基于腐植酸鈉的型煤復合粘結劑的研究

趙 巍 李遠才 萬 鵬 胡凡建 李繼高

（華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北省武漢市，430074）

基于腐植酸鈉的型煤復合粘結劑的研究

趙 巍 李遠才 萬 鵬 胡凡建 李繼高

（華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北省武漢市，430074）

以腐植酸鈉作為主要型煤粘結劑，以蒙脫石和高嶺土作為復配粘結劑，以常溫強度、高溫強度和熱穩(wěn)定性作為型煤試樣的主要性能檢測指標，先通過單因素實驗的方法進行實驗，然后對實驗結果進行對比分析，得到了腐植酸鈉、蒙脫石和高嶺土加入量的變化對型煤試樣常溫強度、高溫強度和熱穩(wěn)定性的影響趨勢，著重對其機理進行了分析。研究結果表明，腐植酸鈉對常溫強度影響最為顯著，蒙脫石和高嶺土可提高型煤的高溫強度和熱穩(wěn)定性，且蒙脫石的作用比高嶺土更為明顯。

型煤粘結劑 腐植酸鈉 蒙脫石 單因素實驗

以適當?shù)墓に嚭驮O備，將具有一定粒度組成的粉煤加工成具有一定形狀、尺度、強度及理化特性的人工“塊煤”，這種人工塊煤統(tǒng)稱為型煤。通常按用途可將型煤分為工業(yè)型煤和民用型煤，工業(yè)型煤又可細分為燃料型煤、氣化型煤和煉焦型煤。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，塊煤需求量日益增加；同時隨著采煤機械化程度的不斷提高，導致粉煤量越來越多，所以發(fā)展型煤技術不僅可以緩解塊煤供不應求的局面，而且可以有效地利用粉煤；另外，在型煤成型過程中，也可以通過合理的配煤方法來改善原有單一煤種的性能。

目前國內型煤研究主要以粘結劑冷壓成型為主，粘結劑成了整個型煤成型工藝中的關鍵，同時也是型煤制品質量的重要保證。型煤粘結劑種類繁多，腐植酸鹽類和生物質類是目前研究較多的粘結劑，腐植酸是植物在腐敗過程中所產生的一種含有多種官能團的有機酸，它廣泛存在于泥炭、褐煤、風化煤和土壤中，大部分腐植酸以游離形式存在，可以用強堿（燒堿）抽提：

[R]－COOH＋2NaOH→[R]－COONa＋2H2O

式中：R為腐植酸本體。

腐植酸鹽粘結劑制得的型煤具有一定的初始強度，烘干后，隨著水分的蒸發(fā)，腐植酸鹽收縮固化為膠體，使型煤具有較高的常溫強度；熱分析結果表明，在高溫時此類粘結劑仍有部分殘留物，使得型煤具有一定的高溫強度和熱穩(wěn)定性。但是總體來說，其高溫性能仍然達不到使用要求，需要加入無機粘結劑以復配。本文主要是在腐植酸鈉粘結劑的基礎上加入蒙脫石和高嶺土等粘土類無機粘結劑進行復配，研究復配后型煤性能的變化。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗所用原料煤為山西和貴州產的混合煤，為了能使型煤獲得最佳性能，原料煤都破碎至3mm以下。工業(yè)性分析表明：水分Mad為4.718%，灰分Aad為22.848%，揮發(fā)分Vad為12.057%，固定碳FCad為60.380%。實驗中選用的無機粘結劑為蒙脫石和高嶺土，其物化性能及產地如表1所示。

1.2 實驗儀器

實驗所用的實驗儀器及其作用如表2所示。

表1 膨潤土和高嶺土的性能

表2 實驗儀器

1.3 型煤試樣制作

型煤試樣制作的基本步驟如下：先將混合原料煤破碎篩分至3mm以下的粉煤，然后按預算的質量往煤粉中加入干粉粘結劑，攪拌均勻后，再加入液態(tài)粘結劑，稍作攪拌后倒入混砂機中攪拌揉捏2min，再用制樣機壓制成規(guī)格統(tǒng)一的?30cm×H40cm的圓柱狀型煤試樣，最后放入180℃的電熱鼓風干燥箱內保溫2.5h后取出，冷卻至室溫即可。其簡要流程見圖1。

1.4 型煤性能指標及檢測方法

任何一種型煤都需要滿足一些基本要求，比如要有足夠的機械強度，要有足夠的熱態(tài)穩(wěn)定性，如需要在空氣中長久堆放，型煤還要有一定的耐潮防水性能等。有的型煤成型后，直接投入使用，不必長久堆放，故防水問題可不予考慮，選取常溫強度、高溫強度和熱穩(wěn)定性作為主要檢測指標，其檢測方法如下：

