基于腐植酸钠的型煤复合粘结剂的研究

赵 巍 李远才 万 鹏 胡凡建 李继高

（华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北省武汉市，430074）

基于腐植酸钠的型煤复合粘结剂的研究

赵 巍 李远才 万 鹏 胡凡建 李继高

（华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北省武汉市，430074）

以腐植酸钠作为主要型煤粘结剂，以蒙脱石和高岭土作为复配粘结剂，以常温强度、高温强度和热稳定性作为型煤试样的主要性能检测指标，先通过单因素实验的方法进行实验，然后对实验结果进行对比分析，得到了腐植酸钠、蒙脱石和高岭土加入量的变化对型煤试样常温强度、高温强度和热稳定性的影响趋势，着重对其机理进行了分析。研究结果表明，腐植酸钠对常温强度影响最为显著，蒙脱石和高岭土可提高型煤的高温强度和热稳定性，且蒙脱石的作用比高岭土更为明显。

型煤粘结剂 腐植酸钠 蒙脱石 单因素实验

以适当的工艺和设备，将具有一定粒度组成的粉煤加工成具有一定形状、尺度、强度及理化特性的人工“块煤”，这种人工块煤统称为型煤。通常按用途可将型煤分为工业型煤和民用型煤，工业型煤又可细分为燃料型煤、气化型煤和炼焦型煤。随着现代工业的飞速发展，块煤需求量日益增加；同时随着采煤机械化程度的不断提高，导致粉煤量越来越多，所以发展型煤技术不仅可以缓解块煤供不应求的局面，而且可以有效地利用粉煤；另外，在型煤成型过程中，也可以通过合理的配煤方法来改善原有单一煤种的性能。

目前国内型煤研究主要以粘结剂冷压成型为主，粘结剂成了整个型煤成型工艺中的关键，同时也是型煤制品质量的重要保证。型煤粘结剂种类繁多，腐植酸盐类和生物质类是目前研究较多的粘结剂，腐植酸是植物在腐败过程中所产生的一种含有多种官能团的有机酸，它广泛存在于泥炭、褐煤、风化煤和土壤中，大部分腐植酸以游离形式存在，可以用强碱（烧碱）抽提：

[R]－COOH＋2NaOH→[R]－COONa＋2H2O

式中：R为腐植酸本体。

腐植酸盐粘结剂制得的型煤具有一定的初始强度，烘干后，随着水分的蒸发，腐植酸盐收缩固化为胶体，使型煤具有较高的常温强度；热分析结果表明，在高温时此类粘结剂仍有部分残留物，使得型煤具有一定的高温强度和热稳定性。但是总体来说，其高温性能仍然达不到使用要求，需要加入无机粘结剂以复配。本文主要是在腐植酸钠粘结剂的基础上加入蒙脱石和高岭土等粘土类无机粘结剂进行复配，研究复配后型煤性能的变化。

1 实验方法

1.1 实验材料

实验所用原料煤为山西和贵州产的混合煤，为了能使型煤获得最佳性能，原料煤都破碎至3mm以下。工业性分析表明：水分Mad为4.718%，灰分Aad为22.848%，挥发分Vad为12.057%，固定碳FCad为60.380%。实验中选用的无机粘结剂为蒙脱石和高岭土，其物化性能及产地如表1所示。

1.2 实验仪器

实验所用的实验仪器及其作用如表2所示。

表1 膨润土和高岭土的性能

表2 实验仪器

1.3 型煤试样制作

型煤试样制作的基本步骤如下：先将混合原料煤破碎筛分至3mm以下的粉煤，然后按预算的质量往煤粉中加入干粉粘结剂，搅拌均匀后，再加入液态粘结剂，稍作搅拌后倒入混砂机中搅拌揉捏2min，再用制样机压制成规格统一的ø30cm×H40cm的圆柱状型煤试样，最后放入180℃的电热鼓风干燥箱内保温2.5h后取出，冷却至室温即可。其简要流程见图1。

1.4 型煤性能指标及检测方法

任何一种型煤都需要满足一些基本要求，比如要有足够的机械强度，要有足够的热态稳定性，如需要在空气中长久堆放，型煤还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，不必长久堆放，故防水问题可不予考虑，选取常温强度、高温强度和热稳定性作为主要检测指标，其检测方法如下：

