基于褐煤的生物质型煤成型机理及其特性研究

【摘要】：褐煤,是世界上丰富而广泛存在的化石资源,但它却受到自身高水分、高灰分、低热值、低灰熔点、热稳定性差和容易风化自燃等特点的影响,限制了其使用范围和利用途径。而传统粗放的褐煤利用(发电)方式最终会威胁到它的有限的资源属性,也会恶化环境。因此,褐煤在利用前必须对其进行提质,同时混合生物质可直接减少依靠燃烧化石燃料而产生的二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物的排放量,最终实现褐煤和生物质的高效洁净利用。本论文针对褐煤和生物质利用的研究现状,采用机械热压脱水方法对我国褐煤和生物质混合成型工艺展开了研究,探讨了生物质和褐煤在机械和加热的共同作用下物料颗粒间的成型粘结机理,并对加工的生物质型煤的热解特性进行了初步研究。 首先,进行了生物质型煤热压工艺条件的研究和成型工艺的优化。以小龙潭褐煤、先锋褐煤与生物质(水稻秸杆、小麦秸杆、云杉锯末)为试验物料,选择成型压力、成型温度、保压时间、生物质配比、颗粒粒径等因素,以生物质型煤机械强度(抗压强度、抗破碎强度、跌落强度)为指标对生物质型煤成型工艺展开研究,探讨了成型工艺条件与生物质型煤强度的关系。在选择的因素水平中,影响生物质型煤机械强度主次因素依次为:成型压力生物质配比成型温度保压时间,且成型压力和生物质配比的交互作用对抗压强度和抗冲击强度影响显著,成型温度和保压时间的交互作用对于抗压强度的影响不显著。 其次,对生物质型煤的成型粘结机理进行了研究。通过显微结构观察分析,生物质不同长度的纤维相互连接,互相缠绕交联,形成网络,褐煤颗粒包裹于纤维网络中;在热压作用下生物质出现了玻璃化转变,和水以及褐煤的部分熔融物质一起形成了颗粒间的液体桥,在生物质型煤出模后该液体桥转变为固体桥,增加了生物质型煤的抗压强度。另外热压的作用也会增加生物质型煤的塑性,减弱生物质型煤出模后的松弛性(弹性),避免型煤产品开裂,有助于提高生物质型煤的跌落强度。而将生物质采用稀碱液处理后作为型煤的粘结剂可以提高型煤的机械强度和防水性能。从电势和颗粒特性分析知,褐煤和生物质表面Zeta电位均为负值,而且它们亲水性均较高,热压作用虽然可以增加其接触角,但从防水性试验来看热压效果不显著;另外,热压作用可降低褐煤孔容、比表面积和孔隙率。生物质型煤具有较好的机械强度是多种机制共同作用的结果,综合生物质型煤颗粒间的结合力,颗粒间桥接为主要机制,而机械结合力和物理化学结合力(化学键、静电力、范德华力等)起到的作用比较小。 再次,对生物质型煤成型工艺条件进行了小试研究,得到了跌落强度试验指标与各组分之间的回归方程,并求出了优化成型条件:稻壳配比为27-31%,保压时间为20~21min,温度为146-153℃。而小龙潭褐煤/小麦秸秆混合燃料最佳的成型条件为:秸秆粒度为0.16-0.38mm,温度为140℃,压力为15MPa,保压时间为20min。 最后,对生物质型煤的热解特性展开了初步研究。试验物料的热解过程可以分为四个阶段,其中第三阶段为物料发生热解的主要阶段,物料失重最多,达40 %-50 %。褐煤和水稻秸杆混合后,热重曲线分阶段出现褐煤和秸杆的热解特性,近似为二者的叠加。随后采用Coats-Redfern法对热解曲线进行了拟合,建立了分阶段的拟合动力学方程。 该论文有图65幅,表25个,参考文献146篇。 【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ536

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