復(fù)合生物質(zhì)型煤粘結(jié)劑研究

李春桃 龍 建 蔣 偉 梁玉祥

(四川大學(xué)化工學(xué)院,四川省成都市,610065)

★煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化——兗礦集團(tuán)煤化公司協(xié)辦 ★

復(fù)合生物質(zhì)型煤粘結(jié)劑研究

李春桃 龍 建 蔣 偉 梁玉祥

(四川大學(xué)化工學(xué)院,四川省成都市,610065)

采用正交試驗(yàn)考察了堿液濃度、改性后生物質(zhì)加入量等參數(shù)對生物質(zhì)型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的影響,并回歸出數(shù)學(xué)方程。分析表明,生物質(zhì)加入量是影響型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的主要因素。

生物質(zhì)型煤 粘結(jié)劑 正交試驗(yàn)

AbstractThe technological conditions,which have effect on the briquette’s compression resistance and falling strength,such as concentration of NaOH solution,modified biomass quantity,hardener quantity and moulding pressure,are optimized by orthogonal experiments.Orthogonal experiment shows that the biomass quantity is the main factor which influences the briquette’s compression resistance and falling strength.

Key wordsbio-briquette,binder,orthogonal experiment

生物質(zhì)型煤是指生物質(zhì)直接與煤粉混合或經(jīng)過處理后制備成生物質(zhì)型煤。國內(nèi)外對生物質(zhì)型煤的研究主要集中在成型粘結(jié)劑、成型機(jī)理以及生物質(zhì)和粉煤混合的熱解動力學(xué)研究、燃燒動力學(xué)研究以及排放特性的研究。國內(nèi)對煤與生物質(zhì)的成型技術(shù)和工藝方面也有很多研究,但對改性生物質(zhì)的成型工藝及各項(xiàng)工藝因素對型煤強(qiáng)度交聯(lián)影響的系統(tǒng)研究較少。本文采用NaOH改性后的稻草秸稈添加無機(jī)固化劑制備的新型復(fù)合粘結(jié)劑,通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn),以型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度為考察指標(biāo),對影響改性生物質(zhì)型煤強(qiáng)度的各因素進(jìn)行了分析,確定了各因素的影響次序,為改性生物質(zhì)型煤的推廣和應(yīng)用提供了有效依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

原料煤粉選自四川仁壽的煤樣,生物質(zhì)選用稻草秸稈,稻草秸稈是較為常見的農(nóng)作物廢棄物,取自四川農(nóng)村。生物質(zhì)樣品及原料煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1。用MgO和MgCl2作為無機(jī)固化劑。

表1 生物質(zhì)及煤的工業(yè)分析 %

1.2 試驗(yàn)方法

稻草秸稈粉碎至5 cm以下備用。分別用不同濃度的NaOH溶液在90℃下對生物質(zhì)進(jìn)行4 h的改性處理。將改性后的生物質(zhì)和無機(jī)固化劑按不同的添加量與原料煤混合,在低壓 (15～35 MPa)下壓制成生物質(zhì)型煤。測試抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度,并將其做為型煤的性能指標(biāo)。本試驗(yàn)主要考察堿液濃度、生物質(zhì)加入量、固化劑加入量、成型壓力對生物質(zhì)型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)過程與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 NaOH改性液濃度對型煤強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配制不同質(zhì)量濃度 (0%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%)的NaOH改性液,對生物質(zhì)進(jìn)行改性,并控制生物質(zhì)添加量為10%,固化劑加入量為2%。按照制備工藝,在20 MPa壓力下將其加工成型煤,測試其抗壓強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度等各項(xiàng)物理指標(biāo),以研究不同NaOH改性液濃度對型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1。

圖1 NaOH改性液濃度對型煤跌落強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響

圖1中數(shù)據(jù)顯示,隨NaOH溶液濃度的增加,型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度都先增強(qiáng)然后逐漸降低。當(dāng)NaOH溶液的濃度在1.0%時,型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度都為最高值。這說明隨著NaOH改性液濃度的增加到1.0%之前,秸稈的木質(zhì)素分解更為完全,產(chǎn)生的粘性物質(zhì)更多,型煤強(qiáng)度也更高。當(dāng)NaOH溶液濃度大于2%時,木質(zhì)素分解程度進(jìn)一步增加,秸稈的纖維結(jié)構(gòu)被破壞,粘結(jié)效果降低,使型煤的跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有不同程度地降低。由此可以看出,不宜使用濃度太高的NaOH溶液來對生物質(zhì)進(jìn)行改性。本試驗(yàn)中較適宜的NaOH溶液濃度為1.0%。

