王 輝 李 賀 劉 超 張玉柱
(華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院,現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,063210 河北唐山)
生物質(zhì)是自然界中含有C,O,H元素的一切有機(jī)物的統(tǒng)稱。近年來,生物質(zhì)資源的開發(fā)利用受到世界各國的高度重視,面對(duì)日益枯竭的自然資源和環(huán)境污染,合理地開發(fā)生物質(zhì)迫在眉睫[1-3]。生物質(zhì)中的碳元素參與大氣循環(huán),與儲(chǔ)存在化石燃料中的碳元素不同,生物質(zhì)燃料燃燒不會(huì)加重溫室效應(yīng)[4-5]。但是生物質(zhì)的生產(chǎn)受自然環(huán)境制約,不能長期作為燃料的供應(yīng)源,現(xiàn)階段只能作為輔料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。生物質(zhì)在工業(yè)中的應(yīng)用,一方面可以代替部分化石燃料減少COx,NOx和SOx的排放,另一方面可以緩解化石能源過度消耗帶來的能源危機(jī)。
生物質(zhì)混煤煉焦是在無氧、高溫環(huán)境下共熱解[6]。由于其復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),生物質(zhì)混煤共熱解是否發(fā)生協(xié)同作用,至今受到爭議。一部分學(xué)者認(rèn)為生物質(zhì)和煤共熱解具有協(xié)同效應(yīng),主要是生物質(zhì)中的堿金屬及堿土金屬對(duì)煤炭的熱解有催化作用,且生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的活性氫會(huì)使煤熱解過程中產(chǎn)生的自由基穩(wěn)定下來,從而使煤大顆粒分子發(fā)生“低分子化”,生成更多的膠質(zhì)體產(chǎn)物,改善煤的焦結(jié)性[7];另一部分學(xué)者則認(rèn)為生物質(zhì)與煤熱解無協(xié)同作用發(fā)生,只是兩者熱解單純的疊加[8-9]。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)混煤煉焦工藝鮮有研究。目前,關(guān)于型焦的研究多集中于工業(yè)用焦,對(duì)于民用型焦制備工藝和性能的研究仍較少,抗壓強(qiáng)度是衡量型焦質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[10-12]。筆者在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)之前研究了升溫速率和壓強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)混煤炭化的影響:在450 ℃以前升溫速率對(duì)生物質(zhì)混煤的熱解沒有影響,只是兩者熱解的單純疊加;在450 ℃以后生物質(zhì)混煤熱解產(chǎn)物量發(fā)生了變化,而且隨著壓強(qiáng)的增加生物質(zhì)煤焦的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)升溫速率和壓強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)煤焦的影響規(guī)律制定了三種煤焦制備工藝,并對(duì)制取的生物質(zhì)煤焦進(jìn)行性能檢測,進(jìn)而確定最佳生物質(zhì)煤焦制備工藝流程。
實(shí)驗(yàn)所用煤樣為焦煤,由唐山某燒結(jié)廠提供,作為參考目標(biāo)產(chǎn)物;生物質(zhì)為松木、花生果殼和玉米秸稈,取自唐山郊區(qū)。
將煤樣用顎式破碎機(jī)粉碎后,選取徑粒小于3 mm的煤樣放入球磨制樣機(jī)中進(jìn)行細(xì)磨,篩選粒徑在75 μm~150 μm的煤樣。
將生物質(zhì)放到齒爪式粉碎機(jī)中破碎,篩選粒徑在150 μm~600 μm的生物質(zhì)。
三種生物質(zhì)和焦煤的工業(yè)分析結(jié)果見表1。
表1 生物質(zhì)和焦煤的工業(yè)分析
