生物質(zhì)煤泥型煤成型特性分析①

劉向東，謝 超，邢 蕾*，欒積毅，隋 歡，焦玉鳳，于泳紅，郭有成

(1.佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯154007;2.華能鶴崗發(fā)電有限公司，黑龍江 鶴崗154100)

0 引 言

生物質(zhì)被譽(yù)為即時(shí)利用的綠色煤炭，是非常豐富的可再生能源之一，具有揮發(fā)分和炭活性高、氮硫含量低、灰分含量低的特點(diǎn)［1］.洗煤剩余煤泥的持水性強(qiáng)，水分、灰分含量高，發(fā)熱量較低.采用生物質(zhì)與的煤泥混合成型型煤，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本較低，既便于保證燃料熱值，又能減少溫室氣體和SO2 的排放［2］，可以達(dá)到有效利用我國(guó)煤炭資源和降低污染物排放的目的，且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［3］.成型燃料的物理特性，直接決定了成型燃料的使用、運(yùn)輸和貯藏條件［4］.在生物質(zhì)型煤成型技術(shù)中，冷態(tài)壓縮成型技術(shù)是開發(fā)和利用生物質(zhì)資源的重要技術(shù)之一，并取得廣泛應(yīng)用，取得了較好的效果，因而成為當(dāng)前可再生能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［2～5］.

1 試驗(yàn)裝置及方法

本研究收集鶴崗地區(qū)玉米秸稈、稻殼和木屑，破碎到粒度0.1mm 以下，采用鼓風(fēng)干燥箱，在50℃條件下烘干，得到含水率分別為3.76%、3.84%、3.8%的原料樣.煤泥樣品的水分為4.44%.將三種生物質(zhì)和煤泥按質(zhì)量比10%、20%、30%均勻混合，將混合后的試樣采用閉式常溫成型壓制成質(zhì)量為15g、直徑30mm 的柱狀型煤，進(jìn)行成型特性的試驗(yàn)研究.成型壓制設(shè)備為微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào))，自制成型模具.

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮速度對(duì)成型特性的影響

按30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)將玉米秸稈、稻殼、木屑與煤泥進(jìn)行配比，成型壓力60MPa，壓縮速度分別為20，40，60，80mm/min，保型30s 后壓制成相應(yīng)配比生物質(zhì)型煤，同時(shí)采用同樣條件壓制100%煤泥型煤.對(duì)成型曲線積分并計(jì)算得到相應(yīng)配比生物質(zhì)型煤的能耗比，如表1 中所示.摻有生物質(zhì)的型煤壓縮能耗比均高于100%煤泥型煤，其中玉米秸稈型煤耗能最多，木屑型煤其次，稻殼型煤能耗比增加最少;每組型煤在不同壓縮速度下成型的能耗比均隨成型速度的增加而減小，原因是，在較高壓縮速度下，壓桿克服顆粒間阻力和生物質(zhì)與模具壁之間的摩擦力做功，同時(shí)，由于壓縮速度較快，在壓制過程中顆粒間彈性力被大量?jī)?chǔ)存，當(dāng)壓桿成型壓力達(dá)到最大壓力時(shí)，雖然壓桿位移保持不變，而儲(chǔ)存在型煤內(nèi)部顆粒間的彈性力在空間不變條件下，繼續(xù)相互作用而緊密嚙合，此時(shí)壓桿不做功.這種情況不僅不會(huì)影響型煤的生產(chǎn)質(zhì)量，在一定程度還減少了能量的消耗.三種生物質(zhì)型煤對(duì)比，表1 中數(shù)據(jù)橫向比較，在能耗比變化方面，相同成型速度，摻有玉米秸稈和摻有木屑的型煤能耗比與100%煤泥型煤相比增加明顯，摻有稻殼的型煤能耗比與100%煤泥型煤相比則增加幅度較小.同樣，壓縮速度與能耗比關(guān)系方面，壓縮速度對(duì)摻有玉米秸稈或木屑的生物質(zhì)型煤的能耗比也較摻有稻殼的生物質(zhì)型煤影響更大，能耗比隨壓縮速度的而減小的幅度更明顯.

表1 不同壓縮速度下成型總能耗

圖1 為60MPa 成型壓力下，壓制三種摻入量為30%的生物質(zhì)型煤與100%煤泥型煤，其成型速度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線.

圖1 成型速度與壓潰力關(guān)系曲線

圖1 中，三種生物質(zhì)型煤的壓潰力隨壓縮速度的增加而先增大后減小，且都在60mm/min 時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到極值點(diǎn).只有100%煤泥型煤的抗壓強(qiáng)度沒有明顯的增加或減小.由此可以知道，壓縮速度的大小對(duì)100%煤泥型煤的抗壓特性影響不大，而摻入一定的生物質(zhì)做粘結(jié)劑，顯著提高型煤抗壓強(qiáng)度，且三種生物質(zhì)型煤均在60mm/min 成型速度時(shí)壓潰力最好.同時(shí)60mm/min 的成型速度進(jìn)行壓制型煤的能耗比較20、40mm/min 下有所減少，提高型煤生產(chǎn)效率.

