農(nóng)作物秸稈加工生物質(zhì)型煤的研究

仝建波， 藺 陽， 溫俊濤， 劉瑛瑛， 何生亮， 程芳玲

(陜西科技大學 化學與化工學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

煤炭是一次能源的重要組成部分，但是煤炭的大量使用，不可避免地產(chǎn)生一系列環(huán)境污染問題，對于生態(tài)平衡和人類生存有著極大的危害；同時我國的農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)資源是非常豐富的可再生能源之一，但大多數(shù)秸稈用作民用燃料進行直接燃燒，而熱效率只有6%～10%，部分地區(qū)還有秸稈就地焚燒現(xiàn)象，造成了資源的浪費和環(huán)境的污染[1-3].

生物質(zhì)型煤是指破碎成一定粒度和干燥到一定程度的煤與可燃生物質(zhì)，按一定比例摻混，利用生物質(zhì)中的木質(zhì)素、纖維索、半纖維素等與煤粘結(jié)性的差異，在高壓力下壓制而成的型煤[4-6].生物質(zhì)型煤技術(shù)是開發(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)的自身優(yōu)勢，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.河南理工大學和清華大學，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行了研究[7-10]，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)對生物質(zhì)能大規(guī)模的工業(yè)化利用提供了可能的有效途徑[11].因此，以生物質(zhì)制備型煤可提高能源利用率和減少因簡單直接燃燒帶來的環(huán)境污染問題，而且以生物質(zhì)作為型煤粘結(jié)劑不僅會增加型煤的機械強度，也會明顯降低型煤的著火溫度.本文探討在制備生物質(zhì)型煤過程中添加淀粉與無機固化劑，生物質(zhì)型煤各種物理性質(zhì)包括抗壓強度、浸水強度、復(fù)干強度、跌落強度的變化情況，并取得了較理想的結(jié)果.

1 實驗部分

稱取一定量玉米秸稈于三口燒瓶、加入一定量質(zhì)量濃度為1.5%的氫氧化鈉溶液，在精密増力電動攪拌機上攪拌并水浴加熱至82 ℃，加熱2.5 h后，將溶液轉(zhuǎn)入250 mL燒杯中；然后取一定量淀粉加入100 mL燒杯，在80 ℃水浴中加熱并不斷攪拌使其充分糊化，待燒杯中白色混合物變成透明膠狀，趁熱倒入上述250 mL燒杯；最后取14 g原煤樣(40～60目1.4 g，80～120目4.2 g，120目8.4 g)、1.2 g硅酸鈉、一定質(zhì)量氧化鎂和氯化鎂、0.2 g氫氧化鈣于上述250 mL燒杯混合均勻，并不斷攪拌，待混合物干燥到一定程度，用萬能材料試驗機以25 MPa壓力下成型，產(chǎn)品在陰涼通風處干燥.產(chǎn)品進行物理性能(抗壓強度、跌落強度、浸水強度、復(fù)干強度)的檢測，并對其結(jié)果進行討論分析.

抗壓強度的測定：在型煤液壓抗壓強度測定儀上進行.將型煤逐個置于規(guī)定的實驗機的施力面中心位置上.以規(guī)定的均勻位移速度單向施力．記錄型煤開裂時實驗機顯示施加的壓力.以各個型煤測定值的算術(shù)平均值作為生物質(zhì)型煤的抗壓強度，單位N/個.

跌落強度的測定：依據(jù)GB/T15459規(guī)定的方法進行.從型煤試樣中各取5個樣品，先稱取樣品的質(zhì)量，然后從2 m高處自由落下到12 mm厚的鋼板上，如此反復(fù)跌落3次，然后用25 mm的篩子進行篩分，將大于25 mm部分所占的質(zhì)量百分數(shù)作為型煤的跌落強度.

浸水強度的測定：按照MT/T749-2007規(guī)定的方法進行.測定方法為：將一定數(shù)量的型煤放在室溫的水中浸泡達24 h后，取出，逐個置于規(guī)定的實驗機的施力面中心位置上，以規(guī)定的均勻位移速度單向施力，記錄型煤開裂時實驗機顯示的施加力.以各個型煤測定值的算數(shù)平均值作為浸水強度.

復(fù)干強度的測定:按照MT/T749-2007規(guī)定的方法進行.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) ℃溫度下干燥后冷卻到室溫，使其達到空氣干燥狀態(tài).然后逐個置于規(guī)定的實驗機的施力面中心位置上.以規(guī)定的均勻位移速度單向施力，記錄型煤開裂時實驗機顯示施加的壓力，以各個型煤測定值的算術(shù)平均值作為生物質(zhì)型煤的復(fù)干強度.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)型煤的物理性能分析

將型煤樣品按不同測試方法進行抗壓強度、跌落強度、浸水強度、復(fù)干強度測試, 測試結(jié)果如表1所示.

表1 生物質(zhì)型煤物性測試數(shù)據(jù)

從表1可知，生物質(zhì)型煤有較高的抗壓強度和跌落強度，均好于國標(GB/T15459 MT/T749-2007).這主要是由于適宜的NaOH改性液濃度，反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度，使秸稈的木質(zhì)素分解更為完全，產(chǎn)生了更多粘性物質(zhì)；而浸水強度、復(fù)干強度很差，這主要是由于木質(zhì)素是可溶性多糖、在水中溶解.

