煤泥复配粘结剂对长焰煤成型性能的研究

山西太原030024 ；3.太原科瑞康洁净能源有限公司，山西太原030006）摘要:加入煤泥和聚乙烯醇，采用冷压成型将粉煤制备成型煤，用抗压强度和跌落强度作为检测手段，在实验室 规模的成型试验台上，系统地研究了成型压力和成型水分对型煤强度的影响。结果表明，成型工艺参数对型煤强

度影响较大。在成型压力为60 kN,成型水分为14%的条件下，型煤的抗压强度和跌落强度分别达到11. 3 MPa和

98. 2%o通过红外光谱和扫描电镜分析得出了粘结剂对长焰煤成型作用机理，即加入煤泥和聚乙烯醇后，型煤的

羟基官能团明显增多，说明粘结剂与煤颗粒表面有较多的氢键缔合，以及部分交联作用，增强了煤粒间的结合力,

从而提高了型煤的机械强度。关键词:型煤;粘结剂;冷压成型;工艺条件;成型性能中图分类号:TQ53 文献标识码:A 文章编号：1671 -3206（2020）03 -0588 -04Experimental stiidy on tte forming properties of

long flame coal by slime and te binderCHANG Zhi-Hea ,DU Wen-guang1 , YANG Song2 ,LIU Shoo-jim1,

SHANGGUAN Ju ,SHI Peng-zheng ,MA Rui1(1. Key Laboetoe of Coat Science and Technology of Ministry of Education and Shanxi Province, Taiyuan University of

Technology,Taiyuan 030024 ,China；2. Colleac of Chemistry and Chemical Engineeyng,Taiyuan University of Technology,

Taoyuan 030024, Chona;3.Taoyuan Geeen CokeEneegyCo. , Ltd. ,Taoyuan 030006, Chona)Abstract: The coat was prepared into the byquytv using coll press forming by adding coat slurry and pol­

yvinyl alcohol. The compressive strength and the dep strength were used as testing methods for briqu/:te•

Theetectsotmoedongpeesueeand moedongmoostueeon beoquetesteength weeesystematocaeystudoed on a laboratoe scale forming test yg. The results show that the molding process parameters have a great influ­

ence on the byqu/W strength. With the increase of molding pres sura and molding moisture , the strength of

byqu/Ws lot increases and then decreases. Under the conditions of molding pressure of 60 kN and mold­ing moisture of 14% , the compressive strength and dep strength of the byqu/:tvs reached 11.3 MPa and 98.2%，/spectmef The mechanism of the formation of Ung-Came coat by binder was obtained by infra­red specWoscopy and scanning electron micescopy. AUo adding coal sUrry and polyvinyl alcohol, the hy­

droxyl functional geup of the byqu/:tv increased siani/canWy, indicating the binder has more hydrogen bond csociation with the su/xco of the coat pctWUs,cd pctiO cross-link/ig,which enhances the bond­

ing force between the coat pc/Ovs, themby improving the mechanical strength of the b/quettv.Key words: beoquete; bondee; coed toemong; peocescondotoons; toemongpeopeetoes我国煤炭资源丰富，到2018年,煤炭储量达到 1 388亿I,其中低阶煤占40% - 50% o近年来，随

求,造成燃料资源的巨大浪费。煤粉直接燃烧利用

率低，污染严重,将粉煤成型可实现煤炭的清洁高效

着煤炭开采机械化程度的提高,煤粉数量急剧增加。 利用。由于低阶煤塑性差、弹性大，在消除成型压力

由于煤粉粒度小,不能满足各种工业生产工艺的要后会发生较大的弹性膨胀,型煤结构容易松动,强度收稿日期：2019-04-02 修改稿日期：2019-05-09基金项目：国家自然科学基金项目（21878210）;国家大气重污染成因与治理攻关项目（DQGGC511）；山西转型综改示范 区自主创新项目（2016CXJ021）;山西煤科学与技术省部共建国家重点实验室开放基金（mkt01805）作者简介:常志伟（1995 -），男，山西晋中人，太原理工大学在读硕士，师从杜文广教授，主要从事煤炭清洁高效利用的研

究。电话（15536604979, E - mail ：413256923@ qq. com通讯联系人:杜文广，教授，主要从事煤炭清洁高效利用的研究。E -maiOduwenguang@tyut. edu. cn第3期常志伟等:煤泥复配粘结剂对长焰煤成型性能的研究5A9降低〔T。因此，粘结剂的种类和成型工艺对煤粉

