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李強1，陳鐵軍1，饒發明2，丁春江1，李圣輝1
（1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢430000；2.武漢鋼鐵集團礦業有限責任公司烏龍泉礦，湖北武漢430000）
摘要：分別采用冷壓成型和炭化成型工藝以鋸末制備生物質成型燃料。冷壓成型工藝主要考察原料水分、成型壓力對燃料的成型性能影響。試驗結果表明：原料水分為12%~16%，成型壓力為60MPa的條件下能夠制得成型性能較好的生物質成型燃料，其密度與抗跌強度分別能夠達到0.94g/cm3和99%；炭化成型工藝主要考察混合料水分、無煙煤配比、J型粘結劑添加量、成型壓力對燃料的成型性能影響。試驗結果表明：無煙煤配比為50%、混合料水分為30%、J型粘結劑添加量為8%、成型壓力為45MPa的條件下能夠制得成型性能較好的優質生物質成型燃料，其密度與抗跌強度分別為0.93g/cm3和99.3%。
0引言
隨著人類對能源需求的日益增加，目前廣泛使用的石油、煤炭、天然氣等不可再生的能源正面臨日益枯竭的問題。為了解決人類即將面臨的能源危機有必要開發可再生的新能源來代替不可再生的化石燃料。生物質能源作為一種廉價、清潔的可再生能源，正越來越廣泛的被人們所關注，而我國作為農業大國，在生物質能源的原料供應、能源需求、政府政策的支持等方面均有較大優勢[1]~[3]。
武鋼烏龍泉礦的石灰豎窯主要以無煙塊煤為燃料，但隨著煤炭資源的日益減少，優質無煙塊煤的價格逐漸升高，導致生產成本增加。此外，煤炭燃燒會產生大量的SO2氣體，造成環境污染。烏龍泉礦地處農村，周邊農林資源十分豐富，尤其是鋸末來源充沛、成本低廉，同時鋸末含硫量很低，以其為原料制備生物質成型燃料代替無煙煤塊煤，將能大大降低企業的生產成本和環保壓力。
目前，以生物質為原料制備生物質成型燃料的成型工藝，根據主要工藝特征的差別主要分為：冷壓成型、熱壓成型和炭化成型[4]。其中冷壓成型工藝最為簡單，對原料要求不高；熱壓成型工藝的成本較高，且對原料水分有嚴格要求；炭化成型工藝主要用于制備高熱值、低揮發分燃料。本研究以鋸末為原料，通過冷壓成型和炭化成型試驗，制得的生物質成型燃料能夠代替煤炭作為石灰豎窯等工業高溫冶煉過程的燃料。
1試驗方法與原料性能
1.1試驗方法
試驗分為生物質成型燃料的冷壓成型與炭化成型兩種工藝。冷壓成型工藝是以鋸末為主要原料，添加一定水分后陳化一段時間，然后在一定壓力下壓制成生物質成型燃料。炭化成型工藝是以鋸末炭化后的殘炭為主要原料，將鋸末放入密閉容器內，在450℃的溫度下，隔絕空氣炭化20~30min后冷卻至室溫，得到的殘余固體即為鋸末殘炭[5]。由于鋸末殘炭密度太小且粘結性能不佳，在成型過程中需要添加一定量的無煙煤粉和J型粘結劑，然后在一定壓力下壓制成生物質成型燃料。
生物質成型燃料的成型性能檢測項目主要是燃料密度和抗跌強度。燃料密度是通過測定其質量及體積后計算；抗跌強度的檢測參考MT/T 925-2004《工業型煤落下強度測定方法》，將成型燃料從2m高處自由落下到一定厚度的鋼板上，將落下后粒度大于13mm的成型燃料再次落下，共落下3次，以第3次落下后粒度大于13mm的成型燃料質量占原成型燃料質量的百分數表示成型燃料的抗跌強度。生物質成型燃料的燃燒性能分析主要是工業分析、硫含量分析、熱值分析、灰熔點分析、TG-DTG-DSC熱分析。
