生物质型煤的研究概况

2007年第8期(总第116期)应用能源技术生物质型煤的研究概况吴宪平周国江〔黑龙江科技学院资源与环境工程学院黑龙江哈尔滨150027)摘要本文对生物质型煤旳成型方法、生物质种类及来源、粘结剂种类和燃烧性能的研究做了综合叙述。关键词生物质型煤粘结剂燃烧性能中图分类号:ID849文献标识码:A文章编号: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引言内煤炭在中国的一次能源结构中仍将占据不可我国是世界上煤炭生产和消费第一大国,替代的重要地位。据某些国外能源专家预测在195年煤炭产量达到了12.92亿t。现在年产量世界范围内煤炭还有可能再次成为主要的一次超过14亿t并且在我国一次能源生产和消费中能源。我国煤炭的84%用于直接燃烧选洗率低以煤炭为主的格局将保持较长时期。在整个世界及相对落后的燃烧方式对大气造成了严重的污范围内煤炭资源相对其它化石能源要丰富得多,染。全国SO2、烟尘和CO2的80%以上为燃煤产这种能源结构在我国表现得尤为突出。我国煤炭生。最近的一聪全国性研究表明我国酸雨区已探明储量为1145亿t可以开采102年而石油和覆盖国土面积的40%并呈发展态势近10年来扩天然气的探明储量分别为32.6亿t和1127亿大了约100万平方公里。降水酸性迅速提高,部m3分别可以开采23年和61年1995年我国分地区降水PH值已小于4。有些酸雨严重的地次商品能源产量为12.87亿t标准煤,其中煤区由于大气污染和酸雨的长期腐蚀,已发现明显炭占75.5%、原油占16.7%、天然气占1.8%、水的经济生态损失。因此为实现能源、环境与发展电占5.9%。煤炭提供约75%的工业燃料,76的和谐统一发展以提高煤炭利用效率和减少污的发电能源80%的民用商品能源和60%的化工染V凵中国煤化戏国显得尤为重要。原料。从长远的角度考察在一次能源探明储量CNMH⑤选、脱硫与动力配煤中煤炭占卯0%以上。可见在一个相当长的时期型煤、水煤桨技术、煤的气化、煤的液化、煤气化联合循环发电技术、还有煤的流化床和循环流化床收稿日期:2007-06-11修订稿日期:2007-06-17作者简1982~)男黑龙江科技学院2007届毕燃烧、粉煤燃烧器燃烧、烟道气净化技术、煤的非士学位燃料利用、燃料电池等2应用能源技术2007年第8期(总第116期)型煤按用途可分为民用和工业型煤两大类。合反应結结果燃料内部胶合、外部部分焦化并具1990年全国民用型煤销售量达到4000万t,北方有一定的形状和强度冷却后即可固化成型为致32个重要城市已实现型煤化。我国工业型煤加密的固体燃料,可以把这种成型过程视为煤化作工也已有成熟技术,最近建成了一批年产万t以用的继续。这就是生物质复合燃料热压成型的过上的工业型煤生产线。但我国型煤的普及率还很程和机理。因此采用热压法成型燃料,可不用任低发展潜力很大。型煤的投资相对较少是适合何添加剂、粘结剂而生产出高强度的生物质复合我国国情的洁净煤技术,值得大力推广。生物质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当大的比例,具有很大的研木质素软化、液化的特点适当提高热压成型的温究价值和应用前景。生物质型煤是指将破碎成度有利于减小挤压动力。不过在加热原料的过定粒度和干燥到一定程度的煤和可燃生物质按程中要消耗一定的能量定比例掺混在高压下压制而成的型煤21。