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煤與牛糞生物質混合成型的研究

煤與牛糞生物質混合成型的研究

張鏡

(山西焦煤集團有限責任公司白龍選煤廠,山西霍州031400)

  摘要:為了解決牛糞的利用問題,利用牛糞自有的木質素、纖維素、半纖維素等的黏結作用,將牛糞與煤經過中低壓型煤成型機壓制成型。研究了黏結劑與原料性質對生物質型煤強度的影響。結果表明:隨著黏結劑添加量的增加,型煤強度逐漸增加,當黏結劑添加量超過10%時,型煤強度增加幅度逐漸變緩,黏結劑添加量不宜超過15%;隨著無機黏結劑配比的增加,型煤強度先快速增大后緩慢降低,當黏結劑配比為5%有機黏結劑+6%無機黏結劑時,型煤強度最高;隨著煤樣粒度的減小,牛糞濕度的增加,型煤強度逐漸增加。最后分析了牛糞添加量對型煤燃燒性能的影響,說明生物質添加量越多,型煤初期燃燒速度越快,生物質添加量由20%增加到80%時,型煤燃燒速度變化不大。

  中國北方畜牧業蓬勃發展,但在經濟繁榮的背后,隱藏諸多環境問題,其中奶牛廠的牛糞問題一直未得到有效解決[1]。以大慶市杜爾博特蒙古自治縣為例,其擁有24.27億m2廣闊草場資源,僅奶牛數量就達到了11.5萬頭,每年產生的牛糞多達百萬噸,如何處理這些牛糞,成為棘手的問題。在牛糞制沼氣不可行的情況下,用牛糞制備生物質型煤成功解決了牛糞利用的難題。目前制約型煤發展的主要原因是常規型煤具有燃燒不充分、燃燒速度慢等特點[2],將農業廢棄物牛糞與原煤混合制備生物質型煤,不僅對牛糞進行了資源化利用,也解決了常規型煤存在的問題,為牛糞資源豐富區域提供了潔凈燃料能源。

  1試驗條件

  1.1試驗原料

  研究選用雞西煤,原煤性質見表1。牛糞采自大慶市杜蒙自治區,其性質見表2。

  1.2試驗方法

  利用牛糞自有的木質素、纖維素、半纖維素等的黏結作用[3],將自然風干的牛糞與粉碎后的末煤按一定比例充分攪拌混配,同時按質量與性能要求,加入少量的具有催化助燃和減少污染作用的添加劑,經過中低壓的型煤成型機壓制成型[4]。型煤配料中,牛糞生物質的添加量為20%~90%,黏結劑等的添加量為5%~15%,其余為煤。

  2結果與討論

  2.1黏結劑對型煤強度的影響

  煤與生物質在黏結劑的作用下黏結成穩定框架,是型塊強度提高的主要原因。煤與生物質之間沒有相近結構,不足以形成牢固框架,而黏結劑能夠在煤與生物質之間形成黏膜,起到主要連接作用,加入量的多少要兼顧成本與強度兩方面要求[5]。

  黏結劑添加量對生物質型煤強度的影響如圖1所示。

  由圖1可知,隨著黏結劑添加量的增加,型煤強度逐漸增加。當黏結劑添加量超過10%后,型煤強度增加幅度逐漸變緩。從成本角度考慮,黏結劑添加量不宜超過15%。

  復合黏結劑主要有有機黏結劑(YJ)和無機黏結劑(WJ),其用量分別為5%WJ,5%YJ+3%WJ,5%YJ+6%WJ,5%YJ+8%WJ,5%YJ+10%WJ。

  復合黏結劑配比對牛糞生物質型煤強度的影響如圖2所示。

  由圖2可知,隨著無機黏結劑配比的增加,型煤強度先快速增大后緩慢降低,當黏結劑配比為5%YJ+6%WJ時,型煤強度最高,此時型煤中孔隙已完全被無機黏結劑填滿,達到了平衡。而后隨著無機黏結劑的增加,平衡遭到破壞,過多的無機黏結劑顆粒會因煤與煤、生物質與生物質及煤與生物質之間的相互移動而使其緊密接觸的過程受阻,生物質型煤配料之間無法牢固黏結在一起,對低壓成型制備的型煤強度產生一定影響[6],因此,無機黏結劑加入過量時,型塊強度提高不大,有時甚至會降低。

