煤泥復(fù)配粘結(jié)劑對長焰煤成型性能的研究

常志偉，杜文廣，楊頌，劉守軍，上官炬，史鵬政，馬睿

(1.太原理工大學(xué) 煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024；3.太原科瑞康潔凈能源有限公司，山西 太原 030006)

我國煤炭資源豐富，到2018年，煤炭儲量達(dá)到1 388億t，其中低階煤占40%～50%。近年來，隨著煤炭開采機(jī)械化程度的提高，煤粉數(shù)量急劇增加。由于煤粉粒度小，不能滿足各種工業(yè)生產(chǎn)工藝的要求，造成燃料資源的巨大浪費。煤粉直接燃燒利用率低，污染嚴(yán)重，將粉煤成型可實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用。由于低階煤塑性差、彈性大，在消除成型壓力后會發(fā)生較大的彈性膨脹，型煤結(jié)構(gòu)容易松動，強(qiáng)度降低[1-4]。因此，粘結(jié)劑的種類和成型工藝對煤粉的成型尤為關(guān)鍵。

本文首次提出長焰煤加入煤泥和聚乙烯醇來制備型煤，型煤強(qiáng)度明顯提高，實現(xiàn)廢物的資源化利用，減少污染。通過型煤的跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度來檢測粘結(jié)劑對長焰煤成型性能的影響，用單因素實驗確定了最佳工藝條件，通過掃描電鏡和紅外光譜表征手段對原煤和型煤進(jìn)行了機(jī)理分析。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

原料煤，選自陜西長焰煤；實驗煤泥，選自山東龍口(一種低階煤泥)，原煤與煤泥工業(yè)分析見表1；聚乙烯醇1788(分子式為(C2H4O)n，純度>99%)，分析純。

表1 測試煤原料

Nicolet iS 50傅里葉紅外光譜儀；Zeiss EVO MA15掃描電子顯微鏡；101-00A電熱鼓風(fēng)干燥箱；YAW-300D全自動壓力試驗機(jī)。

1.2 原料預(yù)處理

原煤的揮發(fā)分為37.46%，而固定碳含量僅為56.54%，是典型的高揮發(fā)性煤。將長焰煤先在空氣中干燥，用破碎機(jī)將其破碎至3 mm以下，篩分至不同粒級(R1<1 mm，R2=1～2 mm，R3=2～3 mm)，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行烘樣，置于真空干燥器備用。

1.3 實驗方法

準(zhǔn)確稱取篩分至不同粒度級別的煤樣(R1=70%，R2=10%，R3=20%)，加入粘結(jié)劑和水混合均勻，把混合物倒入自制模具中，用手壓實，防止出現(xiàn)漏料的現(xiàn)象。將預(yù)壓后柱狀模具置于全自動壓力試驗機(jī)上，使得在同一速率下施加至一定壓力下壓制成型，然后經(jīng)過脫模得到約 φ30 mm×18 mm 的柱狀型煤，重約15 g，在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥后冷卻至室溫，用來檢測強(qiáng)度，其工藝生產(chǎn)過程見圖1。

圖1 粉煤成型工藝流程

1.4 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

1.4.1 抗壓強(qiáng)度測試 采用全自動壓力試驗機(jī)測量型煤的抗壓強(qiáng)度，速率為12 mm/min往下壓型煤，破碎時，壓力瞬間變小，記錄此時最大的壓力值，型煤抗壓強(qiáng)度用下列公式表示[5]：

σc=(4F/πD2)(2H/D)0.5

(1)

式中σc——抗壓強(qiáng)度，MPa；

F——最大壓力值，N；

D——型煤的直徑，mm；

H——型煤的高度，mm。

1.4.2 跌落強(qiáng)度測試 采用12 mm厚的鋼板，將10個型煤在2 m高的地方自由落在鋼板上，反復(fù)跌落3次后，將跌落物過13 mm的篩子，稱其質(zhì)量，型煤跌落強(qiáng)度用下列公式表示：