将1.2冷压成型农作物秸杄、城市生活垃圾、林业加工废弃物等生冷压成型过程除了在成型前不把物料预热到物质及煤炭和适当添加剂复合成为生物质洁净型一定的温度外,其它过程与热压成型完全相同。煤的新技术。具有易着火、高效燃烧、低污染、易生物质中的木质素是一种高分子化合物,它在燃尽等优点定温度或压力下都会软化成型过程不用外加粘1生物质型煤的成型原理结剂和外加热,物料本身因受挤压和摩擦而产生1.1热压成型部分热量在热量和压力作用下软化的木质素将生物质中除含有纤维素、半纤维素外还含有周围的纤维素及煤粒粘结在一起形成固体燃料,木质素木质素是具有芳香族特性的、结构单体为生物质实际上起到了粘结剂的作用。生物质的主苯丙烷型立体结构的高分子化合物。在阔叶木、要成分是纤维素、半纤维和木质素从有机化学结针叶木中,木质素含量为27%~32%(绝干原构和化学键作用理论上讲,这些物质同煤之间存料)禾草类植物木质素含量为14%~25%。虽在一定的化学键作用具有一定的粘结性。并且然在各种生物质中都含有木质素但它们的组成、较长的生物质纤维在型煤的成型过程中可以形成结构并不完全一样。由ⅹ衍射知道木质素属非个网状骨架在一定的粒度范围内随着纤维长晶体没有熔点但有软化点经试验当温度在70度的增大生物质之间的交联作用增大其成型作100℃时,其粘合力开始增加;温度在200用提高型煤强度增大。另外根据煤化学理论及300℃时会软化、液化此时施以一定的压力使软近代化学键价理论分子作用力和氢键作用是煤化的木质素与纤维素紧密粘接并与相邻煤炭颗成型的主要作用力。制备型煤时随着成型压力粒互相胶接在外力作用下生物质和煤炭颗粒开的增大物料颗粒间距减小分子间作用力和氬键始重新排列位置关系并发生机械变形和塑性流作用增强型煤的强度也随之提高。一般地讲型变。在垂直于最大应力方向上,粒子主要以相互煤的强度除了与化学键作用力大小有关外更重啮合的形式结合而在垂直于最小应力方向上粒要的是取决于型煤本身能否形成一个有序的层状子主要以相互靠紧结合的形式结合。除此之外,排列的网状骨架结构。当添加一定质量份数的生在成型过程中还发生了部分的化学作用,燃料的物质时这一网状的骨架结构随着成型压力的增强度还与燃料中的官能团种类和化学键型有关,大而更加牢固。因此生物质复合型煤冷压成型很多研究表明接基是成型过程的关键因素羧基过程只要保证足够的压力在不加任何粘结剂的被破坏就会阻碍成型过程羟基也能起到一部分情V凵中国煤化工的型煤。冷压成型过作用。生物质内含有大量的氧这些氧一部分是程CNMH(物勿料的那部分能量但以羧基和羟基的形式存在增加了成型性几率。要想使燃料获得足够的强度必需提供更高的成在成型过程中随着外力的增大复合燃料的体积型压力。随着压力的增加成型压辊相应地要承大幅度减小容积密度显著增大同时温度促使共受更高的压力和更大的摩擦如何减小曆损、延长价键结构的形獭在此期间内各官能团亦发生缩压辊寿命是冷压成型过程的一个很重要的问题。2007年第8期(总第116期)应用能源技术所以两种成型过程各有千秋,可根据情况因地有很高的机械强度制宜选择成型工艺。高分子聚合物这类粘结剂包括聚乙烯(醇)2生物质的种类及来源聚苯乙烯、酚醛树脂、合成树脂、聚氨酯、树脂乳胶生物质是自然界各种绿色植物通过光合作用等。由于这类粘结剂成本高成焦组分少型煤热将太阳能辐射转换为化学能而固定下来、储存在稳定性差因而基本上是作为辅助粘结剂用来提植物体内的自然资源能。主要包括树木茎叶、杂高型煤机械强度或改善型煤防水性。草、作物秸杆、人畜粪便和有机垃圾等。地球上的3.12亲水型粘结剂。主要有淀粉、腐植酸、木生物质资源非常丰富其仔陆地上每年有机物净质素磺酸盐、工业废液如动物血浆、纸浆废液制产量为1200亿t,能量总值相当于目前全球总能糖、制革、酿酒等废液、生物质等。