2007年第8期(總第116期)應用能源技術生物質型煤的研究概況吳憲平周國江〔黑龍江科技學院資源與環(huán)境工程學院黑龍江哈爾濱150027)摘要本文對生物質型煤旳成型方法、生物質種類及來源、粘結劑種類和燃燒性能的研究做了綜合敘述。關鍵詞生物質型煤粘結劑燃燒性能中圖分類號:ID849文獻標識碼:A文章編號:1009-323((20078-0001-04The state of biomass briquette s researchingwU Xian- ping ZHOU Guo-jiangCollege of Resource and Environment Engineering Heilongjiang Institute ofScience and Technology, Harbin, 150001)Abstract: the method to the biomass briquette the biomass type and the origin the cementing agent typeKey words: biomass briquette cementing agent i combustibility0引言內煤炭在中國的一次能源結構中仍將占據(jù)不可我國是世界上煤炭生產和消費第一大國,替代的重要地位。據(jù)某些國外能源專家預測在195年煤炭產量達到了12.92億t?，F(xiàn)在年產量世界范圍內煤炭還有可能再次成為主要的一次超過14億t并且在我國一次能源生產和消費中能源。我國煤炭的84%用于直接燃燒選洗率低以煤炭為主的格局將保持較長時期。在整個世界及相對落后的燃燒方式對大氣造成了嚴重的污范圍內煤炭資源相對其它化石能源要豐富得多,染。全國SO2、煙塵和CO2的80%以上為燃煤產這種能源結構在我國表現(xiàn)得尤為突出。我國煤炭生。最近的一聰全國性研究表明我國酸雨區(qū)已探明儲量為1145億t可以開采102年而石油和覆蓋國土面積的40%并呈發(fā)展態(tài)勢近10年來擴天然氣的探明儲量分別為32.6億t和1127億大了約100萬平方公里。降水酸性迅速提高,部m3分別可以開采23年和61年1995年我國分地區(qū)降水PH值已小于4。有些酸雨嚴重的地次商品能源產量為12.87億t標準煤,其中煤區(qū)由于大氣污染和酸雨的長期腐蝕,已發(fā)現(xiàn)明顯炭占75.5%、原油占16.7%、天然氣占1.8%、水的經濟生態(tài)損失。因此為實現(xiàn)能源、環(huán)境與發(fā)展電占5.9%。煤炭提供約75%的工業(yè)燃料,76的和諧統(tǒng)一發(fā)展以提高煤炭利用效率和減少污的發(fā)電能源80%的民用商品能源和60%的化工染V凵中國煤化戲國顯得尤為重要。原料。從長遠的角度考察在一次能源探明儲量CNMH⑤選、脫硫與動力配煤中煤炭占卯0%以上?？梢娫谝粋€相當長的時期型煤、水煤槳技術、煤的氣化、煤的液化、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術、還有煤的流化床和循環(huán)流化床收稿日期:2007-06-11修訂稿日期:2007-06-17作者簡1982~)男黑龍江科技學院2007屆畢燃燒、粉煤燃燒器燃燒、煙道氣凈化技術、煤的非士學位燃料利用、燃料電池等2應用能源技術2007年第8期(總第116期)型煤按用途可分為民用和工業(yè)型煤兩大類。合反應結結果燃料內部膠合、外部部分焦化并具1990年全國民用型煤銷售量達到4000萬t,北方有一定的形狀和強度冷卻后即可固化成型為致32個重要城市已實現(xiàn)型煤化。我國工業(yè)型煤加密的固體燃料,可以把這種成型過程視為煤化作工也已有成熟技術,最近建成了一批年產萬t以用的繼續(xù)。這就是生物質復合燃料熱壓成型的過上的工業(yè)型煤生產線。