（1）常溫強度。將型煤試樣烘干后從干燥箱中取出，冷卻一段時間（0.5h）至室溫，用液壓強度檢儀測其抗壓強度，以此作為型煤常溫強度。

圖1 型煤試樣制作流程

（2）高溫強度。先將型煤試樣放入裝有沙子的帶蓋鐵盒中，用沙子覆蓋型煤試樣，然后將帶蓋鐵盒放入850℃的馬弗爐中保溫0.5h后取出，立即在高溫下測量其抗壓強度，以此作為型煤高溫強度。

實驗中型煤試樣截面的直徑為30mm，而實驗室中液壓強度儀的儀表讀數(shù)是基于直徑為50 mm的試樣，基于此，需要在儀表讀數(shù)與型煤試樣的真實抗壓強度間做一參數(shù)轉換，令儀器讀數(shù)為P讀，實際抗壓強度為P真，由壓強P、壓力F和受力面積S之間的關系知：

式中：W——轉換參數(shù)，W＝（25×25）÷（15×15）＝2.78。為了方便，如無特別指出，下文數(shù)據(jù)均為儀表讀數(shù)。

（3）熱穩(wěn)定性。先將型煤試樣放入裝有沙子的帶蓋鐵盒中，用沙子覆蓋型煤試樣，然后將帶蓋鐵盒放入850℃的馬弗爐中保溫30min后取出，冷卻至室溫后，放入震篩機震動2min后，過13mm篩，取尺寸大于13mm的型煤占總量的質量百分比作為熱穩(wěn)定性的指標。

2 實驗結果及分析

2.1 以腐植酸鈉作為單一粘結劑

先將腐植酸鈉干粉與水以1∶3的比例混合攪拌均勻，獲得含固量為25%的腐植酸鈉水溶液，然后分別在粉煤中加入等效于腐植酸鈉干粉占粉煤1%、2%、3%和4%的腐植酸鈉水溶液作為粘結劑（下文中，如不加說明，原料加入量均指占原煤質量的百分比），檢測隨著腐植酸鈉加入量的變化，型煤常溫強度、高溫強度和熱穩(wěn)定性的變化趨勢，其實驗結果如表3和圖2所示。

表3 腐植酸鈉的加入量對型煤性能的影響

圖2 腐植酸鈉加入量對型煤性能的影響

由表3和圖2可知：

（1）隨著腐植酸鈉加入量的增加，型煤的常溫強度明顯增加，從0.33MPa提升到最大強度0.98 MPa，當腐植酸鈉加入量為3%時，型煤常溫強度最高，然后繼續(xù)增加腐植酸鈉的加入量，常溫強度下降。

（2）隨著腐植酸鈉加入量的增加，型煤高溫強度和熱穩(wěn)定性都有增大趨勢，當腐植酸鈉加入量為3%～4%時，型煤高溫強度維持在最高水平0.38MPa左右，熱穩(wěn)定性維持在最高水平15%左右，不過總體來說，高溫強度和熱穩(wěn)定性的提高都并不明顯。

2.2 加入復配劑對型煤性能的影響

2.2.1 以蒙脫石作為復配劑

參照表3和圖2的數(shù)據(jù)可知，腐植酸鈉加入量為3%，型煤綜合性能最好，所以固定腐植酸鈉的加入量為3%，然后分別加入1%、2%、3%和4%的蒙脫石作為復配劑，實驗結果如表4和圖3所示。

表4蒙脫石的加入量對型煤性能的影響

圖3 蒙脫石加入量對型煤性能的影響

由表4和圖3可知：

（1）隨著蒙脫石加入量的增加，型煤常溫強度呈現(xiàn)波動變化的趨勢，變化范圍為0.93～1.02MPa，變化幅度不大，且總體強度與單獨加入腐植酸鈉時相當，即蒙脫石的加入量對型煤常溫強度的影響較小。

（2）型煤高溫強度和熱穩(wěn)定性隨著蒙脫石加入量增加顯著增大。蒙脫石加入量為1%～2%時，高溫強度和熱穩(wěn)定性增加緩慢，當蒙脫石加入量為3%時，型煤高溫強度達到最高值1.07MPa，熱穩(wěn)定性達79%，繼續(xù)增加蒙脫石的加入量，型煤高溫強度降低，熱穩(wěn)定性依舊在增大，其熱穩(wěn)定性最大值為91%。

2.2.2 以高嶺土作為復配劑

同樣固定腐植酸鈉的加入量為3%，分別加入1%、2%、3%和4%的高嶺土，其實驗結果如表5和圖4所示。

表5 高嶺土的加入量對型煤性能的影響

圖4 高嶺土加入量對型煤性能的影響

由表5和圖4可知：

（1）隨著高嶺土加入量的增加，型煤常溫強度呈現(xiàn)微弱增大趨勢，不過總體強度與單獨加入腐植酸鈉時相比，變化不大，即高嶺土的加入量對型煤常溫強度的影響較小。