2.2 淀粉用量對型煤物理性能的影響

2.2.1 淀粉用量對型煤抗壓強度和跌落強度的影響

試驗中加入淀粉時，型煤的性質(zhì)發(fā)生變化.根據(jù)所得數(shù)據(jù)作圖，如圖1所示.

圖1 淀粉用量對型煤抗壓/跌落 強度的影響

由圖1可知，加入淀粉后，型煤抗壓強度、跌落強度有大幅度提高，這是由于淀粉遇水，高溫糊化分子鏈從有序變成無序交叉纏繞形成網(wǎng)狀，網(wǎng)絡(luò)煤粒并且淀粉帶有羥基與煤粒表面發(fā)生氫鍵連接，從而使型煤抗壓強度、跌落強度迅速增強.但并不是淀粉用量越多越好，當?shù)矸塾昧砍^10%時，抗壓強度、跌落強度基本不變，因為過多的淀粉減小了煤粒之間的作用力，而且可能發(fā)生氫鍵連接的煤粒有限，淀粉用量達飽和.

2.2.2 淀粉用量對型煤浸水強度和復(fù)干強度的影響

試驗中加入淀粉時，型煤的浸水強度和復(fù)干強度發(fā)生變化.根據(jù)所得數(shù)據(jù)作圖，結(jié)果如圖2所示.

圖2 淀粉用量對型煤浸水/復(fù)干 強度的影響

由圖2可知，型煤浸水強度隨淀粉用量增加先增大后減小，這是因為淀粉糊化后分子鏈從有序變成無序交叉纏繞形成網(wǎng)狀，增強了型煤防水性，使型煤不被水完全侵蝕，所以隨淀粉用量的增加，型煤浸水強度增強，當型煤再次通風干燥后未水解的淀粉交叉纏繞形成網(wǎng)狀起到膠粘作用，所以隨淀粉用量的增加，型煤復(fù)干強度增強.但過多的用量使煤粒之間的作用力減小，型煤遇水發(fā)生嚴重分散，型煤浸水強度降低.由此可知，淀粉用量并不是越多越好，其最佳量為10%.

通過淀粉用量對型煤物理性能影響的實驗，得到淀粉的最佳用量為10%.此時生物質(zhì)型煤有較高的抗壓強度、跌落強度，其浸水強度、復(fù)干強度也得到很大改善.

2.2.3 無機固化劑用量對型煤抗壓強度和跌落強度的影響

試驗中加入無機固化劑MgO、MgCl2時，型煤的抗壓強度和跌落強度發(fā)生變化.根據(jù)所得數(shù)據(jù)作圖，如圖3、4所示.

圖3 型煤抗壓強度變化與無機固化劑用量圖

圖4 型煤跌落強度變化與無機固化劑用量圖

由圖3、4可知，加入固化劑量越多型煤抗壓強度、跌落強度越好，這是由于無機固化劑MgO和MgCl2加入形成5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相為主、3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相及Mg(OH)2共存的3種物相，其中5Mg(OH)2·MgCI2·8H2O相是比較穩(wěn)定的結(jié)晶相，是一種具有硬度和防水特征的混合物.當加入型煤成型時所需的水時，三者結(jié)合迅速形成5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相，該結(jié)晶相呈現(xiàn)微細針狀，且隨著硬化不斷繼續(xù)，這些微細針狀晶體相互交織成網(wǎng)狀連接煤粒，使型煤有較高的抗壓強度和跌落強度.但不同配比對型煤的影響情況不同，當MgO用量一定時、 型煤抗壓強度、跌落強度隨MgCl2用量的增加而增強.但考慮到無機添加劑過多會增加型煤的灰分，減小型煤的熱值，影響型煤在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，所以MgO、MgCl2用量選擇遵循少量高效的原則.從圖中可知，MgO最合適用量為4.5%、MgCl2最合適用量為3.0%.

2.2.4 無機固化劑用量對型煤浸水強度和復(fù)干強度的影響

試驗中加入無機固化劑MgO、MgCl2時，型煤的浸水強度和復(fù)干強度也發(fā)生變化.根據(jù)所得數(shù)據(jù)作圖，如圖5、6所示.

圖5 型煤浸水強度變化與固化劑用量圖

圖6 型煤復(fù)干強度變化與無機固化劑用量

由圖5、6可知無機固化劑MgO、MgCl2用量越多，型煤浸水強度與復(fù)干強度越好，因為5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O、3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O及Mg(OH)2都具有防水特征，使煤粒、生物質(zhì)秸稈、淀粉在水中發(fā)生較小的變化，所以固化劑MgO、MgCl2用量越多型煤浸水強度、復(fù)干強度越強.而且通過與國家標準對比，固化劑加入后型煤浸水強度、復(fù)干強度均超過國家標準67.3和59.7的標準.

通過無機固化劑用量對型煤物理性能影響的綜合考慮，無機固化劑最佳用量為MgO 4.5%，MgCl23.0%.此時型煤有較高抗壓強度、跌落強度、浸水強度、復(fù)干強度.

3 結(jié)束語

生物質(zhì)型煤抗壓強度和跌落強度較高，但浸水強度和復(fù)干強度很差，加入淀粉粘結(jié)劑與無機固化劑后型煤浸水強度、復(fù)干強度得到很大改善，抗壓強度、跌落強度更有了進一步提高，從而成功制備出有較高抗壓強度、跌落強度、浸水強度、復(fù)干強度，性能優(yōu)良的生物質(zhì)型煤.并由實驗可知，淀粉的最佳用量為10%，無機固化劑MgO用量4.5%、MgCl2用量為3.0%.

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