李強(qiáng)¹，陳鐵軍¹，饒發(fā)明²，丁春江¹，李圣輝¹

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430000；2.武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司烏龍泉礦，湖北武漢430000）

　　摘要：分別采用冷壓成型和炭化成型工藝以鋸末制備生物質(zhì)成型燃料。冷壓成型工藝主要考察原料水分、成型壓力對(duì)燃料的成型性能影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：原料水分為12%~16%，成型壓力為60MPa的條件下能夠制得成型性能較好的生物質(zhì)成型燃料，其密度與抗跌強(qiáng)度分別能夠達(dá)到0.94g/cm³和99%；炭化成型工藝主要考察混合料水分、無(wú)煙煤配比、J型粘結(jié)劑添加量、成型壓力對(duì)燃料的成型性能影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)煙煤配比為50%、混合料水分為30%、J型粘結(jié)劑添加量為8%、成型壓力為45MPa的條件下能夠制得成型性能較好的優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)成型燃料，其密度與抗跌強(qiáng)度分別為0.93g/cm³和99.3%。

　　0引言

　　隨著人類(lèi)對(duì)能源需求的日益增加，目前廣泛使用的石油、煤炭、天然氣等不可再生的能源正面臨日益枯竭的問(wèn)題。為了解決人類(lèi)即將面臨的能源危機(jī)有必要開(kāi)發(fā)可再生的新能源來(lái)代替不可再生的化石燃料。生物質(zhì)能源作為一種廉價(jià)、清潔的可再生能源，正越來(lái)越廣泛的被人們所關(guān)注，而我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，在生物質(zhì)能源的原料供應(yīng)、能源需求、政府政策的支持等方面均有較大優(yōu)勢(shì)^[1]~[3]。

　　武鋼烏龍泉礦的石灰豎窯主要以無(wú)煙塊煤為燃料，但隨著煤炭資源的日益減少，優(yōu)質(zhì)無(wú)煙塊煤的價(jià)格逐漸升高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。此外，煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的SO₂氣體，造成環(huán)境污染。烏龍泉礦地處農(nóng)村，周邊農(nóng)林資源十分豐富，尤其是鋸末來(lái)源充沛、成本低廉，同時(shí)鋸末含硫量很低，以其為原料制備生物質(zhì)成型燃料代替無(wú)煙煤塊煤，將能大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本和環(huán)保壓力。

　　目前，以生物質(zhì)為原料制備生物質(zhì)成型燃料的成型工藝，根據(jù)主要工藝特征的差別主要分為：冷壓成型、熱壓成型和炭化成型^[4]。其中冷壓成型工藝最為簡(jiǎn)單，對(duì)原料要求不高；熱壓成型工藝的成本較高，且對(duì)原料水分有嚴(yán)格要求；炭化成型工藝主要用于制備高熱值、低揮發(fā)分燃料。本研究以鋸末為原料，通過(guò)冷壓成型和炭化成型試驗(yàn)，制得的生物質(zhì)成型燃料能夠代替煤炭作為石灰豎窯等工業(yè)高溫冶煉過(guò)程的燃料。

　　1試驗(yàn)方法與原料性能

　　1.1試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)分為生物質(zhì)成型燃料的冷壓成型與炭化成型兩種工藝。冷壓成型工藝是以鋸末為主要原料，添加一定水分后陳化一段時(shí)間，然后在一定壓力下壓制成生物質(zhì)成型燃料。炭化成型工藝是以鋸末炭化后的殘?zhí)繛橹饕希瑢從┓湃朊荛]容器內(nèi)，在450℃的溫度下，隔絕空氣炭化20~30min后冷卻至室溫，得到的殘余固體即為鋸末殘?zhí)?sup>[5]。由于鋸末殘?zhí)棵芏忍∏艺辰Y(jié)性能不佳，在成型過(guò)程中需要添加一定量的無(wú)煙煤粉和J型粘結(jié)劑，然后在一定壓力下壓制成生物質(zhì)成型燃料。

