馬鈴薯渣基黏結劑對型煤抗壓強度的影響研究

劉倩倩，王玉飛，李 健，閆 龍，陳 娟

（1.榆林學院，陜西 榆林 719000；2.陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000）

煤炭是我國能源結構的重要組成部分，其清潔、高效利用是降低環境污染的重要方式之一，但隨著采煤方式的轉變，產生大量的粉煤無法得到有效利用，而型煤的開發使用可有效利用粉煤，節約煤炭資源[1-2]。不黏煤或弱黏煤在制備型煤過程中需要加入黏結劑，常用的黏結劑包括聚合物、瀝青、木質素磺酸鹽、黏土、石灰、水泥和水玻璃等[3]。

黏結劑影響著型煤的抗壓強度、熱穩定性、燃燒性能和制備成本等，在型煤的生產過程中起著至關重要的作用[4]，國內外學者對粉煤成型過程中黏結劑的組分進行了大量研究[5-8]。M.Y.SHU 等[5]以改性鈉基膨潤土為基質，加入聚乙二醇-20000 和NaHA，形成復合型煤黏結劑，研究其對制備型煤性能的影響，結果表明，當由0.8 kg 鈉基膨潤土、0.08 kg 聚乙二醇-20000 和0.12 kg NaHA 組成的復合黏結劑用量為煤樣質量的7%時，型煤的抗壓強度為520.52 N/個。Y.Q.LI 等[6]以玉米秸稈和消化液為黏結劑制備型煤，可獲得型煤的抗壓強度為（863.8±10.8）N/個。Y.J.WANG等[7]以低階煤為原料、N-甲基吡咯烷酮為萃取溶劑制備的HyperCoal 作為黏結劑，煤粉為原料，當Hyper-Coal 質量分數為15%、熱壓溫度為673 K 及保溫時間為15 min 時，熱壓型煤的抗壓強度達到436 N/個。王祥曦等[8]以淀粉、膨潤土、聚乙烯醇等為原料制備復合黏結劑，采用冷壓成型方式制備的型煤的跌落強度為95.212%，冷壓強度為3.760 kN/個。上述研究中相關黏結劑所制備的型煤抗壓性能各異，且存在黏結劑制備成本高、工藝復雜等問題，性能優良、價格低廉及工藝簡單的黏結劑的研發是目前的熱點[9]。

馬鈴薯作為世界五大糧食之一，2019年全球產量為37043.66 萬t，其淀粉生產量和商品量僅次于玉米淀粉，在所有植物淀粉中居第二位[10]，而每生產1 t 馬鈴薯淀粉會產生6 t 以上的馬鈴薯渣，馬鈴薯渣通常干燥后作為飼料或廢渣處理，存在成本過高、附加值較低的問題。本研究利用馬鈴薯渣為制備型煤黏結劑的主要原料，將制得的馬鈴薯渣基黏結劑與粉煤混合后，在冷壓成型的條件下制備型煤，探究黏結劑黏度、馬鈴薯渣粒度、型煤干燥時間及糊化劑對型煤抗壓強度的影響，并采用FT-IR、SEM 對粉煤、型煤進行了性能表征，探討馬鈴薯渣資源化和粉煤清潔高效利用的新途徑。

1 實 驗

1.1 實驗原料及預處理

實驗所用粉煤取自神木紅柳林煤礦，馬鈴薯渣取自陜西靖邊馬鈴薯淀粉企業。采用多功能粉碎機將自然風干到恒重的塊狀馬鈴薯渣粉碎，得到的粉末狀馬鈴薯渣再經電動振動篩篩選。實驗過程中使用的試劑均為分析純。

1.2 黏結劑及型煤制備過程

將馬鈴薯渣置于圓底燒瓶中，加入一定量的水與糊化劑，在加熱攪拌的條件下進行糊化，糊化過程結束后停止加熱，加入氧化劑、交聯劑繼續攪拌20 min，最后加入無機黏結劑組分與增黏劑攪拌20 min，制得粉煤成型干餾黏結劑。將制備的黏結劑與0.2 mm 的粉煤混合均勻，在6 MPa 的條件下冷壓成型，在室溫下干燥，制得型煤。

1.3 分析方法和過程

1.3.1 工業分析

采用XDGY-3000 型自動工業分析儀對馬鈴薯渣、粉煤及型煤的灰分、揮發分、水分及固定碳進行測定。測試條件：取0.5 g～0.7 g 粒度小于0.2 mm 的原料，分別在氮氣流量為4 L/min～5 L/min、107 ℃恒溫45 min 和氮氣流量為3 L/min～4 L/min、900 ℃恒溫7 min后測試水分和揮發分，在氧氣流量為3 L/min～4 L/min、815 ℃恒溫45 min 后測試灰分。

