王文雅 吳鵬 呂玉庭 魏立國 宋微娜 解麗萍

摘要：為了解決玉米秸稈資源化利用率低和褐煤難于成型、成型后燃燼率不高等問題，以褐煤和玉米秸稈為原料，考察了玉米秸稈添加量、水添加量、成型壓力因素對(duì)制備玉米秸稈/褐煤型煤抗碎強(qiáng)度的影響，采用熱重分析法對(duì)制備的玉米秸稈/褐煤型煤的燃燒性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：當(dāng)成型壓力為1961.330N/cm2，水添加量為0.2mL，玉米秸稈添加量為50%時(shí)得到的玉米秸稈/褐煤型煤的抗碎性能最佳。熱重分析結(jié)果表明，添加玉米秸稈后玉米秸稈/褐煤型煤的著火點(diǎn)由433℃降至282℃，燃燼率由94.72%提升至99.88%，單位時(shí)間發(fā)熱量增加。研究結(jié)果為玉米秸稈/褐煤型煤的制備提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)，為玉米秸稈和褐煤的高效清潔利用提供了有效途徑。

關(guān)鍵詞：褐煤;玉米秸稈;型煤;抗碎強(qiáng)度;燃燒性能

中圖分類號(hào)TQ536文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2021）08-0203-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.053

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

PreparationandCombustionPerformanceofCornStalks/LigniteBriquette

WANGWen-ya，WUPeng，LYu-tingetal（SchoolofEnvironmental&ChemicalEngineering，HeilongjiangUniversityofScience&Technology，Harbin，Heilongjiang150022）

AbstractInordertosolvetheproblemsoflowmoldingrateandlowburningrateoflignitebriquette，lowmoldingrate，andlowutilizationrateofcornstrawresourcesutilizationrate，theeffectsofaddingamountofcornstalk，addingamountofwaterandformingpressureonthecrushingstrengthofpreparedcornstalk/lignitebriquettewerestudied.Thecombustionperformanceofthepreparedcornstalk/lignitebriquettewastestedbythermogravimetricanalysis.Theresultsshowedthatthecornstalk/lignitebriquettehadthebestcrushresistancewhenthemoldingpressurewas1961.330N/cm2，theaddingamountofwaterwas0.2mL，andtheadditionamountofcornstalkwas50%.Theresultsofthethermogravimetricanalysisshowedthattheignitionpointofcornstalk/lignitebriquettewasreducedfrom433℃to282℃，theburningratewasincreasedfrom94.72%to99.88%，andthecalorificvalueperunittimeincreased.Theresearchresultsprovidedexperimentalandtheoreticalbasisforthepreparationofcornstalk/lignitebriquette，andprovidedaneffectivewayfortheefficientandcleanutilizationofcornstalkandlignite.

KeywordsLignite;Cornstalks;Briquette;Crushingstrength;Combustionperformance

我國褐煤資源豐富，但褐煤的高水分、低熱值、容易風(fēng)化等特點(diǎn)限制了其有效利用[1]。褐煤成型可以有效解決其燃燒產(chǎn)塵量高、易風(fēng)化、不易運(yùn)輸[2]等問題，并可防止因褐煤高水分而對(duì)投料設(shè)備的堵塞和黏連。但僅用褐煤成型也有明顯缺陷，一方面，由于褐煤自身水分含量高[3]，導(dǎo)致型煤不容易脫模，成型率低，抗碎效果差;另一方面，由于褐煤的獨(dú)特性質(zhì)，成型后密度大，孔隙幾乎消失，導(dǎo)致型煤燃燒困難，燃燼率低。為改善這一狀況，可向褐煤型煤中摻雜一定比例的生物質(zhì)成分[4-5]。玉米秸稈是一種具有較高發(fā)熱量的生物質(zhì)材料[6]，其含有的大量木質(zhì)素、纖維素等物質(zhì)形成的纖維束[7]，對(duì)型煤成型可以起到黏連作用[8]，有助于褐煤成型。玉米秸稈的加入既可以增加型煤中的孔隙數(shù)量，也可提高型煤的燃燼率。此外，將農(nóng)業(yè)廢料玉米秸稈作為褐煤型煤的添加劑，可以有效解決玉米秸稈占地面積大、燃燒污染環(huán)境等問題[9]，同時(shí)達(dá)到回收玉米秸稈中有機(jī)熱量的目的。