主要設備：內徑為20mm的圓柱形模具，干燥箱、液壓機、馬弗爐、帶蓋坩堝、自動工業分析儀、快速測硫儀、自動量熱儀、灰熔點測定儀、綜合熱分析儀。
1.2原料性能
冷壓成型所用原料為晾曬后鋸末，炭化成型所用原料為鋸末殘炭、無煙煤粉、J型粘結劑。無煙煤粉的粒度為小于0.074mm的粒級占65%~70%；J型粘結劑為自行配制的一種有機粘結劑。鋸末、鋸末殘炭、無煙煤的部分性質如表1所示。
從表1可知，鋸末及鋸末殘炭的灰分及硫含量均較低，有利于減少成型燃料燃燒的污染物排放；鋸末殘炭的熱值較高，達到了中等煤炭的水平，作為燃料使用能夠提供大量熱量。
2試驗結果及分析
2.1鋸末制生物質成型燃料的冷壓成型試驗
冷壓成型工藝以鋸末為原料，主要考察原料水分及成型壓力對成型燃料成型性能的影響。
（1）原料水分對成型燃料成型性能的影響
原料水分對成型燃料的成型性能有較大影響，水分過低，原料顆粒因缺乏水的潤滑作用而不能較好的延展，顆粒間嚙合不夠緊密，導致成型燃料的成型性能不佳；水分過高，在壓制過程中多余水分被擠壓到粒子層之間，使粒子層貼合不夠緊密，在成型壓力較大時還會出現成型燃料爆開現象[6]，[7]。在60MPa的成型壓力下，成型燃料的成型性能隨原料水分的變化規律如圖1所示。
由圖1可知，隨著原料水分的升高，成型燃料的密度與抗跌強度均呈升高趨勢，達到一定水平后趨向平穩，在原料水分進一步提高后，密度與抗跌強度開始降低。原料的最佳成型水分為12%~16%，對應的成型燃料密度與抗跌強度分別為0.93g/cm3左右和99%左右；當水分小于12%時原料水分過低、水分大于16%時原料水分過高，導致成型燃料的成型性能均不佳。
（2）成型壓力對成型燃料成型性能的影響
成型燃料的壓縮成型分為兩個階段，首先是在壓力作用下松散的鋸末顆粒排列結構發生改變，降低內部空隙率；然后隨著壓力增大，鋸末大顆粒被壓碎成小的粒子并發生變形，粒子開始填充空隙同時相互嚙合，部分殘余應力貯存于成型燃料內部使粒子間結合的更加牢固[8]。當外加壓力越大時，成型燃料粒子之間嚙合的越緊密，殘余應力也越大，粒子間結合的更加牢固。但當外加壓力增加到一定程度后，隨著顆粒之間空隙減少，粒子之間結合的緊密程度趨向恒定，成型燃料的密度與抗跌強度也趨向一定值。在原料水分為16%時，成型燃料的成型性能隨成型壓力的變化規律見圖2。
由圖2可知：隨著成型壓力的提高，成型燃料的密度與抗跌強度均呈升高趨勢，當成型壓力分別大于40MPa和60MPa時成型燃料的抗跌強度和密度增加緩慢，趨于平穩。在成型壓力為60MPa時成型燃料具備最佳的成型性能，對應的成型燃料密度與抗跌強度分別為0.94g/cm3和99%。
以鋸末為原料采用冷壓成型制得的生物質成型燃料具有密度大、抗跌強度高、硫含量低、灰分少、成本低等優點，能夠廣泛地應用于火力發電、蒸汽鍋爐、日常生活供熱等領域。但是，這種成型燃料熱值較低，僅為12MJ/kg左右、且揮發分高達75%以上，無法代替煤炭作為石灰豎窯等工業冶煉過程的燃料，為此研究炭化成型工藝以提高生物質成型燃料的燃燒性能。
2.2鋸末制生物質成型燃料的炭化成型試驗
