0、前言
煤炭是我国的第一能源，其中80%用于直接燃烧，这不仅造成能源利用率低，同时也造成了严重的大气污染。据统计，我国2006年S02排放量达2594万吨，烟尘排放量达1182万吨，其中80%源于燃煤。在这些燃煤污染源中，由于我国中小燃煤工业锅炉耗煤量大(年耗煤量约占燃煤总量的1/3)，且以燃用散煤为主，燃煤污染非常严重，但又因其数量众多（占锅炉总量的70%～80%）和分布面广，很难对其进行集中处理，成为我国继燃煤电厂之后的第二大难处理燃煤污染源。洁净型煤技术是洁净煤技术的重点项目之一，以洁净型煤代替散煤可以减少S02排放40%一70%，减少烟尘排放70%一90%，减少NOx 50%～60%，而且投资小、见效快，从我国的经济发展水平和锅炉燃煤的实际来看，使用洁净型煤代替散煤可以很好地解决这些中小锅炉燃煤污染问题。我国从二十世纪60年代、70年代就已经开始进行型煤技术的开发研究，但适合于中小吨位燃煤锅炉的洁净型煤技术并未取得有效进展，工业化程进仍然很慢。其原因主要是型煤质量不能保证，性能差，如型煤强度低，热稳定性差，燃烧性能差，使其不易点燃、燃烧不完全等，此外型煤粘结剂价格贵也是主要原因之一，富通新能源生产销售
秸秆颗粒机、
秸秆压块机、
木屑颗�；�等生物质颗粒燃料成型机械设备，同时我们还有大量的生物质颗粒燃料出售。
生物质型煤是近年来发展起来的新技术，通过节煤和生物质代煤的双重作用，减少温室气体C02和燃煤S02的排放，有利于缓解气候变暖和酸雨污染，对�；せ肪澈徒谠寄茉淳哂兄卮笠庖�，是型煤技术发展的一个重要方向。而且我国生物质能源丰富，每年农业产生的生物质秸秆可达7亿吨，这些生物质大部分被简单焚烧，造成严重的环境污染。中国工程院院士郝吉明认为，生物质型煤技术是开发利用煤和生物质能的新途径，它充分利用了煤和生物质自身的优势，便于保证燃料热值，利于克服常规型煤性能的不足，更重要的是生物质纤维的网络连接作用可省去粘结剂的使用，也没有后续烘干工序，因此能大大降低加工成本。河南理工大学和清华大学近年在生物质型煤成型方法、燃烧特性、和减少大气污染等方面进行了研究，结果表明生物质型煤综合性能良好，生物质型煤技术为生物质能大规模的工业化利用提供了可能的有效途径。因此，以生物质制备型煤可提高能源利用率和减少因简单直接燃烧带来的环境污染问题，而且以生物质作为型煤粘结剂不仅会增加型煤的机械强度，也会明显降低型煤的着火温度。
本课题组在以前高强度锅炉型煤的研究基础上，以生物质玉米秸秆和小麦秸秆作为型煤粘结剂的主要原料，进行生物质改性方式和添加量等对型煤机械强度和着火温度的影响研究，并阐明了这种影响的内在机制，为生物质型煤的实验室开发和进一步的工业应用提供技术支持。
1、实验材料及型煤性能的测试方法
1.1实验材料
(1)玉米秸秆和小麦秸秆：取自山西省太原市附近农村，自然干燥后，将玉米秸秆和小麦秸秆处理为长度为5~7 cm的长条状，备用；
(2)氢氧化钠（分析纯）（天津市化学试剂三厂）；
(3)原料配煤：榆次无烟煤和宁武烟煤混合煤（配煤比例3:1），用破碎机破碎至3mm以下，备用；
(4)添加剂：氧化镁（分析纯）（北京市通广精细化工公司），氯化镁（分析纯）（天津市化学试剂三厂）。
1.2煤和秸秆的工业分析
实验所用原煤和秸秆采用CT5000A型多用热量测定仪（中国矿业大学研制），CTM300型自动控温仪（中国矿业大学研制），WDL -9微机汉显快速测硫仪（鹤壁科力测控技术有限公司）进行工业分析检测，检测结果见表1。
13型煤的物理性能测试方法
改性生物质粘结剂的性能通过型煤物理性能来体现和衡量，主要包括抗压强度、跌落强度、浸水强度和复干强度，其测定方法如下：
(1)抗压强度：在XY - 01型型煤液压抗压强度测定仪（北京顺义牛栏山顺达制造厂）上进行，将型煤逐个置于规定的试验机的施力面中心位置上，以规定的均匀位移速度单向施力，记录型煤开裂时试验机显示施加的压力，以各个型煤测定值得算术平均值作为生物质型煤的抗压强度（单位N/个）。
