0、前言
煤炭是我國(guó)的第一能源，其中80%用于直接燃燒，這不僅造成能源利用率低，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的大氣污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2006年S02排放量達(dá)2594萬(wàn)噸，煙塵排放量達(dá)1182萬(wàn)噸，其中80%源于燃煤。在這些燃煤污染源中，由于我國(guó)中小燃煤工業(yè)鍋爐耗煤量大(年耗煤量約占燃煤總量的1/3)，且以燃用散煤為主，燃煤污染非常嚴(yán)重，但又因其數(shù)量眾多（占鍋爐總量的70%～80%）和分布面廣，很難對(duì)其進(jìn)行集中處理，成為我國(guó)繼燃煤電廠之后的第二大難處理燃煤污染源。潔凈型煤技術(shù)是潔凈煤技術(shù)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，以潔凈型煤代替散煤可以減少S02排放40%一70%，減少煙塵排放70%一90%，減少NOx 50%～60%，而且投資小、見(jiàn)效快，從我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和鍋爐燃煤的實(shí)際來(lái)看，使用潔凈型煤代替散煤可以很好地解決這些中小鍋爐燃煤污染問(wèn)題。我國(guó)從二十世紀(jì)60年代、70年代就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行型煤技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，但適合于中小噸位燃煤鍋爐的潔凈型煤技術(shù)并未取得有效進(jìn)展，工業(yè)化程進(jìn)仍然很慢。其原因主要是型煤質(zhì)量不能保證，性能差，如型煤強(qiáng)度低，熱穩(wěn)定性差，燃燒性能差，使其不易點(diǎn)燃、燃燒不完全等，此外型煤粘結(jié)劑價(jià)格貴也是主要原因之一，富通新能源生產(chǎn)銷售
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的生物質(zhì)顆粒燃料出售。
生物質(zhì)型煤是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，通過(guò)節(jié)煤和生物質(zhì)代煤的雙重作用，減少溫室氣體C02和燃煤S02的排放，有利于緩解氣候變暖和酸雨污染，對(duì)保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源均具有重大意義，是型煤技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。而且我國(guó)生物質(zhì)能源豐富，每年農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的生物質(zhì)秸稈可達(dá)7億噸，這些生物質(zhì)大部分被簡(jiǎn)單焚燒，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。中國(guó)工程院院士郝吉明認(rèn)為，生物質(zhì)型煤技術(shù)是開(kāi)發(fā)利用煤和生物質(zhì)能的新途徑，它充分利用了煤和生物質(zhì)自身的優(yōu)勢(shì)，便于保證燃料熱值，利于克服常規(guī)型煤性能的不足，更重要的是生物質(zhì)纖維的網(wǎng)絡(luò)連接作用可省去粘結(jié)劑的使用，也沒(méi)有后續(xù)烘干工序，因此能大大降低加工成本。河南理工大學(xué)和清華大學(xué)近年在生物質(zhì)型煤成型方法、燃燒特性、和減少大氣污染等方面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明生物質(zhì)型煤綜合性能良好，生物質(zhì)型煤技術(shù)為生物質(zhì)能大規(guī)模的工業(yè)化利用提供了可能的有效途徑。因此，以生物質(zhì)制備型煤可提高能源利用率和減少因簡(jiǎn)單直接燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，而且以生物質(zhì)作為型煤粘結(jié)劑不僅會(huì)增加型煤的機(jī)械強(qiáng)度，也會(huì)明顯降低型煤的著火溫度。
本課題組在以前高強(qiáng)度鍋爐型煤的研究基礎(chǔ)上，以生物質(zhì)玉米秸稈和小麥秸稈作為型煤粘結(jié)劑的主要原料，進(jìn)行生物質(zhì)改性方式和添加量等對(duì)型煤機(jī)械強(qiáng)度和著火溫度的影響研究，并闡明了這種影響的內(nèi)在機(jī)制，為生物質(zhì)型煤的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)和進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支持。
1、實(shí)驗(yàn)材料及型煤性能的測(cè)試方法
1.1實(shí)驗(yàn)材料
(1)玉米秸稈和小麥秸稈：取自山西省太原市附近農(nóng)村，自然干燥后，將玉米秸稈和小麥秸稈處理為長(zhǎng)度為5~7 cm的長(zhǎng)條狀，備用；
(2)氫氧化鈉（分析純）（天津市化學(xué)試劑三廠）；
