.3 kJ/mol，只有Co催化劑(91.4 kJ/mol)的一半左右。進一步的原位機理研究表明，在H2氛圍下，Co4N催化劑上的N原子會吸附結(jié)合H原子從而形成Co4NHx這樣一種特殊的物相。Co4NHx中的氨基H原子直接加到CO2分子上形成HCOO*物種作為中間產(chǎn)物。此外，反應(yīng)過程中吸附的H2O分子通過氫鍵相互作用促進氨基H的活化和解離，從而加速加氫過程。該工作通過引入N原子，為優(yōu)化非貴金屬催化劑對CO2加氫反應(yīng)的活性提供了簡單有效的方式，加深了對鈷基催化劑在CO2加氫反應(yīng)中活性物相的理解，為今后尋找更廉價、高效的CO2加氫催化劑提供了新思路。

ExperimentalResearchonMixtureRecipesforPreparationofBriquettesfromJiaozuoAnthracite

SUN Zhao,MA Mingjie*,Huang Shanxiu ，Zhao Ji

(School of Chemistry and Chemical Engineering , Henan Polytechnic University , Jiaozuo 454000 , China)

Experimental research of preparation of briquette from Jiaozuo anthracite with cement,clay,sodium humic,bentonite and asphalt as binders is introduced.Based on the determination of cold strength and thermal strength of briquette,the influence of different binder ratio on the strength of briquette is investiqated.The results show that reasonable ratio of mixed materials is 10%(bentonite) and 5%(asphalt).The research has great practical significance for clean utilization of Jiaozuo anthracite coal.

TQ536

A

1003-3467(2017)10-0021-03

2017-07-26

國家自然科學(xué)基金(U1361119)；河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃(2011B440006)

孫 兆(1984-)，男，在讀碩士，從事煤化工方面的研究，E-mail：274556174@qq.com；聯(lián)系人：馬名杰(1963-)，男，教授，從事煤化工方面的研究，電話：15938198532，E-mail：mingjie8@163.com。

Keywordsbriquette ; binder ; anthracite ; strength