的成型尤为关键。煤，破碎时，压力瞬间变小，记录此时最大的压力值， 型煤抗压强度用下列公式表示〔5* :'c = (4F/(D2)(2H/D)05

式中'——抗压强度，MP-;F一一最大压力值,N；本文首次提出长焰煤加入煤泥和聚乙烯醇来制 (1)备型煤，型煤强度明显提高，实现废物的资源化利

用，减少污染。通过型煤的跌落强度和抗压强度来 检测粘结剂对长焰煤成型性能的影响，用单因素实

D——型煤的直径,mm；验确定了最佳工艺条件，通过扫描电镜和红外光谱 表征手段对原煤和型煤进行了机理分析。H---型煤的高度,mm。1.4.2 跌落强度测试 采用12 mm厚的钢板，将 10个型煤在2 m高的地方自由落在钢板上,反复跌

1实验部分1.1原料与仪器落3次后，将跌落物过13 mm的筛子，称其质量，型

原料煤，选自陕西长焰煤;实验煤泥，选自山东

龙口 ( 一种低阶煤泥)，原煤与煤泥工业分析见表1 ；

聚乙烯醇1788(分子式为(C2H4O) n，纯度〉99% )， 分析纯。表1测试煤原料Table 1 Test coal indicators样品My/%Ay/%Vda/%FCy/%G原煤3.196.4137.4656.540煤泥3.8321.6937.7046.4017Nicolct G 50傅里叶红外光谱仪；Zeiss EVO

MA15扫描电子显微镜；101-00A电热鼓风干燥箱； YAW-300D全自动压力试验机。1.2原料预处理原煤的挥发分为37. 46%，而固定碳含量仅为

56.54%，是典型的高挥发性煤。将长焰煤先在空气

中干燥，用破碎机将其破碎至3 mm以下，筛分至不

同粒级(R1 < 1 mm，R2 二 1 〜2 mm，R3 =2-3 mm)，

放入电热鼓风干燥箱中进行烘样，置于真空干燥器 备用。1.3实验方法准确称取筛分至不同粒度级别的煤样(R1 = 70%，R2 = 10%，R3 = 20% )，加入粘结剂和水混合

均匀，把混合物倒入自制模具中，用手压实，防止出 现漏料的现象。将预压后柱状模具置于全自动压力

试验机上，使得在同一速率下施加至一定压力下压

制成型，然后经过脱模得到约-30 mm X 18 mm的

柱状型煤，重约15 /，在电热鼓风干燥箱内干燥后冷 却至室温，用来检测强度,其工艺生产过程见图1。原煤 —配料 预压成型 检测粘结剂---------混合物--------------W------------

2K -图1粉煤成型工艺流程Fig. 1 Pulverized cool forming process1.4结构表征与性能测试1.4. 1抗压强度测试 采用全自动压力试验机测

量型煤的抗压强度，速率为12 mm/min往下压型

煤跌落强度用下列公式表示:Ds = (md/m) X100%

(2)式中Dy 一一跌落强度,％］4d-----大于13 mm跌落物质量,a；m------10个型煤总的质量,g。1.4.3红外光分析利用傅里叶红外光谱进行研

究,分析了原煤和型煤的表面官能团。波数是400

〜4 000 cm'1，分辨率是 4 cm'1。称(1 ±0.05 ) mg

的煤样，与一定量的KBr混合制备样品，透射

率.0.1。1.4.4扫描电镜 采用扫描电子显微镜对原煤及

型煤的外观进行表征，利用观测结果分析了原煤和

型煤中颗粒的分布和孔隙结构。扫描电镜的分辨率 为 1.0 nm (15 kV) /2. 2 mm( 1 kV),加速度电压为

0.5 〜30 kV。2结果与讨论2.1成型工艺对长焰煤成型性能的影响2.1. 1成型压力对长焰煤成型性能的影响 文献

报道,350 kPa的抗压强度足以保证成型体在搬运和 运输过程中可能遇到的压力下的生存⑹。固定复

配煤泥含量为20%，聚乙烯醇的加入量为1%,考察

了不同成型压力对型煤机械强度的关系，结果见

图 2。由图2可知，随着成型压力由30 kN提高到 90 kN时，型煤的抗压强度和跌落强度变化趋势一样,

先增大后减小，压力为60 kN时，型煤抗压强度达到

最大，为11.3 MP-,此时的跌落强度为98.2%。由于

长焰煤弹性大、塑性差,在成型过程中对压力十分敏

感,在压力<60 kN时,提高压力有助于粘结剂和煤

粒之间的交错、混合和重排，使得粘结剂与煤粒之间

的结合更紧密,从而提高了型煤的机械强度；也有报 道说，较高的压力可以提升煤粒之间机械结合⑺。但

随着压力的继续增大，煤粒之间会发生再次反弹,导

致煤表面出现新的断面,粘结剂没法瞬间粘合新的断 面，使型煤强度出现下降。而且卸压后，型煤会发生

590应用化工第49卷应力释放，导致裂纹的产生和强度的降低［8*o因此,对于本研究来说，最佳的成型压力为60 kNo12i---------------------------------------------------------------