(2)跌落强度：依据GB/T15459规定的方法进行，取10个煤球称重，装在箱底可以打开的箱子里，在离地2.0 m高处打开箱底，让煤球自由跌落到12mm厚的钢板上，反复跌落3次后，用13 mm的筛子筛分，取大于13 mm级的质量分数作为煤球的跌落强度指标。
(3)浸水强度：按照MT/T749 - 1997规定的方法进行。测定方法要点为：一定数量的型煤放入室温的水中浸泡达24 h后，取出，然后按照抗压强度的方法进行测定。
(4)复干强度：将一定数量的型煤在室温的水中浸泡24 h后取出，在(105±5)℃下干燥后冷却到室温，使其达到空气干燥状态，然后按照抗压强度的方法进行测定。
(5)着火点：生物质型煤的燃烧实验在SCM5800型人工智能箱式电阻炉（洛阳西格马仪器制造有限公司）中进行，所用电阻炉能准确实现控温、测温，并有数字显示仪，能实时地显示当前所测温度，便于观察和记录数据。实验时，以20aC/min的速率升温，观察型煤燃烧状态的变化，并根据其变化得出各种生物质型煤的着火点。
2、生物质粘结剂的制备工艺及实验方法
2.1生物质粘结剂的制备工艺
称取适量的玉米秸秆或小麦秸秆，放入特制的铁质反应容器中，加入一定量的NaOH改性溶液，然后在90℃搅拌加热一小时后冷却备用。
2.2生物质粘结剂的研究方法
(1)NaOH改性液浓度对型煤性能指标的影响
实验配制不同质量浓度的氢氧化钠改性液(0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)，对生物质进行改性，并控制生物质添加量为10%，按照制备工艺，将其加工成型煤，测试各项物理指标，进行比较，研究不同NaOH改性液浓度对型煤机械强度的影响。
(2)改性生物质加入量对型煤性能指标的影响
选用实验(1)确定的NaOH改性液对生物质进行改性制备生物质型煤，确定生物质的合适加入量，进一步研究不同生物质加入量对型煤机械强度的影响。
(3)复合粘结剂对生物质型煤性能指标的影响
上述制备的型煤防水性较差，为改善其防水性，在型煤中加入适量的Mg0和MgCl2与改性生物质形成复合粘结剂，以提高型煤的防水性，并考察加入量对型煤强度的影响。
(4)复合粘结剂对型煤着火温度的影响
使用自动控温仪和智能电阻炉检测使用无机粘结剂(Mg0和MgCl2)制得的型煤与研究内容(3)制得的型煤的着火温度。通过观察型煤的燃烧状态和记录电阻炉显示的实时温度进行，考察添加玉米秸秆和小麦秸秆后型煤的着火温度的变化趋势。
3、结果与讨论
3.1NaOH改性液浓度对型煤机械强度的影响
依据研究方法2.2(1)，实验结果如表2所示。
由表2可知，本实验所有型煤样品都具有很高的跌落强度和抗压强度，均满足山西省DB 14/133 -2005标准要求。随着NaOH浓度的变化，强度变化不同。对于型煤的跌落强度，用小麦秸秆和玉米秸秆制备的生物质型煤表现出来较为一致的趋势，当NaOH溶液的浓度在1.0%～2.O%时，型煤的跌落强度较高且比较稳定；当NaOH溶液的浓度在1.0%·1.5%时，两种生物质型煤的抗压强度较高，且玉米秸秆型煤在该浓度范围内的抗压强度要高于小麦秸秆型煤的。
为了考察氢氧化钠改性对生物质的影响，用显微镜观察其结构，图1是不同浓度改性后小麦秸秆表面结构图。
从图l可以看出：NaOH改性液浓度为0（即纯水）时，小麦秸秆表面结构整齐有序，结构间隙很小(见图1(1))；用0.5%的NaOH溶液改性后(见图l(2》的秸秆整体结构变化不大，出现一些空隙；用1.0%的NaOH溶液改性后，秸秆结构出现更多空隙，空间结构较复杂；用1.5%～2.0%的NaOH溶液改性后(见图1(4)、l(5))，秸秆结构空隙变大且疏松，出现结构的相互交联现象；用2.5%的NaOH溶液改性后(见图l(6))空间结构较单一，秸秆变成细丝状。文献[15J表明，当生物质用NaOH溶液改性时，纤维类物质中的木质素会发生分解，秸秆在90℃经氢氧化钠处理改性后，纤维素类物质明显消失，可能是秸秆中的木质素发生了分解，使纤维
