马铃薯渣基黏结剂对型煤抗压强度的影响研究

刘倩倩，王玉飞，李 健，闫 龙，陈 娟

（1.榆林学院，陕西 榆林 719000；2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林 719000）

煤炭是我国能源结构的重要组成部分，其清洁、高效利用是降低环境污染的重要方式之一，但随着采煤方式的转变，产生大量的粉煤无法得到有效利用，而型煤的开发使用可有效利用粉煤，节约煤炭资源[1-2]。不黏煤或弱黏煤在制备型煤过程中需要加入黏结剂，常用的黏结剂包括聚合物、沥青、木质素磺酸盐、黏土、石灰、水泥和水玻璃等[3]。

黏结剂影响着型煤的抗压强度、热稳定性、燃烧性能和制备成本等，在型煤的生产过程中起着至关重要的作用[4]，国内外学者对粉煤成型过程中黏结剂的组分进行了大量研究[5-8]。M.Y.SHU 等[5]以改性钠基膨润土为基质，加入聚乙二醇-20000 和NaHA，形成复合型煤黏结剂，研究其对制备型煤性能的影响，结果表明，当由0.8 kg 钠基膨润土、0.08 kg 聚乙二醇-20000 和0.12 kg NaHA 组成的复合黏结剂用量为煤样质量的7%时，型煤的抗压强度为520.52 N/个。Y.Q.LI 等[6]以玉米秸秆和消化液为黏结剂制备型煤，可获得型煤的抗压强度为（863.8±10.8）N/个。Y.J.WANG等[7]以低阶煤为原料、N-甲基吡咯烷酮为萃取溶剂制备的HyperCoal 作为黏结剂，煤粉为原料，当Hyper-Coal 质量分数为15%、热压温度为673 K 及保温时间为15 min 时，热压型煤的抗压强度达到436 N/个。王祥曦等[8]以淀粉、膨润土、聚乙烯醇等为原料制备复合黏结剂，采用冷压成型方式制备的型煤的跌落强度为95.212%，冷压强度为3.760 kN/个。上述研究中相关黏结剂所制备的型煤抗压性能各异，且存在黏结剂制备成本高、工艺复杂等问题，性能优良、价格低廉及工艺简单的黏结剂的研发是目前的热点[9]。

马铃薯作为世界五大粮食之一，2019年全球产量为37043.66 万t，其淀粉生产量和商品量仅次于玉米淀粉，在所有植物淀粉中居第二位[10]，而每生产1 t 马铃薯淀粉会产生6 t 以上的马铃薯渣，马铃薯渣通常干燥后作为饲料或废渣处理，存在成本过高、附加值较低的问题。本研究利用马铃薯渣为制备型煤黏结剂的主要原料，将制得的马铃薯渣基黏结剂与粉煤混合后，在冷压成型的条件下制备型煤，探究黏结剂黏度、马铃薯渣粒度、型煤干燥时间及糊化剂对型煤抗压强度的影响，并采用FT-IR、SEM 对粉煤、型煤进行了性能表征，探讨马铃薯渣资源化和粉煤清洁高效利用的新途径。

1 实 验

1.1 实验原料及预处理

实验所用粉煤取自神木红柳林煤矿，马铃薯渣取自陕西靖边马铃薯淀粉企业。采用多功能粉碎机将自然风干到恒重的块状马铃薯渣粉碎，得到的粉末状马铃薯渣再经电动振动筛筛选。实验过程中使用的试剂均为分析纯。

1.2 黏结剂及型煤制备过程

将马铃薯渣置于圆底烧瓶中，加入一定量的水与糊化剂，在加热搅拌的条件下进行糊化，糊化过程结束后停止加热，加入氧化剂、交联剂继续搅拌20 min，最后加入无机黏结剂组分与增黏剂搅拌20 min，制得粉煤成型干馏黏结剂。将制备的黏结剂与0.2 mm 的粉煤混合均匀，在6 MPa 的条件下冷压成型，在室温下干燥，制得型煤。

1.3 分析方法和过程

1.3.1 工业分析

采用XDGY-3000 型自动工业分析仪对马铃薯渣、粉煤及型煤的灰分、挥发分、水分及固定碳进行测定。测试条件：取0.5 g～0.7 g 粒度小于0.2 mm 的原料，分别在氮气流量为4 L/min～5 L/min、107 ℃恒温45 min 和氮气流量为3 L/min～4 L/min、900 ℃恒温7 min后测试水分和挥发分，在氧气流量为3 L/min～4 L/min、815 ℃恒温45 min 后测试灰分。