（1）常温强度。将型煤试样烘干后从干燥箱中取出，冷却一段时间（0.5h）至室温，用液压强度检仪测其抗压强度，以此作为型煤常温强度。

图1 型煤试样制作流程

（2）高温强度。先将型煤试样放入装有沙子的带盖铁盒中，用沙子覆盖型煤试样，然后将带盖铁盒放入850℃的马弗炉中保温0.5h后取出，立即在高温下测量其抗压强度，以此作为型煤高温强度。

实验中型煤试样截面的直径为30mm，而实验室中液压强度仪的仪表读数是基于直径为50 mm的试样，基于此，需要在仪表读数与型煤试样的真实抗压强度间做一参数转换，令仪器读数为P读，实际抗压强度为P真，由压强P、压力F和受力面积S之间的关系知：

式中：W——转换参数，W＝（25×25）÷（15×15）＝2.78。为了方便，如无特别指出，下文数据均为仪表读数。

（3）热稳定性。先将型煤试样放入装有沙子的带盖铁盒中，用沙子覆盖型煤试样，然后将带盖铁盒放入850℃的马弗炉中保温30min后取出，冷却至室温后，放入震筛机震动2min后，过13mm筛，取尺寸大于13mm的型煤占总量的质量百分比作为热稳定性的指标。

2 实验结果及分析

2.1 以腐植酸钠作为单一粘结剂

先将腐植酸钠干粉与水以1∶3的比例混合搅拌均匀，获得含固量为25%的腐植酸钠水溶液，然后分别在粉煤中加入等效于腐植酸钠干粉占粉煤1%、2%、3%和4%的腐植酸钠水溶液作为粘结剂（下文中，如不加说明，原料加入量均指占原煤质量的百分比），检测随着腐植酸钠加入量的变化，型煤常温强度、高温强度和热稳定性的变化趋势，其实验结果如表3和图2所示。

表3 腐植酸钠的加入量对型煤性能的影响

图2 腐植酸钠加入量对型煤性能的影响

由表3和图2可知：

（1）随着腐植酸钠加入量的增加，型煤的常温强度明显增加，从0.33MPa提升到最大强度0.98 MPa，当腐植酸钠加入量为3%时，型煤常温强度最高，然后继续增加腐植酸钠的加入量，常温强度下降。

（2）随着腐植酸钠加入量的增加，型煤高温强度和热稳定性都有增大趋势，当腐植酸钠加入量为3%～4%时，型煤高温强度维持在最高水平0.38MPa左右，热稳定性维持在最高水平15%左右，不过总体来说，高温强度和热稳定性的提高都并不明显。

2.2 加入复配剂对型煤性能的影响

2.2.1 以蒙脱石作为复配剂

参照表3和图2的数据可知，腐植酸钠加入量为3%，型煤综合性能最好，所以固定腐植酸钠的加入量为3%，然后分别加入1%、2%、3%和4%的蒙脱石作为复配剂，实验结果如表4和图3所示。

表4蒙脱石的加入量对型煤性能的影响

图3 蒙脱石加入量对型煤性能的影响

由表4和图3可知：

（1）随着蒙脱石加入量的增加，型煤常温强度呈现波动变化的趋势，变化范围为0.93～1.02MPa，变化幅度不大，且总体强度与单独加入腐植酸钠时相当，即蒙脱石的加入量对型煤常温强度的影响较小。

（2）型煤高温强度和热稳定性随着蒙脱石加入量增加显著增大。蒙脱石加入量为1%～2%时，高温强度和热稳定性增加缓慢，当蒙脱石加入量为3%时，型煤高温强度达到最高值1.07MPa，热稳定性达79%，继续增加蒙脱石的加入量，型煤高温强度降低，热稳定性依旧在增大，其热稳定性最大值为91%。