　　生物質(zhì)成型燃料的成型性能檢測(cè)項(xiàng)目主要是燃料密度和抗跌強(qiáng)度。燃料密度是通過(guò)測(cè)定其質(zhì)量及體積后計(jì)算；抗跌強(qiáng)度的檢測(cè)參考MT/T 925-2004《工業(yè)型煤落下強(qiáng)度測(cè)定方法》，將成型燃料從2m高處自由落下到一定厚度的鋼板上，將落下后粒度大于13mm的成型燃料再次落下，共落下3次，以第3次落下后粒度大于13mm的成型燃料質(zhì)量占原成型燃料質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示成型燃料的抗跌強(qiáng)度。生物質(zhì)成型燃料的燃燒性能分析主要是工業(yè)分析、硫含量分析、熱值分析、灰熔點(diǎn)分析、TG-DTG-DSC熱分析。

　　主要設(shè)備：內(nèi)徑為20mm的圓柱形模具，干燥箱、液壓機(jī)、馬弗爐、帶蓋坩堝、自動(dòng)工業(yè)分析儀、快速測(cè)硫儀、自動(dòng)量熱儀、灰熔點(diǎn)測(cè)定儀、綜合熱分析儀。

　　1.2原料性能

　　冷壓成型所用原料為晾曬后鋸末，炭化成型所用原料為鋸末殘?zhí)俊o(wú)煙煤粉、J型粘結(jié)劑。無(wú)煙煤粉的粒度為小于0.074mm的粒級(jí)占65%~70%；J型粘結(jié)劑為自行配制的一種有機(jī)粘結(jié)劑。鋸末、鋸末殘?zhí)俊o(wú)煙煤的部分性質(zhì)如表1所示。

　　從表1可知，鋸末及鋸末殘?zhí)康幕曳旨傲蚝烤^低，有利于減少成型燃料燃燒的污染物排放；鋸末殘?zhí)康臒嶂递^高，達(dá)到了中等煤炭的水平，作為燃料使用能夠提供大量熱量。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1鋸末制生物質(zhì)成型燃料的冷壓成型試驗(yàn)

　　冷壓成型工藝以鋸末為原料，主要考察原料水分及成型壓力對(duì)成型燃料成型性能的影響。

　　（1）原料水分對(duì)成型燃料成型性能的影響

　　原料水分對(duì)成型燃料的成型性能有較大影響，水分過(guò)低，原料顆粒因缺乏水的潤(rùn)滑作用而不能較好的延展，顆粒間嚙合不夠緊密，導(dǎo)致成型燃料的成型性能不佳；水分過(guò)高，在壓制過(guò)程中多余水分被擠壓到粒子層之間，使粒子層貼合不夠緊密，在成型壓力較大時(shí)還會(huì)出現(xiàn)成型燃料爆開(kāi)現(xiàn)象^[6]，[7]。在60MPa的成型壓力下，成型燃料的成型性能隨原料水分的變化規(guī)律如圖1所示。

　　由圖1可知，隨著原料水分的升高，成型燃料的密度與抗跌強(qiáng)度均呈升高趨勢(shì)，達(dá)到一定水平后趨向平穩(wěn)，在原料水分進(jìn)一步提高后，密度與抗跌強(qiáng)度開(kāi)始降低。原料的最佳成型水分為12%~16%，對(duì)應(yīng)的成型燃料密度與抗跌強(qiáng)度分別為0.93g/cm3左右和99%左右；當(dāng)水分小于12%時(shí)原料水分過(guò)低、水分大于16%時(shí)原料水分過(guò)高，導(dǎo)致成型燃料的成型性能均不佳。

