配煤及黏結(jié)劑配方對型煤強(qiáng)度的影響*

路廣軍 申 巧 楊鳳玲 王寶鳳 程芳琴

0 引 言

型煤技術(shù)是民用散煤污染治理的重要技術(shù)之一，燃用型煤不僅可提高散煤燃燒效率，還可降低散煤燃燒產(chǎn)生的SO2和煙塵等污染物的排放[1]?？箟簭?qiáng)度和熱強(qiáng)度是評價型煤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。在型煤成型過程中加入適量黏結(jié)劑，可以增大煤粒間的黏結(jié)性，降低成型壓力，提高型煤機(jī)械強(qiáng)度，因此，一般需采用黏結(jié)劑來改善民用型煤成型性[3]。孫兆等[4]研究了不同黏結(jié)劑配比對型煤強(qiáng)度的影響，當(dāng)膨潤土、腐植酸鈉和瀝青的添加量分別為7.5%，2.5%和5%時，型煤的冷壓強(qiáng)度可達(dá)421 N/球，熱強(qiáng)度為196 N/球。王繼偉等[5]采用正交試驗研究了黏結(jié)劑CMS(羧甲基淀粉)、膨潤土和四硼酸鈉的最佳摻比，結(jié)果表明，加入1.0%CMS、6%膨潤土和0.16%四硼酸鈉，型煤冷壓強(qiáng)度可達(dá)503.39 N/球。王留成等[6]研究發(fā)現(xiàn)，添加4%的黏結(jié)劑，其各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為熱塑性酚醛樹脂1%、羧甲基纖維素鈉1%、玉米淀粉7%、鈉基膨潤土91%時，型煤冷壓強(qiáng)度和熱強(qiáng)度分別可達(dá)到823 N/球和319 N/球以上。加入復(fù)合黏結(jié)劑可使型煤有較高的強(qiáng)度，但是通常添加量相對較大[7]，而添加量少又會影響型煤的強(qiáng)度。如何優(yōu)化及減少復(fù)合黏結(jié)劑添加量對型煤研究具有重要的意義。隨著現(xiàn)階段環(huán)保要求的不斷嚴(yán)格，對型煤原料煤煤質(zhì)也有較高的要求，不同煤種相互配煤制備型煤不僅可以緩解優(yōu)質(zhì)煤短缺的局面，也可以起到提高型煤強(qiáng)度的作用[8]，進(jìn)而降低型煤黏結(jié)劑添加量。

型煤研究大多注重對黏結(jié)劑種類及黏結(jié)劑配制工藝參數(shù)的優(yōu)化[9-10]，缺乏對黏結(jié)機(jī)理的探討，一般認(rèn)為是黏結(jié)劑作用下的表面結(jié)合，煤中顆粒間的黏結(jié)因煤種及黏結(jié)劑種類選用不同而有所差異。本研究針對目前型煤黏結(jié)劑添加量大、熱強(qiáng)度低的問題，在控制型煤黏結(jié)劑添加成本和保證煤質(zhì)要求的前提下，通過配煤及優(yōu)化黏結(jié)劑添加量來提高型煤強(qiáng)度。并對不同煤種及黏結(jié)劑對型煤強(qiáng)度的影響機(jī)制進(jìn)行了分析。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗采用長治煤、晉城煤、興縣煤和東曲煤四種煤樣，分別用CZ，JC，XX和DQ表示，其中長治煤和晉城煤為無煙煤，興縣煤為氣煤，東曲煤為肥煤，煤樣的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果見表1。實驗用黏結(jié)劑為淀粉(工業(yè)級)、鈉基膨潤土(工業(yè)級)、腐植酸鈉(分析純)和碳酸鈉(分析純)，分別用N1，N2，N3和N4表示。

1.2 實驗儀器及方法

在液壓成型機(jī)(SMY-20t-140mm)上利用自制型煤模具(圓柱狀，直徑為4 cm，高為3 cm)制作型煤，型煤強(qiáng)度使用智能球團(tuán)抗壓強(qiáng)度測試儀(WQYC-10c)測試。

