农作物秸秆加工生物质型煤的研究

仝建波， 蔺 阳， 温俊涛， 刘瑛瑛， 何生亮， 程芳玲

(陕西科技大学 化学与化工学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

煤炭是一次能源的重要组成部分，但是煤炭的大量使用，不可避免地产生一系列环境污染问题，对于生态平衡和人类生存有着极大的危害；同时我国的农作物秸秆生物质资源是非常丰富的可再生能源之一，但大多数秸秆用作民用燃料进行直接燃烧，而热效率只有6%～10%，部分地区还有秸秆就地焚烧现象，造成了资源的浪费和环境的污染[1-3].

生物质型煤是指破碎成一定粒度和干燥到一定程度的煤与可燃生物质，按一定比例掺混，利用生物质中的木质素、纤维索、半纤维素等与煤粘结性的差异，在高压力下压制而成的型煤[4-6].生物质型煤技术是开发利用煤和生物质能的新途径，它充分利用了煤和生物质的自身优势，便于保证燃料热值，利于克服常规型煤性能的不足，更重要的是生物质纤维的网络连接作用可省去粘结剂的使用，也没有后续烘干工序，因此能大大降低加工成本.河南理工大学和清华大学，在生物质型煤成型方法、燃烧特性和减少大气污染等方面进行了研究[7-10]，结果表明生物质型煤综合性能良好，生物质型煤技术对生物质能大规模的工业化利用提供了可能的有效途径[11].因此，以生物质制备型煤可提高能源利用率和减少因简单直接燃烧带来的环境污染问题，而且以生物质作为型煤粘结剂不仅会增加型煤的机械强度，也会明显降低型煤的着火温度.本文探讨在制备生物质型煤过程中添加淀粉与无机固化剂，生物质型煤各种物理性质包括抗压强度、浸水强度、复干强度、跌落强度的变化情况，并取得了较理想的结果.

1 实验部分

称取一定量玉米秸秆于三口烧瓶、加入一定量质量浓度为1.5%的氢氧化钠溶液，在精密増力电动搅拌机上搅拌并水浴加热至82 ℃，加热2.5 h后，将溶液转入250 mL烧杯中；然后取一定量淀粉加入100 mL烧杯，在80 ℃水浴中加热并不断搅拌使其充分糊化，待烧杯中白色混合物变成透明胶状，趁热倒入上述250 mL烧杯；最后取14 g原煤样(40～60目1.4 g，80～120目4.2 g，120目8.4 g)、1.2 g硅酸钠、一定质量氧化镁和氯化镁、0.2 g氢氧化钙于上述250 mL烧杯混合均匀，并不断搅拌，待混合物干燥到一定程度，用万能材料试验机以25 MPa压力下成型，产品在阴凉通风处干燥.产品进行物理性能(抗压强度、跌落强度、浸水强度、复干强度)的检测，并对其结果进行讨论分析.

抗压强度的测定：在型煤液压抗压强度测定仪上进行.将型煤逐个置于规定的实验机的施力面中心位置上.以规定的均匀位移速度单向施力．记录型煤开裂时实验机显示施加的压力.以各个型煤测定值的算术平均值作为生物质型煤的抗压强度，单位N/个.

跌落强度的测定：依据GB/T15459规定的方法进行.从型煤试样中各取5个样品，先称取样品的质量，然后从2 m高处自由落下到12 mm厚的钢板上，如此反复跌落3次，然后用25 mm的筛子进行筛分，将大于25 mm部分所占的质量百分数作为型煤的跌落强度.

浸水强度的测定：按照MT/T749-2007规定的方法进行.测定方法为：将一定数量的型煤放在室温的水中浸泡达24 h后，取出，逐个置于规定的实验机的施力面中心位置上，以规定的均匀位移速度单向施力，记录型煤开裂时实验机显示的施加力.以各个型煤测定值的算数平均值作为浸水强度.

复干强度的测定:按照MT/T749-2007规定的方法进行.将一定数量的型煤在室温的水中浸泡24 h后取出，在(105±5) ℃温度下干燥后冷却到室温，使其达到空气干燥状态.然后逐个置于规定的实验机的施力面中心位置上.以规定的均匀位移速度单向施力，记录型煤开裂时实验机显示施加的压力，以各个型煤测定值的算术平均值作为生物质型煤的复干强度.

2 结果与讨论

2.1 生物质型煤的物理性能分析

将型煤样品按不同测试方法进行抗压强度、跌落强度、浸水强度、复干强度测试, 测试结果如表1所示.

表1 生物质型煤物性测试数据

从表1可知，生物质型煤有较高的抗压强度和跌落强度，均好于国标(GB/T15459 MT/T749-2007).这主要是由于适宜的NaOH改性液浓度，反应时间、反应温度，使秸秆的木质素分解更为完全，产生了更多粘性物质；而浸水强度、复干强度很差，这主要是由于木质素是可溶性多糖、在水中溶解.

2.2 淀粉用量对型煤物理性能的影响

2.2.1 淀粉用量对型煤抗压强度和跌落强度的影响

试验中加入淀粉时，型煤的性质发生变化.根据所得数据作图，如图1所示.

图1 淀粉用量对型煤抗压/跌落 强度的影响

由图1可知，加入淀粉后，型煤抗压强度、跌落强度有大幅度提高，这是由于淀粉遇水，高温糊化分子链从有序变成无序交叉缠绕形成网状，网络煤粒并且淀粉带有羟基与煤粒表面发生氢键连接，从而使型煤抗压强度、跌落强度迅速增强.但并不是淀粉用量越多越好，当淀粉用量超过10%时，抗压强度、跌落强度基本不变，因为过多的淀粉减小了煤粒之间的作用力，而且可能发生氢键连接的煤粒有限，淀粉用量达饱和.

