生物质能具有资源丰富、可再生、清洁等优点，其开发利用是国内外广泛关注的课题．生物质及其废弃物可成型作燃料，成型方法和型块的性能等已有较多研究：生物质型煤技术可以充分利用煤和生物质的自身优势，又便于保证燃料热值，减少温室气体和S02的排放，国内外对生物质型煤技术进行了广泛研究，土耳其把褐煤和松果、锯木、造纸废液等混合在50～250 MPa压力下制燃料型煤，生物质添加量为0～30%．西班牙将锯木、橄榄核和劣质煤混合，用腐殖酸盐作黏结剂制型煤．日本开发出成型压力达200～400 MPa的成型机，用于生产生物质型煤，无干燥工序：中国矿业大学、河南理工大学等对改性农作物秸秆作型煤黏结剂进行了实验研究：，本文借助红外光谱和显微观测等技术手段，对生物质型煤的成型机理进行系统研究，同时研究其防水性能，以促进生物质型煤技术的发展和推广应用． 同创新能源生产销售的秸秆颗粒机、秸秆压块机专业压制生物质型煤。 1、试验条件 生物质原料为玉米秸秆，取自焦作农村，粉碎至3 mm以下备用．型煤黏结剂为玉米秸秆经处理制得的固液混合物，由生物质纤维和黏稠液组成．原料煤为平顶山烟煤，破碎至3唧备用，其煤质特性：分别为1. 81%，6.54%，29. 92%，61. 73%． 型煤微观结构观测系统：包括显微镜，安装视频采集卡和图像分析软件的计算机．TENSOR 27红外光谱仪，德国Bruker公司生产． 2、试验结果与讨论 2.1玉米秸秆及其制备黏结剂的红外光谱分析 分别将玉米秸秆原料及其制备黏结剂的样品按要求压片，用TEN-SOR 27红外光谱仪分析，2种样品的红外光谱分别如图1所示． 由图1可知，玉米秸秆及其制备黏结剂的红外光谱整体峰形类似，属于秸秆原料主要成分的特征峰在图l(b)中依然存在，如纤维素和半纤维素的相关谱带1164～1 167，1047一1060，1730一1732和897—901cm，以及与木质素相关的l 500 ~1 515，1594—1 607和1 327 ~1 331cm一特征谱峰等，说明玉米秸秆经处理得到的黏结剂中存在大量的生物质纤维，他们在生物质型煤中可起连接作用．与图l(a)相比，图l(b)中出现一些新的吸收峰，一些特征峰的位置、强度、峰形变化，如4 000—3 400 cm-l和2 000—1 500 cm“之间出现了许多新的尖峰；3 415—3 349,2 923，l 427，l 327，1 252，1 164和1 061 ~1 047 cm“处吸收峰相对强度降低，901 cm“处吸收峰的吸收强度显著降低，并呈肩状，这可能也与871 cm“处较强新峰的干扰有关，上述变化表明，玉米秸秆经处理后，纤维素、半纤维素等碳水化合物有一定程度的降解．木质素结构中苯环在1 515 cm“和1 607 cm-l处的特征吸收峰的强度增加，1 327 cm-l处与紫r香基有关的表示C-O伸展振动的吸收峰强度降低，l 252 cm-1处包含酚类中的c-o伸缩振动的吸收强度也显著降低，表明玉米秸秆中的木质素部分降解，导致苯环吸收峰的强度增加，芳构化程度趋于升高．以上结果表明，秸秆原料经处理后，纤维素、半纤维素和木质素等成分部分降解，得到低分子糖类等物质，作为型煤黏结剂中黏稠液的重要成分，在生物质型煤内起黏结作用，制备型煤黏结剂需经水浸、碱煮等工艺过程，秸秆原料的成分在微生物、热碱液等作用下发生降解，但由于使用的碱液碱性较弱，碱煮温度低于100，所以秸秆原料中纤维素、半纤维素和木质素等成分仅部分降解，图1(b)中871，712 cm“出现新的强吸收峰，这是碳酸根离子的伸缩振动和弯曲振动产生的，l 410 cm一处是碳酸盐的特征吸收峰，表明在生物质型煤中有某种碳酸盐存在，这有利于提高型煤的机械强度和防水性． 2.2生物质型煤的微观结构 将原料煤和黏结剂按7:3的比例混合，搅拌均匀后，在小于30 MPa的压力下成型，所得型煤样品尺寸为mm×30 mm．生物质型煤薄片在中国地质大学（北京）磨片室制作，图2是薄片在显微观测系统下的显微图片，其中黑色部分是煤粒，灰色部分是生物质纤维．