1.3.2 黏度测定

采用DNJ-8S 型数显黏度计对粉煤成型干馏黏结剂进行黏度测定。测试条件：通过旋转升降架将黏度计的转子浸入黏结剂，通过转子和转速的调整对黏结剂进行黏度测定。

1.3.3 红外分析

采用日本岛津公司IR Prestige-21 原位红外光谱仪对粉煤及型煤进行FT-IR 红外分析。测试条件：室温，仪器分辨率为0.5 cm-1，在波数4000 cm-1～600 cm-1进行红外光谱扫描，采用溴化钾压片法，压力为30 MPa～40 MPa，试样与溴化钾质量比为1∶100。

1.3.4 扫描电镜（SEM）分析

采用德国蔡司赛格玛300 场发射扫描电子显微镜（SEM）对粉煤、型煤的微观形貌进行分析，测试前需对样品进行喷金处理。

1.3.5 抗压强度测定

采用ZCDS-5000A 型全自动型煤压力试验机对型煤的抗压强度进行测定。测试条件：将型煤置于试验台中间，在压缩过程中，以50 mm/min 的位移速度对型煤表面施加轴向载荷，直至型煤抗压强度(变形)值恒定。

2 结果与讨论

2.1 黏结剂黏度对型煤抗压强度的影响

通过调节马铃薯渣与水分添加量的配比，制得不同黏度的黏结剂，并用于型煤制备，探究黏结剂的黏度对型煤抗压强度的影响，结果如图1 所示。从图1可以看出，随着黏结剂黏度的增加，型煤抗压强度先上升后趋于稳定并略有下降，黏结剂黏度为28565 mPa·s 时，型煤的抗压强度为1794.8 N/ 个，其原因是黏结剂混合组分中含有-OH，能自身发生氢键结合，同时马铃薯渣（干基）中淀粉质量分数为37%左右，淀粉中含有80%左右的支链淀粉、17%左右的直链淀粉[11]，支链淀粉与黏结剂中的其他有机物质进行了接枝，增长了支链淀粉长度，形成的网状结构对粉煤起到较强的捕获和网络作用，由于分子链数量增加，大分子链之间的叠加、缠绕现象更加严重，内聚力增大，使得黏结剂黏度不断增加，进而提高了型煤的抗压强度[12]。但当黏结剂黏度较大时，长链分子在黏结剂中相互缠绕，难与粉煤混合均匀，导致型煤的抗压强度降低。

图1 型煤抗压强度与黏结剂黏度的关系

2.2 马铃薯渣粒度对型煤抗压强度的影响

分别以未过筛、过80 目筛（粒度0.18 mm）和过100 目筛（粒度0.15 mm）的马铃薯渣为原料，制备黏度为28565 mPa·s 的黏结剂，将黏结剂与粉煤（粒度0.2 mm）混合均匀，制备型煤，马铃薯渣粒度对型煤抗压强度的影响如图2 所示。由图2 可以看出，未过筛的马铃薯渣制备的型煤强度较低，原因是未过筛的马铃薯渣粒度分布不均匀，制备的黏结剂分层现象严重，难以与粉煤均匀混合，导致型煤的抗压强度较差。相比粒度0.18 mm 的马铃薯渣，粒度0.15 mm 的马铃薯渣制备的型煤抗压强度较高，原因是具有合适的粒度分布并且粒度越小时，马铃薯渣颗粒间排列越紧密、毛细管平均直径越小、分子之间黏结力度越强[13]，同时马铃薯渣中的淀粉组分粒度越细、黏性越强，且当淀粉粒度小于0.153 mm 时，其不易分解氧化。以粒度0.15 mm 的马铃薯渣为黏结剂原料制备的型煤抗压强度为2091.6 N/ 个，但随着马铃薯渣粒度的减小，粉碎与筛分过程中的能耗增加，因此，本研究选取粒度为0.15 mm 的马铃薯渣为黏结剂原料制备型煤。

图2 型煤抗压强度与马铃薯渣粒度的关系

2.3 干燥时间对型煤抗压强度的影响

在黏结剂的黏度为28565 mPa·s、马铃薯渣粒度为0.15 mm 的条件下，对所制备的型煤在自然风干的条件下干燥，型煤抗压强度与干燥时间的关系见图3。由图3 可以看出，随着干燥时间的增加，型煤的抗压强度先增加后趋于稳定，当干燥时间为72 h 时，型煤的抗压强度为2829.8 N/ 个。其原因是干燥过程中，随着型煤中水分的蒸发，煤粒间距离变小、液体桥的黏度增大、黏滞力增大、化学吸附更牢固，黏结剂在煤粒间形成固体桥，使其更加牢固的黏在一起，从而提高了型煤抗压强度[14]。