2.2.2 淀粉用量对型煤浸水强度和复干强度的影响

试验中加入淀粉时，型煤的浸水强度和复干强度发生变化.根据所得数据作图，结果如图2所示.

图2 淀粉用量对型煤浸水/复干 强度的影响

由图2可知，型煤浸水强度随淀粉用量增加先增大后减小，这是因为淀粉糊化后分子链从有序变成无序交叉缠绕形成网状，增强了型煤防水性，使型煤不被水完全侵蚀，所以随淀粉用量的增加，型煤浸水强度增强，当型煤再次通风干燥后未水解的淀粉交叉缠绕形成网状起到胶粘作用，所以随淀粉用量的增加，型煤复干强度增强.但过多的用量使煤粒之间的作用力减小，型煤遇水发生严重分散，型煤浸水强度降低.由此可知，淀粉用量并不是越多越好，其最佳量为10%.

通过淀粉用量对型煤物理性能影响的实验，得到淀粉的最佳用量为10%.此时生物质型煤有较高的抗压强度、跌落强度，其浸水强度、复干强度也得到很大改善.

2.2.3 无机固化剂用量对型煤抗压强度和跌落强度的影响

试验中加入无机固化剂MgO、MgCl2时，型煤的抗压强度和跌落强度发生变化.根据所得数据作图，如图3、4所示.

图3 型煤抗压强度变化与无机固化剂用量图

图4 型煤跌落强度变化与无机固化剂用量图

由图3、4可知，加入固化剂量越多型煤抗压强度、跌落强度越好，这是由于无机固化剂MgO和MgCl2加入形成5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相为主、3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相及Mg(OH)2共存的3种物相，其中5Mg(OH)2·MgCI2·8H2O相是比较稳定的结晶相，是一种具有硬度和防水特征的混合物.当加入型煤成型时所需的水时，三者结合迅速形成5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相，该结晶相呈现微细针状，且随着硬化不断继续，这些微细针状晶体相互交织成网状连接煤粒，使型煤有较高的抗压强度和跌落强度.但不同配比对型煤的影响情况不同，当MgO用量一定时、 型煤抗压强度、跌落强度随MgCl2用量的增加而增强.但考虑到无机添加剂过多会增加型煤的灰分，减小型煤的热值，影响型煤在工业生产中的应用，所以MgO、MgCl2用量选择遵循少量高效的原则.从图中可知，MgO最合适用量为4.5%、MgCl2最合适用量为3.0%.

2.2.4 无机固化剂用量对型煤浸水强度和复干强度的影响

试验中加入无机固化剂MgO、MgCl2时，型煤的浸水强度和复干强度也发生变化.根据所得数据作图，如图5、6所示.

图5 型煤浸水强度变化与固化剂用量图

图6 型煤复干强度变化与无机固化剂用量

由图5、6可知无机固化剂MgO、MgCl2用量越多，型煤浸水强度与复干强度越好，因为5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O、3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O及Mg(OH)2都具有防水特征，使煤粒、生物质秸秆、淀粉在水中发生较小的变化，所以固化剂MgO、MgCl2用量越多型煤浸水强度、复干强度越强.而且通过与国家标准对比，固化剂加入后型煤浸水强度、复干强度均超过国家标准67.3和59.7的标准.

通过无机固化剂用量对型煤物理性能影响的综合考虑，无机固化剂最佳用量为MgO 4.5%，MgCl23.0%.此时型煤有较高抗压强度、跌落强度、浸水强度、复干强度.

3 结束语

生物质型煤抗压强度和跌落强度较高，但浸水强度和复干强度很差，加入淀粉粘结剂与无机固化剂后型煤浸水强度、复干强度得到很大改善，抗压强度、跌落强度更有了进一步提高，从而成功制备出有较高抗压强度、跌落强度、浸水强度、复干强度，性能优良的生物质型煤.并由实验可知，淀粉的最佳用量为10%，无机固化剂MgO用量4.5%、MgCl2用量为3.0%.

[1] 李海华,徐志强.我国型煤技术现状分析[J].煤炭加工与综合利用, 2008,25(3):30-32.

[2] 陈贵锋,俞珠峰,成玉琪.中国煤炭加工技术发展的思考[J].洁净煤技术, 2001,7(1):9-13.

[3] Yaman,sahan M,Haykiri-Acm H,et al.Fuel briquettes from biomass-lighte blends[J].Fuel Processing Technology, 2001,72(1):1-8.

[4] 王劲草,王景权.生物质型煤粘结剂的研究[J].应用能源技术,2004,20(4):15-16.

[5] 徐富康,马永亮,郝吉明.生物质型煤工业成型新方法及影响因素分析[J].环境科学, 2001,22(4):81-85.

[6] 浮爱青,焦红光, 谌伦建,等. 生物质型煤燃烧特性概述[J].洁净煤技术, 2006,12(2):63-66.

[7] 黄光许,张如意,谌伦建.小麦秸秆作型煤粘结剂的试验研究[J].中国煤炭, 2005,31(3):52-54.

[8] 徐富康,马永亮,常新莲,等.生物质型煤成型技术开发实验研究[J].环境污染与防治,2002,24(5):261-264.

[9] 陆永琪,徐富康,马永亮,等.生物质型煤固硫添加剂的固硫增强作用[J].环境科学, 2002,23(1):26-29.

[10] 李春桃,龙 建,蒋 伟,等.复合生物质型煤粘结剂研究[J].中国煤炭,2010,36(2):80-87.

[11] Yildirim I Tosun.Clean fuel-magnesia bonded coal briquetting[J].Fuel Processing Technology,2007,88(10):977-981.