為了獲得燃燒性能良好，抗碎性強(qiáng)的玉米秸稈/褐煤型煤，筆者采用單因素試驗(yàn)的方法，分別考察了成型壓力[10]、水添加量、玉米秸稈添加量對(duì)制備的玉米秸稈/褐煤型煤抗碎強(qiáng)度的影響，采用熱重分析方法研究了添加玉米秸稈后型煤燃燒著火點(diǎn)以及燃燼率等性能[11]的變化，旨在為玉米秸稈/褐煤型煤的制備提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)，為其實(shí)際應(yīng)用提供了理論數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1材料與設(shè)備

1.1.1試驗(yàn)材料。褐煤源于黑龍江省寶清縣朝陽煤礦，玉米秸稈源于哈爾濱市郊區(qū)。

1.1.2設(shè)備。嵌樣機(jī)，產(chǎn)自河南鶴壁設(shè)備制造公司。

1.2原材料預(yù)處理將秋季干燥玉米秸稈切割成小于30mm的短莖后，繼續(xù)在粉碎機(jī)中破碎至粒徑5mm以下。

使用粉碎機(jī)將空氣干燥基褐煤破碎至粒徑小于5mm。

1.3原材料性能分析采用GB/T211—2008煤炭工業(yè)分析標(biāo)準(zhǔn)方法獲得褐煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)。采用GB/T35835—2018玉米秸稈顆粒標(biāo)準(zhǔn)方法獲得玉米秸稈工業(yè)分析。

1.4制備玉米秸稈/褐煤型煤

將預(yù)處理后褐煤和玉米秸稈按照一定的比例，在嵌樣機(jī)中通過一定的壓力形成直徑1.5cm的球形型煤。采用單因素試驗(yàn)法，首先，控制煤粉與秸稈總添加量為2.5g，秸稈添加質(zhì)量占總添加量的20%，水添加量為0.2mL，改變成型壓力，控制成型壓力分別為784.532、1176.798、1569.064、1961.330、2353.596N/cm2;其次，控制玉米秸稈添加量為20%，成型壓力為1961.330N/cm2，改變水添加量，控制水添加量分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30mL;最后，控制成型壓力為1961.330N/cm2，水添加量為0.20mL，控制玉米秸稈添加量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%。

1.5燃燒性能測定

使用北京恒久科學(xué)儀器廠HCT-3型熱重分析儀對(duì)制備的型煤進(jìn)行熱重分析，取樣品10～15mg，褐煤程序控制升溫速率15℃/min，其他樣品程序控制升溫20℃/min，溫度為20～900℃。

1.6抗碎強(qiáng)度檢測將成型后的型煤在空氣中陰干7d左右，在地上鋪制鐵板，距離鐵板高1.5m處使型煤自由下落，收集落地后的型煤塊，進(jìn)行測量并計(jì)算其平均粒徑。

2結(jié)果與分析

2.1褐煤與玉米秸稈的工業(yè)分析

褐煤與玉米秸稈工業(yè)分析見表1。褐煤全水分（Mt）高達(dá)42%，其內(nèi)在水（Mad）為11.6%，這導(dǎo)致褐煤的低位發(fā)熱量（Qnet，v，ar）遠(yuǎn)低于秸稈的低位發(fā)熱量，且灰分含量（Aad）較高，導(dǎo)致著火點(diǎn)升高，燃盡時(shí)間拉長，故褐煤燃燒困難。而玉米秸稈灰分含量較低，僅4.95%，且揮發(fā)分含量（Vad）高達(dá)72.61%，具有較高的固定碳含量（FCad），故其發(fā)熱量較高，著火點(diǎn)低，容易燃燒?；谟衩捉斩捄托兔旱墓I(yè)分析數(shù)據(jù)可推測出，通過摻雜玉米秸稈制備型煤，因加入了高揮發(fā)分、高發(fā)熱量的玉米秸稈，可以降低型煤的著火點(diǎn)，使其易于點(diǎn)燃，并可以提高型煤的發(fā)熱量。因此，摻雜玉米秸稈制備型煤具有理論上和實(shí)際上的可行性。

