基于褐煤的生物質(zhì)型煤成型機理及其特性研究

【摘要】：褐煤,是世界上豐富而廣泛存在的化石資源,但它卻受到自身高水分、高灰分、低熱值、低灰熔點、熱穩(wěn)定性差和容易風化自燃等特點的影響,限制了其使用范圍和利用途徑。而傳統(tǒng)粗放的褐煤利用(發(fā)電)方式最終會威脅到它的有限的資源屬性,也會惡化環(huán)境。因此,褐煤在利用前必須對其進行提質(zhì),同時混合生物質(zhì)可直接減少依靠燃燒化石燃料而產(chǎn)生的二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物的排放量,最終實現(xiàn)褐煤和生物質(zhì)的高效潔凈利用。本論文針對褐煤和生物質(zhì)利用的研究現(xiàn)狀,采用機械熱壓脫水方法對我國褐煤和生物質(zhì)混合成型工藝展開了研究,探討了生物質(zhì)和褐煤在機械和加熱的共同作用下物料顆粒間的成型粘結機理,并對加工的生物質(zhì)型煤的熱解特性進行了初步研究。 首先,進行了生物質(zhì)型煤熱壓工藝條件的研究和成型工藝的優(yōu)化。以小龍?zhí)逗置?、先鋒褐煤與生物質(zhì)(水稻秸桿、小麥秸桿、云杉鋸末)為試驗物料,選擇成型壓力、成型溫度、保壓時間、生物質(zhì)配比、顆粒粒徑等因素,以生物質(zhì)型煤機械強度(抗壓強度、抗破碎強度、跌落強度)為指標對生物質(zhì)型煤成型工藝展開研究,探討了成型工藝條件與生物質(zhì)型煤強度的關系。在選擇的因素水平中,影響生物質(zhì)型煤機械強度主次因素依次為:成型壓力生物質(zhì)配比成型溫度保壓時間,且成型壓力和生物質(zhì)配比的交互作用對抗壓強度和抗沖擊強度影響顯著,成型溫度和保壓時間的交互作用對于抗壓強度的影響不顯著。 其次,對生物質(zhì)型煤的成型粘結機理進行了研究。通過顯微結構觀察分析,生物質(zhì)不同長度的纖維相互連接,互相纏繞交聯(lián),形成網(wǎng)絡,褐煤顆粒包裹于纖維網(wǎng)絡中;在熱壓作用下生物質(zhì)出現(xiàn)了玻璃化轉變,和水以及褐煤的部分熔融物質(zhì)一起形成了顆粒間的液體橋,在生物質(zhì)型煤出模后該液體橋轉變?yōu)楣腆w橋,增加了生物質(zhì)型煤的抗壓強度。另外熱壓的作用也會增加生物質(zhì)型煤的塑性,減弱生物質(zhì)型煤出模后的松弛性(彈性),避免型煤產(chǎn)品開裂,有助于提高生物質(zhì)型煤的跌落強度。而將生物質(zhì)采用稀堿液處理后作為型煤的粘結劑可以提高型煤的機械強度和防水性能。從電勢和顆粒特性分析知,褐煤和生物質(zhì)表面Zeta電位均為負值,而且它們親水性均較高,熱壓作用雖然可以增加其接觸角,但從防水性試驗來看熱壓效果不顯著;另外,熱壓作用可降低褐煤孔容、比表面積和孔隙率。生物質(zhì)型煤具有較好的機械強度是多種機制共同作用的結果,綜合生物質(zhì)型煤顆粒間的結合力,顆粒間橋接為主要機制,而機械結合力和物理化學結合力(化學鍵、靜電力、范德華力等)起到的作用比較小。 再次,對生物質(zhì)型煤成型工藝條件進行了小試研究,得到了跌落強度試驗指標與各組分之間的回歸方程,并求出了優(yōu)化成型條件:稻殼配比為27-31%,保壓時間為20~21min,溫度為146-153℃。而小龍?zhí)逗置?小麥秸稈混合燃料最佳的成型條件為:秸稈粒度為0.16-0.38mm,溫度為140℃,壓力為15MPa,保壓時間為20min。 最后,對生物質(zhì)型煤的熱解特性展開了初步研究。試驗物料的熱解過程可以分為四個階段,其中第三階段為物料發(fā)生熱解的主要階段,物料失重最多,達40 %-50 %。褐煤和水稻秸桿混合后,熱重曲線分階段出現(xiàn)褐煤和秸桿的熱解特性,近似為二者的疊加。隨后采用Coats-Redfern法對熱解曲線進行了擬合,建立了分階段的擬合動力學方程。 該論文有圖65幅,表25個,參考文獻146篇。 【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TQ536

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