Ds=(md/m)×100%

(2)

式中Ds——跌落強(qiáng)度，%；

md——大于13 mm跌落物質(zhì)量，g；

m——10個型煤總的質(zhì)量，g。

1.4.3 紅外光分析 利用傅里葉紅外光譜進(jìn)行研究，分析了原煤和型煤的表面官能團(tuán)。波數(shù)是400～4 000 cm-1，分辨率是4 cm-1。稱(1±0.05)mg的煤樣，與一定量的KBr混合制備樣品，透射率≤0.1。

1.4.4 掃描電鏡 采用掃描電子顯微鏡對原煤及型煤的外觀進(jìn)行表征，利用觀測結(jié)果分析了原煤和型煤中顆粒的分布和孔隙結(jié)構(gòu)。掃描電鏡的分辨率為1.0 nm (15 kV)/2.2 mm(1 kV)，加速度電壓為0.5～30 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 成型工藝對長焰煤成型性能的影響

2.1.1 成型壓力對長焰煤成型性能的影響 文獻(xiàn)報道，350 kPa的抗壓強(qiáng)度足以保證成型體在搬運和運輸過程中可能遇到的壓力下的生存[6]。固定復(fù)配煤泥含量為20%，聚乙烯醇的加入量為1%，考察了不同成型壓力對型煤機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著成型壓力由30 kN提高到90 kN時，型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度變化趨勢一樣，先增大后減小，壓力為60 kN時，型煤抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,為11.3 MPa，此時的跌落強(qiáng)度為98.2%。由于長焰煤彈性大、塑性差，在成型過程中對壓力十分敏感，在壓力<60 kN時，提高壓力有助于粘結(jié)劑和煤粒之間的交錯、混合和重排，使得粘結(jié)劑與煤粒之間的結(jié)合更緊密，從而提高了型煤的機(jī)械強(qiáng)度；也有報道說，較高的壓力可以提升煤粒之間機(jī)械結(jié)合[7]。但隨著壓力的繼續(xù)增大，煤粒之間會發(fā)生再次反彈，導(dǎo)致煤表面出現(xiàn)新的斷面，粘結(jié)劑沒法瞬間粘合新的斷面，使型煤強(qiáng)度出現(xiàn)下降。而且卸壓后，型煤會發(fā)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和強(qiáng)度的降低[8]。因此，對于本研究來說，最佳的成型壓力為60 kN。

圖2 型煤強(qiáng)度和成型壓力的關(guān)系

2.1.2 成型水分對長焰煤成型性能的影響 同樣固定復(fù)配煤泥含量為20%，聚乙烯醇的加入量為1%，考察了不同成型水分對型煤機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3 型煤強(qiáng)度和成型水分的關(guān)系

由圖3可知，型煤機(jī)械強(qiáng)度受成型水分影響很大，成型水分由8%提高達(dá)到16%時，型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度變化趨勢一樣，先增大后減小。成型水分含量<14%時，隨著成型水分的增加，煤粒之間的摩擦減小，流動性變大，使得煤粒能夠更好的結(jié)合，成型水分>14%時，在型煤冷壓成型過程中，過多的水會將粘結(jié)劑帶出去，減小粘結(jié)劑含量，使得型煤的強(qiáng)度降低，并且過多的水分會造成水資源的浪費和脫模困難，成型水分需要一個合適量。因此，在本研究中，最佳的成型水分為14%。