由表1可以看出,生物質(zhì)的固定碳含量不超過總質(zhì)量的20%,揮發(fā)分含量較高,最高可達(dá)77.15%;而焦煤的固定碳含量為69.17%,約為生物質(zhì)中固定碳含量的3.5倍,但揮發(fā)分含量僅為16.90%,約為生物質(zhì)中揮發(fā)分含量的1/4。同等條件下,焦煤燃燒放出的熱量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)燃燒放出的熱量,焦煤中揮發(fā)分的含量遠(yuǎn)低于生物質(zhì)中揮發(fā)分的含量,說明生物質(zhì)熱解氣體產(chǎn)物更加有回收與利用價(jià)值。生物質(zhì)自身的工業(yè)性質(zhì)決定了在熱解過程中除了得到生物質(zhì)炭,也要充分回收熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分與焦油,以提高生物質(zhì)的附加值。實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行炭化來提高固定碳的含量,使其與焦煤固定碳的含量接近,且性能更加接近煤焦的性能。
利用程控式管式爐(JWT-702)制備不同工藝參數(shù)的生物質(zhì)煤焦,為了優(yōu)化生物質(zhì)煤焦的性能,設(shè)計(jì)了三種工藝路線。工藝A:生物質(zhì)混煤炭化至900 ℃,炭化過程中加配重;工藝B:生物質(zhì)混煤加壓成型,再炭化至900 ℃,炭化過程加配重;工藝C:生物質(zhì)單獨(dú)炭化至450 ℃后冷卻,再混煤加壓成型,最后共炭化至900 ℃,炭化過程加配重。實(shí)驗(yàn)過程中通入氮?dú)庾鳛楸Wo(hù)氣,具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。
表2 生物質(zhì)型煤炭化工藝參數(shù)
利用美國麥克莫瑞提克公司生產(chǎn)的高性能全自動(dòng)壓汞儀(Auto Porelv 9500)對(duì)生物質(zhì)煤焦的比表面積、孔容、孔隙率及孔徑分布進(jìn)行分析,研究不同炭化工藝對(duì)生物質(zhì)煤焦孔隙的影響。
利用數(shù)顯式壓力機(jī)(YES-300)對(duì)生物質(zhì)煤焦的抗壓冷強(qiáng)度進(jìn)行測定,探究不同炭化工藝對(duì)生物質(zhì)煤焦抗壓冷強(qiáng)度的影響。先將壓力機(jī)通電開機(jī)預(yù)熱30 min,再給油將壓力機(jī)升到適當(dāng)?shù)奈恢猛V梗髮悠贩湃雺毫C(jī)的正中央,再給油讓壓力機(jī)平穩(wěn)上升,直到壓力機(jī)顯示屏上示數(shù)不變后停止給油,并記錄下顯示屏上的壓力值,再卸油。
利用荷蘭FEI捷克公司生產(chǎn)的Scios03040702型聚焦離子束場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)熱解后的樣品進(jìn)行微觀形貌觀測。在樣品臺(tái)上布置好導(dǎo)電膠,將不同工藝下制備的生物質(zhì)煤焦粘在上面,輕吹樣品不掉落,說明樣品制備合格,然后將其放入觀測倉內(nèi)進(jìn)行觀測。
利用北京恒久公司生產(chǎn)的高溫綜合熱分析儀(HTC-3)對(duì)不同工藝下制備的生物質(zhì)煤焦進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),來研究不同制備工藝對(duì)生物質(zhì)煤焦放熱速率和著火點(diǎn)的影響。在生物質(zhì)煤焦熱重實(shí)驗(yàn)中通入氧氣,實(shí)驗(yàn)過程中氣體流量設(shè)定為50 mL/min,升溫速率為15 ℃/min,加熱終溫為800 ℃,保溫時(shí)間為20 min,參與燃燒實(shí)驗(yàn)的生物質(zhì)煤焦的質(zhì)量為(30±0.5)mg。
在生物質(zhì)煤焦制備的過程中,用炭化后的生物質(zhì)煤焦質(zhì)量除以未炭化生物質(zhì)煤焦的質(zhì)量,就可以得到生物質(zhì)煤焦的產(chǎn)率。為了解不同炭化工藝對(duì)生物質(zhì)煤焦產(chǎn)率的影響,選用了三種生物質(zhì)(松木、花生果殼、玉米秸稈)為研究對(duì)象,記錄生物質(zhì)煤焦炭化前后的質(zhì)量,并計(jì)算出三種生物質(zhì)煤焦的產(chǎn)率(稱量誤差不大于1 g),結(jié)果見表3。