这类粘结剂的耗的5倍以上4。我国生物质的生产量达60亿共性是粘结性好基本不增加型煤灰分但一般都干物质相当于年耗能量的2.5倍单是农作物秸不具备防水功能。由于缺少成焦组分遇热时易杆就达6亿t,约折合标准煤2.15亿3。目前分解而丧失粘结性能因而用其制成的型煤热强生物质为全世界提供了14%的能源,并成为世界度较差。用弱粘或不粘原料煤成型时,必须与有上亿人口赖以生存的主要能源6。在中国生物利于提高型煤热强度的粘结剂配合使用。质在能源消耗中,它仅次于煤而成为第二大能源,3.2无机粘结剂无机粘结剂主要有石灰、水泥、黏土类、石膏在全部能源消耗中约占20%在农村,生物质约硅酸钠等。共同特点是增加型煤灰分、不防水但占生活用能的70%,占整个能耗的50%生物质的另一个重要来源是城市垃圾,以年成型工艺简单又可弥补其不足。石灰是用得最广功能最多的粘结剂。用其制成的型煤活性好,8%~10%的速度增长垃圾已成为人类唯一一种且具有固硫作用。各类黏土中膨润土的粘结性最正在增长的资源。全国已有200多座城市被垃好用其制成的型煤冷热强度好灰熔点高我国圾包围城市人均垃圾产生量达400kg。约有8个膨润土煤球化肥厂,添加量为6%~生物质的特性8%。黄土、黑土等粘结性差,当添加量高达10%(1)浛含碳量较少含固定碳少。生物质燃料中20%时,也很难提高型煤灰溶点及热强度,因而含碳量在38%~50%之间,特别是固定碳的含量工业型煤很少用广泛用于民用型煤中。明显地比煤炭少。因此生物质燃料不抗烧需要3.3复合粘结剂频繁添加燃料冋时热值也相对较低。(2)含氧量由上述两种以上粘结剂组合而成的即为复多。生物质燃料含氧量明显的多于煤炭这使得粘结剂。复合粘结剂可根据粘结剂性质和型煤用生物质燃料热值低但易于引燃在燃烧时可相对途复合而成有机一无机、有机一有机、无机一无机地减少空气供给量。(3)密度小。生物质燃料的三种形式。复合粘结剂可相互弥补单一粘结剂存密度明显的较煤炭低质地比较疏松。这使得这在的不足使型煤达到最佳质量。近年来人们致类燃料易于燃烧和燃尽灰渣中残留的碳量一般力于开发多功能粘结剂,常在粘结剂中添加少量较少。密度小必然伴随着单位质量燃料有较大的添加剂使型煤改质或具有原煤所没有的特性体积进而会增加运输费用所以生物质燃料「规主要有固硫剂、助燃剂、催化剂、防水剂、阻熔剂模不宜过大。等。目前国内致力于开发价廉、易得的工农业废3型煤粘结剂种类物粘结剂如纸浆废液、制糖废液制革废液、酿酒有机粘结剂废液、糠醛渣、电石渣、生化污泥、稻草、麦杄等此它可分为疏水型粘结剂和亲水型粘结剂。其类YH中国煤化工主性剂、防水剂复合使中疏水型粘结剂又可分为焦油沥青类和高分子聚用CNMHG性质优良的型煤但合物此项工作还需深人研究3.1.1疏水型粘结剂。焦油沥青类主要有煤焦4生物质型煤燃烧性能的研究油沥青、石油沥青、石油残渣、煤焦油、焦油渣等。4.1生物质型煤的燃烧机理用这类粘结劑的型煤防水性强在常温下具生物质型煤是以生物质原料和一定量的煤等4应用能源技术2007年第8期(总第116期)其他可燃性物质按一定比例掺混后加入少量起热过程中温升速度加快挥发份析岀速率变快有到固硫、黏结等性质的添加剂在低压下制备的利于燃烧;另一方面由于空隙率降低,使氧气及种具有特定形状的燃料挥发物、燃烧产物的扩散阻力增大不利燃烧。因它既有着火容易易燃尽的优越可取一面,也此成型压力对型煤燃烧速度有一定的影响但总存在灰壳阻碍气体扩散降低燃烧速度的另一面。体上是成型压力越大型煤着火和燃尽越困难。