　　（2）成型壓力對(duì)成型燃料成型性能的影響

　　成型燃料的壓縮成型分為兩個(gè)階段，首先是在壓力作用下松散的鋸末顆粒排列結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，降低內(nèi)部空隙率；然后隨著壓力增大，鋸末大顆粒被壓碎成小的粒子并發(fā)生變形，粒子開(kāi)始填充空隙同時(shí)相互嚙合，部分殘余應(yīng)力貯存于成型燃料內(nèi)部使粒子間結(jié)合的更加牢固^[8]。當(dāng)外加壓力越大時(shí)，成型燃料粒子之間嚙合的越緊密，殘余應(yīng)力也越大，粒子間結(jié)合的更加牢固。但當(dāng)外加壓力增加到一定程度后，隨著顆粒之間空隙減少，粒子之間結(jié)合的緊密程度趨向恒定，成型燃料的密度與抗跌強(qiáng)度也趨向一定值。在原料水分為16%時(shí)，成型燃料的成型性能隨成型壓力的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

　　由圖2可知：隨著成型壓力的提高，成型燃料的密度與抗跌強(qiáng)度均呈升高趨勢(shì)，當(dāng)成型壓力分別大于40MPa和60MPa時(shí)成型燃料的抗跌強(qiáng)度和密度增加緩慢，趨于平穩(wěn)。在成型壓力為60MPa時(shí)成型燃料具備最佳的成型性能，對(duì)應(yīng)的成型燃料密度與抗跌強(qiáng)度分別為0.94g/cm³和99%。

　　以鋸末為原料采用冷壓成型制得的生物質(zhì)成型燃料具有密度大、抗跌強(qiáng)度高、硫含量低、灰分少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛地應(yīng)用于火力發(fā)電、蒸汽鍋爐、日常生活供熱等領(lǐng)域。但是，這種成型燃料熱值較低，僅為12MJ/kg左右、且揮發(fā)分高達(dá)75%以上，無(wú)法代替煤炭作為石灰豎窯等工業(yè)冶煉過(guò)程的燃料，為此研究炭化成型工藝以提高生物質(zhì)成型燃料的燃燒性能。

　　2.2鋸末制生物質(zhì)成型燃料的炭化成型試驗(yàn)

　　炭化成型工藝是將鋸末炭化后，以高熱值、低揮發(fā)分的鋸末殘?zhí)亢鸵欢康臒o(wú)煙煤粉為原料，將其混勻后再添加適量J型粘結(jié)劑，在一定外力條件下壓制成型。試驗(yàn)主要考察混合料水分、無(wú)煙煤配比、J型粘結(jié)劑添加量及成型壓力對(duì)成型燃料成型性能的影響。

　　（1）混合料水分對(duì)成型燃料成型性能的影響

　　鋸末經(jīng)過(guò)炭化后表面親水性變差，殘?zhí)款w粒需要在較高的水分潤(rùn)滑作用下才能相互嚙合緊密，多余水分會(huì)在壓制過(guò)程中被擠出成型燃料，而不會(huì)停留在粒子層之間導(dǎo)致粒子層貼合不緊密或出現(xiàn)爆開(kāi)現(xiàn)象。將鋸末殘?zhí)颗c無(wú)煙煤按1∶1混勻后添加8%的J型粘結(jié)劑，在65MPa的成型壓力下成型燃料的成型性能隨混合料水分的變化規(guī)律如圖3所示。

　　由圖3可知，隨著混合料水分的升高，成型燃料的密度始終維持在1.0g/cm³左右，而成型燃料的抗跌強(qiáng)度逐漸提高，直至達(dá)到99%左右后趨于平穩(wěn)。因此鋸末殘?zhí)康淖罴殉尚退譃?0%，對(duì)應(yīng)的成型燃料密度為1.05g/cm3,抗跌強(qiáng)度為99.3%。

　　（2）無(wú)煙煤配比對(duì)成型燃料成型性能的影響

　　鋸末經(jīng)過(guò)炭化過(guò)程后由柔韌的有機(jī)物顆粒變成疏松易碎的無(wú)機(jī)碳顆粒，以其直接制得的成型燃料密度小、抗跌強(qiáng)度低。加入適量堅(jiān)硬的無(wú)煙煤粉不僅能夠進(jìn)一步降低成型燃料的揮發(fā)分，還能提高成型燃料的密度與抗跌強(qiáng)度。在混合料水分為30%，J型粘結(jié)劑添加量為8%，成型壓力為65MPa的成型條件下成型燃料的成型性能隨無(wú)煙煤配比的變化規(guī)律如圖4所示。

