生物质煤泥型煤成型特性分析①

刘向东，谢 超，邢 蕾*，栾积毅，隋 欢，焦玉凤，于泳红，郭有成

(1.佳木斯大学，黑龙江 佳木斯154007;2.华能鹤岗发电有限公司，黑龙江 鹤岗154100)

0 引 言

生物质被誉为即时利用的绿色煤炭，是非常丰富的可再生能源之一，具有挥发分和炭活性高、氮硫含量低、灰分含量低的特点［1］.洗煤剩余煤泥的持水性强，水分、灰分含量高，发热量较低.采用生物质与的煤泥混合成型型煤，生产工艺简单，成本较低，既便于保证燃料热值，又能减少温室气体和SO2 的排放［2］，可以达到有效利用我国煤炭资源和降低污染物排放的目的，且具有显著的经济效益和社会效益［3］.成型燃料的物理特性，直接决定了成型燃料的使用、运输和贮藏条件［4］.在生物质型煤成型技术中，冷态压缩成型技术是开发和利用生物质资源的重要技术之一，并取得广泛应用，取得了较好的效果，因而成为当前可再生能源领域研究的热点［2～5］.

1 试验装置及方法

本研究收集鹤岗地区玉米秸秆、稻壳和木屑，破碎到粒度0.1mm 以下，采用鼓风干燥箱，在50℃条件下烘干，得到含水率分别为3.76%、3.84%、3.8%的原料样.煤泥样品的水分为4.44%.将三种生物质和煤泥按质量比10%、20%、30%均匀混合，将混合后的试样采用闭式常温成型压制成质量为15g、直径30mm 的柱状型煤，进行成型特性的试验研究.成型压制设备为微机控制电液伺服万能试验机(型号)，自制成型模具.

2 结果与分析

2.1 压缩速度对成型特性的影响

按30%质量分数将玉米秸秆、稻壳、木屑与煤泥进行配比，成型压力60MPa，压缩速度分别为20，40，60，80mm/min，保型30s 后压制成相应配比生物质型煤，同时采用同样条件压制100%煤泥型煤.对成型曲线积分并计算得到相应配比生物质型煤的能耗比，如表1 中所示.掺有生物质的型煤压缩能耗比均高于100%煤泥型煤，其中玉米秸秆型煤耗能最多，木屑型煤其次，稻壳型煤能耗比增加最少;每组型煤在不同压缩速度下成型的能耗比均随成型速度的增加而减小，原因是，在较高压缩速度下，压杆克服颗粒间阻力和生物质与模具壁之间的摩擦力做功，同时，由于压缩速度较快，在压制过程中颗粒间弹性力被大量储存，当压杆成型压力达到最大压力时，虽然压杆位移保持不变，而储存在型煤内部颗粒间的弹性力在空间不变条件下，继续相互作用而紧密啮合，此时压杆不做功.这种情况不仅不会影响型煤的生产质量，在一定程度还减少了能量的消耗.三种生物质型煤对比，表1 中数据横向比较，在能耗比变化方面，相同成型速度，掺有玉米秸秆和掺有木屑的型煤能耗比与100%煤泥型煤相比增加明显，掺有稻壳的型煤能耗比与100%煤泥型煤相比则增加幅度较小.同样，压缩速度与能耗比关系方面，压缩速度对掺有玉米秸秆或木屑的生物质型煤的能耗比也较掺有稻壳的生物质型煤影响更大，能耗比随压缩速度的而减小的幅度更明显.

表1 不同压缩速度下成型总能耗

图1 为60MPa 成型压力下，压制三种掺入量为30%的生物质型煤与100%煤泥型煤，其成型速度与抗压强度的关系曲线.