表3 煤焦和不同工藝下生物質(zhì)煤焦的產(chǎn)率
已有研究[13-14]表明,熱解壓力的提高會(huì)增加焦產(chǎn)率,這是因?yàn)閴毫Φ奶岣呓档土藫]發(fā)分的擴(kuò)散速率,這種作用使得液態(tài)揮發(fā)分從焦表面逸出受阻,使其在煤焦熱解過程中停留時(shí)間延長,從而促進(jìn)揮發(fā)分在半焦顆粒內(nèi)的二次裂解,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為炭黑。由表3可以看出,工藝A制備的生物質(zhì)煤焦產(chǎn)率最低,這是因?yàn)楣に嘇中沒有對(duì)生物質(zhì)混煤原料進(jìn)行加壓,以致其孔隙較大,密度較小,在炭化過程中揮發(fā)分析出充分,所以在炭化前可以通過加壓的方式來提高生物質(zhì)煤焦的產(chǎn)率。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)工藝C的生物質(zhì)煤焦產(chǎn)率最高,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是工藝C通過低溫炭化生物質(zhì)使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞,失去韌性和彈性,易于加壓成型,在二段炭化時(shí)生物質(zhì)混煤原料中的揮發(fā)分不易析出;而工藝A和工藝B中的生物質(zhì)在加壓成型時(shí)沒有被炭化,以致其加壓成型效果較差。這說明先對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行低溫炭化,再混煤加壓炭化至終溫,可以提高生物質(zhì)煤焦的產(chǎn)率。
OKUMURA et al[15]通過SEM觀察到高壓下產(chǎn)生的半焦結(jié)構(gòu)比常壓下產(chǎn)生的半焦結(jié)構(gòu)更加致密,其歸因于高壓下?lián)]發(fā)分析出受到限制。CETIN et al[16]研究認(rèn)為熱解壓力的升高導(dǎo)致半焦孔徑增大、微孔數(shù)量減小是比表面積減小的主要原因。本實(shí)驗(yàn)通過改變生物質(zhì)型煤的成型壓力與生物質(zhì)的加入形態(tài),來研究不同工藝對(duì)生物質(zhì)煤焦比表面積、孔容、孔徑和孔隙率的影響。煤焦和不同工藝下花生果殼煤焦的孔隙參數(shù)見表4,孔徑分布見圖1。
通過表4對(duì)比工藝A和工藝B可以看出,改變生物質(zhì)型煤的成型壓力,導(dǎo)致炭化后的生物質(zhì)煤焦的平均孔容、比表面積、平均孔徑和孔隙率都出現(xiàn)一定程度的下降;通過對(duì)比工藝B和工藝C可以看出,改變生物質(zhì)的加入形態(tài),會(huì)使炭化后生物質(zhì)煤焦的平均孔容、比表面積和平均孔徑略有提升,但孔隙率出現(xiàn)了大幅度的下降。結(jié)合表4和圖1可以發(fā)現(xiàn),三種工藝制備的生物質(zhì)煤焦的孔隙率比煤焦的孔隙率要降低一半,孔徑主要分布在0~6 000 nm,而煤焦的孔徑主要分布在0~3 000 nm和≥6 000 nm,這是因?yàn)樯镔|(zhì)的加入會(huì)填充焦煤熱解時(shí)產(chǎn)生的較大的孔,導(dǎo)致生物質(zhì)煤焦的孔隙率下降,但是由于生物質(zhì)炭是多孔物質(zhì),會(huì)增加微孔的數(shù)量。
表4 煤焦和不同工藝下花生果殼煤焦的孔隙參數(shù)
圖1 煤焦和不同工藝下花生果殼煤焦的孔徑分布
焦炭質(zhì)量與配煤質(zhì)量的基礎(chǔ)水平、型煤強(qiáng)度和密度等有關(guān)[17-18]。實(shí)驗(yàn)過程中通過改變生物質(zhì)型煤的成型壓力與生物質(zhì)的加入形態(tài)影響型煤的強(qiáng)度與密度,進(jìn)一步影響型煤成焦的質(zhì)量。圖2所示為煤焦和不同工藝下生物質(zhì)煤焦的抗壓冷強(qiáng)度。由圖2可以看出,工藝A制備的生物質(zhì)煤焦抗壓冷強(qiáng)度最低,工藝B制備的生物質(zhì)煤焦抗壓冷強(qiáng)度次之,工藝C制備的生物質(zhì)煤焦抗壓冷強(qiáng)度最高。工藝B通過對(duì)生物質(zhì)混煤燃料加壓成型,增加了型煤的成型強(qiáng)度與密度,使其制備的生物質(zhì)煤焦抗壓冷強(qiáng)度在工藝A的基礎(chǔ)上提高了7倍~8倍。