生物质秸秆作为型煤粘结剂的研究

第26卷,总第148节能技术》Vol 26. Sum. No. 1452008年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar 2008. No. 2生物质秸秆作为型煤粘结剂的研究路广军,郭彦霞,程芳琴,李莹英,张宁(山西大学环境与资源学院,山西太原03000摘要:本研究探讨了用氢氧化钠改性生物质秸秆作为型煤粘结剂的可行性,考察了NaOH溶液浓度对生物质改性的影响以及生物质添加量、无机物(Mg0和Mg2)添加量对型煤机械强度、防水性能和着火温度的影响。研究结果表明NaOH改性液的浓度为1.0%~2.0%时,制得的生物质型煤有较高的机械强度;生物质添加量在2%~20%范围内时,随生物质量的增加,机械强度增加,着火温度降低,但防水性较差;而在生物质型煤中加入适量无机粘结剂(Mg0和MgCl2)后,型煤有很高的浸水强度,表现出优越的防水性能;最后得出各项性能指标优异的改性生物质粘结剂的配方。关键词:生物质型煤;强度;防水性;着火温度中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1002-6339(2008)02-0107-05Study on the Biomass Used as Briquette BinderLU Guang-jun, GUO Yan-xia, CHENG Fang-qin, LI Ying-ying, ZHANG NingSchool of Environment and Resource, Shanxi University, Taiyuan 030006, ChinAbstract: Using denatured biomass as briquette binder in the laboratory, the influence of NaOH solutionbiomass quantity and composite material additives( MgO and MgCh) on briquette strength, waterproofing prop-erty and igmition temperature was studied. The result shows when NaOH solution concentration is 1.0%2.0%, biomass briquette has higher mechanical strength; when biomass quantity is 2%-20%, with thebiomass quantity increasing, the mechanical strength increases, and ignition temperature reduces, but water-proofing property becomes bad; when composite material additives( MgO and MgCl)are added, waterproofingproperty would be improved significantlyKey words: biomass briquette; strength of briquette; waterproofing property; ignition temperature大气污染。据统计,我国200年SO2排放量达25940前言万吨,烟尘排放量达182万吨,其中80%源于燃煤煤炭是我国的第一能源其中80%用于直接燃在这些燃煤污染源中,由于我国中小燃煤工业锅炉烧这不仅造成能源利用率低同时也造成了严重的耗煤量大(年耗煤量约占燃煤总量的1/3),且以燃用散煤为主燃煤污染非常严重但又因其数量众多收稿日期2008-03-06修订稿日期200-08-20(占锅炉总量的70%~80%)和分布面广,很难对其基金项目:国家科技支撑计划项目编号:20BAB24BO1;山西省进中国煤化工电厂之后的第二大科技攻关项目编日:2014原市大学生创新难创业计划项目:编号:0701079重点YHCNMHG术是洁净煤技术的作者简介:路广军(1983-),男,在读硕士研究生。