焦作无烟煤制备型煤的混料配方实验研究

孙 兆，马名杰，黄山秀，赵 姬

(河南理工大学 化学化工学院，河南 焦作 454000)

•开发与研究•

焦作无烟煤制备型煤的混料配方实验研究

孙 兆，马名杰*，黄山秀，赵 姬

(河南理工大学 化学化工学院，河南 焦作 454000)

介绍了以水泥、黏土、腐植酸钠、膨润土、沥青为黏结剂，用焦作无烟煤制备型煤的试验研究。通过对型煤冷强度及热强度的测定，探究了不同黏结剂配比对型煤强度性能的影响。结果表明，焦作无烟煤制取型煤的最佳黏结剂配方为黏土和沥青的掺入量分别占总量的10%和5%。此研究对焦作无烟煤粉煤的洁净利用有较大的实际应用意义。

型煤 ； 黏结剂 ； 无烟煤 ； 强度

0 前言

我国的一次能源主要是煤炭，煤炭产量、消费量长期占据世界首位。随着其他一次能源的日益紧张以及中国能源储备的结构特点和煤炭的成本优势，在未来相当长的时间内，中国的能源消费仍将以煤炭为主[1]。而且许多工业产业和民用行业对块煤的需求量很大，可是在煤炭开采及运输的过程中，极易产生难以利用的粉煤，型煤技术的使用能有效缓解块煤供需矛盾，充分利用粉煤资源，降低生产成本，减少和控制用煤过程中的污染情况，对我国实行可持续发展战略都具有重要的意义[2-4]。

本课题主要研究焦作无烟煤制备型煤的黏结剂配方，选用水泥、黏土、腐植酸钠、膨润土和沥青5种黏结剂，通过单因素实验，利用型煤的机械强度做标准来探究适宜的黏结剂及掺入量。

1 实验部分

1.1试验用煤

采用焦作无烟煤，粒度均lt;3 mm，煤质分析结果见表1。

表1 煤质分析 %

1.2试验用黏结剂

采用水泥、黏土、腐植酸钠、膨润土、沥青为本次试验的型煤黏结剂。

①水泥。实验采用市售普通硅酸盐水泥，等级为42.5。②黏土。主要成分为高岭石类黏土矿物。黏土被润湿后具有较好的黏结性和可塑性，烘干后硬结并保持较高的强度。③腐植酸钠。腐植酸钠是一种水溶性的黏结剂，遇水且在成型压力作用下，能很好地黏结煤料，使型煤具有一定的初始强度。型煤烘干后，随水分的蒸发，腐植酸盐能缩聚成胶体，最后收缩固化，将煤料黏结牢固，使型煤具有较高的强度。④膨润土。膨润土是以蒙脱石为主的含水黏土矿。它在水介质中能分散呈胶体悬浮液，并具有一定的黏滞性，与煤料混合在一起，具有可塑性和黏结性。⑤沥青。实验采用的煤焦油沥青，其结构和性质与煤相近，和煤具有很强的亲合力，能够较好地润湿煤粒，固化后与煤粒紧紧地黏结在一起，同时，沥青的加入可以提高型煤的防水防潮性能。

1.3实验方案

本试验重点考察煤料焦作无烟煤和水泥、黏土、膨润土、腐植酸钠、沥青5种黏结剂的掺比对型煤冷强度和热强度的影响。因为所选取的黏结剂多数为无机黏结剂，过多的无机物会增加型煤的灰分，故试验选取的黏结剂掺入量控制在10%之内。配合水分为12%，成型时采用强力辊式压球机，成型压力为20 kN[5-6]。

根据课题组前期的试验资料，本次试验选取的黏结剂添加量分别为总量的8%和10%，其中一组混合物料中，腐植酸钠和膨润土的用量比例为3∶1，压制得生球经两天的阳光晒干后测其强度[7]。

2 实验结果与分析

2.1不同黏结剂掺比下的实验

实验结果见表2。

表2 不同黏结剂掺比下的实验结果

由表2中可知，掺入不同的黏结剂所制取的型煤强度差别明显，其中掺黏土制得的型煤热强度最好，接近工业型煤热强度的要求标准200 N/球[8]。掺膨润土和腐植酸钠的冷强度最佳，掺入量为10%时，已达到工业型煤冷强度的要求标准400 N/球以上。掺水泥或者掺单一膨润土的整体机械强度相对较低；随着黏结剂掺入量的增大，型煤强度均有所提高。从试验结果看尽管4种掺黏结剂所制取的型煤强度大部分未达标，但掺黏土、掺膨润土腐植酸钠混合物料的型煤强度明显高于掺水泥或单一膨润土的型煤强度，因此在后续实验研究中重点考察以黏土、膨润土腐植酸钠混合物料为黏结剂的成型工艺及配方优化[9]。

2.2成型工艺及配方优化实验

经对辊成型机压制出的型煤通过阳光晾晒干燥，其强度一般较低，为了使型煤生球的强度能够大幅度的提高，实验改用干燥箱阶段升温干燥的方式对型煤生球进行后期处理。升温方式为：60 ℃(保温40 min)—90 ℃(保温40 min)—120 ℃(保温40 min)取出[10]。

根据表2中的热强度数据可知，掺入黏土或者膨润土腐植酸钠的型煤热强度稍低于工业型煤的标准要求。而煤焦油沥青作为黏结剂在各类文献中得到广泛应用，煤焦油沥青的掺入不仅可以提高型煤的发热量和机械强度，还可以让型煤保有较优越的防水、防潮性能。故在配方优化实验中，依照相关资料的技术经验，在基础试验的配方中加入5%的沥青。具体实验结果见表3。