利用數(shù)碼顯微鏡(AM4113ZT(R4))對不同條件下熱解后的型煤形貌進(jìn)行分析。

采用JC2000D1型接觸角測量儀(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備公司制造)，用快速照相法測得煤與水的接觸角度。

1.3 實驗步驟

1.3.1 型煤的制備

將煤樣與不同質(zhì)量比的黏結(jié)劑混合均勻，加入適量水(約占型煤質(zhì)量的13%)，攪拌均勻，然后裝入模具中，用液壓成型機(jī)在40 MPa的壓力下冷壓成型；將型煤置于105 ℃的干燥箱中干燥3.5 h，制得型煤產(chǎn)品。

1.3.2 型煤強(qiáng)度測試

冷壓強(qiáng)度測試：按照MT/T 748-2007中的方法進(jìn)行，從型煤樣品中取3個試樣，逐個置于試驗機(jī)的施力面中心位置上，對試樣勻速加壓，直至試樣破碎為止，記錄試樣破碎前承受的最大壓力，以測定值的算數(shù)平均值作為冷壓強(qiáng)度值。

熱強(qiáng)度測試：按照MT/T 1073-2008中的方法進(jìn)行，從型煤樣品中取3個試樣，在(850±15) ℃的馬弗爐中隔絕空氣加熱30 min，冷卻后逐個置于試驗機(jī)的施力面中心位置上，對試樣勻速加壓，記錄型煤開裂時試驗機(jī)顯示的數(shù)值，以測定值的算數(shù)平均值作為熱強(qiáng)度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤種對型煤強(qiáng)度的影響

在型煤黏結(jié)劑種類及添加量、水含量和成型壓力相同的條件下，分別測試了四種原料煤制得型煤的冷壓強(qiáng)度和熱強(qiáng)度，結(jié)果見表2。

Note:The percentage meansmbinder∶mcoal; the same below.

由表2可知，相同條件下四種煤制得的型煤冷壓強(qiáng)度都較高，但熱強(qiáng)度普遍較低。XX和DQ揮發(fā)分較高，高溫下煤中所含的有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱解，產(chǎn)出熱解氣和焦油，熱解產(chǎn)物的逸出伴隨著煤中大量孔隙裂隙的產(chǎn)生，隨著溫度的升高，這些孔隙迅速增大，致使煤的固體結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性而坍塌破裂[11]。由此可見，加入一定量的型煤黏結(jié)劑，某些單一煤種制得的型煤強(qiáng)度很難達(dá)到實際要求(冷壓強(qiáng)度≥500 N/球，熱強(qiáng)度≥350 N/球)，但利用增加黏結(jié)劑添加量的方法提高型煤強(qiáng)度，會導(dǎo)致型煤生產(chǎn)成本增加，燃燒效率降低。

2.2 復(fù)合黏結(jié)劑添加量及配煤對型煤強(qiáng)度的影響

2.2.1 型煤要求及配煤方案

為了控制燃煤污染，GB 34170-2017《商品煤質(zhì)量 民用型煤》中對型煤的技術(shù)要求見表3。

為提高型煤強(qiáng)度，降低型煤生產(chǎn)成本，在型煤煤質(zhì)滿足灰分為10%左右，揮發(fā)分為10%～15%時，通過配煤及改變復(fù)合黏結(jié)劑添加量以達(dá)到型煤強(qiáng)度要求。本研究以灰分和揮發(fā)分都較低的CZ和JC兩種無煙煤為主要煤種，分別與揮發(fā)分較高的DQ和XX配煤，設(shè)計了四種配煤方案(見表4)。

表4 以CZ和JC為主要煤種的配煤方案Table 4 Coal blending scheme with CZ and JC as main coal types