浮麻、曰散煤可以减少SO2排放40%~70%,减少烟尘排放70%-90%,减少(3)原料配煤:榆次无烟煤和宁武烟煤混合煤NO450%~60%,而且投资小、见效快,从我国的经(配煤比例3:1),用破碎机破碎至3m以下,备用;济发展水平和锅炉燃煤的实际来看,使用洁净型煤(4)添加剂:氧化镁(分析纯)(北京市通广精细代替散煤可以很好地解决这些中小锅炉燃煤污染问化工公司),氯化镁(分析纯)(天津市化学试剂三题。我国从二十世纪60年代、70年代就已经开厂)始进行型煤技术的开发研究但适合于中小吨位燃12煤和秸秆的工业分析煤锅炉的洁净型煤技术并未取得有效进展,工业化实验所用原煤和秸秆采用CT5000A型多用热程进仍然很慢2-3。其原因主要是型煤质量不能保量测定仪(中国矿业大学研制),CTM300型自动控温证,性能差如型煤强度低热稳定性差燃烧性能仪(中国矿业大学研制),WDL-9微机汉显快速测差使其不易点燃、燃烧不完全等,此外型煤粘结剂硫仪(鹤壁科力测控技术有限公司)进行工业分析检价格贵也是主要原因之一。测,检测结果见表1。生物质型煤是近年来发展起来的新技术,通过1煤和秸秆工业分析节煤和生物质代煤的双重作用减少温室气体CO2Tab 1 Proximate analysis of coal and straw和燃煤SO2的排放,有利于缓解气候变暖和酸雨污d A Va S, Q, (k/kg)染,对保护环境和节约能源均具有重大意义,是型煤榆次无烟煤676268117012.0427642宁武烟煤63226.332.86技术发展的一个重要方向6-8。而且我国生物质能玉米秸秆3.564.5271.951554源丰富每年农业产生的生物质秸秆可达7亿吨这小麦秸秆40196673715371些生物质大部分被简单焚烧,造成严重的环境污1.3型煤的物理性能测试方法染9。中国工程院院士郝吉明认为0,生物质型煤改性生物质粘结剂的性能通过型煤物理性能来技术是开发利用煤和生物质能的新途径,它充分利体现和衡量,主要包括抗压强度、跌落强度、浸水强用了煤和生物质自身的优势,便于保证燃料热值,利度和复干强度,其测定方法如下:于克服常规型煤性能的不足,更重要的是生物质纤(1)抗压强度:在XY-01型型煤液压抗压强度维的网络连接作用可省去粘结剂的使用,也没有后测定仪(北京顺义牛栏山顺达制造厂)上进行,将型续烘干工序因此能大大降低加工成本。河南理工煤逐个置于规定的试验机的施力面中心位置上,以大学和清华大学(-近年在生物质型煤成型方规定的均匀位移速度单向施力,记录型煤开裂时试法、燃烧特性、和减少大气污染等方面进行了研究,验机显示施加的压力以各个型煤测定值得算术平结果表明生物质型煤综合性能良好,生物质型煤技均值作为生物质型煤的抗压强度(单位N个)。术为生物质能大规模的工业化利用提供了可能的有(2)跌落强度:依据GBT5459规定的方法进效途径。因此以生物质制备型煤可提高能源利用行,取10个煤球称重装在箱底可以打开的箱子里,率和减少因简单直接燃烧带来的环境污染问题,而在离地2.0m高处打开箱底,让煤球自由跌落到且以生物质作为型煤粘结剂不仅会增加型煤的机械12mm厚的钢板上,反复跌落3次后,用13m的筛强度,也会明显降低型煤的着火温度子筛分,取大于13mm级的质量分数作为煤球的跌本课题组在以前高强度锅炉型煤的研究(晋科鉴落强度指标。字[200第00号)基础上,以生物质玉米秸秆和小麦(3)浸水强度:按照MT/T749-1997规定的方法秸秆作为型煤粘结剂的主要原料进行生物质改性方进行。测定方法要点为:一定数量的型煤放入室温式和添加量等对型煤机械强度和着火温度的影响研的水中浸泡达24h后取出,然后按照抗压强度的方究并阐明了这种影响的内在机制为生物质型煤的法进行测定。