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，煤炭儲量達到1 388億t，其中低階煤占40%～50%。近年來，隨著煤炭開采機械化程度的提高，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。通過型煤的跌落強度和抗壓強度來檢測粘結(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行了機理分析。

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。

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 抗壓強度測試 采用全自動壓力試驗機測量型煤的抗壓強度，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，型煤抗壓強度用下列公式表示[5]：

σc=(4F/πD2)(2H/D)0.5

(1)

式中σc——抗壓強度，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，型煤跌落強度用下列公式表示：

Ds=(md/m)×100%

(2)

式中Ds——跌落強度，%；

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行研究，分析了原煤和型煤的表面官能團。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 文獻報道，350 kPa的抗壓強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械強度的關(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，型煤的抗壓強度和跌落強度變化趨勢一樣，先增大后減小，壓力為60 kN時，型煤抗壓強度達到最大,為11.3 MPa，此時的跌落強度為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械強度；也有報道說，較高的壓力可以提升煤粒之間機械結(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械強度的關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3 型煤強度和成型水分的關(guān)系

由圖3可知，型煤機械強度受成型水分影響很大，成型水分由8%提高達到16%時，型煤的抗壓強度和跌落強度變化趨勢一樣，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)文獻對紅外光譜進行了歸屬[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。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，增強了相鄰煤粒之間的結(jié)合力，提高了型煤的機械強度。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，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，加強了它們之間的粘結(jié)力，從而使型煤的強度顯著提高。

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，型煤的機械強度得到明顯的改善；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，使得型煤強度大幅度提高。

2.3 機理分析

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，型煤僅靠微弱的機械嚙合力結(jié)合在一起，型煤強度很低；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，細煤泥填充了煤粒之間的孔隙，使得型煤強度顯著提高。

圖6 粉煤加入不同粘結(jié)劑成型過程

圖7 粉煤成型機理圖

3 結(jié)論

(1)成型工藝參數(shù)對型煤的機械強度有較大的影響。隨著壓力和水分的增大，型煤的抗壓強度和跌落強度變化趨勢相同。煤泥能填充煤粒之間的孔隙，使型煤強度得到改善。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%，型煤的抗壓強度和跌落強度為11.3 MPa和98.2%。

(2)研究了氫鍵對型煤機械強度的影響，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，增強了煤粒間的結(jié)合力，從而提高了型煤的機械強度。

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