煤炭是我國的第一能源，其中80%用于直接燃燒，這不僅造成能源利用率低，同時也造成了嚴重的大氣污染。據統計，我國2006年S02排放量達2594萬噸，煙塵排放量達1182萬噸，其中80%源于燃煤。在這些燃煤污染源中，由于我國中小燃煤工業鍋爐耗煤量大(年耗煤量約占燃煤總量的1/3)，且以燃用散煤為主，燃煤污染非常嚴重，但又因其數量眾多（占鍋爐總量的70%～80%）和分布面廣，很難對其進行集中處理，成為我國繼燃煤電廠之后的第二大難處理燃煤污染源。潔凈型煤技術是潔凈煤技術的重點項目之一，以潔凈型煤代替散煤可以減少S02排放40%一70%，減少煙塵排放70%一90%，減少NOx 50%～60%，而且投資小、見效快，從我國的經濟發展水平和鍋爐燃煤的實際來看，使用潔凈型煤代替散煤可以很好地解決這些中小鍋爐燃煤污染問題。我國從二十世紀60年代、70年代就已經開始進行型煤技術的開發研究，但適合于中小噸位燃煤鍋爐的潔凈型煤技術并未取得有效進展，工業化程進仍然很慢。其原因主要是型煤質量不能保證，性能差，如型煤強度低，熱穩定性差，燃燒性能差，使其不易點燃、燃燒不完全等，此外型煤粘結劑價格貴也是主要原因之一，富通新能源生產銷售秸稈顆粒機、秸稈壓塊機、木屑顆粒機等生物質顆粒燃料成型機械設備，同時我們還有大量的生物質顆粒燃料出售。
生物質型煤是近年來發展起來的新技術，通過節煤和生物質代煤的雙重作用，減少溫室氣體C02和燃煤S02的排放，有利于緩解氣候變暖和酸雨污染，對保護環境和節約能源均具有重大意義，是型煤技術發展的一個重要方向。而且我國生物質能源豐富，每年農業產生的生物質秸稈可達7億噸，這些生物質大部分被簡單焚燒，造成嚴重的環境污染。中國工程院院士郝吉明認為，生物質型煤技術是開發利用煤和生物質能的新途徑，它充分利用了煤和生物質自身的優勢，便于保證燃料熱值，利于克服常規型煤性能的不足，更重要的是生物質纖維的網絡連接作用可省去粘結劑的使用，也沒有后續烘干工序，因此能大大降低加工成本。河南理工大學和清華大學近年在生物質型煤成型方法、燃燒特性、和減少大氣污染等方面進行了研究，結果表明生物質型煤綜合性能良好，生物質型煤技術為生物質能大規模的工業化利用提供了可能的有效途徑。因此，以生物質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境污染問題，而且以生物質作為型煤粘結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。
本課題組在以前高強度鍋爐型煤的研究基礎上，以生物質玉米秸稈和小麥秸稈作為型煤粘結劑的主要原料，進行生物質改性方式和添加量等對型煤機械強度和著火溫度的影響研究，并闡明了這種影響的內在機制，為生物質型煤的實驗室開發和進一步的工業應用提供技術支持。
1、實驗材料及型煤性能的測試方法
1.1實驗材料
(1)玉米秸稈和小麥秸稈：取自山西省太原市附近農村，自然干燥后，將玉米秸稈和小麥秸稈處理為長度為5~7 cm的長條狀，備用；
(2)氫氧化鈉（分析純）（天津市化學試劑三廠）；
(3)原料配煤：榆次無煙煤和寧武煙煤混合煤（配煤比例3:1），用破碎機破碎至3mm以下，備用；
(4)添加劑：氧化鎂（分析純）（北京市通廣精細化工公司），氯化鎂（分析純）（天津市化學試劑三廠）。
1.2煤和秸稈的工業分析
實驗所用原煤和秸稈采用CT5000A型多用熱量測定儀（中國礦業大學研制），CTM300型自動控溫儀（中國礦業大學研制），WDL -9微機漢顯快速測硫儀（鶴壁科力測控技術有限公司）進行工業分析檢測，檢測結果見表1。
13型煤的物理性能測試方法
改性生物質粘結劑的性能通過型煤物理性能來體現和衡量，主要包括抗壓強度、跌落強度、浸水強度和復干強度，其測定方法如下：
(1)抗壓強度：在XY - 01型型煤液壓抗壓強度測定儀（北京順義牛欄山順達制造廠）上進行，將型煤逐個置于規定的試驗機的施力面中心位置上，以規定的均勻位移速度單向施力，記錄型煤開裂時試驗機顯示施加的壓力，以各個型煤測定值得算術平均值作為生物質型煤的抗壓強度（單位N/個）。
