路广军 申 巧 杨凤玲 王宝凤 程芳琴

0 引 言

型煤技术是民用散煤污染治理的重要技术之一，燃用型煤不仅可提高散煤燃烧效率，还可降低散煤燃烧产生的SO2和烟尘等污染物的排放[1]。抗压强度和热强度是评价型煤质量的重要指标[2]。在型煤成型过程中加入适量黏结剂，可以增大煤粒间的黏结性，降低成型压力，提高型煤机械强度，因此，一般需采用黏结剂来改善民用型煤成型性[3]。孙兆等[4]研究了不同黏结剂配比对型煤强度的影响，当膨润土、腐植酸钠和沥青的添加量分别为7.5%，2.5%和5%时，型煤的冷压强度可达421 N/球，热强度为196 N/球。王继伟等[5]采用正交试验研究了黏结剂CMS(羧甲基淀粉)、膨润土和四硼酸钠的最佳掺比，结果表明，加入1.0%CMS、6%膨润土和0.16%四硼酸钠，型煤冷压强度可达503.39 N/球。王留成等[6]研究发现，添加4%的黏结剂，其各组分的质量分数分别为热塑性酚醛树脂1%、羧甲基纤维素钠1%、玉米淀粉7%、钠基膨润土91%时，型煤冷压强度和热强度分别可达到823 N/球和319 N/球以上。加入复合黏结剂可使型煤有较高的强度，但是通常添加量相对较大[7]，而添加量少又会影响型煤的强度。如何优化及减少复合黏结剂添加量对型煤研究具有重要的意义。随着现阶段环保要求的不断严格，对型煤原料煤煤质也有较高的要求，不同煤种相互配煤制备型煤不仅可以缓解优质煤短缺的局面，也可以起到提高型煤强度的作用[8]，进而降低型煤黏结剂添加量。

型煤研究大多注重对黏结剂种类及黏结剂配制工艺参数的优化[9-10]，缺乏对黏结机理的探讨，一般认为是黏结剂作用下的表面结合，煤中颗粒间的黏结因煤种及黏结剂种类选用不同而有所差异。本研究针对目前型煤黏结剂添加量大、热强度低的问题，在控制型煤黏结剂添加成本和保证煤质要求的前提下，通过配煤及优化黏结剂添加量来提高型煤强度。并对不同煤种及黏结剂对型煤强度的影响机制进行了分析。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验采用长治煤、晋城煤、兴县煤和东曲煤四种煤样，分别用CZ，JC，XX和DQ表示，其中长治煤和晋城煤为无烟煤，兴县煤为气煤，东曲煤为肥煤，煤样的工业分析及元素分析结果见表1。实验用黏结剂为淀粉(工业级)、钠基膨润土(工业级)、腐植酸钠(分析纯)和碳酸钠(分析纯)，分别用N1，N2，N3和N4表示。

1.2 实验仪器及方法

在液压成型机(SMY-20t-140mm)上利用自制型煤模具(圆柱状，直径为4 cm，高为3 cm)制作型煤，型煤强度使用智能球团抗压强度测试仪(WQYC-10c)测试。

利用数码显微镜(AM4113ZT(R4))对不同条件下热解后的型煤形貌进行分析。

采用JC2000D1型接触角测量仪(上海中晨数字技术设备公司制造)，用快速照相法测得煤与水的接触角度。

1.3 实验步骤

1.3.1 型煤的制备

将煤样与不同质量比的黏结剂混合均匀，加入适量水(约占型煤质量的13%)，搅拌均匀，然后装入模具中，用液压成型机在40 MPa的压力下冷压成型；将型煤置于105 ℃的干燥箱中干燥3.5 h，制得型煤产品。

1.3.2 型煤强度测试

冷压强度测试：按照MT/T 748-2007中的方法进行，从型煤样品中取3个试样，逐个置于试验机的施力面中心位置上，对试样匀速加压，直至试样破碎为止，记录试样破碎前承受的最大压力，以测定值的算数平均值作为冷压强度值。

热强度测试：按照MT/T 1073-2008中的方法进行，从型煤样品中取3个试样，在(850±15) ℃的马弗炉中隔绝空气加热30 min，冷却后逐个置于试验机的施力面中心位置上，对试样匀速加压，记录型煤开裂时试验机显示的数值，以测定值的算数平均值作为热强度值。

2 结果与讨论

2.1 煤种对型煤强度的影响

在型煤黏结剂种类及添加量、水含量和成型压力相同的条件下，分别测试了四种原料煤制得型煤的冷压强度和热强度，结果见表2。

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

由表2可知，相同条件下四种煤制得的型煤冷压强度都较高，但热强度普遍较低。XX和DQ挥发分较高，高温下煤中所含的有机质发生热解，产出热解气和焦油，热解产物的逸出伴随着煤中大量孔隙裂隙的产生，随着温度的升高，这些孔隙迅速增大，致使煤的固体结构失去稳定性而坍塌破裂[11]。由此可见，加入一定量的型煤黏结剂，某些单一煤种制得的型煤强度很难达到实际要求(冷压强度≥500 N/球，热强度≥350 N/球)，但利用增加黏结剂添加量的方法提高型煤强度，会导致型煤生产成本增加，燃烧效率降低。