(3)原料配煤：榆次無(wú)煙煤和寧武煙煤混合煤（配煤比例3:1），用破碎機(jī)破碎至3mm以下，備用；
(4)添加劑：氧化鎂（分析純）（北京市通廣精細(xì)化工公司），氯化鎂（分析純）（天津市化學(xué)試劑三廠）。
1.2煤和秸稈的工業(yè)分析
實(shí)驗(yàn)所用原煤和秸稈采用CT5000A型多用熱量測(cè)定儀（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制），CTM300型自動(dòng)控溫儀（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制），WDL -9微機(jī)漢顯快速測(cè)硫儀（鶴壁科力測(cè)控技術(shù)有限公司）進(jìn)行工業(yè)分析檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。
13型煤的物理性能測(cè)試方法
改性生物質(zhì)粘結(jié)劑的性能通過(guò)型煤物理性能來(lái)體現(xiàn)和衡量，主要包括抗壓強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度、浸水強(qiáng)度和復(fù)干強(qiáng)度，其測(cè)定方法如下：
(1)抗壓強(qiáng)度：在XY - 01型型煤液壓抗壓強(qiáng)度測(cè)定儀（北京順義牛欄山順達(dá)制造廠）上進(jìn)行，將型煤逐個(gè)置于規(guī)定的試驗(yàn)機(jī)的施力面中心位置上，以規(guī)定的均勻位移速度單向施力，記錄型煤開(kāi)裂時(shí)試驗(yàn)機(jī)顯示施加的壓力，以各個(gè)型煤測(cè)定值得算術(shù)平均值作為生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度（單位N/個(gè)）。
(2)跌落強(qiáng)度：依據(jù)GB/T15459規(guī)定的方法進(jìn)行，取10個(gè)煤球稱重，裝在箱底可以打開(kāi)的箱子里，在離地2.0 m高處打開(kāi)箱底，讓煤球自由跌落到12mm厚的鋼板上，反復(fù)跌落3次后，用13 mm的篩子篩分，取大于13 mm級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為煤球的跌落強(qiáng)度指標(biāo)。
(3)浸水強(qiáng)度：按照MT/T749 - 1997規(guī)定的方法進(jìn)行。測(cè)定方法要點(diǎn)為：一定數(shù)量的型煤放入室溫的水中浸泡達(dá)24 h后，取出，然后按照抗壓強(qiáng)度的方法進(jìn)行測(cè)定。
(4)復(fù)干強(qiáng)度：將一定數(shù)量的型煤在室溫的水中浸泡24 h后取出，在(105±5)℃下干燥后冷卻到室溫，使其達(dá)到空氣干燥狀態(tài)，然后按照抗壓強(qiáng)度的方法進(jìn)行測(cè)定。
(5)著火點(diǎn)：生物質(zhì)型煤的燃燒實(shí)驗(yàn)在SCM5800型人工智能箱式電阻爐（洛陽(yáng)西格馬儀器制造有限公司）中進(jìn)行，所用電阻爐能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)控溫、測(cè)溫，并有數(shù)字顯示儀，能實(shí)時(shí)地顯示當(dāng)前所測(cè)溫度，便于觀察和記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，以20aC/min的速率升溫，觀察型煤燃燒狀態(tài)的變化，并根據(jù)其變化得出各種生物質(zhì)型煤的著火點(diǎn)。
2、生物質(zhì)粘結(jié)劑的制備工藝及實(shí)驗(yàn)方法
2.1生物質(zhì)粘結(jié)劑的制備工藝
稱取適量的玉米秸稈或小麥秸稈，放入特制的鐵質(zhì)反應(yīng)容器中，加入一定量的NaOH改性溶液，然后在90℃攪拌加熱一小時(shí)后冷卻備用。
2.2生物質(zhì)粘結(jié)劑的研究方法
(1)NaOH改性液濃度對(duì)型煤性能指標(biāo)的影響
實(shí)驗(yàn)配制不同質(zhì)量濃度的氫氧化鈉改性液(0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)，對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行改性，并控制生物質(zhì)添加量為10%，按照制備工藝，將其加工成型煤，測(cè)試各項(xiàng)物理指標(biāo)，進(jìn)行比較，研究不同NaOH改性液濃度對(duì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響。
(2)改性生物質(zhì)加入量對(duì)型煤性能指標(biāo)的影響
選用實(shí)驗(yàn)(1)確定的NaOH改性液對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行改性制備生物質(zhì)型煤，確定生物質(zhì)的合適加入量，進(jìn)一步研究不同生物質(zhì)加入量對(duì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響。
(3)復(fù)合粘結(jié)劑對(duì)生物質(zhì)型煤性能指標(biāo)的影響
