生物质型煤成型条件优化_张思娜.pdf

202313科研开发153Modern Chemical Research当代化工研究202313科研开发153Modern Chemical Research当代化工研究生物质型煤成型条件优化张思娜1 崔丽杰2*孟敏1 王兴瑶1（1.中国科学院大学 化学科学学院 北京 100049 2.中国科学院大学 化学工程学院 北京 100049）摘要：生物质型煤技术是提高煤和生物质资源利用的技术之一。该技术不仅能实现煤炭的高效清洁利用，还可以实现生物质废弃物的资源化和能源化利用。本文以生物质型煤作为研究对象，选择不同生物质添加剂、成型温度、成型压力、煤与生物质配比等作为变量，以落下强度和发热量为指标，探究了不同成型条件对成型效果的影响。结果表明成型压力的增大使得生物质型煤的落下强度增强，成型温度的升高和生物质添加量的增大有利于生物质型煤机械强度增加，但过高的成型温度和过多的生物质添加量反而会使落下强度降低；成型温度的升高有利于发热量的提升，但型煤中生物质添加量的增大会使发热量降低，成型压力对发热量的影响程度较小。关键词：型煤；生物质；成型条件中图分类号：TQ536 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.051Study on Optimization of Biomass Briquette PreparationZhang Sina1,Cui Lijie2*,Meng Min1,Wang Xingyao1(1.School of Chemical Science,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,1000492.School of Chemical Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100049)Abstract：Biomass briquette technology is one of the technologies to improve the utilization of coal and biomass resources.This technology can not only achieve efficient and clean utilization of coal,but also achieve the recycling and energy utilization of biomass waste.This article takes biomass briquette as the research object,selects different biomass additives,molding temperature,molding pressure and coal to biomass ratio as variables,and uses falling strength and calorific value as indicators to explore the impact of different molding conditions on the molding effect.The results show that the increase in molding pressure enhances the drop strength of biomass briquette,and the increase in molding temperature and biomass addition is beneficial to the increase in mechanical strength of biomass briquette.However,excessive molding temperature and biomass addition can reduce the drop strength;the increase in molding temperature is beneficial to the increase in calorific value,but an increase in the amount of biomass added to briquette will reduce calorific value,and the impact of molding pressure on calorific value is relatively small.Key words：briquette；biomass；molding conditions煤炭一直是我国最主要的一次能源，为国家能源安全提供了重要保障，但因其高污染和高碳排放也给低碳社会转型带来了挑战。生物质能源是一种大型可再生能源，生物质型煤技术是有效提高煤和生物质资源利用的技术之一，不仅能实现煤炭的高效清洁利用，还可实现生物质废弃物的资源化和能源化利用，得到了国内外科研工作者的广泛关注。本文将粉煤和生物质通过热压成型的方式制备成洁净的生物质型煤，通过优化成型工艺参数，研究不同成型条件对生物质型煤落下强度和发热量等指标参数的影响。1.实验原料、型煤制备及指标测定标准（1）实验原料。本文选用的实验原料为产自河南省的果园煤以及两种化学组成上存在较大差异的生物质，松木屑和小麦秸秆。