2.2.2 以高岭土作为复配剂

同样固定腐植酸钠的加入量为3%，分别加入1%、2%、3%和4%的高岭土，其实验结果如表5和图4所示。

表5 高岭土的加入量对型煤性能的影响

图4 高岭土加入量对型煤性能的影响

由表5和图4可知：

（1）随着高岭土加入量的增加，型煤常温强度呈现微弱增大趋势，不过总体强度与单独加入腐植酸钠时相比，变化不大，即高岭土的加入量对型煤常温强度的影响较小。

（2）型煤高温强度和热稳定性随着高岭土加入量增加呈现增大趋势，且和单独加入3%的腐植酸钠时相比，都有增大的趋势，不过和加入相同量蒙脱石时相比，其数据都明显较小。高岭土加入量为4%时，高温强度为和热稳定性均为最大值，不过当加入量为3%时，高温强度和热稳定性都有明显骤降，其原因有待进一步研究。

2.2.3 以蒙脱石和高岭土共同作为复配剂

参照之前的实验，固定腐植酸钠加入量为3%，蒙脱石加入量为2%，分别加入1%、2%、3%和4%的高岭土，其实验结果如表6和图5所示。

表6 高岭土的加入量对型煤性能的影响

图5 高岭土加入量对型煤性能的影响

由表6和图5可知：

（1）随着高岭土加入量的增加，型煤常温强度有总体下降的趋势，常温强度在高岭土加入量为2%时达到最高1.04MPa，而后变差，但强度变化范围为0.98～1.04MPa，变化幅度不大。

（2）高温强度在0.63～0.85MPa之间波动，当高岭土加入量为1%～2%时，型煤高温强度较高，平均在0.85MPa左右。高岭土加入量为3%时，型煤强度显著降低到最低水平0.63MPa，然后随着高岭土加入量增加，高温强度回升至0.79MPa。

（3）热稳定性随着高岭土加入量增加明显改善。高岭土加入量为1%～2%时，热稳定性增加缓慢，为60%左右，当高岭土加入量为3%～4%时，型煤热稳定性显著持续增强，达到最高点86%。

2.3 粘土粘结机理初探

蒙脱石和高岭土按矿物成分都属于粘土，粘土是结晶体，属于层状硅酸盐，主要组成是颗粒极为细小的粘土矿物，被水润湿后有良好的可塑性和粘结性，烘干后硬结，有助于提高型煤的常温强度；在升温过程中，粘土会出现脱水、体积膨胀和收缩等变化，当粘土中吸附水膜失去后粘土的可塑性消失，但是由于质点紧密接触时的相互附着作用使得型煤制品在高温仍然有很好的强度；粘土发生矿物分解的温度都很高，这也使得以粘土作为粘结剂的型煤制品具有很好的热稳定性，这是腐植酸钠等有机型煤粘结剂的先天性缺陷。

由于蒙脱石的颗粒更小，比面积更大，所以其粘结性也比高岭土更好，也就是说，蒙脱石对型煤高温性能的影响比高岭土更为显著，上面的实验结果也证明了这点。但是型煤除了需满足机械强度和热稳定性等基本要求外，还需要有较高的灰熔融性和不易结渣性等性能，这对炉况的正常运作、炉内通风及排渣等操作都大有好处，尤其是在气化型煤上，高岭土的加入会改善型煤的灰熔融性。国内外学者对煤灰熔融性做过大量研究，瓦西列夫（Vassilev）等人指出富含石英、高岭石和伊利石的煤熔融温度会较高。

由以上分析可知，腐植酸钠对型煤常温强度有显著影响，蒙脱石和高岭土可显著改善型煤的高温性能，而且高岭土可改善型煤的灰熔融性（由于灰熔融性测试费用较高，本实验中暂未测定）。

3 结论

（1）腐植酸钠粘结剂制得的型煤具有很好的常温强度，并且在高温下仍然有一定的强度，在腐植酸钠加入量为3%时，型煤综合性能最佳。

（2）蒙脱石可显著提高型煤的高温强度和热稳定性，对常温强度影响较小。

（3）高岭土可以提高型煤的高温强度和热稳定性，不过其影响不及蒙脱石显著，高岭土同样对常温强度影响不大。

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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

赵巍（1988－），男，华中科技大学博士研究生，主要研究方向绿色粘结材料及涂料技术。

（责任编辑 梁子荣）