　　由圖4可知，隨著無(wú)煙煤配比增加，成型燃料的密度一直呈升高趨勢(shì)，而抗跌強(qiáng)度先升高，達(dá)到99%左右后趨向平穩(wěn)。為了充分利用生物質(zhì)能源，混合料中無(wú)煙煤的最佳配比為50%，對(duì)應(yīng)的成型燃料密度為1.05g/cm³，抗跌強(qiáng)度為99.3%。

　　（3）J型粘結(jié)劑的添加量對(duì)成型燃料成型性能的影響

　　鋸末在炭化之前含有大量木質(zhì)素和半纖維素，在壓縮成型過(guò)程中能夠起到較強(qiáng)的粘結(jié)作用^[7]。經(jīng)過(guò)炭化過(guò)程后的鋸末殘?zhí)款w粒不僅表面親水性差，導(dǎo)致水分的粘結(jié)作用降低，而且木質(zhì)素、半纖維素也在高溫下分解為無(wú)機(jī)碳，導(dǎo)致成型燃料缺乏內(nèi)部粘結(jié)劑而無(wú)法成型。J型粘結(jié)劑作為一種高分子有機(jī)粘結(jié)劑能夠代替木質(zhì)素、半纖維素起到較好的粘結(jié)作用。在無(wú)煙煤配比為50%，混合料水分為30%，成型壓力為65MPa的條件下成型燃料的成型性能隨J型粘結(jié)劑添加量的變化規(guī)律如圖5所示。

　　由圖5可知，隨著J型粘結(jié)劑添加量的增加，成型燃料的密度有小幅度提高，而抗跌強(qiáng)度呈升高趨勢(shì)達(dá)到99%后趨向平穩(wěn)。因此J型粘結(jié)劑的最佳添加量為8%，對(duì)應(yīng)的成型燃料密度為1.02g/cm³，抗跌強(qiáng)度為99.5%。

　　（4）成型壓力對(duì)成型燃料成型性能的影響

　　成型燃料是混合料在成型壓力的擠壓作用下成型的，當(dāng)成型壓力越大時(shí)，殘?zhí)款w粒之間嚙合的越緊密。但當(dāng)成型壓力增加到一定程度后，隨著顆粒之間空隙減少，粒子之間結(jié)合的緊密程度也將趨向恒定。在無(wú)煙煤配比為50%，混合料水分為30%，J型粘結(jié)劑添加量為8%的條件下成型燃料的成型性能隨成型壓力的變化規(guī)律如圖6所示。

　　由圖6可知，隨著成型壓力的提高，成型燃料的密度呈升高趨勢(shì)，達(dá)到0.97g/cm³后增加緩慢趨向平穩(wěn)，而抗跌強(qiáng)度一直維持在99%左右。這表明在8%的J型粘結(jié)劑作用下，殘?zhí)款w粒之間已經(jīng)能夠貼合的非常牢固，成型壓力對(duì)成型燃料的抗跌強(qiáng)度作用不大。為了使鋸末殘?zhí)恐频玫某尚腿剂嫌斜容^廣泛的應(yīng)用范圍，成型燃料的密度保持在0.9g/cm³以上較好。因此鋸末殘?zhí)康淖罴殉尚蛪毫?5MPa，對(duì)應(yīng)的成型燃料密度為0.93g/cm³，抗跌強(qiáng)度為99.3%。

　　3生物質(zhì)成型燃料的燃燒性能

　　由于以鋸末冷壓成型工藝制得的生物質(zhì)成型燃料熱值低、揮發(fā)分高，只能作為低等燃料應(yīng)用。故成品生物質(zhì)成型燃料的燃燒性能研究將主要介紹鋸末炭化成型工藝制得的成型燃料，其制備條件為：無(wú)煙煤配比為50%，混合料水分為30%，J型粘結(jié)劑添加量為8%，成型壓力為45MPa。

　　3.1成品生物質(zhì)成型燃料的質(zhì)量指標(biāo)