原料经干燥、破碎预处理后，密封保存。原料的工业分析参照煤的工业分析国家标准GB/T 212-20081、生物质的工业分析国家标准GB/T 28731-20122执行。元素分析采用德国VARIO EL 元素分析仪进行测试。发热量按照GB/T 213-20083测定。实验所用原料的工业分析、元素分析及发热量结果如表1所示。利用马弗炉和纤维分析仪测定了松木屑和小麦秸秆的化学组成，如表2所示。（2）生物质型煤的制备过程。将处理好的煤样和生物质放入105烘箱干燥2h，将烘干的煤样和生物质添加剂按照煤:生物质添加剂:水=10:x:1的比例量取后表1 原料的工业分析、元素分析及发热量结果样品工业分析/（d，%）HHV/(MJ/kg)元素分析/（d，%）MadAadVadFCadNdafCdafHdafSdafO*daf果园烟煤5.168.4528.0158.3826.480.98 79.04 3.610 0.203 16.17 松木屑8.540.3875.8315.2518.320.09 51.09 6.526 0.070 42.23 小麦秸秆6.218.4868.6516.6716.981.07 49.18 5.228 0.097 44.43 注：O*：差减法计算而得202313科研开发154Modern Chemical Research当代化工研究202313科研开发154Modern Chemical Research当代化工研究均匀混合，放入到已预热到目标成型温度的模具中，高压下压制成型煤。表2 生物质化学组成样品纤维素/%半纤维素/%木质素/%松木屑54.1313.5025.46小麦秸秆37.2730.023.60（3）指标测定标准。落下强度和发热量是衡量型煤物理品质特性的两个重要因素，其指标能直接反映成型燃料在使用性能和贮藏性能方面的差异性。本文选用这两个指标对生物质型煤进行成型优化实验。落下强度的测定方式按照MT/T 925-20044标准执行。发热量测定前已述及。2.结果与讨论有关研究成果表明5，煤与生物质混合压缩成型与生物质种类、煤与生物质配比、成型压力以及成型温度等因素关联较大。故本文选择以上四个因素，以落下强度和发热量为指标对生物质型煤的成型工艺条件进行了研究。为简化描述，所制备的型煤名称用大写英文字母代替：果园-松木屑型煤（GP）、果园-小麦秸秆型煤（GW）、果园-纤维素粉型煤（GC）、果园-木聚糖型煤（GX）、果园-木质素型煤（GL）。（1）生物质添加剂对生物质型煤性能影响。木质生物质中的组成部分纤维素、半纤维素和木质素等在热压下会发生一些理化变化，对生物质型煤的成型造成影响。本文在成型温度为120，成型压力为60kN，煤:生物质添加剂为10:2，保压时间为60s的条件下，选取松木屑、小麦秸秆、纤维素粉、木聚糖、木质素五种添加剂分析了生物质种类即化学组成对型煤落下强度和发热量的影响，结果如图1、图2所示。在相同成型条件下，从图1可以看出，GC、GL型煤的落下强度要优于GX型煤，表明纤维素和木质素的结构更有利于型煤强度的提升。纤维素中的羟基基团具有高黏附和吸引能力，易形成氢键，改善了颗粒间的结合强度。木质素中的羟基、甲氧基、芳香基等活性基团，可发生多种化学反应，形成分子内和分子间的吸引力，也有利于型煤强度的提升。同样，源于相同原因，松木屑中含有更高的纤维素和木质素含量，GP型煤的落下强度优于GW型煤。图2显示，GX、GL型煤的发热量要略优于GC型煤，GP型煤发热量优于GW型煤。从元素分析的角度，影响煤发热量的元素主要是碳、氢两种元素，碳的发热量仅为氢的四分之一左右6。木聚糖和木质素的碳、氢含量占比更高，发热量更高。松木屑比小麦秸秆含有更多的木质素，则GP型煤发热量大于GW型煤。但生物质中存在的少量灰分或矿物质导致加入生物质的型煤的发热量略低于直接加入三素的型煤。GPGWGCGXGL80859095100落下强度（%）生物质添加剂种类GPGWGCGXGL2022242628 HHV 1/4C+H生物质添加剂种类HHV（MJ/kg）17181920212223 元素含量（%）图1 生物质添加剂种类对型煤落下强度影响图2 生物质添加剂对型煤发热量影响（2）成型温度对生物质型煤性能影响。在成型压力为60kN，煤:生物质添加剂为10:2，保压时间为60s的条件下，选取25、120、200、300四个温度点制作生物质型煤，分析成型温度对型煤落下强度和发热量的影响，结果如图3图5所示。2512020030060708090100落下强度（%）成型温度（）GP GW GC GX GL2512020030023.524.024.525.025.526.026.527.0HHV（MJkg-1）成型温度（）GP GW GC GX GL图3 成型温度对型煤落下强度影响图4 成型温度对型煤发热量影响251202003002022242628 HHV 1/4C+H成型温度（）HHV（MJ/kg）20.020.220.420.620.821.0 元素含量（%）图5 成型温度对果园-松木屑型煤发热量影响图3显示，成型温度升高，GP、GW、GC、GL生物质型煤的落下强度随成型温度的升高而出现先升高至稳定后略有降低。成型温度较低时，煤和生物质粘结力较弱，水分脱除较少。随着温度的升高，生物质中木质素类物质的逐渐软化，煤中水分脱除，生物质与煤颗粒间发生粘结，增强了型煤的机械强度。但温度过高会使煤与生物质开始发生热裂解，使型煤强度反而有所降低。