1.3.2 黏度測定

采用DNJ-8S 型數顯黏度計對粉煤成型干餾黏結劑進行黏度測定。測試條件：通過旋轉升降架將黏度計的轉子浸入黏結劑，通過轉子和轉速的調整對黏結劑進行黏度測定。

1.3.3 紅外分析

采用日本島津公司IR Prestige-21 原位紅外光譜儀對粉煤及型煤進行FT-IR 紅外分析。測試條件：室溫，儀器分辨率為0.5 cm-1，在波數4000 cm-1～600 cm-1進行紅外光譜掃描，采用溴化鉀壓片法，壓力為30 MPa～40 MPa，試樣與溴化鉀質量比為1∶100。

1.3.4 掃描電鏡（SEM）分析

采用德國蔡司賽格瑪300 場發射掃描電子顯微鏡（SEM）對粉煤、型煤的微觀形貌進行分析，測試前需對樣品進行噴金處理。

1.3.5 抗壓強度測定

采用ZCDS-5000A 型全自動型煤壓力試驗機對型煤的抗壓強度進行測定。測試條件：將型煤置于試驗臺中間，在壓縮過程中，以50 mm/min 的位移速度對型煤表面施加軸向載荷，直至型煤抗壓強度(變形)值恒定。

2 結果與討論

2.1 黏結劑黏度對型煤抗壓強度的影響

通過調節馬鈴薯渣與水分添加量的配比，制得不同黏度的黏結劑，并用于型煤制備，探究黏結劑的黏度對型煤抗壓強度的影響，結果如圖1 所示。從圖1可以看出，隨著黏結劑黏度的增加，型煤抗壓強度先上升后趨于穩定并略有下降，黏結劑黏度為28565 mPa·s 時，型煤的抗壓強度為1794.8 N/ 個，其原因是黏結劑混合組分中含有-OH，能自身發生氫鍵結合，同時馬鈴薯渣（干基）中淀粉質量分數為37%左右，淀粉中含有80%左右的支鏈淀粉、17%左右的直鏈淀粉[11]，支鏈淀粉與黏結劑中的其他有機物質進行了接枝，增長了支鏈淀粉長度，形成的網狀結構對粉煤起到較強的捕獲和網絡作用，由于分子鏈數量增加，大分子鏈之間的疊加、纏繞現象更加嚴重，內聚力增大，使得黏結劑黏度不斷增加，進而提高了型煤的抗壓強度[12]。但當黏結劑黏度較大時，長鏈分子在黏結劑中相互纏繞，難與粉煤混合均勻，導致型煤的抗壓強度降低。

圖1 型煤抗壓強度與黏結劑黏度的關系

2.2 馬鈴薯渣粒度對型煤抗壓強度的影響

分別以未過篩、過80 目篩（粒度0.18 mm）和過100 目篩（粒度0.15 mm）的馬鈴薯渣為原料，制備黏度為28565 mPa·s 的黏結劑，將黏結劑與粉煤（粒度0.2 mm）混合均勻，制備型煤，馬鈴薯渣粒度對型煤抗壓強度的影響如圖2 所示。由圖2 可以看出，未過篩的馬鈴薯渣制備的型煤強度較低，原因是未過篩的馬鈴薯渣粒度分布不均勻，制備的黏結劑分層現象嚴重，難以與粉煤均勻混合，導致型煤的抗壓強度較差。相比粒度0.18 mm 的馬鈴薯渣，粒度0.15 mm 的馬鈴薯渣制備的型煤抗壓強度較高，原因是具有合適的粒度分布并且粒度越小時，馬鈴薯渣顆粒間排列越緊密、毛細管平均直徑越小、分子之間黏結力度越強[13]，同時馬鈴薯渣中的淀粉組分粒度越細、黏性越強，且當淀粉粒度小于0.153 mm 時，其不易分解氧化。以粒度0.15 mm 的馬鈴薯渣為黏結劑原料制備的型煤抗壓強度為2091.6 N/ 個，但隨著馬鈴薯渣粒度的減小，粉碎與篩分過程中的能耗增加，因此，本研究選取粒度為0.15 mm 的馬鈴薯渣為黏結劑原料制備型煤。

圖2 型煤抗壓強度與馬鈴薯渣粒度的關系

2.3 干燥時間對型煤抗壓強度的影響

在黏結劑的黏度為28565 mPa·s、馬鈴薯渣粒度為0.15 mm 的條件下，對所制備的型煤在自然風干的條件下干燥，型煤抗壓強度與干燥時間的關系見圖3。由圖3 可以看出，隨著干燥時間的增加，型煤的抗壓強度先增加后趨于穩定，當干燥時間為72 h 時，型煤的抗壓強度為2829.8 N/ 個。其原因是干燥過程中，隨著型煤中水分的蒸發，煤粒間距離變小、液體橋的黏度增大、黏滯力增大、化學吸附更牢固，黏結劑在煤粒間形成固體橋，使其更加牢固的黏在一起，從而提高了型煤抗壓強度[14]。