(2)跌落強度：依據GB/T15459規定的方法進行，取10個煤球稱重，裝在箱底可以打開的箱子里，在離地2.0 m高處打開箱底，讓煤球自由跌落到12mm厚的鋼板上，反復跌落3次后，用13 mm的篩子篩分，取大于13 mm級的質量分數作為煤球的跌落強度指標。
(3)浸水強度：按照MT/T749 - 1997規定的方法進行。測定方法要點為：一定數量的型煤放入室溫的水中浸泡達24 h后，取出，然后按照抗壓強度的方法進行測定。
(4)復干強度：將一定數量的型煤在室溫的水中浸泡24 h后取出，在(105±5)℃下干燥后冷卻到室溫，使其達到空氣干燥狀態，然后按照抗壓強度的方法進行測定。
(5)著火點：生物質型煤的燃燒實驗在SCM5800型人工智能箱式電阻爐（洛陽西格馬儀器制造有限公司）中進行，所用電阻爐能準確實現控溫、測溫，并有數字顯示儀，能實時地顯示當前所測溫度，便于觀察和記錄數據。實驗時，以20aC/min的速率升溫，觀察型煤燃燒狀態的變化，并根據其變化得出各種生物質型煤的著火點。
2、生物質粘結劑的制備工藝及實驗方法
2.1生物質粘結劑的制備工藝
稱取適量的玉米秸稈或小麥秸稈，放入特制的鐵質反應容器中，加入一定量的NaOH改性溶液，然后在90℃攪拌加熱一小時后冷卻備用。
2.2生物質粘結劑的研究方法
(1)NaOH改性液濃度對型煤性能指標的影響
實驗配制不同質量濃度的氫氧化鈉改性液(0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)，對生物質進行改性，并控制生物質添加量為10%，按照制備工藝，將其加工成型煤，測試各項物理指標，進行比較，研究不同NaOH改性液濃度對型煤機械強度的影響。
(2)改性生物質加入量對型煤性能指標的影響
選用實驗(1)確定的NaOH改性液對生物質進行改性制備生物質型煤，確定生物質的合適加入量，進一步研究不同生物質加入量對型煤機械強度的影響。
(3)復合粘結劑對生物質型煤性能指標的影響
上述制備的型煤防水性較差，為改善其防水性，在型煤中加入適量的Mg0和MgCl2與改性生物質形成復合粘結劑，以提高型煤的防水性，并考察加入量對型煤強度的影響。
(4)復合粘結劑對型煤著火溫度的影響
使用自動控溫儀和智能電阻爐檢測使用無機粘結劑(Mg0和MgCl2)制得的型煤與研究內容(3)制得的型煤的著火溫度。通過觀察型煤的燃燒狀態和記錄電阻爐顯示的實時溫度進行，考察添加玉米秸稈和小麥秸稈后型煤的著火溫度的變化趨勢。
3、結果與討論
3.1NaOH改性液濃度對型煤機械強度的影響
依據研究方法2.2(1)，實驗結果如表2所示。
由表2可知，本實驗所有型煤樣品都具有很高的跌落強度和抗壓強度，均滿足山西省DB 14/133 -2005標準要求。隨著NaOH濃度的變化，強度變化不同。對于型煤的跌落強度，用小麥秸稈和玉米秸稈制備的生物質型煤表現出來較為一致的趨勢，當NaOH溶液的濃度在1.0%～2.O%時，型煤的跌落強度較高且比較穩定；當NaOH溶液的濃度在1.0%·1.5%時，兩種生物質型煤的抗壓強度較高，且玉米秸稈型煤在該濃度范圍內的抗壓強度要高于小麥秸稈型煤的。
為了考察氫氧化鈉改性對生物質的影響，用顯微鏡觀察其結構，圖1是不同濃度改性后小麥秸稈表面結構圖。
從圖l可以看出：NaOH改性液濃度為0（即純水）時，小麥秸稈表面結構整齊有序，結構間隙很小(見圖1(1))；用0.5%的NaOH溶液改性后(見圖l(2》的秸稈整體結構變化不大，出現一些空隙；用1.0%的NaOH溶液改性后，秸稈結構出現更多空隙，空間結構較復雜；用1.5%～2.0%的NaOH溶液改性后(見圖1(4)、l(5))，秸稈結構空隙變大且疏松，出現結構的相互交聯現象；用2.5%的NaOH溶液改性后(見圖l(6))空間結構較單一，秸稈變成細絲狀。文獻[15J表明，當生物質用NaOH溶液改性時，纖維類物質中的木質素會發生分解，秸稈在90℃經氫氧化鈉處理改性后，纖維素類物質明顯消失，可能是秸稈中的木質素發生了分解，使纖維