炭化成型工藝是將鋸末炭化后，以高熱值、低揮發分的鋸末殘炭和一定量的無煙煤粉為原料，將其混勻后再添加適量J型粘結劑，在一定外力條件下壓制成型。試驗主要考察混合料水分、無煙煤配比、J型粘結劑添加量及成型壓力對成型燃料成型性能的影響。
（1）混合料水分對成型燃料成型性能的影響
鋸末經過炭化后表面親水性變差，殘炭顆粒需要在較高的水分潤滑作用下才能相互嚙合緊密，多余水分會在壓制過程中被擠出成型燃料，而不會停留在粒子層之間導致粒子層貼合不緊密或出現爆開現象。將鋸末殘炭與無煙煤按1∶1混勻后添加8%的J型粘結劑，在65MPa的成型壓力下成型燃料的成型性能隨混合料水分的變化規律如圖3所示。
由圖3可知，隨著混合料水分的升高，成型燃料的密度始終維持在1.0g/cm3左右，而成型燃料的抗跌強度逐漸提高，直至達到99%左右后趨于平穩。因此鋸末殘炭的最佳成型水分為30%，對應的成型燃料密度為1.05g/cm3,抗跌強度為99.3%。
（2）無煙煤配比對成型燃料成型性能的影響
鋸末經過炭化過程后由柔韌的有機物顆粒變成疏松易碎的無機碳顆粒，以其直接制得的成型燃料密度小、抗跌強度低。加入適量堅硬的無煙煤粉不僅能夠進一步降低成型燃料的揮發分，還能提高成型燃料的密度與抗跌強度。在混合料水分為30%，J型粘結劑添加量為8%，成型壓力為65MPa的成型條件下成型燃料的成型性能隨無煙煤配比的變化規律如圖4所示。
由圖4可知，隨著無煙煤配比增加，成型燃料的密度一直呈升高趨勢，而抗跌強度先升高，達到99%左右后趨向平穩。為了充分利用生物質能源，混合料中無煙煤的最佳配比為50%，對應的成型燃料密度為1.05g/cm3，抗跌強度為99.3%。
（3）J型粘結劑的添加量對成型燃料成型性能的影響
鋸末在炭化之前含有大量木質素和半纖維素，在壓縮成型過程中能夠起到較強的粘結作用[7]。經過炭化過程后的鋸末殘炭顆粒不僅表面親水性差，導致水分的粘結作用降低，而且木質素、半纖維素也在高溫下分解為無機碳，導致成型燃料缺乏內部粘結劑而無法成型。J型粘結劑作為一種高分子有機粘結劑能夠代替木質素、半纖維素起到較好的粘結作用。在無煙煤配比為50%，混合料水分為30%，成型壓力為65MPa的條件下成型燃料的成型性能隨J型粘結劑添加量的變化規律如圖5所示。
由圖5可知，隨著J型粘結劑添加量的增加，成型燃料的密度有小幅度提高，而抗跌強度呈升高趨勢達到99%后趨向平穩。因此J型粘結劑的最佳添加量為8%，對應的成型燃料密度為1.02g/cm3，抗跌強度為99.5%。
（4）成型壓力對成型燃料成型性能的影響
成型燃料是混合料在成型壓力的擠壓作用下成型的，當成型壓力越大時，殘炭顆粒之間嚙合的越緊密。但當成型壓力增加到一定程度后，隨著顆粒之間空隙減少，粒子之間結合的緊密程度也將趨向恒定。在無煙煤配比為50%，混合料水分為30%，J型粘結劑添加量為8%的條件下成型燃料的成型性能隨成型壓力的變化規律如圖6所示。
由圖6可知，隨著成型壓力的提高，成型燃料的密度呈升高趨勢，達到0.97g/cm3后增加緩慢趨向平穩，而抗跌強度一直維持在99%左右。這表明在8%的J型粘結劑作用下，殘炭顆粒之間已經能夠貼合的非常牢固，成型壓力對成型燃料的抗跌強度作用不大。為了使鋸末殘炭制得的成型燃料有比較廣泛的應用范圍，成型燃料的密度保持在0.9g/cm3以上較好。因此鋸末殘炭的最佳成型壓力為45MPa，對應的成型燃料密度為0.93g/cm3，抗跌強度為99.3%。
