煤與牛糞生物質(zhì)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(zhì)素、纖維素、半纖維素等的黏結(jié)作用，將牛糞與煤經(jīng)過中低壓型煤成型機壓制成型。研究了黏結(jié)劑與原料性質(zhì)對生物質(zhì)型煤強度的影響。結(jié)果表明：隨著黏結(jié)劑添加量的增加，型煤強度逐漸增加，當黏結(jié)劑添加量超過10%時，型煤強度增加幅度逐漸變緩，黏結(jié)劑添加量不宜超過15%；隨著無機黏結(jié)劑配比的增加，型煤強度先快速增大后緩慢降低，當黏結(jié)劑配比為5%有機黏結(jié)劑+6%無機黏結(jié)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(zhì)添加量越多，型煤初期燃燒速度越快，生物質(zhì)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(yè)蓬勃發(fā)展，但在經(jīng)濟繁榮的背后，隱藏諸多環(huán)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(shù)量就達到了11.5萬頭，每年產(chǎn)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(zhì)型煤成功解決了牛糞利用的難題。目前制約型煤發(fā)展的主要原因是常規(guī)型煤具有燃燒不充分、燃燒速度慢等特點[2]，將農(nóng)業(yè)廢棄物牛糞與原煤混合制備生物質(zhì)型煤，不僅對牛糞進行了資源化利用，也解決了常規(guī)型煤存在的問題，為牛糞資源豐富區(qū)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(zhì)見表1。牛糞采自大慶市杜蒙自治區(qū)，其性質(zhì)見表2。

　　1.2試驗方法

　　利用牛糞自有的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等的黏結(jié)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(zhì)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(jīng)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(zhì)的添加量為20%～90%，黏結(jié)劑等的添加量為5%～15%，其余為煤。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1黏結(jié)劑對型煤強度的影響

　　煤與生物質(zhì)在黏結(jié)劑的作用下黏結(jié)成穩(wěn)定框架，是型塊強度提高的主要原因。煤與生物質(zhì)之間沒有相近結(jié)構(gòu)，不足以形成牢固框架，而黏結(jié)劑能夠在煤與生物質(zhì)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(jié)劑添加量對生物質(zhì)型煤強度的影響如圖1所示。

　　由圖1可知，隨著黏結(jié)劑添加量的增加，型煤強度逐漸增加。當黏結(jié)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(jié)劑添加量不宜超過15%。

　　復合黏結(jié)劑主要有有機黏結(jié)劑(YJ)和無機黏結(jié)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(jié)劑配比對牛糞生物質(zhì)型煤強度的影響如圖2所示。

　　由圖2可知，隨著無機黏結(jié)劑配比的增加，型煤強度先快速增大后緩慢降低，當黏結(jié)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(jié)劑填滿，達到了平衡。而后隨著無機黏結(jié)劑的增加，平衡遭到破壞，過多的無機黏結(jié)劑顆粒會因煤與煤、生物質(zhì)與生物質(zhì)及煤與生物質(zhì)之間的相互移動而使其緊密接觸的過程受阻，生物質(zhì)型煤配料之間無法牢固黏結(jié)在一起，對低壓成型制備的型煤強度產(chǎn)生一定影響[6]，因此，無機黏結(jié)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(zhì)對型煤強度的影響

　　配料煤粒度對牛糞生物質(zhì)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(jié)劑與水形成的覆蓋膜更加均勻，在煤與煤、生物質(zhì)與生物質(zhì)、煤與生物質(zhì)之間形成了有力黏結(jié)，同時，顆粒之間局部的黏結(jié)劑含量增加，干燥后形成了更致密的結(jié)構(gòu)，型煤強度增加[7-8]。

　　生物質(zhì)型煤的強度受很多因素影響，其中原料性質(zhì)影響較大。牛糞生物質(zhì)型煤與常規(guī)生物質(zhì)型煤不同，常規(guī)生物質(zhì)型煤采用原生生物質(zhì)經(jīng)過堿化、加熱、高壓等方法消除生物質(zhì)自身彈性而實現(xiàn)成型[9]，而經(jīng)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(tài)對生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)為均勻捏混提供了有力條件[10]，不會出現(xiàn)生物質(zhì)吸水碰撞現(xiàn)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(zhì)添加量對生物質(zhì)型煤燃燒性能有較大影響，變換生物質(zhì)添加量為20%，50%和80%，每組試驗樣品隨機選取5個單球質(zhì)量為80g左右的型煤，在規(guī)定燃燒時間后稱取燃后樣品的平均剩余質(zhì)量，測試生物質(zhì)型煤的燃燒速度變化，具體如圖5所示。