图3 型煤抗压强度与干燥时间的关系

2.4 糊化剂对型煤抗压强度的影响

在黏结剂的黏度为28565 mPa·s、马铃薯渣粒度为0.15 mm 及型煤干燥时间为72 h 的条件下，考察黏结剂制备过程中糊化剂对型煤抗压强度的影响，结果如图4 所示。由图4 可以看出，加入氢氧化铝糊化剂比无糊化剂的黏结剂制备的型煤的抗压强度显著提高，其原因是糊化剂可以降低淀粉的糊化温度，在黏结剂中电离出OH-，水分子间的缔合状态和淀粉分子间的氢键遭到破坏，使得水分子在较低温度下可渗透到淀粉颗粒中，进而促使淀粉糊化，提高了型煤的抗压强度[15]。不过当糊化剂为氢氧化铝时，其与马铃薯渣中的淀粉分子之间会发生吸附作用[16]，弱化其对淀粉的糊化作用。当糊化剂为氢氧化钠时，淀粉分子在较低温度下进行糊化的同时，马铃薯渣中的纤维素、半纤维素、木质素等物质在经氢氧化钠处理后具有黏结性[17-18]，可使型煤的抗压强度达到3339.6 N/ 个。因此，当糊化剂为氢氧化钠时，型煤的抗压性能更优。

图4 糊化剂对型煤抗压强度的影响

2.5 型煤的性能表征

马铃薯渣、粉煤及型煤的工业分析如表1 所示。由表1 可以看出，马铃薯渣的加入对型煤灰分的影响较小，对水分的影响较大，其原因可能是型煤未干燥完全或加入的黏结剂增加了煤样中的水分含量；型煤的挥发分略有增加，使其更易燃烧。

表1 原料及型煤的工业分析%

粉煤和型煤的红外光谱图如图5 所示。图5 中3200 cm-1～3600 cm-1处为羟基特征峰，此处型煤的峰强度高于粉煤，其原因是黏结剂和粉煤表面发生了较多的氢键缔合和部分交联作用，使粉煤间结合力增强。2918 cm-1与2922 cm-1处为亚甲基的伸缩振动峰，黏结剂的加入使煤中大分子结构侧链和脂肪族小分子量增加，有助于提高型煤的抗压强度。2358 cm-1处为煤中的羧基振动峰，1400 cm-1～1700 cm-1处为芳烃C=C 和C=O 特征峰，1110 cm-1～1330 cm-1处为C-O的吸收峰。对比型煤和粉煤的红外光谱图，发现其在3600 cm-1～4000 cm-1与1400 cm-1～1800 cm-1处的变化较为稳定，说明其性能较为稳定，具有较强的抗压强度[8，19-20]。

图5 粉煤和型煤的红外光谱图

粉煤与型煤的SEM 表征见图6。

由图6 可以看出，粉煤表面凹凸不平，颗粒间存在间隙，呈不规则分布，且较为分散，未形成整体；而型煤表面起伏程度明显降低，结构较为平整、致密，基于马铃薯渣制备的黏结剂填充于粉煤颗粒间，经结合、固化，将粉煤固定、堆积、黏结成呈团簇状结构的型煤整体，使其具有较高的抗压强度。

3 结论

3.1 随着黏结剂黏度和型煤干燥时间的增加，型煤抗压强度呈先上升后趋于稳定的趋势，同时马铃薯渣粒度对型煤抗压强度的影响也较大，综合考虑，以粒度为0.15 mm 的马铃薯渣制备黏度为28565 mPa·s的黏结剂，型煤干燥时间为72 h 时，所制备的型煤抗压强度较高。

3.2 糊化剂的加入及其种类对型煤抗压强度的影响较大，当糊化剂为氢氧化钠时，马铃薯渣中的纤维素、半纤维素、木质素等在经氢氧化钠处理后具有黏结性，可使型煤的抗压强度达到3339.6 N/个。

3.3 型煤的灰分受马铃薯渣基黏结剂的影响较小，其红外光谱变化和性能较为稳定，在黏结剂的作用下，型煤表面起伏程度明显降低，结构较为平整、致密，具有较高的抗压强度。