实验室开发和进一步的工业应用提供技术支持。(4)复干强度:将一定数量的型煤在室温的水中1实验材料及型煤性能的测试方法浸泡24h后取出,在(105±5)℃下干燥后冷却到室温,使其达到空气干燥状态,然后按照抗压强度的方1.1实验材料法进行测定。(1)玉米秸秆和小麦秸秆取自山西省太原市附科坩的坳实验在SCM800近农村,自然干燥后,将玉米秸秆和小麦秸秆处理为型人中国煤化仪器制造有限长度为5-7cm的长条状,备用;公司CNMHG现控温测温,并(2)氢氧化钠(分析纯)(天津市化学试剂三厂);有数字显示仪能实时地显示当前所测温度,便于观察和记录数据。实验时,以20℃/min的速率升温,行改性制备生物质型煤,确定生物质的合适加入量,观察型煤燃烧状态的变化,并根据其变化得出各种进一步研究不同生物质加入量对型煤机械强度的影生物质型煤的着火点(3)复合粘结剂对生物质型煤性能指标的影响2生物质粘结剂的制备工艺及实验方法上述制备的型煤防水性较差,为改善其防水性,2.1生物质粘结剂的制备工艺在型煤中加入适量的M0和MgC2与改性生物质形称取适量的玉米秸秆或小麦秸秆,放入特制的成复合粘结剂以提高型煤的防水性,并考察加入量铁质反应容器中加入一定量的NaOH改性溶液,然对型煤强度的影响。后在90℃搅拌加热一小时后冷却备用。(4)复合粘结剂对型煤着火温度的影响22生物质粘结剂的研究方法使用自动控温仪和智能电阻炉检测使用无机粘(1)NaOH改性液浓度对型煤性能指标的影响结剂(MgO和MgCl)制得的型煤与研究内容(3)制得实验配制不同质量浓度的氢氧化钠改性液(0、的型煤的着火温度。通过观察型煤的燃烧状态和记05%、1.0%、15%、2.0%和25%),对生物质进行录电阻炉显示的实时温度进行,考察添加玉米秸秆改性,并控制生物质添加量为10%,按照制备工艺,和小麦秸秆后型煤的着火温度的变化趋势。将其加工成型煤,测试各项物理指标,进行比较,研3结果与讨论究不同NaOH改性液浓度对型煤机械强度的影响2)改性生物质加入量对型煤性能指标的影响31NaOH改性液浓度对型煤机械强度的影响选用实验(1)确定的NaOH改性液对生物质进依据研究方法22(1),实验结果如表2所示。表2NaOH改性液浓度对型煤跌落强度、抗压强度的影响Tab2 Influence of NaoH concentration on briquette strength氢氧化钠浓度,%0玉米秸秆型煤82490.699型煤跌落强度,%小麦秸秆型煤758798.7玉米秸秆型煤7548907681340.1132.01070.489.8型媒抗压强度,N个小麦秸秆型煤93241065.6106561065.6976.896.8由表2可知,本实验所有型煤样品都具有很高的跌落强度和抗压强度,均满足山西省DB14/133-2005标准要求。随着NaOH浓度的变化,强度变化不同。对于型煤的跌落强度,用小麦秸秆和玉米秸秆制备的生物质型煤表现出来较为一致的趋势,当NaOH溶液的浓度在1.0%~2.0%时,型煤的跌落强度较高且比较稳定;当NaOH溶液的浓度在1.0%1.5%时,两种生物质型煤的抗压强度较高,且玉米秸秆型煤在该浓度范围内的抗压强度要高于小麦秸秆型煤的。图1NOH改性液浓度对小麦秸秆表面结构影为了考察氢氧化钠改性对生物质的影响用显响的显微镜图微镜观察其结构,图1是不同浓度改性后小麦秸秆Fig 1 Influence o NaOH conccntration on wheat straw su表面结构图。(1)NaOH浓度为0时改性后的小麦秸秆;(2)0.