利用碳化生物质和煤泥制备生物质型煤的研究--改.doc

利用碳化生物质和煤泥制备生物质型煤的研究 （黑龙江科技学院，哈尔滨 150027） 摘要本文以碳化生物质和鹤岗煤泥为原料，研究了成型压力、粘结剂添加量和炭化秸秆与煤泥配比对炭化秸秆煤泥成型炭机械强度的影响，并在此基础上确定炭化生物质型煤成型的最佳方案，为炭化生物质型煤的工业化利用提供了基础数据。 关键词炭化生物质；型煤；机械强度 Analysis on Some Factors Influencing the Mechanical Strength of Carbonized Straw and Slime Briquetteting Carbon Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027, China Abstract In this paper, with the biomass and Hegang slime as raw materials to study the ing pressure、the add volume of binder and carbonized biomass with slime mixed ratio on the mechanical strength of carbonized biomass and slime briquette, and on this basis, determine the optimal plan of the carbonized biomass briquette, that provides the basis data for the industrialization of the briquette in the future. Key words carbonized biomass; Briquette; mechanical strength 0 引言 目前生物质能利用水平低且污染环境，加大生物能的开发利用研究，对于改善能源利用环境具有重要的经济意义。随着能源和环境持续的发展，可再生的生物质能源得到了越来越多的重视[1]。 生物质型煤是指将可燃生物质与煤按一定比例掺混压制的型煤[2]。生物质型煤技术将不可再生的化石能源和可再生的生物质能巧妙地结合在一起，不但解决了普通型煤使用过程存在的燃烧不完全、燃烧速度慢的问题，而且为生物质能的工业化利用提供了可能的一个有效途径[3～4]。对于开辟能源新领域，合理高效的利用能源，减少燃煤环境污染和保护环境都有着重要的意义。 目前国内的生物质型煤技术研究主要分为三类生物质件水解产物作为成型粘结剂、生物质与煤粉混合高压压制成型和生物质经过生化消化的废弃物与煤粉混合成型。有研究表明，生物质型煤普遍存在着机械强度差、生物质添加量少、成型压力高等问题[5～7]。本文以炭化锯末和鹤岗煤泥为原料，研究了炭化生物质和煤泥配比、粘结剂添加量和成型压力对型煤机械强度的影响，并在此基础上确定炭化生物质型煤的优化方案，为以后炭化生物质型煤的工业化利用提供了基础数据。 1 试验部分 1.1 试验原料与设备 （1）原料生物质生物质来自于黑龙江省的杨树锯末。将原料在自然条件下干燥，用DFY-800摇摆式高速粉碎机粉碎，然后放入到马弗炉中进行隔绝空气炭化15min。 （2）原料煤泥本试验采用鹤岗选煤厂的洗选煤泥为原料。将原料煤泥干燥、粉碎筛分，取粒度小于1mm以下的煤泥作为成型原料。 （3）粘结剂采用糊化淀粉作为粘结剂，采用粘结剂液体重量计量。 （4）试验设备本试验主要采用仪器有炭化设备XL-1型马弗炉；101-1A型干燥箱；DFY-800摇摆式高速粉碎机；XQ-5型成型试验机；DY1010电子式压力试验机等。 1.2 生物质型煤制备工艺 将碳化生物质与煤泥按照一定比例混合均匀后，加入液体粘结剂，在成型机预设压力下进行压制成型。具体制备工艺如图1所示。 图1 碳化生物质型煤的制备工艺 Fig1 1.3 试验方案确定 本试验主要研究在不同成型条件下所得炭化生物质煤泥成型炭的机械强度的差异，考察的因素有成型压力、粘结剂的添加量及碳化锯末和煤泥混合比。由于成型压力是型煤的主要控制因素，因此在试验点设计时，按照型煤常用低压成型压力为150 kgf/cm2的条件，对原料配比和粘结剂添加量进行了9个试验点的优化设计，碳化生物质与煤泥配比参数分别为91、82和73，粘结剂添加量参数分别为10、15和20。具体试验条件及测定结果见表1。 在此试验的基础上，按照优化参数为锯末和煤泥混合比为73和粘结剂添加量为20为条件，对50kgf/cm2、100kgf/cm2、200kgf/cm2和250kgf/cm2 等不同成型压力进行试验。具体试验条件及测定结果见表2。 表1 炭化生物质型煤的成型试验条件及测定结果 Table1 The experimental of carbonized straw and slime briquette ting carbon 试验编号 锯末煤泥 粘结剂添加量/ 跌落强度/％ 抗压强度/N个-1 1 91 10 99.58 1207 2 82 10 99.58 1215 3 73 10 99.60 1221 4 91 15 99.66 1225 5 82 15 99.71 1232 6 73 15 99.72 1247 7 91 20 99.65 1224 8 82 20 99.72 1231 9 73 20 99.73 1246 表2 不同压力条件下的成型性能指标 Table2 试验编号 成型压力/（kgf/cm2） 跌落强度/％ 抗压强度/N个-1 1 50 99.69 1223 2 100 99.71 1238 3 200 99.76 1248 4 250 99.81 1238 2 试验结果及分析 由于炭化生物质型煤暂时没有标准的测试方法，故本试验参照工业型煤的测试方法和原则进行。