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发布时间: 2023-04-28
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DOI: 10.3969/j.issn.2096-8299.2023.02.015
2023 | Volume 39 | Number 2




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生物质及镁渣复合黏结剂制备焦粉型煤
expand article info 吴昊, 刘海玉, 乔晓磊, 卫轶君, 吴杨
太原理工大学 电气与动力工程学院, 山西 太原 030024
收稿日期: 2022-04-01
基金项目: 山西省重点研发计划（201903D321075）；山西省留学人员科技活动择优资助项目（20200016）
中图法分类号: TK09;TK6
文献标识码: A
文章编号: 2096-8299(2023)02-0195-08

摘要

焦粉固定碳高、热值高，使用其制备型煤，可替代散煤做民用炊暖之用，但焦粉有挥发分低、粘连性差等特点。以NaOH溶液预处理的改性小麦秸秆和活化镁渣作为黏结剂，使用压片机冷压成型制备型煤。通过正交实验表明，改性小麦秸秆用量是影响型煤抗压强度、落下强度的最重要因素。经综合考量得到的最佳制备工艺参数为改性小麦秸秆用量20%，改性温度75℃，NaOH浓度2.5%，镁渣用量5%，成型压力30 MPa，添水量10%。扫描电子显微镜（SEM）及傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析表明，小麦秸秆改性后，表面物质溶解产生部分芳香族化合物及其他具有黏性的物质，并广泛形成分子间氢键；内部纤维暴露增大了各组分间机械啮合力，纤维交错缠绕可将应力沿径向及轴向传递；镁渣活化后，打破表面玻璃体结构，产生黏性硅酸钠；镁渣的亲水性有助于将焦粉及黏结剂充分浸润并维持分子间氢键的存在。复合黏结剂可使型煤中各组分紧密团聚，形成牢固骨架结构，使型煤具有良好的抗压强度和落下强度。

关键词

型煤; 生物质; 镁渣; 抗压强度; 落下强度; 成型机理

Preparation of Coke Powder Briquette with Magnesium Slag and Biomass Composite Binder
expand article info WU Hao, LIU Haiyu, QIAO Xiaolei, WEI Yijun, WU Yang
College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China

Abstract

The coke powder has high fixed carbon and high calorific value.It can be used to prepare briquette instead of loose coal for civil cooking and heating.However, the coke powder has the characteristics of low volatile content and poor cohesiveness.This paper uses NaOH solution pretreatment to improve natural wheat straw, and activated magnesium slag are used as binders to prepare briquette by cold pressing with a tablet press.It is obtained through orthogonal experiment that the dosage of modified wheat straw is the most important factor affecting the compressive strength and falling strength.After comprehensive consideration, the best preparation process parameters are 20% of modified wheat straw, modification temperature 75℃, and NaOH concentration 2.5%, the amount of magnesium slag is 5%, the molding pressure is 30 MPa, and the amount of water added is 10%.SEM and FTIR analysis show that after the modification of wheat straw, some aromatic compounds and other viscous substances are dissolved on the surface of the wheat straw, and intermolecular hydrogen bonds are widely formed.The exposure of internal fibers increased the mechanical meshing force between the components.Staggered winding can transfer stress in the radial and axial directions; after activation of magnesium slag, the surface vitreous structure is broken to produce viscous sodium silicate; the hydrophilicity of magnesium slag helps to fully infiltrate the coke powder and binder and maintain the molecules.The existence of hydrogen bonds between.The composite binder can tightly agglomerate the components in the briquette to form a firm skeleton structure, so that the briquette has good compressive strength and falling strength.