但我國型煤的普及率還很程和機理。因此采用熱壓法成型燃料,可不用任低發(fā)展?jié)摿艽蟆Ｐ兔旱耐顿Y相對較少是適合何添加劑、粘結劑而生產出高強度的生物質復合我國國情的潔凈煤技術,值得大力推廣。生物質型煤在一定程度上降低了加工成本。而且利用型煤在型煤中占有相當大的比例,具有很大的研木質素軟化、液化的特點適當提高熱壓成型的溫究價值和應用前景。生物質型煤是指將破碎成度有利于減小擠壓動力。不過在加熱原料的過定粒度和干燥到一定程度的煤和可燃生物質按程中要消耗一定的能量定比例摻混在高壓下壓制而成的型煤21。將1.2冷壓成型農作物秸杄、城市生活垃圾、林業(yè)加工廢棄物等生冷壓成型過程除了在成型前不把物料預熱到物質及煤炭和適當添加劑復合成為生物質潔凈型一定的溫度外,其它過程與熱壓成型完全相同。煤的新技術。具有易著火、高效燃燒、低污染、易生物質中的木質素是一種高分子化合物,它在燃盡等優(yōu)點定溫度或壓力下都會軟化成型過程不用外加粘1生物質型煤的成型原理結劑和外加熱,物料本身因受擠壓和摩擦而產生1.1熱壓成型部分熱量在熱量和壓力作用下軟化的木質素將生物質中除含有纖維素、半纖維素外還含有周圍的纖維素及煤粒粘結在一起形成固體燃料,木質素木質素是具有芳香族特性的、結構單體為生物質實際上起到了粘結劑的作用。生物質的主苯丙烷型立體結構的高分子化合物。在闊葉木、要成分是纖維素、半纖維和木質素從有機化學結針葉木中,木質素含量為27%~32%(絕干原構和化學鍵作用理論上講,這些物質同煤之間存料)禾草類植物木質素含量為14%~25%。雖在一定的化學鍵作用具有一定的粘結性。并且然在各種生物質中都含有木質素但它們的組成、較長的生物質纖維在型煤的成型過程中可以形成結構并不完全一樣。由ⅹ衍射知道木質素屬非個網狀骨架在一定的粒度范圍內隨著纖維長晶體沒有熔點但有軟化點經試驗當溫度在70度的增大生物質之間的交聯(lián)作用增大其成型作100℃時,其粘合力開始增加;溫度在200用提高型煤強度增大。另外根據(jù)煤化學理論及300℃時會軟化、液化此時施以一定的壓力使軟近代化學鍵價理論分子作用力和氫鍵作用是煤化的木質素與纖維素緊密粘接并與相鄰煤炭顆成型的主要作用力。制備型煤時隨著成型壓力粒互相膠接在外力作用下生物質和煤炭顆粒開的增大物料顆粒間距減小分子間作用力和氬鍵始重新排列位置關系并發(fā)生機械變形和塑性流作用增強型煤的強度也隨之提高。一般地講型變。在垂直于最大應力方向上,粒子主要以相互煤的強度除了與化學鍵作用力大小有關外更重嚙合的形式結合而在垂直于最小應力方向上粒要的是取決于型煤本身能否形成一個有序的層狀子主要以相互靠緊結合的形式結合。除此之外,排列的網狀骨架結構。當添加一定質量份數(shù)的生在成型過程中還發(fā)生了部分的化學作用,燃料的物質時這一網狀的骨架結構隨著成型壓力的增強度還與燃料中的官能團種類和化學鍵型有關,大而更加牢固。因此生物質復合型煤冷壓成型很多研究表明接基是成型過程的關鍵因素羧基過程只要保證足夠的壓力在不加任何粘結劑的被破壞就會阻礙成型過程羥基也能起到一部分情V凵中國煤化工的型煤。冷壓成型過作用。生物質內含有大量的氧這些氧一部分是程CNMH(物勿料的那部分能量但以羧基和羥基的形式存在增加了成型性幾率。要想使燃料獲得足夠的強度必需提供更高的成在成型過程中隨著外力的增大復合燃料的體積型壓力。隨著壓力的增加成型壓輥相應地要承大幅度減小容積密度顯著增大同時溫度促使共受更高的壓力和更大的摩擦如何減小曆損、延長價鍵結構的形獺在此期間內各官能團亦發(fā)生縮壓輥壽命是冷壓成型過程的一個很重要的問題。2007年第8期(總第116期)應用能源技術所以兩種成型過程各有千秋,可根據(jù)情況因地有很高的機械強度制宜選擇成型工藝。高分子聚合物這類粘結劑包括聚乙烯(醇)2生物質的種類及來源聚苯乙烯、酚醛樹脂、合成樹脂、聚氨酯、樹脂乳膠生物質是自然界各種綠色植物通過光合作用等。