评价型煤机械强度的指标有跌落强度、抗压强度和耐磨强度等。本试验主要从跌落强度和抗压强度来评价炭化生物质型煤的机械强度。跌落强度的测定依据GB/T154959规定的方法进行，抗压强度的测定依据MT/T748工业型煤机械压强度测定方法进行[5]。为了提高试验的准确性，本次试验对每种生物质型煤的机械强度都进行了3～4次的测定，取测试结果的平均值为最终结果。试验结果见表1和表2。 2.1 粘结剂的添加量对成型效果的影响 粘结剂的添加量直接影响到炭化生物质型煤的跌落强度、抗压强度。因此，试验前必须将炭化生物质、煤泥与粘结剂混合均匀，否则炭化生物质型煤容易产生裂纹，湿强度低。粘结剂添加量对型煤的跌落强度和抗压强度的影响分别如图2～3所示。 图2 粘结剂的添加量对跌落强度的影响 Fig.2 Effect of binder content on falling strength 图3 粘结剂的添加量对抗压强度的影响 Fig.3 Effect of binder content on compressive strength 由图2～3可知，粘结剂的添加量对炭化生物质的成型效果影响很大。随着粘结剂添加量的增加，型煤的跌落强度和抗压强度也增大。但粘结剂的添加量达到15％以后，它的跌落强度和抗压强度都有下降趋势，这主要是由于原料的孔隙并不发达，比孔容积小，刚开始时原料中的粘结剂处于不饱和的状态，因此随着粘结剂添加量的增加机械强度提高，而当粘结剂填满原料孔隙仍有剩余时，这部分粘结剂使原料间结构疏松，从而导致生物质型煤的机械强度下降。 对比利用相同粘结剂的普通型煤，碳化生物质型煤的粘结剂用量较大，型煤机械强度最大时的粘结剂添加量达到15％，其原因在于，碳化后生物质纤维的自身原有强度减小，网状骨架的连接作用降低，必须提高粘结剂用量才能保证型煤具有足够的机械强度。 2.2 原料比例对成型效果的影响 由于碳化后生物质的自身强度降低，生物质添加量不同必然影响型煤的强度。炭化生物质与煤泥混合比例对碳化生物质型煤强度的影响见图4～5。 图4 炭化生物质与煤泥混合比例对跌落强度的影响 Fig.4 Effect of Carbonized straw with slime ratio on falling strength 图5 炭化生物质与煤泥混合比例对抗压强度的影响 Fig.5 Effect of Carbonized straw with slime ratio on compressive strength 由图4～5可知，在粘结剂添加量一定时，炭化秸秆和煤泥混合的比例对炭化生物质型煤的跌落强度、抗压强度和压缩密度变化趋势是一致的，都是上升的趋势，但当煤泥添加量超过20％以后，炭化生物质型煤的跌落强度变化稳定，其原因主要是由于煤泥能够更好的渗透在炭化生物质与粘结剂的空隙中，从而大大提高了生物质型煤的内聚力，而且随着煤泥添加量的增大，原料颗粒间的接触面积增大，加固了煤泥、炭化生物质与粘结剂形成的固体桥键，使煤泥、炭化生物质与粘结剂之间更紧密的结合。由试验结果可得，炭化秸秆的最佳煤泥添加量不得低于20％。 2.3 成型压力对成型效果的影响 在混合比与粘结剂添加量的优化实验基础上，选取不同压力进行成型试验，成型压力对型煤机械强度的影响见图6～7。 图6 成型压力对跌落强度的影响 Fig.6 Effect of briquette ting pressure on falling strength 图7 成型压力对抗压强度的影响 Fig.7 Effect of briquette ting pressure on compressive strength 从图6～7可以看出，成型压力对炭化生物质型煤的机械强度影响很大，并且随着成型压力的增大，生物质型煤的跌落强度、抗压强度和压缩密度也增大，主要是因为更高的成型压力使得原料得到了更大的压缩，原料颗粒间的缝隙得以更好的填充，颗粒的重新排列和非弹性形变的程度有所增加，原料之间、粘结剂之间以及原料与粘结剂之间的范德华力和机械嵌合的程度都有所增加所致。但成型压力过大，超过原料的压溃压力（200kgf/cm2）时，会导致生物质型煤内部的不坚固颗粒遭到破坏，而且成型压力越大，颗粒的破坏程度也就越快，以至于生物质型煤的压缩密度增大，稳定性变差，并且跌落强度和抗压强度也有所降低。 3 结束语 以碳化锯末和选煤厂煤泥为原料制备的碳化生物质型煤具有较高的机械强度，可以很好地满足长途运输、露天存放和工业使用的要求。成型压力对碳化生物质型煤的机械强度影响很大，但不要超过其压溃压力，否则会降低其机械强度，不利于运输和贮存。粘结剂的添加量对提高炭化生物质型煤的机械强度具有良好效果。煤泥的添加，加固了煤泥、炭化秸秆与粘结剂形成的固体桥键，使炭化生物质型煤的机械强度提高。 参考文献 [1] 骆仲汉，周劲松，王树荣等，中国生物质利用技术评价[J]，清洁电力行动, 2004,26939-40 [2] 杨玉立，朱书全，王兴国等，中国生物质型煤技术的研究现状[J]，洁净煤技术，2007,13674-76 [3] 吕玉庭，高美，生物质型煤燃烧性能的试验研究[J]，能源研究与信息，2010,26295-99 [4] 俞才华，秸秆资源化利用技术分析[J]，能源研究与信息，2009,24286-89. [5] 邢宝林，张传祥，潘兰英等，生物质型煤机械强度影响因素的研究[J]，煤炭科学技术，2007,35783-85 [6] 毛玉如，骆仲泱，蒋林等，生物质型煤技术研究[J]，煤炭转化，2001,24121-25 [7] 徐康富，马永亮，常新莲等，生物质型煤成型技术开发试验研究[J]，环境污染与防治，2002,245261-264