%NOH从图1可以看出:NaOH改性液浓度为0(即纯溶液改性后小麦秸秆;(3)10%NOH溶液改性后小麦水)时,小麦秸秆表面结构整齐有序,结构间隙很小秸秆;(4)15%NOH溶液改性后小麦秸秆;(5)20%(见图1(1));用0.5%的NOH溶液改性后(见图1NaOH溶液改性后小麦秸秆;(6)25%NaOH溶液改性后(2)的秸秆整体结构变化不大,出现一些空隙;用小麦秸秆1.0%的 NaOH溶液改性后(见图1(3)),秸秆结构出NaOH溶液改性后(见图1(6))空间结构较单一,秸现更多空隙,空间结构较复杂;用1.5%-2.0%的秆中国煤化工当生物质用NaOHNOH溶液改性后(见图1(4、1(5),秸秆结构空隙溶CNMH素会发生分解,秸大且疏松,出现结构的相互交联现象;用25%的秆在90经氢氧化钠处理改性后,纤维素类物质明109显消失,可能是秸秆中的木质素发生了分解,使纤维由表3可知,在改性生物质加入量为2%-20%素和半纤维素彼此分离造成的,并产生了具有粘结范围内,所有型煤样品都有很高的跌落强度和抗压作用的糖类以及果胶、单宁等物质,通过混合搅拌使强度,均能满足山西省DB14/133-2005标准要求,其形成复杂的空间网状结构。将改性后生物质添加随着生物质加入量的增加型煤的跌落强度和抗压强到原料煤中其纤维结构形成的复杂的空间网状结度明显增强表明生物质加入量越多具有连结作用构会网罗大量煤粒经过成型压力的作用使型煤形的网状结构越多越容易网罗煤粒,经过成型压力作成一个强度很高的实体。随着NaOH改性液浓度的用后形成的型煤强度越高。增加,改性后秸秆的木质素分解更为完全,产生的粘在浸水强度和复干强度的实验中,型煤浸泡性物质更多,因而能更均匀地与原料煤混合,型煤强24h后全部破散,检测不出强度。说明在型煤中添度也更高。但随着NaOH浓度增加(如>2.0%时),加生物质后,有较高的跌落强度和抗压强度,但防水木质素分解程度进一步增加秸秆的纤维结构基本性差主要是因为附着在煤粒表面起粘结作用的糖被完全破坏,反而使型煤的强度下降,因而不宜使用类硅酸钠类等物质均是水溶性物质,遇水会溶解浓度太高NaOH溶液来对生物质进行改性。根据以致使型煤在水的作用下被泡散防水性极低。需要上分析选用浓度为1.0%-15%的NaOH溶液较釆取进一步的措施提高型煤的防水性。为宜。33复合粘结剂对生物质型煤机械强度的影响32改性生物质加入量对型煤性能指标的影响依据实验方法22(3),添加适量Mg0和MgC2依据实验方法22(2),结果见表3。后的实验结果见表4。表3生物质加入量对型煤跌落强度、抗压强度浸水强度和复干强度的影响Tab3 Influence of biomass quantity on briquette strength秸秆加入量,%型煤跌落强度,%玉米秸秆型煤85小麦秸秆型煤型煤抗压强度,N个玉米秸秆型煤79.0799.097731243.11421.2小麦秸秆型煤l154.31510.4型煤浸水强度,N个玉米秸秆型煤小麦秸秆型煤型煤复干强度,N个五米秸秆型煤小麦秸秆型煤表4生物质加入量对型煤(加入MgO和MsC2)跌落强度抗压强度浸水强度和复干强度的影响Tab 4 Influence o biomass quantity on briquette(adding MgO, MgCh)strength秸秆加入量,%型煤跌落强度,%玉米秸秆型煤98.799.5小麦秸秆型煤型煤抗压强度,N/个玉米秸秆型煤1243.1332.05541598.0小麦秸秆型煤8801243.11243,1131.01760型煤浸水强度,N/个玉米秸秆型煤622.0小麦秸秆型煤622.0622.0533,0266.0型煤复干强度,N/个玉米秸秆型煤1421.01320小麦秸秆型煤1510.01066.00660从表4可以知,添加适量MgO和MgCl2后,生物而且镁水泥可以在常温常压下硬化,硬化后具有良质型煤的物理性能均优于没有添加无机粘结剂的型好的抗渗性这与本实验结果相一致。因此,为了提煤(参照表3),而且型煤有了较高的浸水强度满足高型煤的防水性,可使用适量MO和MgCl2与改性山西省DB14133-2005标准要求复干强度也比生物质秸秆组成复合粘结剂较高。