由于這類粘結劑成本高成焦組分少型煤熱將太陽能輻射轉換為化學能而固定下來、儲存在穩(wěn)定性差因而基本上是作為輔助粘結劑用來提植物體內的自然資源能。主要包括樹木莖葉、雜高型煤機械強度或改善型煤防水性。草、作物秸桿、人畜糞便和有機垃圾等。地球上的3.12親水型粘結劑。主要有淀粉、腐植酸、木生物質資源非常豐富其仔陸地上每年有機物凈質素磺酸鹽、工業(yè)廢液如動物血漿、紙漿廢液制產量為1200億t,能量總值相當于目前全球總能糖、制革、釀酒等廢液、生物質等。這類粘結劑的耗的5倍以上4。我國生物質的生產量達60億共性是粘結性好基本不增加型煤灰分但一般都干物質相當于年耗能量的2.5倍單是農作物秸不具備防水功能。由于缺少成焦組分遇熱時易桿就達6億t,約折合標準煤2.15億3。目前分解而喪失粘結性能因而用其制成的型煤熱強生物質為全世界提供了14%的能源,并成為世界度較差。用弱粘或不粘原料煤成型時,必須與有上億人口賴以生存的主要能源6。在中國生物利于提高型煤熱強度的粘結劑配合使用。質在能源消耗中,它僅次于煤而成為第二大能源,3.2無機粘結劑無機粘結劑主要有石灰、水泥、黏土類、石膏在全部能源消耗中約占20%在農村,生物質約硅酸鈉等。共同特點是增加型煤灰分、不防水但占生活用能的70%,占整個能耗的50%生物質的另一個重要來源是城市垃圾,以年成型工藝簡單又可彌補其不足。石灰是用得最廣功能最多的粘結劑。用其制成的型煤活性好,8%~10%的速度增長垃圾已成為人類唯一一種且具有固硫作用。各類黏土中膨潤土的粘結性最正在增長的資源。全國已有200多座城市被垃好用其制成的型煤冷熱強度好灰熔點高我國圾包圍城市人均垃圾產生量達400kg。約有8個膨潤土煤球化肥廠,添加量為6%~生物質的特性8%。黃土、黑土等粘結性差,當添加量高達10%(1)浛含碳量較少含固定碳少。生物質燃料中20%時,也很難提高型煤灰溶點及熱強度,因而含碳量在38%~50%之間,特別是固定碳的含量工業(yè)型煤很少用廣泛用于民用型煤中。明顯地比煤炭少。因此生物質燃料不抗燒需要3.3復合粘結劑頻繁添加燃料冋時熱值也相對較低。(2)含氧量由上述兩種以上粘結劑組合而成的即為復多。生物質燃料含氧量明顯的多于煤炭這使得粘結劑。復合粘結劑可根據(jù)粘結劑性質和型煤用生物質燃料熱值低但易于引燃在燃燒時可相對途復合而成有機一無機、有機一有機、無機一無機地減少空氣供給量。(3)密度小。生物質燃料的三種形式。復合粘結劑可相互彌補單一粘結劑存密度明顯的較煤炭低質地比較疏松。這使得這在的不足使型煤達到最佳質量。近年來人們致類燃料易于燃燒和燃盡灰渣中殘留的碳量一般力于開發(fā)多功能粘結劑,常在粘結劑中添加少量較少。密度小必然伴隨著單位質量燃料有較大的添加劑使型煤改質或具有原煤所沒有的特性體積進而會增加運輸費用所以生物質燃料「規(guī)主要有固硫劑、助燃劑、催化劑、防水劑、阻熔劑模不宜過大。等。目前國內致力于開發(fā)價廉、易得的工農業(yè)廢3型煤粘結劑種類物粘結劑如紙漿廢液、制糖廢液制革廢液、釀酒有機粘結劑廢液、糠醛渣、電石渣、生化污泥、稻草、麥杄等此它可分為疏水型粘結劑和親水型粘結劑。其類YH中國煤化工主性劑、防水劑復合使中疏水型粘結劑又可分為焦油瀝青類和高分子聚用CNMHG性質優(yōu)良的型煤但合物此項工作還需深人研究3.1.1疏水型粘結劑。焦油瀝青類主要有煤焦4生物質型煤燃燒性能的研究油瀝青、石油瀝青、石油殘渣、煤焦油、焦油渣等。4.1生物質型煤的燃燒機理用這類粘結劑的型煤防水性強在常溫下具生物質型煤是以生物質原料和一定量的煤等4應用能源技術2007年第8期(總第116期)其他可燃性物質按一定比例摻混后加入少量起熱過程中溫升速度加快揮發(fā)份析岀速率變快有到固硫、黏結等性質的添加劑在低壓下制備的利于燃燒;另一方面由于空隙率降低,使氧氣及種具有特定形狀的燃料揮發(fā)物、燃燒產物的擴散阻力增大不利燃燒。