2.2 复合黏结剂添加量及配煤对型煤强度的影响

2.2.1 型煤要求及配煤方案

为了控制燃煤污染，GB 34170-2017《商品煤质量 民用型煤》中对型煤的技术要求见表3。

为提高型煤强度，降低型煤生产成本，在型煤煤质满足灰分为10%左右，挥发分为10%～15%时，通过配煤及改变复合黏结剂添加量以达到型煤强度要求。本研究以灰分和挥发分都较低的CZ和JC两种无烟煤为主要煤种，分别与挥发分较高的DQ和XX配煤，设计了四种配煤方案(见表4)。

表4 以CZ和JC为主要煤种的配煤方案Table 4 Coal blending scheme with CZ and JC as main coal types

2.2.2 配煤方案对型煤强度的影响

以配煤为原料，控制成型压力为40 MPa，成型水含量为14%，配煤方案及黏结剂添加量对型煤强度的影响见表5。

表5 配煤及黏结剂添加量对型煤强度的影响Table 5 Effects of coal blending and binder addition on briquette strength

由表5可知，当CZ与DQ质量配比为60∶40时，配煤型煤较单一煤种成型的型煤热强度显著提高。DQ属于肥煤，在热解时产生的大量胶质体增加了型煤的热稳定性；CZ为无烟煤，DQ改善了配煤焦黏特性及温度区间，进而提高了配合煤的黏结性[12]。添加黏结剂腐植酸钠对该配煤方案的型煤强度无明显作用。在控制黏结剂添加成本的前提下，该配煤方案制得的型煤抗压强度达不到实际要求。

当CZ与XX质量配比为75∶25时，配煤型煤较单一煤种成型的型煤热强度有一定的提高。CZ灰分低，高温黏结性差；XX属于气煤，加热时产生较多的煤气和焦油，胶质体的热稳定性差。CZ中配入XX后，其热解产生的焦油起到了一定的黏结作用，改善了配煤强度。同样添加腐植酸钠对该配煤方案的型煤强度影响不大，且型煤冷压强度及热强度都达不到实际要求。

当JC与DQ质量配比为65∶35时，型煤冷压强度≥500 N/球，热强度≥350 N/球，且较配煤方案1的黏结剂添加量少，相对降低了成本。

当JC与XX质量配比为77∶23时，其型煤达到要求，且较配煤方案2的黏结剂添加量少，添加腐植酸钠对该配煤方案的型煤热强度有一定作用。因此，该研究采用以晋城煤为主的配煤方案3和配煤方案4进行优化实验。

2.3 型煤配方的优化

配煤是影响型煤强度的关键之一，在煤质满足型煤生产要求的前提下，为了降低生产成本、减少灰分的引入，对配煤方案3和配煤方案4的型煤黏结剂添加量进行了进一步优化。

2.3.1 淀粉(N1)添加量对型煤强度的影响

当型煤中N2添加量为2.0%，水添加量为13%，成型压力为40 MPa时，不同N1添加量对型煤强度的影响见图1。

图1 淀粉添加量对型煤强度的影响Fig.1 Effect of starch addition on briquette strength □—Cool compressive strength；○—Thermal strength

由图1可知，当JC与DQ质量配比为65∶35时，型煤的冷压强度随淀粉添加量的增加而增大，淀粉添加量为0.8%时，冷压强度≥554 N/球，热强度≥500 N/球。其原因为淀粉分子结构中含多个羟基，亲水性强。支链分子与水反应形成高黏度的溶液，直链分子通过氢键作用形成束状结构，一段时间后可形成絮凝体。分子脱水干燥后，其有机成分固化收缩，使得絮凝体相互交错穿插在一起，紧密地填充在煤粒之间，增强了煤粒间的黏附力[13]。随着淀粉添加量的增加，更多凝胶体均匀地分布在煤粒之间，使得整体物料间的接触更加充分，进而提高了型煤的冷压强度。

当JC与XX的质量配比为77∶23时，型煤的冷压强度随着淀粉添加量的增加而增大，淀粉添加量为1.0%时，型煤的冷压强度达到500 N/球，热强度较低，约为200 N/球。

2.3.2 膨润土(N2)添加量对型煤强度的影响

当型煤中N1添加量为0.6%，水添加量为13%，成型压力为40 MPa时，不同N2添加量对型煤强度的影响见图2。

由图2可知，当JC与DQ质量配比为65∶35时，按照上述条件制得型煤的冷压强度随膨润土添加量的增加而增大，膨润土添加量为1.2%时，型煤的冷压强度≥500 N/球，热强度≥350 N/球。其原因为膨润土吸附性强，分散性好，与水作用后能够很好地分散在煤粒间及煤粒缝隙中，干燥后形成骨架结构对型煤起到了很大的支撑作用，随着添加量的增加，骨架结构的强度越高，煤粒间的黏结性越强，型煤的抗压强度越高[14]。高温燃烧时，不会影响骨架结构对热强度提高的良好作用。