随着改性秸秆加入量的增加,浸水强度和复3.4复合粘结剂对型煤着火温度的影响干强度均有所下降,原因可能是型煤在水浸泡的情依报研空内奢?A4)很烈的无机粘结剂(Mo况下,未分解的秸秆会吸水发生膨胀从而使型煤的和M中国煤化工.4(3)制得的型浸水强度和复干强度降低。而文献(6表明,MO煤的时CNMHG和MgC2会与HO反应生成具有高强度的镁水泥,表5各种生物质型煤着火温度为20%时,可使型煤的燃点降低至510℃以下。Tab. 5 The ignition terperatures of biomass briquettes综上所述,利用改性的生物秸秆作为生物质型产品类型粘秆含量%着火温度,℃煤粘结剂,再辅以无机粘结剂(MgQ和MgC2)后,可制得性能优良的生物质型煤,制备工艺简单,且利用改性玉米秸秆和无机物可再生的生物质代替矿物煤既节约了成本,又减少作为粘结剂制得的型煤了对环境的污染,是一种符合产业政策,值得推广的生产工艺。参考文献改性小麦秸秆和无机物618作为粘结剂制得的型煤5o502505m〔1)卢正彬,董芃窦洪华,推广使用工业型煤过程中存在的问题及解决办法[刀.节能技术,2009,21(3):31-32〔2〕董芃.推广工业型煤的技术策略及其专用锅炉的研无机粘结剂制得的型煤制[J.节能技术,2006,24(5):437-40从表中可以看出:随着改性秸秆加入量的增加,〔3〕李永恒.型煤的研制与应用综述[.革新与综述,生物质型煤的着火温度逐渐降低,这是因为随着秸20(4):1-1秆加入量的增加,型煤中可燃挥发分所占比例增加,〔4〕孙孝仁,型煤设备与型煤粘结剂〔(冂〕.能源工程,从而使生物质型煤的着火温度逐渐降低。加入的改1994):13-15性生物质种类不同,型煤的着火温度降低的程度不〔5〕路春美.型煤复合固硫剂硫化反应特性的试验研究同加入改性玉米秸秆与加入改性小麦秸秆相比,型[〕.环境科学与技术,199(2):24-27煤着火温度降低的程度较高,这是因为本研究所用〔6刘军强,李瑞扬.型煤燃烧全硫析出规律的试验研玉米秸秆的可燃挥发分含量比小麦秸秆的含量高。充(J.节能技术,200,2(5:0-1〔刀〕袁福林毕耀柏申云灵,等.型煤质量对锅炉运行与无机粘结剂(Mg0和MgC2)制得的型煤相比经济性的影响.节能技术,2006,4(5):474-475较生物质型煤的着火温度明显降低,这是因为生物〔8]乐园李龙生,秸秆类生物质燃烧特性的研究[J质挥发份高易于引燃生物质着火后,会迅速引燃周能源工程,20064):30-33.围的煤,从而降低型煤的整体着火温度。〔9〕张云利,刘坤,孙丽丽.生物质型煤燃烧特性的研究4实验结论〕.煤炭技术,2003,2(6):114〔10徐富康,马永亮郝吉明.生物质型煤工业成型新通过上述研究,得到如下结论:方法及影响因素分析[门.环境科学,2001,22(4):81-85(1)以1.0%-2.0%的NaOH溶液改性玉米、小浮爱青焦红光谌伦建,等,生物质型煤燃烧特性麦秸秆制得的混合物可作为生物质型煤的粘结剂,概述(.洁净煤技术,20,12(2):63-6生物质的添加量可达20%以上,随改性生物质量的〔12黄光许张如意谌伦建.小麦秸秆作型煤粘结剂增加机械强度(跌落强度和抗压强度)均增加但生的试验研究(].中国煤炭20033:2-413]徐富康,马永亮,常新莲,等.生物质型煤成型技术物质型煤的防水性较差。开发实验研究〔门环境污染与防治,2002,24(5):261-264.(2)使用改性生物质与Mg0和MgCl2组成的复〔14)陆永琪徐富康马永亮等,生物质型煤固硫添加合粘结剂可使型煤具有很高的机械强度,且防水性剂的固硫增强作用(门).环境科学,02,23(1):26-29能好,是一种有实用前途的粘结剂。15]张香兰徐德平许志华等.氢氧化钠改性生物质(3)与无机粘结剂(M0和MgC2)制得的型煤相作型煤粘结剂的研究〔J煤炭学报2001,26(1):105-108比,生物质型煤的着火温度明显降低,生物质加入量〔16〕同振甲何艳君,镁水泥改性及制品生产实用技术〔M.北京:化学工业出版社,2006.水8R3中国煤化工CNMHG