Key words

briquette; biomass; magnesium slag; compressive strength; falling strength; forming mechanism

焦粉是制焦时产生的粉末状副产品, 具有高固定碳、高热值、低挥发分等特点。在炼焦过程中, 具有黏结性的芳香族化合物、苯系化合物及蒽系、菲系化合物大量析出, 导致焦粉粘连性极差[1-2], 使得焦粉难以作为民用燃料直接燃烧, 但可以作为原料添加一定量黏结剂制备型煤。镁渣是镁冶炼时产生的废渣。采用皮江法炼镁时, 每生产1 t镁即产生6~7 t镁渣[3]。镁渣主要成分为硅酸二钙及少量氧化铁、氧化铝, 作为工业固废可回收利用, 如镁渣改性制备脱硫剂[4-5], 镁渣及粉煤灰制备水泥[6-7], 镁渣制备复合肥[8], 镁渣制备混凝土膨胀剂[9]等。镁渣中的MgCl2和MgO可在常温下遇水形成5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O针状晶体[10], 在型煤中形成骨架结构起到一定的支撑作用, 可作为无机黏结剂使用。文献[11]采用氯化镁+氧化镁作黏结剂制备型煤, 抗压强度达到420 N/个。小麦秸秆来源广泛、价格低廉, 可作为有机黏结剂使用, 主要成分为纤维素、半纤维素与木质素, 具有一定的弹性[12]。文献[13]采用质量分数为3%的NaOH溶液对稻壳进行改性处理, 当改性温度为90 ℃, 改性时间2 h, 改性稻壳添加量15%时, 生物质型煤抗压强度为1 426.5 N/个。文献[14]使用NaOH改性木屑和腐殖酸钠制备型煤, 改性木屑添加量为10%且腐殖酸钠添加量为5%时, 型煤抗压强度达1 562 N/个; 使用NaOH溶液改性时, -OH进入小麦秸秆纤维, 导致一系列物理及化学变化, 纤维细胞发生润胀, 木质素从细胞壁夹层分离, 木质素、部分纤维素和半纤维素水解, 溶出果胶、单宁等物质; 部分无机盐与NaOH反应生成Na2SiO3等黏性物质, 有助于将型煤内焦粉颗粒浸润、相互粘连并形成稳定结构。

本文选取焦粉为主要原料, 镁渣、小麦秸秆为黏结剂, 使用NaOH溶液对黏结剂进行预处理, 并改变焦粉与黏结剂的配比、改性温度、改性时间、成型压力及添水量制备焦粉-生物质型煤, 研究各原料添加量对型煤抗压强度及落下强度的影响程度, 探讨焦粉-生物质型煤的成型机理。本文研究的焦粉-生物质型煤具有良好的抗压强度和落下强度, 黏结剂选用山西本地固废资源, 以废治废, 成本低廉, 可替代民用散煤。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器设备

实验选用的原料如表 1所示。

表 1 实验材料及规格

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原料名称 生产厂商 规格
焦粉 河南郑州某炼焦厂 破碎至 < 3 mm
小麦秸秆 山西太原周边农村 破碎至 < 3 mm
镁渣 山西运城某镁冶炼厂 筛选至 < 0.5 mm
NaOH 科密欧 分析纯

对改性小麦秸秆和镁渣进行傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析。使用仪器如表 2所示。

表 2 实验设备及仪器

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设备名称 生产厂商 型号
X射线衍射仪(XRD) 日本理学株式会社 Ultima IV型
扫描电子显微镜(SEM) 德国蔡司公司 Sigma 300型
元素分析仪(FTIR) 艾力蒙塔公司 UNICUBE
万能材料试验机 苏州拓博机械设备有限公司 TH 8100S型

对焦粉和小麦秸秆进行工业分析及元素分析。分析结果如表 3所示。

表 3 焦粉和秸秆的工业分析及元素分析

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名称 工业分析/%
Mad Aad Vad FCad
焦粉 0.60 20.59 2.05 76.76
秸秆 6.31 7.44 69.04 17.21
名称 元素分析/%
Cad Had Nad Oad Sad
焦粉 76.99 0.49 2.18 0.825 2.56
秸秆 42.87 5.63 36.98 1.180 0.62