2.2 表征分析

圖4 不同型煤的紅外光譜圖

根據(jù)文獻(xiàn)對紅外光譜進(jìn)行了歸屬[12-16]。由圖4可知，曲線b相比于曲線a，在原煤中單加入聚乙烯醇后，3 200～3 600 cm-1處的羥基特征峰增強(qiáng)。說明聚乙烯醇與煤顆粒表面有較多的氫鍵締合，以及部分交聯(lián)作用，增強(qiáng)了相鄰煤粒之間的結(jié)合力，提高了型煤的機(jī)械強(qiáng)度。曲線c相比于曲線a和曲線b，復(fù)配煤泥后，羥基的特征峰有更為明顯的改善。因為低階煤泥和原煤化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，表面存在大量含氧官能團(tuán)，使得煤泥與聚乙烯醇、煤泥與煤粒之間有較多的氫鍵結(jié)合，加強(qiáng)了它們之間的粘結(jié)力，從而使型煤的強(qiáng)度顯著提高。

2.2.2 掃描電鏡分析 圖5對比了原煤、加入不同粘結(jié)劑型煤的表觀掃描電鏡圖。A是原煤、B是長焰煤單加入聚乙烯醇的型煤、C是長焰煤復(fù)配20%煤泥再加入1%聚乙烯醇的型煤。

圖5 不同型煤的掃描電鏡圖像

由圖5A可知，沒有加入粘結(jié)劑的型煤表面凹凸不平，相鄰煤粒之間的孔隙很大，說明長焰煤粒之間僅靠壓力是不能粘結(jié)在一起的，型煤強(qiáng)度很低；由圖5B可知，當(dāng)加入聚乙烯醇后，型煤表面比較平整，煤粒之間的孔隙明顯降低，型煤表面出現(xiàn)塊狀的膠體，將煤粒緊緊的結(jié)合在一起，型煤的機(jī)械強(qiáng)度得到明顯的改善；由圖5C可知，再復(fù)配煤泥后，幾乎看不到煤粒之間的孔隙，表面很平滑，這是因為細(xì)煤泥填充了煤粒之間的縫隙，減小了型煤的裂隙，另一方面，煤泥具有一定的粘結(jié)性，加強(qiáng)了煤泥與煤顆粒的作用力，型煤的結(jié)構(gòu)變得緊密，使得型煤強(qiáng)度大幅度提高。

2.3 機(jī)理分析

粉煤加入不同粘結(jié)劑成型過程見圖6。

由圖6可知，長焰煤無粘結(jié)劑冷壓成型時，由于顆粒本身沒粘結(jié)性，型煤僅靠微弱的機(jī)械嚙合力結(jié)合在一起，型煤強(qiáng)度很低；當(dāng)聚乙烯醇加入粉煤后，遇水的聚乙烯醇會在煤粒之間形成高粘性網(wǎng)狀的膠體，干燥后的膠體呈枝晶結(jié)構(gòu)，機(jī)械嵌入相鄰的煤顆粒之間，見圖7，在煤粒之間形成聚合物力和固橋力；再加入煤泥后，細(xì)煤泥填充了煤粒之間的孔隙，使得型煤強(qiáng)度顯著提高。

圖6 粉煤加入不同粘結(jié)劑成型過程

圖7 粉煤成型機(jī)理圖

3 結(jié)論

(1)成型工藝參數(shù)對型煤的機(jī)械強(qiáng)度有較大的影響。隨著壓力和水分的增大，型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度變化趨勢相同。煤泥能填充煤粒之間的孔隙，使型煤強(qiáng)度得到改善。當(dāng)長焰煤復(fù)配20%煤泥，再加入1%聚乙烯醇，成型壓力為60 kN，成型水分為14%，型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度為11.3 MPa和98.2%。

(2)研究了氫鍵對型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響，紅外結(jié)果表明加入煤泥和聚乙烯醇后，型煤的羥基官能團(tuán)明顯增多，說明粘結(jié)劑與煤顆粒表面有較多的氫鍵締合，以及部分交聯(lián)作用，增強(qiáng)了煤粒間的結(jié)合力，從而提高了型煤的機(jī)械強(qiáng)度。

(3)煤泥作為一種便宜的副產(chǎn)品，能顯著提高型煤的強(qiáng)度，實現(xiàn)了廢物的資源化利用，具有很大的實際意義。