它燃烧机理的实质是属于静态渗透式扩散燃烧其它因素对燃烧特性的影响。研究表明燃烧过程从着火后开始在800~950℃范围內,生物质型煤的燃烧速度受1型块表面可燃挥发物燃烧进行可燃气体燃烧温度的影响远不如通风情况的影响在燃烧和氧气的发热化学反应,形成橙黄色长焰〔2)除初期提高炉温有利于提高型煤燃烧速度而中后了型块表面部分可燃挥发物燃烧外型块表层部期燃烧速度基本不受炉温的影响。当炉温低于分焦碳处于过渡燃烧区,形成橙红色较长火焰;800℃时,各阶段的燃烧速度均开始下降。燃烧初〔3型块表面仍有较少的挥发分燃烧更主要的是期主要是扩散到型煤外表面的挥发份和外表面的燃烧向型块更深层滲透,碳的扩散燃烧占主导地生物质的燃烧主要是温度变化和氧气扩散能力位燃烧产物Co,co及其他气体向外扩散行进的影响洏燃烧中后期主要是型煤灰壳内部的燃中CO不断与o结合生成CO,型块表层生成薄灰烧主要受扩散阻力影响。随着灰层的加厚将增壳外层包围着淡兰色短火焰,此外在此主燃阶大氧气的扩散阻力,同时由于外表面的燃烧反应段生物质首先燃尽并不断深入地带动其周围碳消耗了大量的氧气降低了氧气有效扩散的浓度更迅速燃烧并在燃尽层里形成一定的微孔组织,差挡当温度升高燃烧反应加快氧气需求量增加。使气体的扩散和氧气的渗透更容易(4型块燃烧因而型煤的燃烧速度主要取决于氧气是否能有效进一步向球内更深层发展在层内主要进行碳燃的渗透到型煤球内部通风条件的彯响比燃烧温烧即在表面进行一氧化碳的气体燃烧形成比较度的影响显著厚的灰壳由于生物质的燃尽和热膨胀灰层中呈5结语现微孔组织或空隙通道甚至裂缝,较少的短火焰生物质型煤是一种高效、洁净的燃料提高了包围着型块潇第五步燃尽灰壳不断加厚可燃物煤的利用率减少了直接燃烧煤对环境的污染。基本燃尽在没有强烈干扰的情况下形成整体的生物质既得到了合理利用,又缓解了废弃生物质灰球灰球表面几乎看不见火焰灰球会变成暗红对环境污染带来的压力。色至此完成了生物质型块的整个燃烧过程参考文献4.2生物质型煤燃烧特性[1]陈文敏李文华徐振刚,等.洁净煤技术基础[M]4.2.1生物质型煤的着火特性。它是燃料燃烧北京煤炭工业出版社,997的重要特性之一。在燃烧阶段及燃烧条件一定的[2][日风山敏彦动力1986,V036,NQ17425-30情况下着火延迟时间越长燃料在炉内氧化燃烧[3]何方生物质复合型煤的研制及其燃烧——污染特的时间相对较短不利于燃料的燃烧和燃尽。性研究20014.22生物质型煤燃烧过程中比表而积和孔隙[41孙立新能源技术发展与展望三山东能源199738-40率的变化。生物质在型煤中呈定向排列且生物[5] Dai Lin, Biomass and Bioenergy, 15(1998) 181-186质分解并释放挥发分的温度较原煤低。因此生[6]徐冰燕吴创之,罗曾凡簿太阳学报 Special Issue,物质型煤的孔隙结构将随着燃烧过程而变化,导Oct,l999,62~167致其比表面积和孔隙率随着燃烧过程发生变化。[71姜凡江淑琴潘忠刚簿新能源200024,54.2.3成型压力对燃烧特性的影响。型煤的成中国煤化工型压力越大型煤越密实其密度越大孔隙率越[8CN MHG24-29小从而影响型煤在燃烧过程中挥发分的析出和[9]王燕芳高晋生吴春来型煤粘结剂概述[J.煤炭型煤燃烧。但其影响是两方面的:方面随着成转化1997型压力的增加型煤煤粉颗粒间距减小颗粒间接[0J浮爱青焦红光堪伦建黄光许生物质型煤燃烧触面积加天方尊传热传质系数增加使型煤在加特性概遨J].河南理工大学学报2006