  2.2原料性質對型煤強度的影響

  配料煤粒度對牛糞生物質型煤強度的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著煤樣粒度的減小,型煤強度逐漸增加,當粒度為-0.4500mm時,型煤已達到較高強度,粒度為-0.1753mm時型煤強度略有提高,但提高幅度不大。煤粉粒度變小,使得黏結劑與水形成的覆蓋膜更加均勻,在煤與煤、生物質與生物質、煤與生物質之間形成了有力黏結,同時,顆粒之間局部的黏結劑含量增加,干燥后形成了更致密的結構,型煤強度增加[7-8]。

  生物質型煤的強度受很多因素影響,其中原料性質影響較大。牛糞生物質型煤與常規生物質型煤不同,常規生物質型煤采用原生生物質經過堿化、加熱、高壓等方法消除生物質自身彈性而實現成型[9],而經過動物消化后牛糞的纖維彈性大大降低,牛糞性狀對型煤成型強度有較大影響,牛糞狀態對生物質型煤強度的影響如圖4所示。由圖4可知,隨著牛糞濕度的增加,型煤強度逐漸增加,說明濕牛糞有利于提高生物質型煤的成型強度,主要原因為濕牛糞中保持濕潤的植物纖維和有機生物質為均勻捏混提供了有力條件[10],不會出現生物質吸水碰撞現象,有利于提高型煤強度。

  2.3牛糞添加量對型煤燃燒性能的影響

  生物質添加量對生物質型煤燃燒性能有較大影響,變換生物質添加量為20%,50%和80%,每組試驗樣品隨機選取5個單球質量為80g左右的型煤,在規定燃燒時間后稱取燃后樣品的平均剩余質量,測試生物質型煤的燃燒速度變化,具體如圖5所示。

  由圖5可知,生物質添加量越多,型煤初期燃燒速度越快,生物質添加量由20%增加到80%時,型煤燃燒速度變化不大,說明少量的生物質也可顯著改善型煤的燃燒效果。隨著燃燒時間延長,生物質添加量對型煤燃燒速度的影響逐漸變小。因此,生物質型煤燃燒速度變化趨勢基本相同,燃燒初期速度較快,而后燃燒速度逐漸降低。這可能是由于燃燒過程中產生的灰殼影響了可燃氣體的傳遞;燃燒初期的灰殼比較薄,燃燒過程中產生的CO,CO2及O2等氣體的擴散傳遞較為容易,因此燃燒較快[11];而后隨著燃燒的不斷進行,包裹在型煤外面的灰殼不斷增厚,O2,CO2向內擴散及CO向外擴散的速度受灰殼阻礙,影響燃燒的順利進行,從而降低了燃燒中后期的燃燒速度[12]。

  3結論

  利用牛糞中有機質的可燃性及纖維類的黏結作用,通過與煤的合理配比制成生物質型煤的方法成功解決了牛糞的污染問題,壓力、燃燒等試驗表明牛糞生物質型煤能夠滿足預期的燃燒性能要求[13-15]。牛糞生物質型煤充分結合了生物質易燃、煤炭燃燒持久的特點,不但具有常規型煤持久燃燒火力和燃燒潔凈的優點,也具有生物質燃燒速度快、火力旺盛的優點。采用牛糞制備生物質型煤不但解決了畜牧業區的環境污染問題,也為當地提供了一種潔凈、環保、廉價的燃料,具有顯著的社會、經濟效益。

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