使用筛分机对镁渣进行粒径筛分, 经65 μm、120 μm、250 μm、325 μm、400 μm和500 μm的分析筛筛分后, 仅保留粒径小于0.5 mm的镁渣粉末, 通过镁渣的XRD分析得出其物质组分。镁渣的粒径分布和物质组分及其质量分数分别如表 4和表 5所示。

表 4 镁渣的粒径分布及其质量分数

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粒径分布/μm 质量分数/%
＜30 21.22
30~62 48.77
62~125 16.29
125~210 6.92
＞210 6.80

表 5 镁渣的物质组分及其质量分数

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物质组分 质量分数/%
Ca2SiO4 90.16
Fe2O3 6.20
Al2O3 0.63
Mg 1.35
Mg2SiO4 1.66

1.2 小麦秸秆改性及镁渣预处理

将小麦秸秆清洗烘干后破碎至3 mm以下, 倒入不同质量分数(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)的NaOH溶液中, 在不同温度下(70 ℃、75 ℃、80 ℃、85 ℃、90 ℃)水浴加热2 h, 期间使用电动搅拌机搅拌, 处理完成后在105 ℃下烘干备用。

将镁渣倒入质量分数为2.0%的NaOH溶液中, 固液比为5, 80 ℃水浴加热2 h后滤出, 在105 ℃下烘干备用。

1.3 型煤制备及抗压强度和落下强度测定

依具体实验方案将焦粉、改性小麦秸秆按一定质量比(焦粉∶改性小麦秸秆为90∶ 10、85∶ 15、80∶ 20、75∶ 25、70∶ 30)掺混, 确保每个样品中添加的焦粉及改性小麦秸秆质量和为50 g, 并以此为质量基准; 加入一定量水(8%、10%、13%、15%、17%)和一定量活化镁渣(3%、4%、5%、6%、7%), 充分搅拌, 均匀混合; 随后倒入模具中, 使用粉末压片机, 在一定压力(20 MPa、23 MPa、25 MPa、27 MPa、30 MPa)下冷压成型, 退模后静置并自然风干, 制成型煤样品。依据工业型煤冷压强度测定方法(MT/T 748—2007)取抗压强度量纲为N/个, 使用万能材料实验机进行抗压强度实验; 依据工业型煤落下强度测定方法(MT/T 925—2004)进行型煤落下实验, 以算术平均值为最终实验结果; 依据商品煤质量-民用型煤(GB 34170—2017)对型煤质量进行评价; 抗压强度应大于700 N/个, 落下强度应大于80%。

2 实验结果及讨论

2.1 黏结剂对型煤强度的影响

2.1.1 未活化镁渣

取一定量焦粉, 分别加入3%、4%、5%、6%、7%未活化镁渣及13%水, 充分搅拌均匀后经25 MPa压力冷压成型, 退模后静置并自然风干。不同未活化镁渣添加量对型煤抗压强度和落下强度的影响如图 1所示。



图 1 未活化镁渣添加量对型煤抗压强度和落下强度的影响

由图 1可知, 未活化镁渣的粘连作用较弱, 随镁渣添加量增加, 型煤抗压强度先增大后减小, 当添加量为6%时, 抗压强度最大值仅为328 N/个。随未活化镁渣添加量的增加, 落下强度先增加后减小且变化幅度有限, 最高仅为29%。均未能满足国标要求。

2.1.2 活化镁渣

将上述未活化镁渣替换为活化镁渣后以相同方法制备型煤。不同质量分数活化镁渣添加量对型煤抗压强度和落下强度的影响如图 2所示。



图 2 活化镁渣添加量对型煤抗压强度和落下强度的影响

由图 2可知, 经过活化处理后, 镁渣的粘连性有小幅度提升, 型煤抗压强度和落下强度随活化镁渣添加量的增多, 呈现先增加后减小的趋势。相比添加未活化镁渣的型煤而言其抗压强度略有提升, 落下强度提升了4%~7%。这是因为镁渣经活化处理后, 其中的CaO溶出增加并遇水生成Ca(OH)2, 且一部分SiO2与NaOH反应生成了具有粘连性的Na2SiO3, 在型煤成型过程中, Na2SiO3和水将焦粉颗粒浸润并渗入焦粉孔隙中, Ca(OH)2与CO2接触生成CaCO3, 以上物质在型煤中固化后产生机械键合力, 从而提升了型煤的抗压强度和落下强度。