3生物質成型燃料的燃燒性能
由于以鋸末冷壓成型工藝制得的生物質成型燃料熱值低、揮發分高，只能作為低等燃料應用。故成品生物質成型燃料的燃燒性能研究將主要介紹鋸末炭化成型工藝制得的成型燃料，其制備條件為：無煙煤配比為50%，混合料水分為30%，J型粘結劑添加量為8%，成型壓力為45MPa。
3.1成品生物質成型燃料的質量指標
成品生物質成型燃料的質量指標檢測主要包括燃料的工業分析、硫含量分析、熱值分析，其質量指標如表2所示。由表2可知，成品生物質成型燃料的硫含量僅為0.275%，小于特低硫煤0.50%的標準；灰分為8.41%，在低灰分煤的范圍內（灰分為5.01%~10.00%）；熱值為24.23MJ/kg，在高熱值煤的范圍內（熱值為24.01~27.00MJ/kg）。所以此成品生物質成型燃料屬于低污染、高熱值的優質固體燃料。
3.2成品生物質成型燃料的灰熔點分析
對成品生物質成型燃料的灰分進行灰熔點測定，其結果如表3所示。由表3可知，成品生物質成型燃料灰分的軟化溫度為1204℃，屬于中等熔融灰分（軟化溫度為1100~1250℃）。此軟化溫度能夠使成品生物質成型燃料應用于溫度較高的工業冶煉，而不會引起灰渣熔融、結塊等不利后果。
3.3成品生物質成型燃料TG-DTG-DSC熱分析
對成品生物質成型燃料進行TG-DTG-DSC熱分析，當升溫速率為10℃/min，空氣流量為50ml/min，從室溫升溫至700℃，結果如圖7所示。
由圖7可知，成品生物質燃料的著火溫度為390℃左右、燃盡溫度為520℃左右、最大失重速率為7.03%/min，最大釋熱量為22.62mW/mg；在60℃處附近DSC曲線存在一個吸熱峰，同時TG曲線存在下降趨勢，表明生物質成型燃料開始脫除水分；在390~520℃這個溫度區間內DSC曲線出現一個較大的放熱峰，同時TG曲線急劇下降，表明生物質成型燃料在此溫度區間進行燃燒反應。因此，此成品生物質成型燃料屬于易燃、燃燒快、釋熱量大、易完全燃燒的固體燃料。
通過對成品生物質成型燃料的質量指標檢測、灰熔點分析、TG-DTG-DSC熱分析，表明此成品生物質成型燃料是一種燃燒性能好的優質固體燃料，能夠在一定程度上代替煤炭作為石灰豎窯等工業冶煉過程的燃料。
4結論
（1）鋸末冷壓成形和炭化成型均能制得具有一定應用范圍的低成本、低污染的生物質成型燃料。且鋸末炭化成型制得的生物質成型燃料高熱值、燃燒性能好，可用于石灰豎窯等工業高溫冶煉的優質固體燃料。
（2）鋸末冷壓成型需要適當的原料水分和足夠的成型壓力條件，原料水分過低或過高均會導致成型性能降低。在60MPa的成型壓力下，水分為12%~16%的鋸末制得的生物質成型燃料密度和抗跌強度分別為0.93g/cm3和99%左右。
（3）鋸末炭化成型需要加入一定量的無煙煤和粘結劑后才能獲得的較好的成型效果，其最佳成型條件：混合料水分30%、無煙煤配比50%、J型粘結劑8%、成型壓力45MPa。在上述條件下制得的生物質成型燃料密度和抗跌強度分別為0.93g/cm3和99.3%。
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