2.2.2 配煤方案對型煤強(qiáng)度的影響

以配煤為原料，控制成型壓力為40 MPa，成型水含量為14%，配煤方案及黏結(jié)劑添加量對型煤強(qiáng)度的影響見表5。

表5 配煤及黏結(jié)劑添加量對型煤強(qiáng)度的影響Table 5 Effects of coal blending and binder addition on briquette strength

由表5可知，當(dāng)CZ與DQ質(zhì)量配比為60∶40時，配煤型煤較單一煤種成型的型煤熱強(qiáng)度顯著提高。DQ屬于肥煤，在熱解時產(chǎn)生的大量膠質(zhì)體增加了型煤的熱穩(wěn)定性；CZ為無煙煤，DQ改善了配煤焦黏特性及溫度區(qū)間，進(jìn)而提高了配合煤的黏結(jié)性[12]。添加黏結(jié)劑腐植酸鈉對該配煤方案的型煤強(qiáng)度無明顯作用。在控制黏結(jié)劑添加成本的前提下，該配煤方案制得的型煤抗壓強(qiáng)度達(dá)不到實際要求。

當(dāng)CZ與XX質(zhì)量配比為75∶25時，配煤型煤較單一煤種成型的型煤熱強(qiáng)度有一定的提高。CZ灰分低，高溫黏結(jié)性差；XX屬于氣煤，加熱時產(chǎn)生較多的煤氣和焦油，膠質(zhì)體的熱穩(wěn)定性差。CZ中配入XX后，其熱解產(chǎn)生的焦油起到了一定的黏結(jié)作用，改善了配煤強(qiáng)度。同樣添加腐植酸鈉對該配煤方案的型煤強(qiáng)度影響不大，且型煤冷壓強(qiáng)度及熱強(qiáng)度都達(dá)不到實際要求。

當(dāng)JC與DQ質(zhì)量配比為65∶35時，型煤冷壓強(qiáng)度≥500 N/球，熱強(qiáng)度≥350 N/球，且較配煤方案1的黏結(jié)劑添加量少，相對降低了成本。

當(dāng)JC與XX質(zhì)量配比為77∶23時，其型煤達(dá)到要求，且較配煤方案2的黏結(jié)劑添加量少，添加腐植酸鈉對該配煤方案的型煤熱強(qiáng)度有一定作用。因此，該研究采用以晉城煤為主的配煤方案3和配煤方案4進(jìn)行優(yōu)化實驗。

2.3 型煤配方的優(yōu)化

配煤是影響型煤強(qiáng)度的關(guān)鍵之一，在煤質(zhì)滿足型煤生產(chǎn)要求的前提下，為了降低生產(chǎn)成本、減少灰分的引入，對配煤方案3和配煤方案4的型煤黏結(jié)劑添加量進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3.1 淀粉(N1)添加量對型煤強(qiáng)度的影響

當(dāng)型煤中N2添加量為2.0%，水添加量為13%，成型壓力為40 MPa時，不同N1添加量對型煤強(qiáng)度的影響見圖1。

圖1 淀粉添加量對型煤強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of starch addition on briquette strength □—Cool compressive strength；○—Thermal strength

由圖1可知，當(dāng)JC與DQ質(zhì)量配比為65∶35時，型煤的冷壓強(qiáng)度隨淀粉添加量的增加而增大，淀粉添加量為0.8%時，冷壓強(qiáng)度≥554 N/球，熱強(qiáng)度≥500 N/球。其原因為淀粉分子結(jié)構(gòu)中含多個羥基，親水性強(qiáng)。支鏈分子與水反應(yīng)形成高黏度的溶液，直鏈分子通過氫鍵作用形成束狀結(jié)構(gòu)，一段時間后可形成絮凝體。分子脫水干燥后，其有機(jī)成分固化收縮，使得絮凝體相互交錯穿插在一起，緊密地填充在煤粒之間，增強(qiáng)了煤粒間的黏附力[13]。隨著淀粉添加量的增加，更多凝膠體均勻地分布在煤粒之間，使得整體物料間的接觸更加充分，進(jìn)而提高了型煤的冷壓強(qiáng)度。