工藝C先對(duì)生物質(zhì)低溫炭化,使其失去塑性與韌性,再混入煤粉加壓成型,會(huì)使其型煤的強(qiáng)度與密度大幅度增加,從而使其抗壓冷強(qiáng)度在工藝B的基礎(chǔ)上提高了2.8倍~3倍。加壓成型與生物質(zhì)的低溫炭化都是為了使生物質(zhì)混煤原料在炭化時(shí)煤產(chǎn)生的有限的膠質(zhì)體能夠均勻地覆蓋在生物質(zhì)與煤的顆粒表面,這使得在炭化過程中生物質(zhì)混煤原料的密度成為了改善生物質(zhì)煤焦質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
圖2 煤焦和不同工藝下生物質(zhì)煤焦的抗壓冷強(qiáng)度
圖3所示為不同工藝下花生果殼煤焦的微觀形貌。由圖3a可以看出,大量的細(xì)小生物質(zhì)炭粒被膠質(zhì)體覆蓋,沒有形成較大的顆粒,這是因?yàn)闆]有對(duì)生物質(zhì)型煤進(jìn)行加壓,生物質(zhì)型煤在炭化過程中沒有足夠的膠質(zhì)體可以浸潤這些生物質(zhì),反而被這些生物質(zhì)所稀釋,以致炭化后的生物質(zhì)煤焦強(qiáng)度急劇下降。由圖3b可以看出,幾個(gè)較大的顆粒交錯(cuò)連接在一起,這是因?yàn)樯镔|(zhì)型煤被加壓,使生物質(zhì)型煤的密度增大,內(nèi)部的空間被壓縮,在炭化過程中有限的膠質(zhì)體可以包覆、浸潤生物質(zhì)炭及其微小的孔隙,使生物質(zhì)煤焦的強(qiáng)度有一定程度的提高。由圖3c可以看出,生物質(zhì)炭形成塊,這是因?yàn)樯镔|(zhì)先被低溫炭化,揮發(fā)出大部分的揮發(fā)分,失去活性和韌性,在混煤加壓過程中更容易形成高密度的生物質(zhì)型煤,而且在炭化過程中揮發(fā)分析出減少,生物質(zhì)煤焦內(nèi)部不會(huì)形成大量孔隙,有限的膠質(zhì)體可以更好地分布在生物質(zhì)煤焦內(nèi)部,使生物質(zhì)煤焦的強(qiáng)度進(jìn)一步得到提升。
圖3 不同工藝下花生果殼煤焦的微觀形貌
通過熱重實(shí)驗(yàn)測定了不同工藝制備的生物質(zhì)煤焦的燃燒反應(yīng)特性,以研究生物質(zhì)型煤成型壓力及生物質(zhì)的加入形態(tài)對(duì)生物質(zhì)煤焦燃燒性能的影響。CETIN et al[16]認(rèn)為熱解壓力通過影響生物質(zhì)半焦的化學(xué)結(jié)構(gòu)和半焦本征反應(yīng)性,使高壓下所得半焦氣化反應(yīng)速率較常壓下所得半焦的氣化反應(yīng)速率低。此外,一些學(xué)者[19-20]研究認(rèn)為熱解壓力通過影響煤焦的膨脹系數(shù)來改變煤焦的比表面積及孔結(jié)構(gòu)和孔隙率,進(jìn)而影響焦的反應(yīng)性。表5所示為煤焦和不同工藝下花生果殼煤焦的燃燒性能參數(shù)。
通過對(duì)比表5中的工藝A和工藝B可以看出,改變生物質(zhì)型煤的成型壓力可以提高生物質(zhì)煤焦的著火溫度,但是放熱速率基本沒變。通過對(duì)比工藝B和工藝C可以看出,改變生物質(zhì)的加入形態(tài),可以增大放熱區(qū)間,降低氧化反應(yīng)速率,但對(duì)著火溫度影響不大。
表5 煤焦和不同工藝下花生果殼煤焦的燃燒性能參數(shù)
Note:teis the extrapolated onset temperature;tmis the peak fuel exotherm temperature;tcis the extrapolated endpoint temperature.
1)對(duì)生物質(zhì)混煤原料加壓成型可以使生物質(zhì)煤焦的產(chǎn)率提高至少4%,最高可達(dá)58.81%;孔容、孔徑、比表面積和孔隙率均有一定程度的下降;抗壓冷強(qiáng)度提高7倍~8倍,最大可達(dá)1.23 MPa;著火點(diǎn)提高20 ℃,放熱速率基本沒變。
2)對(duì)生物質(zhì)低溫炭化再混煤加壓可以使生物質(zhì)煤焦的產(chǎn)率提高至少5%,最高可達(dá)59.39%;孔隙率大幅度下降,孔容、孔徑和比表面積變化不大;抗壓冷強(qiáng)度提高19倍~24倍,最大可達(dá)3.77 MPa;放熱區(qū)間增大,放熱速率減小,著火點(diǎn)基本不變。