图1 成型速度与压溃力关系曲线

图1 中，三种生物质型煤的压溃力随压缩速度的增加而先增大后减小，且都在60mm/min 时抗压强度达到极值点.只有100%煤泥型煤的抗压强度没有明显的增加或减小.由此可以知道，压缩速度的大小对100%煤泥型煤的抗压特性影响不大，而掺入一定的生物质做粘结剂，显著提高型煤抗压强度，且三种生物质型煤均在60mm/min 成型速度时压溃力最好.同时60mm/min 的成型速度进行压制型煤的能耗比较20、40mm/min 下有所减少，提高型煤生产效率.

2.2 生物质配比对型煤成型特性的影响

图2 10%～30%生物质型煤压溃力曲线

成型速度60mm/min，成型压力60MPa，保压30s，压制成10%，20%和30%三种配比生物质型煤和100%煤泥型煤.得到成型曲线无规律可循，对成型曲线进行积分得到相应能耗比数据如表2中所示.压制生物质型煤的能耗比均随生物质掺入量的增加而增加，其中生物质掺入量对玉米秸秆成型能耗比影响最大，能耗比增加最多.而对木屑和稻壳型煤能耗比的影响相当，但其能耗比的增加程度都弱于玉米秸秆型煤.三种生物质型煤在相同生物质配比条件下，玉米秸秆型煤能耗比最大，木屑其次，稻壳最小.其原因是不同的生物质，其结构有较大差异，导致不同生物质型煤压缩成型过程表现出不同的成型特性.

表2 生物质不同配比成型总能耗

图2 为在不同配比的三种生物质型煤的抗压强度与成型压力的关系.图中可以得出以下共同规律:掺有生物质的煤泥混合型煤抗压强度均可大幅改善100%煤泥型煤的抗压强度，且生物质含量越高，抗压强度也越大，改善效果越好.其中，a 图中成型压力在40MPa 时，10%配比玉米秸秆型煤较100%煤泥型煤抗压强度有小幅提高，20%和30%的玉米秸秆型煤均能更显著改善型煤的抗压强度，60MPa 下三种配比的玉米秸秆型煤抗压强度接近且抗压强度进一步提高;b 图中木屑型煤三种配比型煤增长趋势基本呈线性增长，且成型压强越大，型煤抗压强度越大，改善越显著;c 图中不同配比的稻壳型煤的抗压强度与成型压强关系与a 图相似，40MPa 下20%和30%稻壳型煤抗压强度改善程度好于10%稻壳型煤对压溃强度的改善效果，而60MPa 下三种配比型煤均抗压强度良好且差别不大，其中20%和30%的稻壳型煤抗压强度大小接近，略高于10%稻壳型煤.

3 结 论

(1)用生物质做粘结剂能有效提高煤泥型煤的抗压强度.

(2)生物质型煤的能耗比随成型压力的增加呈线性增加，且能耗比随成型速度的增加而减小.

(3)生物质型煤中能耗比大小关系为玉米秸秆型煤＞木屑型煤＞稻壳型煤，而抗压强度关系表现为木屑型煤＞玉米秸秆型煤＞稻壳型煤.木屑做粘结剂不仅能耗适中，且抗压能力最好，在10%～30%范围内均能很好成型;玉米秸秆做粘结剂对型煤抗压特性改善程度较稻壳更好，但所需能耗比在三者中最多;稻壳型煤成型特性最差，但较100%煤泥型煤的抗压特性也有较大提高，生产稻壳型煤时也应当控制较低的稻壳配比，提高成型压力来实现成型特性更好的稻壳型煤.

［1］ 王宪红.动力用煤混烧生物质燃烧特性及污染物排放特性研究［D］.济南:山东大学，2010.

［2］ 张鸿波，张增贵，董平.生物质型煤燃烧特性的研究［J］.洁净煤技术，2002，8(3):37－39.

［3］ 黄光许，张如意，湛伦建.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.

［4］ 袁海荣.秸秆固化成型燃料助燃剂研制及燃烧特性试验与模拟研究［D］.北京:北京化工大学，2010.