當(dāng)JC與XX的質(zhì)量配比為77∶23時，型煤的冷壓強(qiáng)度隨著淀粉添加量的增加而增大，淀粉添加量為1.0%時，型煤的冷壓強(qiáng)度達(dá)到500 N/球，熱強(qiáng)度較低，約為200 N/球。

2.3.2 膨潤土(N2)添加量對型煤強(qiáng)度的影響

當(dāng)型煤中N1添加量為0.6%，水添加量為13%，成型壓力為40 MPa時，不同N2添加量對型煤強(qiáng)度的影響見圖2。

由圖2可知，當(dāng)JC與DQ質(zhì)量配比為65∶35時，按照上述條件制得型煤的冷壓強(qiáng)度隨膨潤土添加量的增加而增大，膨潤土添加量為1.2%時，型煤的冷壓強(qiáng)度≥500 N/球，熱強(qiáng)度≥350 N/球。其原因為膨潤土吸附性強(qiáng)，分散性好，與水作用后能夠很好地分散在煤粒間及煤?？p隙中，干燥后形成骨架結(jié)構(gòu)對型煤起到了很大的支撐作用，隨著添加量的增加，骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度越高，煤粒間的黏結(jié)性越強(qiáng)，型煤的抗壓強(qiáng)度越高[14]。高溫燃燒時，不會影響骨架結(jié)構(gòu)對熱強(qiáng)度提高的良好作用。

圖2 膨潤土添加量對型煤強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of bentonite addition on briquette strength □—Cool compressive strength；○—Thermal strength

2.3.3 腐植酸鈉(N3)添加量對型煤強(qiáng)度的影響

當(dāng)型煤中N1添加量為1.0%，N2添加量為1.2%，水添加量為13%，成型壓力為40 MPa時，不同N3添加量對型煤強(qiáng)度的影響見圖3。

圖3 腐植酸鈉添加量對型煤強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of sodium humate addition on briquette strength □—Cool compressive strength；○—Thermal strength

由圖3可知，當(dāng)JC與XX質(zhì)量配比為77∶23時，按照上述條件制得型煤的冷壓強(qiáng)度隨著腐植酸鈉添加量的增加而增大，腐植酸鈉添加量為0.8%時，型煤的冷壓強(qiáng)度達(dá)到503 N/球，熱強(qiáng)度達(dá)到355 N/球，滿足實際要求。腐植酸鈉對煤具有很強(qiáng)的親和力，能夠很好地潤濕煤表面，并滲入到煤的微孔結(jié)構(gòu)中[15]，且具有膠質(zhì)體特性，高溫?zé)峤鈺r能縮聚成膠體，最終固化使型煤具有較高的熱強(qiáng)度。隨著腐植酸鈉添加量的增加，煤粒間的物理作用力增強(qiáng)，進(jìn)而提高了型煤的強(qiáng)度。

2.4 煤種及黏結(jié)劑對型煤強(qiáng)度影響的機(jī)理分析

CZ的灰分和揮發(fā)分與JC的灰分和揮發(fā)分相近，但JC分別與XX和DQ配煤后型煤強(qiáng)度總體效果更好。

2.4.1 煤種對型煤冷壓強(qiáng)度影響的機(jī)理分析

為了探究分別以CZ和JC為主要煤種的配煤型煤冷壓強(qiáng)度差異較大的原因，分別對淀粉溶液和腐植酸鈉溶液在上述兩種煤樣表面的接觸角進(jìn)行了測試，不同黏結(jié)劑溶液在煤樣表面的接觸角見表6。

由表6可知，JC分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的淀粉溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的腐植酸鈉溶液中的接觸角比CZ分別在這兩種溶液中的接觸角小。說明黏結(jié)劑淀粉、腐植酸鈉溶液在JC表面的潤濕性比在CZ表面的潤濕性好，更容易在JC表面鋪展，使得JC煤粒間的黏結(jié)性更強(qiáng)，這也是晉城煤配煤效果優(yōu)于長治煤配煤效果的原因。