GX型煤在成型温度300时，落下强度有明显的下降，主要源于木聚糖在温度超过200时会明显分解，内部结构遭到破坏7。图4显示，成型温度升高，型煤的发热量均明显提高，表明在成型过程中生物质重量减少，碳的相对含量不断增加，发热量增加。不同 成型温度的GP型煤C、H、C+H的变化规律如图5所示，可以看出，随成型温度增加，型煤中C+H含量升202313科研开发155Modern Chemical Research当代化工研究202313科研开发155Modern Chemical Research当代化工研究高，导致了发热量的提升。（3）成型压力对生物质型煤性能影响。在成型温度为120，煤:松木屑为10:2，保压时间为60s的条件下，选取30kN、40kN、50kN、60kN、70kN五个成型压力制作生物质型煤，分析成型压力对型煤落下强度、发热量的影响，实验结果如图6、图7所示。从图6可以看出型煤的落下强度随着压力的增大而增强。低压时颗粒间粘结作用力弱，煤与生物质未能紧密接触填充到彼此空隙之中，型煤强度较差。随着压力的增加，物料粒子间间距减小，分子作用力增强，粒子间发生错位运动，颗粒间孔隙减少，提高了型煤的强度。图7显示，型煤的发热量随成型压力增大，波动较小，说明在压力的作用下，发生了粒子的间距变化，但未对影响发热量型煤的碳氢含量造成实质性的改变。图6 成型压力对型煤落下强度影响图7 成型压力对型煤发热量影响304050607060708090100落下强度（%）成型压力（kN)GP304050607024.024.525.025.526.0HHV（MJ/kg）成型压力（kN）HHV（4）煤与生物质配比对生物质型煤性能影响。在成型温度为120，压力为60kN，保压时间为60s，选取煤:松木屑为10:0、10:1.5、10:2、10:2.5、10:3、10:3.5、10:4七个含量点制作生物质型煤，分析生物质添加量对型煤落下强度、发热量的影响，实验结果如图8、图9所示。010：1.510:210:2.510:310:3.510:460708090100落下强度（%）煤与生物质配比 GP10:010:1.510:210:2.510:310:3.510:42022242628 HHV 1/4C+H煤与生物质配比HHV（MJ/kg）19.019.520.020.521.0元素含量（%）图8 煤与生物质配比对型煤落下强度影响图9 煤与生物质配比对型煤发热量影响由图8可知，生 物质型煤的落下强度要大于单纯粉煤成型的落下强度，生物质起到了粘结剂的作用。生物质型煤的落下强度随着松木屑加入量的增加而增大，当煤:松木屑为10:2.5，其落下强度达到最高值，之后，型煤的落下强度有所下降。原因可能是松木屑的主要成分与煤之间存在着一定的化学键合作用，也就是具有粘结性。而当添加量达到一定程度，这一粘结作用己趋于饱和，对落下强度的影响也就逐渐减小。由图9可以看出，生物质燃料含氧量高，发热量低，导致生物质型煤的热值低于单纯粉煤成型，且随着生物质添加量的增加而逐渐降低。但生物质复合型煤发热量要高于煤和生物质单独发热量的简单代数加和，说明型煤在燃烧过程中煤和生物质之间发生了一定的协同作用。3.结论成型压力的增大有利于生物质型煤的落下强度增强，成型温度的升高和生物质添加量的增大有利于生物质型煤机械强度增加，但过高的成型温度和过多的生物质添加量反而会使落下强度降低；成型温度的升高有利于发热量的提升，但型煤中生物质添加量的增大会使发热量降低，成型压力对发热量的影响程度较小。【参考文献】1中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 212-2008,煤的工业分析方法S.北京:中国标准出版社,2008.2中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 28731-2012,固体生物质燃料的工业分析方法S.北京:中国标准出版社,2012.3中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国标准化管理委员会.GB/T 213-2008,煤的发热量测定方法S.北京:中国国家标准出版社,2008.4中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国标准化管理委员会.MT/T 925-2004,工业型煤落下强度测定方法S.北京:中国国家标准出版社,2004.5坚一明,李显,钟梅,刘景梅,马凤云.生物质型煤技术进展J.现代化工,2018(07):48-52.6余力.浅谈影响煤发热量的几种因素J.中小企业管理与科技(下旬刊),2013(04):293.7Zhao C,Jiang E,Chen A.Volatile production from py-rolysis of cellulose,hemicellulose and ligninJ.Journal of the Energy Institute,2017,90(6):902-913.【基金项目】中国科学院A类战略性先导科技专项子课题“块煤、型煤解耦燃烧特性研究”（项目编号：XDA21040402）【作者简介】张思娜（1997-），女，汉族，河北张家口人，硕士在读，研究方向：绿色化学与化工。【通讯作者】崔丽杰（1973-），女，汉族，北京人，博士，教授，研究方向：能源转化与颗粒流。