2.2成型壓力對(duì)型煤抗碎強(qiáng)度的影響

不同成型壓力條件下制備的玉米秸稈/褐煤型煤的抗碎強(qiáng)度見圖1。從圖1可以看出，隨成型壓力的增大，抗碎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)成型壓力為1961.330N/cm2時(shí)抗碎強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的型煤的平均粒徑為1.5cm，型煤幾乎不發(fā)生破裂，此時(shí)型煤的抗碎強(qiáng)度最大，隨著成型壓力繼續(xù)增加，抗碎強(qiáng)度反而略有降低。其原因在于：型煤成型中加壓使煤粒之間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，縮小了煤粒之間的間隙，褐煤充分與玉米秸稈接觸，增大了型煤的抗碎強(qiáng)度[12]。但成型壓力過小會(huì)導(dǎo)致煤粒不能充分粘結(jié)，容易破碎;成型壓力大則會(huì)導(dǎo)致型煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，出現(xiàn)裂紋，型煤抗碎強(qiáng)度反而降低，還會(huì)導(dǎo)致不必要的能耗。因此，當(dāng)成型壓力為1961.330N/cm2時(shí)，可以獲得抗碎強(qiáng)度最佳的型煤。

2.3水添加量對(duì)型煤抗碎強(qiáng)度的影響

不同水添加量條件下制備的玉米秸稈/褐煤型煤的抗碎強(qiáng)度見圖2。從圖2可以看出，隨著水添加量的增大，抗碎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，當(dāng)水添加量為0.20mL時(shí)，抗碎強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的型煤的平均粒徑為1.5cm，型煤幾乎不發(fā)生破裂，此時(shí)型煤的抗碎強(qiáng)度最大，隨著水添加量的繼續(xù)增加，抗碎強(qiáng)度反而略有降低。其原因在于：水存在使煤粒間相互運(yùn)動(dòng)順利，促進(jìn)粘結(jié)。若水添加量過多，會(huì)造成型煤水分分布不均出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，抗碎強(qiáng)度降低，容易破碎;若水添加量太少，則不利于粘結(jié)，易破碎。另外，褐煤本身含有較多水分，相較于其他類似研究，試驗(yàn)中水添加量僅為材料總量的8%左右，整體水添加量較少，充分利用了褐煤中的水分，節(jié)約了水資源。因此，當(dāng)水添加量為0.20mL時(shí)，可以獲得抗碎強(qiáng)度最佳的型煤。

2.4玉米秸稈添加量對(duì)型煤抗碎強(qiáng)度的影響

不同玉米秸稈添加量條件下制備的玉米秸稈/褐煤型煤的抗碎強(qiáng)度見圖3。從圖3可以看出，隨著玉米秸稈添加量的增大，抗碎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，當(dāng)玉米秸稈添加量為50%時(shí)，抗碎強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的型煤的平均粒徑為1.5cm，型煤幾乎不發(fā)生破裂，此時(shí)型煤的抗碎強(qiáng)度最大，隨著玉米秸稈添加量的繼續(xù)增加，抗碎強(qiáng)度反而略有降低。其原因在于：玉米秸稈含有的木質(zhì)素、纖維素等物質(zhì)起到粘結(jié)作用[13]，但當(dāng)秸稈添加量增加到一定程度時(shí)，玉米秸稈膨脹作用超過粘結(jié)作用，導(dǎo)致型煤易碎。因此，當(dāng)玉米秸稈添加量為50%時(shí)，可以獲得抗碎強(qiáng)度最佳的型煤。

2.5燃燒性能

從圖4（a）可以看出，350℃時(shí)褐煤的熱重（TG）曲線開始出現(xiàn)明顯下降，且微熵?zé)嶂兀―TG）曲線僅有一個(gè)顯著峰，到646℃時(shí)失重結(jié)束，整個(gè)失重過程持續(xù)了43min左右。這個(gè)階段的失重主要是揮發(fā)分逸出和固定碳燃燒造成的。根據(jù)著火點(diǎn)算法[14]可知，褐煤的著火點(diǎn)（Tm）為433℃。

從圖4（b）可以看出，262℃時(shí)TG曲線出現(xiàn)明顯下降，此時(shí)為揮發(fā)分析出的初始溫度。圖中TG曲線有2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)到DTG曲線上有2個(gè)顯著峰，320℃時(shí)DTG曲線出現(xiàn)第一個(gè)顯著峰，該點(diǎn)為揮發(fā)分析出的最大速率對(duì)應(yīng)的溫度。422℃時(shí)DTG曲線出現(xiàn)第二個(gè)顯著峰，此點(diǎn)為固定碳析出最大速率的對(duì)應(yīng)溫度。當(dāng)溫度達(dá)到460℃時(shí)，TG曲線和DTG曲線幾乎不發(fā)生變化，玉米秸稈燃燒完全。失重過程持續(xù)了23min左右。玉米秸稈的著火點(diǎn)為281℃。