2.2 生物質(zhì)配比對(duì)型煤成型特性的影響

圖2 10%～30%生物質(zhì)型煤壓潰力曲線

成型速度60mm/min，成型壓力60MPa，保壓30s，壓制成10%，20%和30%三種配比生物質(zhì)型煤和100%煤泥型煤.得到成型曲線無規(guī)律可循，對(duì)成型曲線進(jìn)行積分得到相應(yīng)能耗比數(shù)據(jù)如表2中所示.壓制生物質(zhì)型煤的能耗比均隨生物質(zhì)摻入量的增加而增加，其中生物質(zhì)摻入量對(duì)玉米秸稈成型能耗比影響最大，能耗比增加最多.而對(duì)木屑和稻殼型煤能耗比的影響相當(dāng)，但其能耗比的增加程度都弱于玉米秸稈型煤.三種生物質(zhì)型煤在相同生物質(zhì)配比條件下，玉米秸稈型煤能耗比最大，木屑其次，稻殼最小.其原因是不同的生物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)有較大差異，導(dǎo)致不同生物質(zhì)型煤壓縮成型過程表現(xiàn)出不同的成型特性.

表2 生物質(zhì)不同配比成型總能耗

圖2 為在不同配比的三種生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度與成型壓力的關(guān)系.圖中可以得出以下共同規(guī)律:摻有生物質(zhì)的煤泥混合型煤抗壓強(qiáng)度均可大幅改善100%煤泥型煤的抗壓強(qiáng)度，且生物質(zhì)含量越高，抗壓強(qiáng)度也越大，改善效果越好.其中，a 圖中成型壓力在40MPa 時(shí)，10%配比玉米秸稈型煤較100%煤泥型煤抗壓強(qiáng)度有小幅提高，20%和30%的玉米秸稈型煤均能更顯著改善型煤的抗壓強(qiáng)度，60MPa 下三種配比的玉米秸稈型煤抗壓強(qiáng)度接近且抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高;b 圖中木屑型煤三種配比型煤增長(zhǎng)趨勢(shì)基本呈線性增長(zhǎng)，且成型壓強(qiáng)越大，型煤抗壓強(qiáng)度越大，改善越顯著;c 圖中不同配比的稻殼型煤的抗壓強(qiáng)度與成型壓強(qiáng)關(guān)系與a 圖相似，40MPa 下20%和30%稻殼型煤抗壓強(qiáng)度改善程度好于10%稻殼型煤對(duì)壓潰強(qiáng)度的改善效果，而60MPa 下三種配比型煤均抗壓強(qiáng)度良好且差別不大，其中20%和30%的稻殼型煤抗壓強(qiáng)度大小接近，略高于10%稻殼型煤.

3 結(jié) 論

(1)用生物質(zhì)做粘結(jié)劑能有效提高煤泥型煤的抗壓強(qiáng)度.

(2)生物質(zhì)型煤的能耗比隨成型壓力的增加呈線性增加，且能耗比隨成型速度的增加而減小.

(3)生物質(zhì)型煤中能耗比大小關(guān)系為玉米秸稈型煤＞木屑型煤＞稻殼型煤，而抗壓強(qiáng)度關(guān)系表現(xiàn)為木屑型煤＞玉米秸稈型煤＞稻殼型煤.木屑做粘結(jié)劑不僅能耗適中，且抗壓能力最好，在10%～30%范圍內(nèi)均能很好成型;玉米秸稈做粘結(jié)劑對(duì)型煤抗壓特性改善程度較稻殼更好，但所需能耗比在三者中最多;稻殼型煤成型特性最差，但較100%煤泥型煤的抗壓特性也有較大提高，生產(chǎn)稻殼型煤時(shí)也應(yīng)當(dāng)控制較低的稻殼配比，提高成型壓力來實(shí)現(xiàn)成型特性更好的稻殼型煤.

［1］ 王憲紅.動(dòng)力用煤混燒生物質(zhì)燃燒特性及污染物排放特性研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2010.

［2］ 張鴻波，張?jiān)鲑F，董平.生物質(zhì)型煤燃燒特性的研究［J］.潔凈煤技術(shù)，2002，8(3):37－39.

［3］ 黃光許，張如意，湛倫建.小麥秸稈作型煤粘結(jié)劑的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)煤炭，2005，31(3):52－54.

［4］ 袁海榮.秸稈固化成型燃料助燃劑研制及燃燒特性試驗(yàn)與模擬研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2010.