　　由圖5可知，生物質(zhì)添加量越多，型煤初期燃燒速度越快，生物質(zhì)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(zhì)也可顯著改善型煤的燃燒效果。隨著燃燒時間延長，生物質(zhì)添加量對型煤燃燒速度的影響逐漸變小。因此，生物質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(jié)論

　　利用牛糞中有機質(zhì)的可燃性及纖維類的黏結(jié)作用，通過與煤的合理配比制成生物質(zhì)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(zhì)型煤能夠滿足預期的燃燒性能要求[13-15]。牛糞生物質(zhì)型煤充分結(jié)合了生物質(zhì)易燃、煤炭燃燒持久的特點，不但具有常規(guī)型煤持久燃燒火力和燃燒潔凈的優(yōu)點，也具有生物質(zhì)燃燒速度快、火力旺盛的優(yōu)點。采用牛糞制備生物質(zhì)型煤不但解決了畜牧業(yè)區(qū)的環(huán)境污染問題，也為當?shù)靥峁┝艘环N潔凈、環(huán)保、廉價的燃料，具有顯著的社會、經(jīng)濟效益。

　　參考文獻：

　　[1]邢為公，戴鋒，蔡玉華.論牛糞的綜合利用及其意義[J].寧夏農(nóng)業(yè)科技，2006(6)：88，110.

　　[2]羅菊香，林香權(quán)，蘇志忠，等.木薯莖干作為型煤粘結(jié)劑的研究[J].潔凈煤技術(shù)，2012，18(1)：45-48.

　　[3]程芳琴，李瑩英，路廣軍，等.改性生物質(zhì)作為型煤黏結(jié)劑的研究[J].煤化工，2008(5)：25-29.

　　[4]范學林，呂玉庭，王曉典，等.牛糞制備生物質(zhì)型煤的研究[J].現(xiàn)代牧業(yè)，2007(10)：103-104.

　　[5]李春桃，徐兵，梁玉祥.符合型煤粘結(jié)劑的成型及固硫效果研究[J].潔凈煤技術(shù)，2010，16(2)：72-75.

　　[6]邢寶林，張傳祥，潘蘭英，等.生物質(zhì)型煤機械強度影響因素的研究[J].煤炭科學技術(shù)，2007，35(7)：83-85.

　　[7]張釗，周霞萍，王杰.復合堿型腐植酸型煤粘結(jié)劑的特性研究[J].潔凈煤技術(shù)，2011，17(1)：37-40，50.

　　[8]余江龍，ArashTahmasebi，李先春，等.褐煤干燥提質(zhì)和無粘結(jié)劑成型技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展[J].潔凈煤技術(shù)，2012，18(2)：35-38.

　　[9]董平，張鑫，矯健.干化污泥型煤抗壓強度的實驗研究[J].潔凈煤技術(shù)，2010，16(2)：26-29.

　　[10]韓磊.牛糞混合煤渣壓縮蜂窩煤燃燒的環(huán)境評價[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學院，2008.

　　[11]陳華艷，蘇俊林，矯振偉.生物質(zhì)型煤燃燒特性[J].吉林大學學報(工學版)，2008，38(6)：1281-1286.

　　[12]彭好義，劉艷軍，周孑民.石灰立窯代焦型煤燃燒特性的實驗研究[J].熱能動力工程，2010，25(1)：82－86.

　　[13]劉基偉，胡成華，張國梁，等.牛糞的污染與處理[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學，2010(11)：82-84.

　　[14]馬愛玲.生物質(zhì)與煤混合燃燒特性的研究[D].焦作：河南理工大學，2010.

　　[15]馬愛玲，諶倫建，朱孔遠.生物質(zhì)型煤燃燒特性研究[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2009，28(5)：675-680