圖5（a）為成型壓力1961.330N/cm2，水添加量為0.2mL，玉米秸稈添加量為20%的玉米秸稈＼褐煤型煤的熱重曲線。DTG曲線200℃出現(xiàn)一個(gè)小峰，此時(shí)失重主要是內(nèi)在水的析出造成的。277℃下TG曲線開始明顯下降，這階段的失重主要是揮發(fā)分析出造成的，342℃下達(dá)到揮發(fā)分最大析出率。380℃下TG曲線繼續(xù)下降，此時(shí)固定碳與揮發(fā)分都有析出，420℃下析出速率達(dá)到最大。506℃下TG曲線又有明顯下降，這階段主要是固定碳析出，579℃下達(dá)到最大析出率。根據(jù)著火點(diǎn)算法，型煤著火點(diǎn)為312℃。

圖5（b）為成型壓力1961.330N/cm2，水添加量為0.2mL，玉米秸稈添加量為30%的玉米秸稈/褐煤型煤的熱重曲線。從圖5（b）可以看出，DTG曲線在200℃時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)小峰，此點(diǎn)為內(nèi)在水的最大析出速率。DTG曲線中有2個(gè)顯著峰，281℃時(shí)TG曲線開始出現(xiàn)明顯下降，此時(shí)主要為揮發(fā)分析出，378℃時(shí)達(dá)到揮發(fā)分最大析出率。從399℃開始，TG曲線繼續(xù)下降，此時(shí)主要為固定碳析出，556℃時(shí)達(dá)到固定碳最大析出率。型煤著火點(diǎn)為316℃。

圖5（c）為成型壓力1961.330N/cm2，水添加量為0.2mL，玉米秸稈添加量為50%的玉米秸稈/褐煤型煤的熱重曲線。第一階段失重在251℃時(shí)到320℃，在此溫度區(qū)間內(nèi)TG曲線出現(xiàn)明顯下降，這個(gè)階段主要發(fā)生的揮發(fā)分和固定碳的析出。320℃后的失重階段主要是因固定碳析出而造成的。DTG曲線在352℃和527℃時(shí)出現(xiàn)2個(gè)小峰，但整體變化均勻，樣品燃燒穩(wěn)定。型煤的著火點(diǎn)為282℃。

由表2可知，隨著摻雜秸稈的質(zhì)量增加，型煤著火點(diǎn)從433℃逐漸降低到282℃，可見玉米秸稈含量對(duì)型煤著火點(diǎn)影響不顯著。這是由于燃燒過程中玉米秸稈中的揮發(fā)分首先析出并燃燒，故著火點(diǎn)降低。隨著玉米秸稈的燃燒，在型煤中形成大量的孔隙，擴(kuò)大了煤與空氣接觸面積促進(jìn)燃燒，隨著玉米秸稈添加量的增加，型煤空隙量增大、固定碳含量減少，其燃燒時(shí)間也從43min縮短到30min，而燃燼率則逐漸提高至99.88%，同時(shí)單位時(shí)間型煤釋放熱量增多。從圖5（c）可以看出，DTG曲線只有一個(gè)明顯峰值，TG曲線失重均勻。以上結(jié)果表明玉米秸稈/褐煤型煤燃燒均勻，且在實(shí)際燃燒中具有良好的燃燒性能。

3結(jié)論

（1）成型壓力1961.330N/cm2，水添加量為0.20mL，玉米秸稈添加量為50%時(shí)，可獲得抗碎強(qiáng)度良好的型煤。

（2）與褐煤型煤相比，玉米秸稈/褐煤型煤燃燒性能得到明顯改善。著火點(diǎn)由433℃降低為282℃;燃燒時(shí)間從43min縮短為30min，單位時(shí)間釋放熱量增加;燃燼率由94.72%提高到99.88%。

該研究通過控制成型壓力、水添加量和玉米秸稈添加量，獲得了燃燒性能良好、抗碎性強(qiáng)的玉米秸稈/褐煤型煤，為其在生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

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