圖3 型煤抗壓強度與干燥時間的關系

2.4 糊化劑對型煤抗壓強度的影響

在黏結劑的黏度為28565 mPa·s、馬鈴薯渣粒度為0.15 mm 及型煤干燥時間為72 h 的條件下，考察黏結劑制備過程中糊化劑對型煤抗壓強度的影響，結果如圖4 所示。由圖4 可以看出，加入氫氧化鋁糊化劑比無糊化劑的黏結劑制備的型煤的抗壓強度顯著提高，其原因是糊化劑可以降低淀粉的糊化溫度，在黏結劑中電離出OH-，水分子間的締合狀態和淀粉分子間的氫鍵遭到破壞，使得水分子在較低溫度下可滲透到淀粉顆粒中，進而促使淀粉糊化，提高了型煤的抗壓強度[15]。不過當糊化劑為氫氧化鋁時，其與馬鈴薯渣中的淀粉分子之間會發生吸附作用[16]，弱化其對淀粉的糊化作用。當糊化劑為氫氧化鈉時，淀粉分子在較低溫度下進行糊化的同時，馬鈴薯渣中的纖維素、半纖維素、木質素等物質在經氫氧化鈉處理后具有黏結性[17-18]，可使型煤的抗壓強度達到3339.6 N/ 個。因此，當糊化劑為氫氧化鈉時，型煤的抗壓性能更優。

圖4 糊化劑對型煤抗壓強度的影響

2.5 型煤的性能表征

馬鈴薯渣、粉煤及型煤的工業分析如表1 所示。由表1 可以看出，馬鈴薯渣的加入對型煤灰分的影響較小，對水分的影響較大，其原因可能是型煤未干燥完全或加入的黏結劑增加了煤樣中的水分含量；型煤的揮發分略有增加，使其更易燃燒。

表1 原料及型煤的工業分析%

粉煤和型煤的紅外光譜圖如圖5 所示。圖5 中3200 cm-1～3600 cm-1處為羥基特征峰，此處型煤的峰強度高于粉煤，其原因是黏結劑和粉煤表面發生了較多的氫鍵締合和部分交聯作用，使粉煤間結合力增強。2918 cm-1與2922 cm-1處為亞甲基的伸縮振動峰，黏結劑的加入使煤中大分子結構側鏈和脂肪族小分子量增加，有助于提高型煤的抗壓強度。2358 cm-1處為煤中的羧基振動峰，1400 cm-1～1700 cm-1處為芳烴C=C 和C=O 特征峰，1110 cm-1～1330 cm-1處為C-O的吸收峰。對比型煤和粉煤的紅外光譜圖，發現其在3600 cm-1～4000 cm-1與1400 cm-1～1800 cm-1處的變化較為穩定，說明其性能較為穩定，具有較強的抗壓強度[8，19-20]。

圖5 粉煤和型煤的紅外光譜圖

粉煤與型煤的SEM 表征見圖6。

由圖6 可以看出，粉煤表面凹凸不平，顆粒間存在間隙，呈不規則分布，且較為分散，未形成整體；而型煤表面起伏程度明顯降低，結構較為平整、致密，基于馬鈴薯渣制備的黏結劑填充于粉煤顆粒間，經結合、固化，將粉煤固定、堆積、黏結成呈團簇狀結構的型煤整體，使其具有較高的抗壓強度。

3 結論

3.1 隨著黏結劑黏度和型煤干燥時間的增加，型煤抗壓強度呈先上升后趨于穩定的趨勢，同時馬鈴薯渣粒度對型煤抗壓強度的影響也較大，綜合考慮，以粒度為0.15 mm 的馬鈴薯渣制備黏度為28565 mPa·s的黏結劑，型煤干燥時間為72 h 時，所制備的型煤抗壓強度較高。

3.2 糊化劑的加入及其種類對型煤抗壓強度的影響較大，當糊化劑為氫氧化鈉時，馬鈴薯渣中的纖維素、半纖維素、木質素等在經氫氧化鈉處理后具有黏結性，可使型煤的抗壓強度達到3339.6 N/個。

3.3 型煤的灰分受馬鈴薯渣基黏結劑的影響較小，其紅外光譜變化和性能較為穩定，在黏結劑的作用下，型煤表面起伏程度明顯降低，結構較為平整、致密，具有較高的抗壓強度。