上述制備的型煤防水性較差，為改善其防水性，在型煤中加入適量的Mg0和MgCl2與改性生物質(zhì)形成復(fù)合粘結(jié)劑，以提高型煤的防水性，并考察加入量對(duì)型煤強(qiáng)度的影響。
(4)復(fù)合粘結(jié)劑對(duì)型煤著火溫度的影響
使用自動(dòng)控溫儀和智能電阻爐檢測(cè)使用無(wú)機(jī)粘結(jié)劑(Mg0和MgCl2)制得的型煤與研究?jī)?nèi)容(3)制得的型煤的著火溫度。通過(guò)觀察型煤的燃燒狀態(tài)和記錄電阻爐顯示的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行，考察添加玉米秸稈和小麥秸稈后型煤的著火溫度的變化趨勢(shì)。
3、結(jié)果與討論
3.1NaOH改性液濃度對(duì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響
依據(jù)研究方法2.2(1)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
由表2可知，本實(shí)驗(yàn)所有型煤樣品都具有很高的跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，均滿足山西省DB 14/133 -2005標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著NaOH濃度的變化，強(qiáng)度變化不同。對(duì)于型煤的跌落強(qiáng)度，用小麥秸稈和玉米秸稈制備的生物質(zhì)型煤表現(xiàn)出來(lái)較為一致的趨勢(shì)，當(dāng)NaOH溶液的濃度在1.0%～2.O%時(shí)，型煤的跌落強(qiáng)度較高且比較穩(wěn)定；當(dāng)NaOH溶液的濃度在1.0%·1.5%時(shí)，兩種生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度較高，且玉米秸稈型煤在該濃度范圍內(nèi)的抗壓強(qiáng)度要高于小麥秸稈型煤的。
為了考察氫氧化鈉改性對(duì)生物質(zhì)的影響，用顯微鏡觀察其結(jié)構(gòu)，圖1是不同濃度改性后小麥秸稈表面結(jié)構(gòu)圖。
從圖l可以看出：NaOH改性液濃度為0（即純水）時(shí)，小麥秸稈表面結(jié)構(gòu)整齊有序，結(jié)構(gòu)間隙很小(見(jiàn)圖1(1))；用0.5%的NaOH溶液改性后(見(jiàn)圖l(2》的秸稈整體結(jié)構(gòu)變化不大，出現(xiàn)一些空隙；用1.0%的NaOH溶液改性后，秸稈結(jié)構(gòu)出現(xiàn)更多空隙，空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；用1.5%～2.0%的NaOH溶液改性后(見(jiàn)圖1(4)、l(5))，秸稈結(jié)構(gòu)空隙變大且疏松，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的相互交聯(lián)現(xiàn)象；用2.5%的NaOH溶液改性后(見(jiàn)圖l(6))空間結(jié)構(gòu)較單一，秸稈變成細(xì)絲狀。文獻(xiàn)[15J表明，當(dāng)生物質(zhì)用NaOH溶液改性時(shí)，纖維類物質(zhì)中的木質(zhì)素會(huì)發(fā)生分解，秸稈在90℃經(jīng)氫氧化鈉處理改性后，纖維素類物質(zhì)明顯消失，可能是秸稈中的木質(zhì)素發(fā)生了分解，使纖維
素和半纖維素彼此分離造成的，并產(chǎn)生了具有粘結(jié)作用的糖類以及果膠、單寧等物質(zhì)，通過(guò)混合攪拌使其形成復(fù)雜的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)j將改性后生物質(zhì)添加到原料煤中，其纖維結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)網(wǎng)羅大量煤粒，經(jīng)過(guò)成型壓力的作用使型煤形成一個(gè)強(qiáng)度很高的實(shí)體。隨著NaOH改性液濃度的增加，改性后秸稈的木質(zhì)素分解更為完全，產(chǎn)生的粘性物質(zhì)更多，因而能更均勻地與原料煤混合，型煤強(qiáng)度也更高。但隨著NaOH濃度增加（如>2.0%時(shí)）．木質(zhì)素分解程度進(jìn)一步增加，秸稈的纖維結(jié)構(gòu)基本被完全破壞，反而使型煤的強(qiáng)度下降，因而不宜使用濃度太高NaOH溶液來(lái)對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行改性。根據(jù)以上分析，選用濃度為1.0%。1.5%的NaOH溶液較為宜。
3.2改性生物質(zhì)加入量對(duì)型煤性能指標(biāo)的影響
由表3可知，在改性生物質(zhì)加入量為2%．20%范圍內(nèi)，所有型煤樣品都有很高的跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，均能滿足山西省DB 14/133～2005標(biāo)準(zhǔn)要求，隨著生物質(zhì)加入量的增加型煤的跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，表明生物質(zhì)加入量越多，具有連結(jié)作用的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越多，越容易網(wǎng)羅煤粒，經(jīng)過(guò)成型壓力作用后形成的型煤強(qiáng)度越高。