表3 型煤机械强度的测定结果

由表2和表3的强度数据对比可知，将型煤生球的后期处理方式从阳光晾晒干燥改为干燥箱阶段升温干燥后，整体机械强度显著提高；同时在基础配方中加入5%的沥青，使4组试验型煤的热强度也得到了有效的提高。可能是因为煤焦油沥青在一定温度下热解产生的液相产物，能将煤颗粒表面润湿并形成液相薄膜，液相产物缩聚和固化的过程中，形成碳化骨架将煤颗粒包裹起来，从而使型煤具有较高的热强度。其中第4组型煤样本的冷强度和热强度均达到工业型煤对强度的要求标准。

3 结论

通过单因素试验表明，掺入不同的黏结剂所制取的型煤冷强度和热强度差别明显，其中掺黏土制得的型煤热强度最好，接近工业型煤热强度的要求标准200 N/球。掺膨润土和腐植酸钠混合物料的冷强度最佳，掺水泥和单一膨润土的型煤强度较低。型煤生球的后期处理工艺从阳光晾晒干燥改为干燥箱阶段升温干燥后，整体机械强度显著提高。综合考虑型煤冷强度、热强度的分析结果，焦作无烟煤制取型煤的最佳配方为黏土和沥青的掺入量分别占总量的10%和5%。

[1] 黄山秀,马名杰, 沈玉霞,等. 我国型煤技术现状及发展方向[J].中国煤炭,2010,36(1):84-87.

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[3] 赵跃民.煤炭资源综合利用手册[M].北京:科学出版社,2004.

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[6] 孙 朋,戴林超,贾泉敏,等.冷压型煤强度影响因素的研究现状及展望[J].矿业安全与环保,2015,42(6):100-104.

[7] 徐振刚,刘随芹.型煤技术[M].北京:煤炭工业出版社,2001.

[8] 国家发展和改革委员会.工业型煤热稳定性测定方法MT/T 924-2004[S].北京:中国煤炭工业出版社,2004.

[9] 黄山秀,马名杰.低阶烟煤制取气化型煤的热态黏结机理研究[J].煤炭转化,2013,34(2):74-78.

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中国科大钴基催化剂在二氧化碳加氢反应中的活性物相研究获进展

近日，中国科学技术大学研究钴(Co)基催化剂在CO2加氢反应中的活性物相。研究人员将N原子引入到Co催化剂中构筑出Co4N催化剂，并通过原位机理研究发现，Co4NHx是该催化过程中真正的活性物相。

CO2加氢反应一方面可以利用CO2合成化工原料，缓解CO2的排放压力，实现碳能源的循环利用；另一方面可与新能源电解制氢、氯碱工业衔接，实现氢资源的储存。CO2加氢反应是碳一化学中的重要反应，对它的研究可以帮助我们更好地认识CO2在催化剂上的活化与转化，对理解非均相催化剂上表面碳物种的形成以及碳链增长意义重大，并能指导其他含碳物质的转化。

CO2加氢转化工艺中存在能耗过大问题。由于CO2的化学惰性，此反应需要在高温高压条件下实现。在过去的几十年里，人们开发出一系列不同的策略，以期提高非贵金属催化剂对CO2加氢反应的活性。迄今为止，对非贵金属催化剂在CO2加氢反应中的活性物相研究仍处在初步阶段。

研究人员将N原子引入到Co催化剂中形成Co4N催化剂。在CO2加氢催化中，Co4N催化剂在3.2 MPa和150 ℃的条件下，转换频率(TOF)为同等条件下Co催化剂的64倍。Co4N催化剂的表观活化能是43.3 kJ/mol，只有Co催化剂(91.4 kJ/mol)的一半左右。进一步的原位机理研究表明，在H2氛围下，Co4N催化剂上的N原子会吸附结合H原子从而形成Co4NHx这样一种特殊的物相。Co4NHx中的氨基H原子直接加到CO2分子上形成HCOO*物种作为中间产物。此外，反应过程中吸附的H2O分子通过氢键相互作用促进氨基H的活化和解离，从而加速加氢过程。该工作通过引入N原子，为优化非贵金属催化剂对CO2加氢反应的活性提供了简单有效的方式，加深了对钴基催化剂在CO2加氢反应中活性物相的理解，为今后寻找更廉价、高效的CO2加氢催化剂提供了新思路。

ExperimentalResearchonMixtureRecipesforPreparationofBriquettesfromJiaozuoAnthracite

SUN Zhao,MA Mingjie*,Huang Shanxiu ，Zhao Ji

(School of Chemistry and Chemical Engineering , Henan Polytechnic University , Jiaozuo 454000 , China)

Experimental research of preparation of briquette from Jiaozuo anthracite with cement,clay,sodium humic,bentonite and asphalt as binders is introduced.Based on the determination of cold strength and thermal strength of briquette,the influence of different binder ratio on the strength of briquette is investiqated.The results show that reasonable ratio of mixed materials is 10%(bentonite) and 5%(asphalt).The research has great practical significance for clean utilization of Jiaozuo anthracite coal.

TQ536

A

1003-3467(2017)10-0021-03

2017-07-26

国家自然科学基金(U1361119)；河南省教育厅自然科学研究计划(2011B440006)

孙 兆(1984-)，男，在读硕士，从事煤化工方面的研究，E-mail：274556174@qq.com；联系人：马名杰(1963-)，男，教授，从事煤化工方面的研究，电话：15938198532，E-mail：mingjie8@163.com。

Keywordsbriquette ; binder ; anthracite ; strength