（2）型煤高溫強度和熱穩(wěn)定性隨著高嶺土加入量增加呈現(xiàn)增大趨勢，且和單獨加入3%的腐植酸鈉時相比，都有增大的趨勢，不過和加入相同量蒙脫石時相比，其數(shù)據(jù)都明顯較小。高嶺土加入量為4%時，高溫強度為和熱穩(wěn)定性均為最大值，不過當加入量為3%時，高溫強度和熱穩(wěn)定性都有明顯驟降，其原因有待進一步研究。

2.2.3 以蒙脫石和高嶺土共同作為復配劑

參照之前的實驗，固定腐植酸鈉加入量為3%，蒙脫石加入量為2%，分別加入1%、2%、3%和4%的高嶺土，其實驗結果如表6和圖5所示。

表6 高嶺土的加入量對型煤性能的影響

圖5 高嶺土加入量對型煤性能的影響

由表6和圖5可知：

（1）隨著高嶺土加入量的增加，型煤常溫強度有總體下降的趨勢，常溫強度在高嶺土加入量為2%時達到最高1.04MPa，而后變差，但強度變化范圍為0.98～1.04MPa，變化幅度不大。

（2）高溫強度在0.63～0.85MPa之間波動，當高嶺土加入量為1%～2%時，型煤高溫強度較高，平均在0.85MPa左右。高嶺土加入量為3%時，型煤強度顯著降低到最低水平0.63MPa，然后隨著高嶺土加入量增加，高溫強度回升至0.79MPa。

（3）熱穩(wěn)定性隨著高嶺土加入量增加明顯改善。高嶺土加入量為1%～2%時，熱穩(wěn)定性增加緩慢，為60%左右，當高嶺土加入量為3%～4%時，型煤熱穩(wěn)定性顯著持續(xù)增強，達到最高點86%。

2.3 粘土粘結機理初探

蒙脫石和高嶺土按礦物成分都屬于粘土，粘土是結晶體，屬于層狀硅酸鹽，主要組成是顆粒極為細小的粘土礦物，被水潤濕后有良好的可塑性和粘結性，烘干后硬結，有助于提高型煤的常溫強度；在升溫過程中，粘土會出現(xiàn)脫水、體積膨脹和收縮等變化，當粘土中吸附水膜失去后粘土的可塑性消失，但是由于質點緊密接觸時的相互附著作用使得型煤制品在高溫仍然有很好的強度；粘土發(fā)生礦物分解的溫度都很高，這也使得以粘土作為粘結劑的型煤制品具有很好的熱穩(wěn)定性，這是腐植酸鈉等有機型煤粘結劑的先天性缺陷。

由于蒙脫石的顆粒更小，比面積更大，所以其粘結性也比高嶺土更好，也就是說，蒙脫石對型煤高溫性能的影響比高嶺土更為顯著，上面的實驗結果也證明了這點。但是型煤除了需滿足機械強度和熱穩(wěn)定性等基本要求外，還需要有較高的灰熔融性和不易結渣性等性能，這對爐況的正常運作、爐內通風及排渣等操作都大有好處，尤其是在氣化型煤上，高嶺土的加入會改善型煤的灰熔融性。國內外學者對煤灰熔融性做過大量研究，瓦西列夫（Vassilev）等人指出富含石英、高嶺石和伊利石的煤熔融溫度會較高。

由以上分析可知，腐植酸鈉對型煤常溫強度有顯著影響，蒙脫石和高嶺土可顯著改善型煤的高溫性能，而且高嶺土可改善型煤的灰熔融性（由于灰熔融性測試費用較高，本實驗中暫未測定）。

3 結論

（1）腐植酸鈉粘結劑制得的型煤具有很好的常溫強度，并且在高溫下仍然有一定的強度，在腐植酸鈉加入量為3%時，型煤綜合性能最佳。

（2）蒙脫石可顯著提高型煤的高溫強度和熱穩(wěn)定性，對常溫強度影響較小。

（3）高嶺土可以提高型煤的高溫強度和熱穩(wěn)定性，不過其影響不及蒙脫石顯著，高嶺土同樣對常溫強度影響不大。

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Study on briquette composite binder based on sodium humate

Zhao Wei，Li Yuancai，Wan Peng，Hu Fanjian，Li Jigao
（State Key Laboratory of Material Processing and Die ＆Mould Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430074，China）

Sodium humate（SH）was used as a main briquette binder，and montmorillonite（MMT）and kaolin were used as additional binder.The briquette samples were characterized in terms of room temperature strength，high－temperature strength and thermal stability.The test data were analyzed systematically by single factor experiment.The influence of the loading amount of SH，MMT and kaolin on above indexes were obtained，and then the mechanism was discussed.The results indicated that SH was the important influential factor on room temperature strength，while MMT and kaolin enhanced high－temperature strength and thermal stability，and MMT showed more improvement effect than kaolin.

briquette binder，sodium humate，montmorillonite，single factor experiment

TQ536.1

A

趙巍（1988－），男，華中科技大學博士研究生，主要研究方向綠色粘結材料及涂料技術。

（責任編輯 梁子榮）