由图3可知，型煤机械强度受成型水分影响很 大，成型水分由8%提高达到16%时,型煤的抗压强

度和跌落强度变化趋势一样，先增大后减小。成型 水分含量V 14%时,随着成型水分的增加,煤粒之间

的摩擦减小，流动性变大，使得煤粒能够更好的结

合，成型水分〉14%时，在型煤冷压成型过程中，过

多的水会将粘结剂带出去，减小粘结剂含量,使得型

煤的强度降低，并且过多的水分会造成水资源的浪

费和脱模困难，成型水分需要一个合适量。因此，在

成型压力/kN95 90 85 80

30

45

60

75 90成型压力/kN图2型煤强度和成型压力的关系Fog.2&Etectotbeoquetongpeesueecontenton the

mechanocaesteength otbeoquete2.1.2成型水分对长焰煤成型性能的影响同样

固定复配煤泥含量为20% ,聚乙烯醇的加入量为 1%，考察了不同成型水分对型煤机械强度的关系,

结果见图3 o12i---------------------------------------------------------------

8

10

12 14 16成型水分/%图3型煤强度和成型水分的关系Fog.3 &Etectotbeoquetongmoostueecontenton the

mechanocaesteength otbeoquete本研究中，最佳的成型水分为14% o2. 2 表征分析2.2.1红外光谱分析 图4对比了原煤、加入不同

粘结剂的型煤红外光谱图。根据报道显示，酸性官 能团是煤结构上反应最活跃的部位，因此在煤的结 构中起着重要的作用［9］o氢键是一种非共价缔合

作用，其对保持低阶煤的大分子结构起着关键作用,

因此，低阶煤的利用受到氢键的影响,存在更高量的

含氧官能团（一COOH、一0H和C =0）在形成氢键

中起重要作用，导致型煤具有高的强度［10V1* oFig. 4 IR spectre of dOfemnt b/quettcs

c.长焰煤;b.长焰煤+ 1%PVA； e.长焰煤+ 1%PVA+20%煤泥[12-16]可知，曲线b相比于曲线a,在原煤中单加入聚乙烯 醇后,3 200 f 3 600 cm'1处的羟基特征峰增强。说

明聚乙烯醇与煤颗粒表面有较多的氢键缔合，以及

部分交联作用，增强了相邻煤粒之间的结合力，提高

了型煤的机械强度。曲线c相比于曲线a和曲线

b,复配煤泥后，羟基的特征峰有更为明显的改善。

因为低阶煤泥和原煤化学结构相似，表面存在大量 含氧官能团,使得煤泥与聚乙烯醇、煤泥与煤粒之间

有较多的氢键结合,加强了它们之间的粘结力，从而

使型煤的强度显著提高。2.2.2扫描电镜分析 图5对比了原煤、加入不同

粘结剂型煤的表观扫描电镜图。A是原煤、B是长 焰煤单加入聚乙烯醇的型煤、C是长焰煤复配20%

煤泥再加入1%聚乙烯醇的型煤。第3期常志伟等:煤泥复配粘结剂对长焰煤成型性能的研究591图5不同型煤的扫描电镜图像Fig. 5 Microstructure eV dQferent bOquettes