如图2(a)所示，长度为1～3 mm的长纤维在型煤内部纵横交错，形成大的网络结构，本文称为“一级网络结构”，“一级网络结构”在整个生物质型煤内部起连接作用，对型煤的成型具有重要作用，如图2 (b)所示， “一级网络结构”内部，小于1mm的短纤维素形成“二级网络结构”，在小的区域中起连接作用． 生物质纤维构成的多级网络结构中，不规则地嵌入粒度不同的煤粒，生物质纤维对煤粒起连接、固定作用．测定生物质型煤的抗压强度时，压力升至一定程度，型煤出现裂缝，但此时压力机并未停止加压，如图3 (a)所示（加压过程的后半部分），应力应变曲线继续呈抛物线上扬，直至出现较大裂缝．测定过抗压强度的生物质型煤，往往“藕断丝连”而成整体，分析可知，生物质型煤受压出现裂缝时，生物质纤维的连接作用和其本身的弹性对外界压力起缓冲作用，使型煤不会马上破碎，间接提高了其机械强度．而采用无机黏结剂制取的型煤在加压时，一旦达到抗压强度临界点，型煤随即破碎，应力应变曲线突然转折，转折前基本上呈直线，如图3 (b)所示（加压过程的后半部分）．型煤黏结剂是生物质纤维和黏稠液组成的固液混合物，黏稠液存在于型煤内部的孔隙中，在牛物质纤维之间、生物质纤维和煤粒之间以及煤粒之间起黏结作用．图2的白色区域中与生物质纤维颜色相同的不连续的部分，即为黏稠液的固化物． 2.3 生物质型煤的成型机理 对生物质型煤微观结构的观察可知，在型煤内部，生物质纤维形成的多级网络结构将不同粒度的煤粒连接、固定．由玉米秸秆及其制备黏结剂的红外光谱图对比分析可知，秸秆经处理部分降解，降解产物与黏结剂中的其它液态组分一起形成黏稠液，在生物质纤维之间、生物质纤维和煤粒之间以及煤粒之间起黏结作用．型煤黏结剂自然晾干，可得到强度、硬度都很高的整块固体，表明黏结剂本身具有较强的黏结性，且这种黏结性主要由黏稠液决定．生物质型煤黏结剂固化后具有很高的强度，有利于提高型煤的机械强度，根据相似相容原理，生物质型煤内部，具有活性基团生物质纤维高分子与煤中活性基团可能形成共价键或氢键，非极性分子间也可能产生色散力，黏稠液渗透到煤的微孔结构中，固化后在界面上产生了啮合力，这些力共同作用使型煤各组分紧紧黏结在一起，无机黏结剂型煤中，凝胶体的性质对型煤机械强度有很大影响；生物质型煤中，黏稠液相当于上述凝胶体，生物质型煤内部还存无机黏结剂型煤所没有的多级网络结构，所以前者比后者具有更好的机械性能，生物质纤维的结构特征和弹性不利于生物质型煤的成型和机械强度形成，但黏结剂各组分的共同作用弥补了这一不足． 2.4生物质型煤的防水性能 型煤的防水性是衡量型煤质量的主要指标之一，型煤防水性以浸水强度和浸水复干强度表示，本文所用生物质型煤2号样品的防水性测试结果为抗压强度：1645 N/个；浸水强度：235.5 N/个；浸水复干强度：1005.5 N/个，由此可知，型煤样品具有较好的防水性．生物质型煤在水中浸泡24 h后，晾干制成薄片，将其显微图片与图2进行对比，结果发现，生物质纤维的颜色变浅，网络骨架变细，界线趋于清晰，但生物质型煤内部的多级网络结构仍然存在，表明其对增强生物质型煤的防水性具有重要作用．取少量生物质型煤黏结剂自然晾干后得到的浅黄色固体物质，置入水中浸泡数日后取出，测试发现其仍具有一定的强度和硬度，表明黏结剂的固化物本身具有良好的防水性，而且其防水性由黏结剂中的黏稠液决定，这是生物质型煤具有防水性的基础． 3、结 论 (1)生物质原料经处理制得的黏结剂中存在大量生物质纤维，它们在型煤内部形成网络结构，不同粒度的煤粒分布在这个网络结构中，生物质纤维对煤粒起固定、连接作用． (2)秸秆原料在处理过程中产生的低分子糖类等物质和黏结剂中的其它液态组分一起形成黏稠液，黏稠液在生物质纤维之间、生物质纤维和煤粒之间以及煤粒之间起黏结作用． (3)生物质网络结构在型煤浸泡24 h后仍然存在． (4)型煤黏结剂的固化物具有良好的防水性，且这种防水性由黏结剂中的黏稠液决定． 生物质多级网络结构的连接作用和黏稠液的黏结作用是生物质型煤成型的基础；生物质多级网络结构和黏结剂本身的特性是生物质型煤具有防水性的关键．转载请注明：河南省同创新能源秸秆颗粒机