2.1.2 改性生物質(zhì)加入量對型煤強(qiáng)度的影響

在研究生物質(zhì)加入量對型煤強(qiáng)度影響的試驗(yàn)中,選用1%NaOH溶液處理過的改性生物質(zhì),加入量分別為5%、10%、15%、20%和25%,固化劑加入量為2%,在20 MPa的壓力下與原煤混合壓制成型煤,測試型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出生物質(zhì)型煤的強(qiáng)度隨生物質(zhì)加入量增大先上升后降低,這是由于加入適當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)后,其纖維會形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到物理粘結(jié)的作用。具有連結(jié)作用的纖維會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)羅煤粒,經(jīng)過成型壓力作用后形成的型煤抗壓強(qiáng)度增高。當(dāng)生物質(zhì)添加量大于10%時,型煤的強(qiáng)度下降,主要是由于試驗(yàn)采用的是濕態(tài)成型,極性的水分子被煤粒表面微弱的負(fù)電荷吸附形成水化膜,煤粒通過粘結(jié)性的水化膜連接而成型。生物質(zhì)加入量過大,會降低煤顆粒之間由于水分子的存在形成的水化膜作用,降低生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度。表中數(shù)據(jù)表明,生物質(zhì)加入量為10%時,型煤的抗壓強(qiáng)度最高。

圖2 改性生物質(zhì)加入量對型煤跌落強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.3 固化劑加入量對型煤強(qiáng)度的影響

在堿液濃度為1%,生物質(zhì)加入量為10%,成型壓力為20 MPa的條件下,考察固化劑加入量對型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 固化劑加入量對型煤跌落強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響

由于無機(jī)粘結(jié)劑的添加會增加型煤的灰分含量,因此選擇在低濃度的范圍內(nèi)試驗(yàn)。由圖3可以看出,添加無機(jī)固化劑的型煤抗壓強(qiáng)度明顯增大,并隨固化劑加入量的增加而增大,這主要是由于在溫度為22～28℃時,MgO·MgCl2·H2O三元體系能夠形成5 Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相為主、3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相及Mg(OH)2共存的 3種物相,其中 5 Mg(OH)2·MgCl2· 8H2O相是比較穩(wěn)定的結(jié)晶相,是一種具有硬度和防水特征的混合物。用MgO、MgCl2作為型煤的粘結(jié)劑,當(dāng)型煤加入成型時所需的水分,3者結(jié)合便會迅速形成5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O相,該結(jié)晶相呈微細(xì)針狀,且隨著硬化不斷繼續(xù),這些微細(xì)針狀晶體相互交織成網(wǎng)狀連接煤粒。由于5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O結(jié)晶相比較穩(wěn)定,可以使型煤產(chǎn)品具有較高的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度。但當(dāng)固化劑含量大于4%時,型煤強(qiáng)度開始下降,這是因?yàn)楦男陨镔|(zhì)是通過在煤粒間形成的纖維網(wǎng)絡(luò)來粘結(jié)煤粒,復(fù)合粘結(jié)劑使兩者粘結(jié)效果相互疊加,在平行的兩相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在特定平衡點(diǎn),單相過量會破壞平衡,降低另一相的粘結(jié)效應(yīng)。固化劑的過量添加會減弱煤粒與纖維間的作用力,破壞改性生物質(zhì)纖維的粘結(jié)作用,使復(fù)合粘結(jié)劑的整體粘結(jié)效果下降,型煤強(qiáng)度降低。由圖3看出,在本試驗(yàn)中,無機(jī)固化劑和改性生物質(zhì)粘結(jié)劑的平衡配比點(diǎn)分別是4%和15%,在該平衡點(diǎn)上型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度最佳。

2.1.4 成型壓力對型煤強(qiáng)度的影響

在堿液濃度為1%、生物質(zhì)加入量為10%、固化劑加入量為4%的條件下,考察成型壓力對型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 成型壓力對型煤跌落強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響