　　成品生物質(zhì)成型燃料的質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)主要包括燃料的工業(yè)分析、硫含量分析、熱值分析，其質(zhì)量指標(biāo)如表2所示。由表2可知，成品生物質(zhì)成型燃料的硫含量?jī)H為0.275%，小于特低硫煤0.50%的標(biāo)準(zhǔn)；灰分為8.41%，在低灰分煤的范圍內(nèi)（灰分為5.01%~10.00%）；熱值為24.23MJ/kg，在高熱值煤的范圍內(nèi)（熱值為24.01~27.00MJ/kg）。所以此成品生物質(zhì)成型燃料屬于低污染、高熱值的優(yōu)質(zhì)固體燃料。

　　3.2成品生物質(zhì)成型燃料的灰熔點(diǎn)分析

　　對(duì)成品生物質(zhì)成型燃料的灰分進(jìn)行灰熔點(diǎn)測(cè)定，其結(jié)果如表3所示。由表3可知，成品生物質(zhì)成型燃料灰分的軟化溫度為1204℃，屬于中等熔融灰分（軟化溫度為1100~1250℃）。此軟化溫度能夠使成品生物質(zhì)成型燃料應(yīng)用于溫度較高的工業(yè)冶煉，而不會(huì)引起灰渣熔融、結(jié)塊等不利后果。

　　3.3成品生物質(zhì)成型燃料TG-DTG-DSC熱分析

　　對(duì)成品生物質(zhì)成型燃料進(jìn)行TG-DTG-DSC熱分析，當(dāng)升溫速率為10℃/min，空氣流量為50ml/min，從室溫升溫至700℃，結(jié)果如圖7所示。

　　由圖7可知，成品生物質(zhì)燃料的著火溫度為390℃左右、燃盡溫度為520℃左右、最大失重速率為7.03%/min，最大釋熱量為22.62mW/mg；在60℃處附近DSC曲線存在一個(gè)吸熱峰，同時(shí)TG曲線存在下降趨勢(shì)，表明生物質(zhì)成型燃料開(kāi)始脫除水分；在390~520℃這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)DSC曲線出現(xiàn)一個(gè)較大的放熱峰，同時(shí)TG曲線急劇下降，表明生物質(zhì)成型燃料在此溫度區(qū)間進(jìn)行燃燒反應(yīng)。因此，此成品生物質(zhì)成型燃料屬于易燃、燃燒快、釋熱量大、易完全燃燒的固體燃料。

　　通過(guò)對(duì)成品生物質(zhì)成型燃料的質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)、灰熔點(diǎn)分析、TG-DTG-DSC熱分析，表明此成品生物質(zhì)成型燃料是一種燃燒性能好的優(yōu)質(zhì)固體燃料，能夠在一定程度上代替煤炭作為石灰豎窯等工業(yè)冶煉過(guò)程的燃料。

　　4結(jié)論

　　（1）鋸末冷壓成形和炭化成型均能制得具有一定應(yīng)用范圍的低成本、低污染的生物質(zhì)成型燃料。且鋸末炭化成型制得的生物質(zhì)成型燃料高熱值、燃燒性能好，可用于石灰豎窯等工業(yè)高溫冶煉的優(yōu)質(zhì)固體燃料。

　　（2）鋸末冷壓成型需要適當(dāng)?shù)脑纤趾妥銐虻某尚蛪毫l件，原料水分過(guò)低或過(guò)高均會(huì)導(dǎo)致成型性能降低。在60MPa的成型壓力下，水分為12%~16%的鋸末制得的生物質(zhì)成型燃料密度和抗跌強(qiáng)度分別為0.93g/cm³和99%左右。

　　（3）鋸末炭化成型需要加入一定量的無(wú)煙煤和粘結(jié)劑后才能獲得的較好的成型效果，其最佳成型條件：混合料水分30%、無(wú)煙煤配比50%、J型粘結(jié)劑8%、成型壓力45MPa。在上述條件下制得的生物質(zhì)成型燃料密度和抗跌強(qiáng)度分別為0.93g/cm³和99.3%。

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