A.长焰煤；B.长焰煤+ 1%PVA； C.长焰煤+ l%PVA+20%煤泥由图5A可知，没有加入粘结剂的型煤表面凹凸

不平，相邻煤粒之间的孔隙很大，说明长焰煤粒之间

仅靠压力是不能粘结在一起的，型煤强度很低；由图

5/可知,当加入聚乙烯醇后,型煤表面比较平整,煤

粒之间的孔隙明显降低,型煤表面出现块状的胶体, 将煤粒紧紧的结合在一起，型煤的机械强度得到明显

的改善;由图5C可知,再复配煤泥后,几乎看不到煤 粒之间的孔隙,表面很平滑,这是因为细煤泥填充了

煤粒之间的缝隙，减小了型煤的裂隙，另一方面，煤泥 具有一定的粘结性，加强了煤泥与煤颗粒的作用力,

型煤的结构变得紧密，使得型煤强度大幅度提高。2.3机理分析粉煤加入不同粘结剂成型过程见图6o由图6可知,长焰煤无粘结剂冷压成型时,由于

颗粒本身没粘结性,型煤仅靠微弱的机械啮合力结 合在一起,型煤强度很低；当聚乙烯醇加入粉煤后,

遇水的聚乙烯醇会在煤粒之间形成高粘性网状的胶

体,干燥后的胶体呈枝晶结构,机械嵌入相邻的煤颗

粒之间，见图7 ,在煤粒之间形成聚合物力和固桥

力；再加入煤泥后,细煤泥填充了煤粒之间的孔隙， 使得型煤强度显著提高。图6粉煤加入不同粘结剂成型过程

Fig. 6 The molding process eV pulverized cool

煤粒聚合物力图7粉煤成型机理图Fig. 7 The mechanism diagram eV pulverized cool forming3结论(1) 成型工艺参数对型煤的机械强度有较大的 影响。随着压力和水分的增大，型煤的抗压强度和

跌落强度变化趋势相同。煤泥能填充煤粒之间的孔

隙，使型煤强度得到改善。当长焰煤复配20%煤 泥,再加入1 %聚乙烯醇，成型压力为60 kN,成型水

分为14%，型煤的抗压强度和跌落强度为11.3 MP-

和 98. 2% o(2) 研究了氢键对型煤机械强度的影响，红外 结果表明加入煤泥和聚乙烯醇后，型煤的羟基官能 团明显增多，说明粘结剂与煤颗粒表面有较多的氢

键缔合,以及部分交联作用,增强了煤粒间的结合

力，从而提高了型煤的机械强度。(3) 煤泥作为一种便宜的副产品，能显著提高 型煤的强度，实现了废物的资源化利用，具有很大的 实际意义。参考文献:)1 ] Li X, Li J, Wu J, et at. Clean and eVicient utilization dsodium-rich Zhundong coals in Chine: Beheviors eV sodi­

um species during thermel conversion processes ) J ]. Fu­

el,2018 ,218(162-173.)2 ] Ba/ban R C, E/o J A, Christodoulos A F. Toward novel hy-bod biomass, cool, and naturel ges processes for satisfying current transpoOation fuel demands ,1: process alternatives, gasification modeling, process simulation, and economic

analysis[ J].【nd Eng Chem Res ,2010,49 ：7343-7370.(下转第596页)596应用化工第 49 卷面活性。随着碳链长度的增加,N-酰基苯丙氨酸钠 表面活性剂的临界胶束浓度(cm )逐渐减小。 C16PheNa有较低的cmc,为0. 02 mmol/L,对应的表

成及应用研究进展[J].化工技术与开发,2007,36(10) ：24-28.[8 ] Agun G, Joykrishna D. Effect of hydrogen bonding on the

面张力(&mc )为 31-52 mN/m。physocochemocaepeopeetoesand boeayeeseet-assembeytoe-

(3)随着烷基碳链的增长,CsPheNa的乳化性

能较好,润湿性能较差;起泡性能随着烷基链的增加

matoon otN-( 2-hyd eoxydodecy e) -L-aeanoneon aqueousso-

luhon [ J ] - Langmuir the Acs Journal of Su/aces &

Colloids,2008,24(12) ：6018-6026c呈现先增加后减少，CmPheNa的起泡性最好，而泡 沫稳定性则是C16PheNa最好。参考文献：[1]陈莉莉，王祥荣.N-月桂酰基丙氨酸钠的合成及其性

[9 ]曾平，谢维跃,蒋佑清，等.N-酰基氨基酸型表面活性

剂的合成与应用进展[J].精细与专用化学品,2008,

16(24)：13-16.[10] 葛虹，张之强，王军，等.NC旨酰氨基酸型表面活性剂

的研究进展)J]-日用化学工业,2006,36(2) ：94-98.[11] 夏泳梅，夏纪鼎.长链酰基氨基酸型表面活性剂的合

能的研究)J].印染助剂,2009,26(4) ：18-21.[2 ]葛虹，张之强，王军，等.NC旨酰氨基酸型表面活性剂

成及其抑菌性能)J].精细化工,1987,4(5):86-92.[12 ] Haidar S, Maji S K Role of non-covaUnt interactions in

the moeecueaeoeganozatoon otN-n-hexadecanoyeamono

的研究进展)J]-日用化学工业,2006(2):94-98.[3]耿二欢，洪玉倩,王文德，等.月桂酰丙氨酸钠的复配

性能研究)J]-日用化学工业,2017,47(12) ：681-684.[4 ]洪玉倩，史立文,耿二欢，等.N-月桂酰基氨基酸钠的

aciP amphiphiles with hydrophobic C a-side chains in Tvs bu tee( pH 9.3 ) [ J] .Coeoodsand SuetacesA： Physoco

chemocaeand Eng onee eong Aspects,2013,420：10-21.性能研究)J].中国洗涤用品工业,2019(2) ：27C1.[5]