茌浸水強(qiáng)度和復(fù)干強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)中，型煤浸泡24 h后全部破散，檢測(cè)不出強(qiáng)度。說(shuō)明在型煤中添加生物質(zhì)后，有較高的跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，但防水性差，主要是因?yàn)楦街诿毫１砻嫫鹫辰Y(jié)作用的糖類、硅酸鈉類等物質(zhì)均是水溶性物質(zhì)，遇水會(huì)溶解，致使型煤在水的作用下被泡散，防水性極低。需要采取進(jìn)一步的措施提高型煤的防水性。
3.3復(fù)合粘結(jié)劑對(duì)生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響
依據(jù)實(shí)驗(yàn)方法2.2(3)，添加適量Mg0和MgC12后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
從表4可以知，添加適量Mg0和MgC12后，生物質(zhì)型煤的物理性能均優(yōu)于沒(méi)有添加無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的型煤（參照表3），而且型煤有了較高的浸水強(qiáng)度，滿足山西省DB 14/133 - 2005標(biāo)準(zhǔn)要求，復(fù)干強(qiáng)度也比較高。隨著改性秸稈加入量的增加，浸水強(qiáng)度和復(fù)干強(qiáng)度均有所下降，原因可能是型煤在水浸泡的情況下，未分解的秸稈會(huì)吸水發(fā)生膨脹，從而使型煤的浸水強(qiáng)度和復(fù)干強(qiáng)度降低。而文獻(xiàn)[16)表明，Mg0和MgC12會(huì)與H20反應(yīng)生成具有高強(qiáng)度的鎂水泥，而且鎂水泥可以在常溫常壓下硬化，硬化后具有良好的抗?jié)B性，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。因此，為了提高型煤的防水性，可使用適量Mg0和MgC12與改性生物質(zhì)秸稈組成復(fù)合粘結(jié)劑。
3.4復(fù)合粘結(jié)劑對(duì)型煤著火溫度的影響
依據(jù)研究?jī)?nèi)容2.4(4)，得到的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑(Mg0和MgC12)制得的型煤與研究?jī)?nèi)容2.4(3)制得的型煤的的著火溫度見(jiàn)表5。
從表中可以看出：隨著改性秸稈加入量的增加，生物質(zhì)型煤的著火溫度逐漸降低，這是因?yàn)殡S著秸稈加入量的增加，型煤中可燃揮發(fā)分所占比例增加，從而使生物質(zhì)型煤的著火溫度逐漸降低。加入的改性生物質(zhì)種類不同，型煤的著火溫度降低的程度不同，加入改性玉米秸稈與加入改性小麥秸稈相比，型煤著火溫度降低的程度較高，這是因?yàn)楸狙芯克糜衩捉斩挼目扇紦]發(fā)分含量比小麥秸稈的含量高。
與無(wú)機(jī)粘結(jié)劑（Mg0和MgC12）制得的型煤相比較，生物質(zhì)型煤的著火溫度明顯降低，這是因?yàn)樯镔|(zhì)揮發(fā)份高易于引燃，生物質(zhì)著火后，會(huì)迅速引燃周圍的煤，從而降低型煤的整體著火溫度。
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過(guò)上述研究，得到如下結(jié)論：
(1)以1.0%～2.0%的NaOH溶液改性玉米、小麥秸稈制得的混合物可作為生物質(zhì)型煤的粘結(jié)劑，生物質(zhì)的添加量可達(dá)20%以上，隨改性生物質(zhì)量的增加，機(jī)械強(qiáng)度（跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度）均增加，但生物質(zhì)型煤的防水性較差。
(2)使用改性生物質(zhì)與Mg0和MgC12組成的復(fù)合粘結(jié)劑可使型煤具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，且防水性能好，是一種有實(shí)用前途的粘結(jié)劑。
(3)與無(wú)機(jī)粘結(jié)劑(Mg0和MgC12)制得的型煤相比，生物質(zhì)型煤的著火溫度明顯降低，生物質(zhì)加人量為20%時(shí)，可使型煤的燃點(diǎn)降低至5100℃以下。
綜上所述，利用改性的生物秸稈作為生物質(zhì)型煤粘結(jié)劑，再輔以無(wú)機(jī)粘結(jié)劑（Mg0和MgC12）后，可制得性能優(yōu)良的生物質(zhì)型煤，制備工藝簡(jiǎn)單，且利用可再生的生物質(zhì)代替礦物煤，既節(jié)約了成本，又減少了對(duì)環(huán)境的污染，是一種符合產(chǎn)業(yè)政策，值得推廣的生產(chǎn)工藝。
相關(guān)顆粒機(jī)秸稈壓塊機(jī)產(chǎn)品：
1、
秸稈顆粒機(jī)
2、
木屑顆粒機(jī)
3、
秸稈壓塊機(jī)