型煤的成型壓力對抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的影響曲線見圖4。從圖4中可以看出,低壓15～35 MPa時制備的型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度良好。當(dāng)成型壓力為25 MPa時,型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度達(dá)到最大,當(dāng)大于25 MPa時強(qiáng)度有所下降。通常隨著成型壓力的增大,型煤的結(jié)構(gòu)越緊密。粒子間由于接觸緊密而出現(xiàn)分子黏合現(xiàn)象,這與分子黏合假說相符合。由于添加了生物質(zhì)粘結(jié)劑,在成型過程中生物質(zhì)粘結(jié)劑會在煤粒表面分布,并進(jìn)入顆粒之間狹窄的空隙,相鄰粒子表面會由粘結(jié)劑連接形成粘結(jié)劑橋。在松弛階段,生物質(zhì)纖維反彈力作用較大,顆粒間距離變大,多數(shù)粘結(jié)劑橋斷裂,粘結(jié)劑會退回到以前的位置,粘結(jié)效果減弱。因此當(dāng)壓力增大到一定程度 (大于25 MPa),型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度有所下降。本試驗(yàn)證明最佳成型壓力為25 MPa。

2.2 正交試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果可知,NaOH的堿液濃度、生物質(zhì)添加量、固化劑添加量及成型壓力對生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度都有一定影響,其中堿液濃度對改性生物質(zhì)的粘結(jié)性有直接影響,而生物質(zhì)的添加一方面會增強(qiáng)型煤內(nèi)部的不均勻性,降低無機(jī)固化劑與煤顆粒的接觸面積。另一方面生物質(zhì)中的纖維會增強(qiáng)成型壓力的反彈效應(yīng),降低成型壓力對型煤強(qiáng)度的影響。因此為了考證4個因素的交互影響,設(shè)計(jì)出一個4因素5水平的正交試驗(yàn)。該正交試驗(yàn)含有3個零水平,一共有27組實(shí)驗(yàn),其試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表3列出了正交試驗(yàn)的結(jié)果,及按回歸方程的計(jì)算結(jié)果。由表3可以看出,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相符得較好。

表2 各因素水平及編碼表

2.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析,得出以抗壓強(qiáng)度Y1和跌落強(qiáng)度Y2為指標(biāo),4個影響因素(X1, X2,X3,X4)為變量的二次回歸方程及其方差分析結(jié)果,見表4。

對于Y1和Y22個指標(biāo)的4因素二次回歸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)學(xué)方程為:

方差分析表明,得出的2個回歸方程都是顯著的。其中因素B對Y1和Y2的影響最為顯著,即生物質(zhì)添加量對型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的影響最顯著。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

表4 回歸方程的方差分析

對于正交試驗(yàn)綜合考慮抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度2個指標(biāo)時,模擬出最優(yōu)工藝條件為:堿液濃度為3%,生物質(zhì)加入量為20%,固化劑加入量為2%,成型壓力為 30 MPa,此時抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到880.90 N/個,跌落強(qiáng)度可以達(dá)到91.08%。

2.3 檢驗(yàn)性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證正交試驗(yàn)回歸出的模擬方程的準(zhǔn)確性,在最優(yōu)條件下進(jìn)行試驗(yàn)操作,得到的抗壓強(qiáng)度為821.5 N/個,與預(yù)測值相對偏差為6.74%,跌落強(qiáng)度為90.46%,與預(yù)測值相對偏差為0.68%,說明二次正交回歸試驗(yàn)所得方程可以很好地模擬實(shí)際反應(yīng)的結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用改性生物質(zhì)和無機(jī)固化劑組成的復(fù)合粘結(jié)劑制備型煤是可行的。該復(fù)合粘結(jié)劑充分利用了改性生物質(zhì)和無機(jī)固化劑的粘結(jié)優(yōu)勢,提高了改性生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度,可以制備出燃燒特性優(yōu)良、抗壓強(qiáng)度良好的型煤。

(2)通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)得出采用復(fù)合粘結(jié)劑制備生物質(zhì)型煤的最佳工藝條件:堿液濃度為3%,生物質(zhì)加入量為20%,固化劑加入量為2%,成型壓力為30MPa,其中生物質(zhì)加入量對型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的影響最為顯著。在最佳工藝條件下,抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到821.5N/個,跌落強(qiáng)度可以達(dá)到90.46%。這樣,可以制備出能夠滿足工業(yè)強(qiáng)度要求的生物質(zhì)型煤。

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(責(zé)任編輯 康淑云)

The preparation process of a compound bio-briquette

Li Chuntao,Long Jian,Jiang Wei,Liang Yuxiang
(School of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu,Sichuan province 610065,China)

TDQ536

A

李春桃 (1985-),女,河南孟州人,四川大學(xué)化工學(xué)院在讀碩士研究生,主要從事生態(tài)粘結(jié)劑研究。