图2 膨润土添加量对型煤强度的影响Fig.2 Effect of bentonite addition on briquette strength □—Cool compressive strength；○—Thermal strength

2.3.3 腐植酸钠(N3)添加量对型煤强度的影响

当型煤中N1添加量为1.0%，N2添加量为1.2%，水添加量为13%，成型压力为40 MPa时，不同N3添加量对型煤强度的影响见图3。

图3 腐植酸钠添加量对型煤强度的影响Fig.3 Effect of sodium humate addition on briquette strength □—Cool compressive strength；○—Thermal strength

由图3可知，当JC与XX质量配比为77∶23时，按照上述条件制得型煤的冷压强度随着腐植酸钠添加量的增加而增大，腐植酸钠添加量为0.8%时，型煤的冷压强度达到503 N/球，热强度达到355 N/球，满足实际要求。腐植酸钠对煤具有很强的亲和力，能够很好地润湿煤表面，并渗入到煤的微孔结构中[15]，且具有胶质体特性，高温热解时能缩聚成胶体，最终固化使型煤具有较高的热强度。随着腐植酸钠添加量的增加，煤粒间的物理作用力增强，进而提高了型煤的强度。

2.4 煤种及黏结剂对型煤强度影响的机理分析

CZ的灰分和挥发分与JC的灰分和挥发分相近，但JC分别与XX和DQ配煤后型煤强度总体效果更好。

2.4.1 煤种对型煤冷压强度影响的机理分析

为了探究分别以CZ和JC为主要煤种的配煤型煤冷压强度差异较大的原因，分别对淀粉溶液和腐植酸钠溶液在上述两种煤样表面的接触角进行了测试，不同黏结剂溶液在煤样表面的接触角见表6。

由表6可知，JC分别在质量分数为1.0%的淀粉溶液和质量分数为1.0%的腐植酸钠溶液中的接触角比CZ分别在这两种溶液中的接触角小。说明黏结剂淀粉、腐植酸钠溶液在JC表面的润湿性比在CZ表面的润湿性好，更容易在JC表面铺展，使得JC煤粒间的黏结性更强，这也是晋城煤配煤效果优于长治煤配煤效果的原因。

表6 不同黏结剂溶液在煤样表面的接触角Table 6 Contact angle of different binder solutions on the surface of coal samples

2.4.2 煤种及黏结剂对型煤热稳定性影响的机理分析

以CZ和JC为研究对象，分别探究了配煤及添加腐植酸钠对型煤热强度的影响。

2.4.2.1 配煤对型煤热强度的影响

图4所示为单个煤种和配煤后制得型煤的热强度测试样品的显微镜照片。由图4可知，JC和CZ分别配DQ后型煤结构较配煤前更加致密，配煤后DQ紧密地填充在JC和CZ煤粒之间，对煤粒起到了一定的黏结作用。高温下，DQ受热后产生较多的液相胶质体，这些液相胶质体将煤粒表面润湿，形成液相薄膜，液相产物缩聚和固化，形成半焦或焦炭填充于JC和CZ煤粒间，并将煤粒黏结在一起而形成包裹状，增强了煤粒间的黏结性，从而起到提高型煤热强度的作用[16]。

图4 配煤前后型煤热解对比照片(×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分别配XX后型煤结构较配煤前同样变得更加致密，XX紧密地填充在煤粒之间，增强了煤粒间的黏结力。配入XX后，其热解产生的焦油在煤粒间起到了一定的黏结作用，有利于形成致密的焦炭，同时可以缓解收缩应力，减少裂纹的形成，起到改善型煤热强度的作用[17-19]。

2.4.2.2 腐植酸钠(N3)对型煤热强度的影响

在粉煤中加入腐植酸钠制备型煤时，由于原煤和腐植酸钠都属于非极性物质，由相似相溶原理可知，粉煤和黏结剂之间具有很强的亲和力，黏结剂会渗入到粉煤的微孔结构里，且随着水分的干燥，其会收缩固化为胶体，在煤粒界面产生机械啮合力，增大成型物之间的物理化学力和范德华力，进而提高型煤的强度。高温时，仍有部分胶体残留物使型煤具有一定的高温强度和热稳定性[20]。因此，添加腐植酸钠对型煤热强度有一定的促进作用。

3 结 论

1) 可以通过配煤或增大黏结剂添加量提高型煤强度，配煤是提高型煤强度、降低生产成本的有效方法。

2) 在型煤中添加腐植酸钠及通过配煤均可提高型煤的热强度。

3) 优化结果表明：晋城煤与东曲煤质量配比为65∶35，淀粉添加量为0.6%，膨润土添加量为1.2%，水含量为13%，成型压力为40 MPa时，型煤的冷压强度可达500 N/球，热强度超过了500 N/球；晋城煤与兴县煤质量配比为77∶23，淀粉添加量为1.0%，膨润土添加量为1.2%，腐植酸钠添加量为0.8%，水含量为13%，成型压力为40 MPa时，型煤的冷压强度可达503 N/球，热强度达到355 N/球。