因它既有著火容易易燃盡的優(yōu)越可取一面,也此成型壓力對型煤燃燒速度有一定的影響但總存在灰殼阻礙氣體擴散降低燃燒速度的另一面。體上是成型壓力越大型煤著火和燃盡越困難。它燃燒機理的實質是屬于靜態(tài)滲透式擴散燃燒其它因素對燃燒特性的影響。研究表明燃燒過程從著火后開始在800~950℃范圍內,生物質型煤的燃燒速度受1型塊表面可燃揮發(fā)物燃燒進行可燃氣體燃燒溫度的影響遠不如通風情況的影響在燃燒和氧氣的發(fā)熱化學反應,形成橙黃色長焰〔2)除初期提高爐溫有利于提高型煤燃燒速度而中后了型塊表面部分可燃揮發(fā)物燃燒外型塊表層部期燃燒速度基本不受爐溫的影響。當爐溫低于分焦碳處于過渡燃燒區(qū),形成橙紅色較長火焰;800℃時,各階段的燃燒速度均開始下降。燃燒初〔3型塊表面仍有較少的揮發(fā)分燃燒更主要的是期主要是擴散到型煤外表面的揮發(fā)份和外表面的燃燒向型塊更深層滲透,碳的擴散燃燒占主導地生物質的燃燒主要是溫度變化和氧氣擴散能力位燃燒產物Co,co及其他氣體向外擴散行進的影響洏燃燒中后期主要是型煤灰殼內部的燃中CO不斷與o結合生成CO,型塊表層生成薄灰燒主要受擴散阻力影響。隨著灰層的加厚將增殼外層包圍著淡蘭色短火焰,此外在此主燃階大氧氣的擴散阻力,同時由于外表面的燃燒反應段生物質首先燃盡并不斷深入地帶動其周圍碳消耗了大量的氧氣降低了氧氣有效擴散的濃度更迅速燃燒并在燃盡層里形成一定的微孔組織,差擋當溫度升高燃燒反應加快氧氣需求量增加。使氣體的擴散和氧氣的滲透更容易(4型塊燃燒因而型煤的燃燒速度主要取決于氧氣是否能有效進一步向球內更深層發(fā)展在層內主要進行碳燃的滲透到型煤球內部通風條件的彯響比燃燒溫燒即在表面進行一氧化碳的氣體燃燒形成比較度的影響顯著厚的灰殼由于生物質的燃盡和熱膨脹灰層中呈5結語現(xiàn)微孔組織或空隙通道甚至裂縫,較少的短火焰生物質型煤是一種高效、潔凈的燃料提高了包圍著型塊瀟第五步燃盡灰殼不斷加厚可燃物煤的利用率減少了直接燃燒煤對環(huán)境的污染?；救急M在沒有強烈干擾的情況下形成整體的生物質既得到了合理利用,又緩解了廢棄生物質灰球灰球表面幾乎看不見火焰灰球會變成暗紅對環(huán)境污染帶來的壓力。色至此完成了生物質型塊的整個燃燒過程參考文獻4.2生物質型煤燃燒特性[1]陳文敏李文華徐振剛,等.潔凈煤技術基礎[M]4.2.1生物質型煤的著火特性。它是燃料燃燒北京煤炭工業(yè)出版社,997的重要特性之一。在燃燒階段及燃燒條件一定的[2][日風山敏彥動力1986,V036,NQ17425-30情況下著火延遲時間越長燃料在爐內氧化燃燒[3]何方生物質復合型煤的研制及其燃燒——污染特的時間相對較短不利于燃料的燃燒和燃盡。性研究20014.22生物質型煤燃燒過程中比表而積和孔隙[41孫立新能源技術發(fā)展與展望三山東能源199738-40率的變化。生物質在型煤中呈定向排列且生物[5] Dai Lin, Biomass and Bioenergy, 15(1998) 181-186質分解并釋放揮發(fā)分的溫度較原煤低。因此生[6]徐冰燕吳創(chuàng)之,羅曾凡簿太陽學報 Special Issue,物質型煤的孔隙結構將隨著燃燒過程而變化,導Oct,l999,62~167致其比表面積和孔隙率隨著燃燒過程發(fā)生變化。[71姜凡江淑琴潘忠剛簿新能源200024,54.2.3成型壓力對燃燒特性的影響。型煤的成中國煤化工型壓力越大型煤越密實其密度越大孔隙率越[8CN MHG24-29小從而影響型煤在燃燒過程中揮發(fā)分的析出和[9]王燕芳高晉生吳春來型煤粘結劑概述[J.煤炭型煤燃燒。但其影響是兩方面的:方面隨著成轉化1997型壓力的增加型煤煤粉顆粒間距減小顆粒間接[0J浮愛青焦紅光堪倫建黃光許生物質型煤燃燒觸面積加天方尊傳熱傳質系數(shù)增加使型煤在加特性概遨J].河南理工大學學報2006