素和半纤维素彼此分离造成的，并产生了具有粘结作用的糖类以及果胶、单宁等物质，通过混合搅拌使其形成复杂的空间网状结构j将改性后生物质添加到原料煤中，其纤维结构形成的复杂的空间网状结构会网罗大量煤粒，经过成型压力的作用使型煤形成一个强度很高的实体。随着NaOH改性液浓度的增加，改性后秸秆的木质素分解更为完全，产生的粘性物质更多，因而能更均匀地与原料煤混合，型煤强度也更高。但随着NaOH浓度增加（如>2.0%时）．木质素分解程度进一步增加，秸秆的纤维结构基本被完全破坏，反而使型煤的强度下降，因而不宜使用浓度太高NaOH溶液来对生物质进行改性。根据以上分析，选用浓度为1.0%。1.5%的NaOH溶液较为宜。
3.2改性生物质加入量对型煤性能指标的影响
由表3可知，在改性生物质加入量为2%．20%范围内，所有型煤样品都有很高的跌落强度和抗压强度，均能满足山西省DB 14/133～2005标准要求，随着生物质加入量的增加型煤的跌落强度和抗压强度明显增强，表明生物质加入量越多，具有连结作用的网状结构越多，越容易网罗煤粒，经过成型压力作用后形成的型煤强度越高。
茌浸水强度和复干强度的实验中，型煤浸泡24 h后全部破散，检测不出强度。说明在型煤中添加生物质后，有较高的跌落强度和抗压强度，但防水性差，主要是因为附着在煤粒表面起粘结作用的糖类、硅酸钠类等物质均是水溶性物质，遇水会溶解，致使型煤在水的作用下被泡散，防水性极低。需要采取进一步的措施提高型煤的防水性。
3.3复合粘结剂对生物质型煤机械强度的影响
依据实验方法2.2(3)，添加适量Mg0和MgC12后的实验结果见表4。
从表4可以知，添加适量Mg0和MgC12后，生物质型煤的物理性能均优于没有添加无机粘结剂的型煤（参照表3），而且型煤有了较高的浸水强度，满足山西省DB 14/133 - 2005标准要求，复干强度也比较高。随着改性秸秆加入量的增加，浸水强度和复干强度均有所下降，原因可能是型煤在水浸泡的情况下，未分解的秸秆会吸水发生膨胀，从而使型煤的浸水强度和复干强度降低。而文献[16)表明，Mg0和MgC12会与H20反应生成具有高强度的镁水泥，而且镁水泥可以在常温常压下硬化，硬化后具有良好的抗渗性，这与本实验结果相一致。因此，为了提高型煤的防水性，可使用适量Mg0和MgC12与改性生物质秸秆组成复合粘结剂。
3.4复合粘结剂对型煤着火温度的影响
依据研究内容2.4(4)，得到的无机粘结剂(Mg0和MgC12)制得的型煤与研究内容2.4(3)制得的型煤的的着火温度见表5。
从表中可以看出：随着改性秸秆加入量的增加，生物质型煤的着火温度逐渐降低，这是因为随着秸秆加入量的增加，型煤中可燃挥发分所占比例增加，从而使生物质型煤的着火温度逐渐降低。加入的改性生物质种类不同，型煤的着火温度降低的程度不同，加入改性玉米秸秆与加入改性小麦秸秆相比，型煤着火温度降低的程度较高，这是因为本研究所用玉米秸秆的可燃挥发分含量比小麦秸秆的含量高。
与无机粘结剂（Mg0和MgC12）制得的型煤相比较，生物质型煤的着火温度明显降低，这是因为生物质挥发份高易于引燃，生物质着火后，会迅速引燃周围的煤，从而降低型煤的整体着火温度。
4、实验结论
通过上述研究，得到如下结论：
(1)以1.0%～2.0%的NaOH溶液改性玉米、小麦秸秆制得的混合物可作为生物质型煤的粘结剂，生物质的添加量可达20%以上，随改性生物质量的增加，机械强度（跌落强度和抗压强度）均增加，但生物质型煤的防水性较差。
(2)使用改性生物质与Mg0和MgC12组成的复合粘结剂可使型煤具有很高的机械强度，且防水性能好，是一种有实用前途的粘结剂。
(3)与无机粘结剂(Mg0和MgC12)制得的型煤相比，生物质型煤的着火温度明显降低，生物质加人量为20%时，可使型煤的燃点降低至5100℃以下。
综上所述，利用改性的生物秸秆作为生物质型煤粘结剂，再辅以无机粘结剂（Mg0和MgC12）后，可制得性能优良的生物质型煤，制备工艺简单，且利用可再生的生物质代替矿物煤，既节约了成本，又减少了对环境的污染，是一种符合产业政策，值得推广的生产工艺。
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