素和半纖維素彼此分離造成的，并產生了具有粘結作用的糖類以及果膠、單寧等物質，通過混合攪拌使其形成復雜的空間網狀結構j將改性后生物質添加到原料煤中，其纖維結構形成的復雜的空間網狀結構會網羅大量煤粒，經過成型壓力的作用使型煤形成一個強度很高的實體。隨著NaOH改性液濃度的增加，改性后秸稈的木質素分解更為完全，產生的粘性物質更多，因而能更均勻地與原料煤混合，型煤強度也更高。但隨著NaOH濃度增加（如>2.0%時）．木質素分解程度進一步增加，秸稈的纖維結構基本被完全破壞，反而使型煤的強度下降，因而不宜使用濃度太高NaOH溶液來對生物質進行改性。根據以上分析，選用濃度為1.0%。1.5%的NaOH溶液較為宜。
3.2改性生物質加入量對型煤性能指標的影響
由表3可知，在改性生物質加入量為2%．20%范圍內，所有型煤樣品都有很高的跌落強度和抗壓強度，均能滿足山西省DB 14/133～2005標準要求，隨著生物質加入量的增加型煤的跌落強度和抗壓強度明顯增強，表明生物質加入量越多，具有連結作用的網狀結構越多，越容易網羅煤粒，經過成型壓力作用后形成的型煤強度越高。
茌浸水強度和復干強度的實驗中，型煤浸泡24 h后全部破散，檢測不出強度。說明在型煤中添加生物質后，有較高的跌落強度和抗壓強度，但防水性差，主要是因為附著在煤粒表面起粘結作用的糖類、硅酸鈉類等物質均是水溶性物質，遇水會溶解，致使型煤在水的作用下被泡散，防水性極低。需要采取進一步的措施提高型煤的防水性。
3.3復合粘結劑對生物質型煤機械強度的影響
依據實驗方法2.2(3)，添加適量Mg0和MgC12后的實驗結果見表4。
從表4可以知，添加適量Mg0和MgC12后，生物質型煤的物理性能均優于沒有添加無機粘結劑的型煤（參照表3），而且型煤有了較高的浸水強度，滿足山西省DB 14/133 - 2005標準要求，復干強度也比較高。隨著改性秸稈加入量的增加，浸水強度和復干強度均有所下降，原因可能是型煤在水浸泡的情況下，未分解的秸稈會吸水發生膨脹，從而使型煤的浸水強度和復干強度降低。而文獻[16)表明，Mg0和MgC12會與H20反應生成具有高強度的鎂水泥，而且鎂水泥可以在常溫常壓下硬化，硬化后具有良好的抗滲性，這與本實驗結果相一致。因此，為了提高型煤的防水性，可使用適量Mg0和MgC12與改性生物質秸稈組成復合粘結劑。
3.4復合粘結劑對型煤著火溫度的影響
依據研究內容2.4(4)，得到的無機粘結劑(Mg0和MgC12)制得的型煤與研究內容2.4(3)制得的型煤的的著火溫度見表5。
從表中可以看出：隨著改性秸稈加入量的增加，生物質型煤的著火溫度逐漸降低，這是因為隨著秸稈加入量的增加，型煤中可燃揮發分所占比例增加，從而使生物質型煤的著火溫度逐漸降低。加入的改性生物質種類不同，型煤的著火溫度降低的程度不同，加入改性玉米秸稈與加入改性小麥秸稈相比，型煤著火溫度降低的程度較高，這是因為本研究所用玉米秸稈的可燃揮發分含量比小麥秸稈的含量高。
與無機粘結劑（Mg0和MgC12）制得的型煤相比較，生物質型煤的著火溫度明顯降低，這是因為生物質揮發份高易于引燃，生物質著火后，會迅速引燃周圍的煤，從而降低型煤的整體著火溫度。
4、實驗結論
通過上述研究，得到如下結論：
(1)以1.0%～2.0%的NaOH溶液改性玉米、小麥秸稈制得的混合物可作為生物質型煤的粘結劑，生物質的添加量可達20%以上，隨改性生物質量的增加，機械強度（跌落強度和抗壓強度）均增加，但生物質型煤的防水性較差。
(2)使用改性生物質與Mg0和MgC12組成的復合粘結劑可使型煤具有很高的機械強度，且防水性能好，是一種有實用前途的粘結劑。
(3)與無機粘結劑(Mg0和MgC12)制得的型煤相比，生物質型煤的著火溫度明顯降低，生物質加人量為20%時，可使型煤的燃點降低至5100℃以下。
綜上所述，利用改性的生物秸稈作為生物質型煤粘結劑，再輔以無機粘結劑（Mg0和MgC12）后，可制得性能優良的生物質型煤，制備工藝簡單，且利用可再生的生物質代替礦物煤，既節約了成本，又減少了對環境的污染，是一種符合產業政策，值得推廣的生產工藝。
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