表6 不同黏結(jié)劑溶液在煤樣表面的接觸角Table 6 Contact angle of different binder solutions on the surface of coal samples

2.4.2 煤種及黏結(jié)劑對型煤熱穩(wěn)定性影響的機(jī)理分析

以CZ和JC為研究對象，分別探究了配煤及添加腐植酸鈉對型煤熱強(qiáng)度的影響。

2.4.2.1 配煤對型煤熱強(qiáng)度的影響

圖4所示為單個煤種和配煤后制得型煤的熱強(qiáng)度測試樣品的顯微鏡照片。由圖4可知，JC和CZ分別配DQ后型煤結(jié)構(gòu)較配煤前更加致密，配煤后DQ緊密地填充在JC和CZ煤粒之間，對煤粒起到了一定的黏結(jié)作用。高溫下，DQ受熱后產(chǎn)生較多的液相膠質(zhì)體，這些液相膠質(zhì)體將煤粒表面潤濕，形成液相薄膜，液相產(chǎn)物縮聚和固化，形成半焦或焦炭填充于JC和CZ煤粒間，并將煤粒黏結(jié)在一起而形成包裹狀，增強(qiáng)了煤粒間的黏結(jié)性，從而起到提高型煤熱強(qiáng)度的作用[16]。

圖4 配煤前后型煤熱解對比照片(×50)Fig.4 Comparison of briquette pyrolysis before and after coal blending(×50) a—JC；b—CZ；c—DQ；d—XX；e—JC+DQ；f—CZ+DQ；g—JC+XX；h—CZ+XX

JC和CZ分別配XX后型煤結(jié)構(gòu)較配煤前同樣變得更加致密，XX緊密地填充在煤粒之間，增強(qiáng)了煤粒間的黏結(jié)力。配入XX后，其熱解產(chǎn)生的焦油在煤粒間起到了一定的黏結(jié)作用，有利于形成致密的焦炭，同時可以緩解收縮應(yīng)力，減少裂紋的形成，起到改善型煤熱強(qiáng)度的作用[17-19]。

2.4.2.2 腐植酸鈉(N3)對型煤熱強(qiáng)度的影響

在粉煤中加入腐植酸鈉制備型煤時，由于原煤和腐植酸鈉都屬于非極性物質(zhì)，由相似相溶原理可知，粉煤和黏結(jié)劑之間具有很強(qiáng)的親和力，黏結(jié)劑會滲入到粉煤的微孔結(jié)構(gòu)里，且隨著水分的干燥，其會收縮固化為膠體，在煤粒界面產(chǎn)生機(jī)械嚙合力，增大成型物之間的物理化學(xué)力和范德華力，進(jìn)而提高型煤的強(qiáng)度。高溫時，仍有部分膠體殘留物使型煤具有一定的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性[20]。因此，添加腐植酸鈉對型煤熱強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用。

3 結(jié) 論

1) 可以通過配煤或增大黏結(jié)劑添加量提高型煤強(qiáng)度，配煤是提高型煤強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本的有效方法。

2) 在型煤中添加腐植酸鈉及通過配煤均可提高型煤的熱強(qiáng)度。

3) 優(yōu)化結(jié)果表明：晉城煤與東曲煤質(zhì)量配比為65∶35，淀粉添加量為0.6%，膨潤土添加量為1.2%，水含量為13%，成型壓力為40 MPa時，型煤的冷壓強(qiáng)度可達(dá)500 N/球，熱強(qiáng)度超過了500 N/球；晉城煤與興縣煤質(zhì)量配比為77∶23，淀粉添加量為1.0%，膨潤土添加量為1.2%，腐植酸鈉添加量為0.8%，水含量為13%，成型壓力為40 MPa時，型煤的冷壓強(qiáng)度可達(dá)503 N/球，熱強(qiáng)度達(dá)到355 N/球。