李泽勇，陈磊，刘康，等.高效液相色谱法检测氨基酸 表面活性剂中脂肪酸的含量[J]-日用化学工业,

2017,47( 11 )：655-658.[13 ] You Y, Wu X, Zhao J, et at- Effect of Ckyl mil length of

quateenaeyammonoumgemonosuetactantson toamongpeop- eetoes[ J] .Cooodsand SuetacesA： Physocochemoca)and

[6] 徐凯,许虎君.十一碳烯酰基苯丙氨酸的合成及其抑 制酪氨酸酶二酚酶活性的研究[J]-日用化学工业,

2016,46(10) ：591-595•EngoneeeongAspects,2011 , 384( 1 ) ： 164-171.[14]张光华，秦松，黄凤萍，等.系列反应型阳离子Gemini

表面活性剂的合成及性能[J].化工进展，2015,34(11) ：4030C034.[7] 杨璐，高清来,李可彬.N-酰基氨基酸型表面活性剂合(上接第591页)[3 ] Chen L,L1 X,Han L. Renewable energy from cmcesidues

on Chona： soeod bootueesand boomasbeoquetongtechnoeogy[J] - Renew Sust Energy Rev,2009,13 ：2689-2695.coat briquettes part P production and properties [ J ] - Fuel Processing Technologx ,1981(4) ： 277-289 •[10] Gilli G,Gilli P. Towards an unified hydrogen-bond theory

[J] - Journal of Molecular Structure,2000,552 ：1 D5.[ 4] MahoneyM, NomueaS, FukudaK, etae.Themechanosm ot

cokongpeesueegeneeatoon P： etectothogh eoeatoeematee

cokongcoae, semoantheacoteand cokebeeezeon cokong

[11] Miura K, Mac K,Li W,cf at- Estimation of hydrogen bond

distribution in coat through the analysis of OH stretching bands in diOuse reCectance infrced spectrum measured by

peesueeand conteactoon[ J] .Fuee,2010,89：1557-1565.incitu Wchniquc[ J] - Ene/y & Fuels,2001,15 ：599C10.[12 ] Yiirum Y, Akunmr N. Air oxidation of Beypazarl lignite at

[5 ] Eidson G, Stanmorc B R. High strength binderless bmwn

coaebeoquete5paetP.Peoductoon and peopeetoe5[ J] .Fuee

PeocesTechnoe,1981 ( 4) ：277-289.5 b ,100 b and 150 b[ J]. Fuel, 1998 ,77 ： 1809-1814c[13 ] Rhoads C A, Senftle J T. Fu/her studies of coat oxidation [J].Fue),1983,62：1387-1392.[ 6] Han Y, TahmaseboA, Yu J, etae.An expeeomentsstudyon

bondeeeesbeoquetongoteow-eank coaes[ J] .ChemocaeEn-

goneeeong& Techno eogy,2013 ,36 ：749-756.[14 ] Painter P C, Snyder R W. Concerning the application of

FTIR to the study of coal: acri/cai assessment of band as­signments and the app/ca/on of spectral analysis pm-

[7 ] Plancher H, Agar/at P K, Severns R. Improving form coke

beoquetesteength [ J] .FueePeocesTechnoe, 2002, 79： 83-92.[8 ] Ka/yan N, Morey R V. Natural binders and solid bridge

typebondongmechanosmson beoquetesand peetsmade

geams[ J] .Appeoed Specteoscopy,1981 ,35：475-485.[ 15] PbaeaJV, MoeandaJL.Detectoon otweatheeongon stock-

poeed coaesby Foueoeeteanstoem onteaeed specteoscopy

[ J] .PnteenetJouenaeotVobeatoonaeSpecteoscopy, 1996,

10：311-318.from corn stover and switchgmss [ J ] - Biomsoume Tech- nologx,2010,101 ：1082V090.[ 16 ] GeoeankopoueosA, PoedanodosA, KaponaV.Studyoteow

rank Greek coals using FTIR spectroscopy [ J ] - Energy

[9 ] Eldon G, Stanmorc B R. High strength binderless bmwn Sources,2003 ,25 ：995V005.