2.1.3 未改性小麦秸秆

称取一定量焦粉, 并与未改性小麦秸秆分别按质量比90∶ 10、85∶ 15、80∶ 20、75∶ 25、70∶ 30进行掺混, 加入13%水充分搅拌均匀后经25 MPa压力冷压成型, 退模后静置并自然风干。不同质量分数未改性小麦秸秆添加量对型煤抗压强度和落下强度的影响如图 3所示。



图 3 未改性小麦秸秆添加量对型煤抗压强度和落下强度的影响

由图 3可知, 未改性小麦秸秆具有一定粘连效果。随着未改性小麦秸秆添加量的增加, 型煤抗压强度出现了先上升后回落的趋势, 当添加量为25%时达到最高抗压强度381 N/个。这是由于未改性小麦秸秆颗粒在型煤中呈横向分布, 其长短纤维可将焦粉颗粒包裹其中形成焦粉团块, 并将各焦粉团块相互连接, 内部呈逐层粘连的状态, 将所受应力沿径向传递, 使型煤均匀受力, 起到类似钢筋的作用[15]。

此外, 随着未改性小麦秸秆添加量的增加, 型煤落下强度呈先增加后降低的趋势, 在未改性小麦秸秆添加量为20%时达到最大值72%。小麦秸秆添加量逐渐增大时, 型煤成型后的回弹现象也随之增强, 表面细密裂纹增多, 导致其落下强度迅速降低。

2.1.4 改性小麦秸秆

将上述小麦秸秆替换为改性小麦秸秆后以相同方法制备型煤。不同质量分数改性小麦秸秆添加量对型煤抗压强度和落下强度的影响如图 4所示。



图 4 改性小麦秸秆添加量对型煤抗压强度和落下强度的影响

由图 4可知, 随着改性小麦秸秆添加量的逐渐增加, 型煤的抗压强度先略微下降后提升, 当添加量超过20%后, 型煤抗压强度均大于400 N/个, 高于国家标准。落下强度先上升后下降, 当添加量为15%和20%时, 达到最高值81%。相比添加未改性小麦秸秆的型煤而言, 抗压强度和落下强度均有一定的提升。这是由于小麦秸秆经改性处理后, 表面结构被溶解破坏, 其弹性降低, 成型后回弹现象减弱, 且溶出物质具有粘连能力, 更好地将焦粉与小麦秸秆粘连为整体; 跌落时可将应力沿径向及轴向传递, 从而减少破碎。但型煤内秸秆纤维主要呈水平走向, 竖直方向秸秆纤维连接较少。当添加量为25%时, 型煤侧面仍有裂纹; 当添加量为30%时, 型煤侧面裂纹扩大, 因此落下强度快速下降。

2.2 最佳制备工艺配方实验

为探究其最佳冷压成型参数, 设计6因素3水平正交实验, 正交实验表及实验结果如表 6所示。

表 6 6因素3水平正交实验表及实验结果

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编号 改性秸秆/% 改性温度/℃ 氢氧化钠浓度/% 活化镁渣/% 成型压力/MPa 添水量/% 抗压强度/(N·个-1) 跌落强度/%
1 10 75 1.5 3 20 10 493 48
2 10 80 2.5 3 25 15 439 72
3 10 85 2.5 4 20 13 446 78
4 10 75 2.0 4 30 15 273 69
5 10 85 2.0 5 25 10 542 47
6 10 80 1.5 5 30 13 306 64
7 15 85 2.0 3 20 15 236 45
8 15 75 2.5 3 30 13 254 81
9 15 80 2.0 4 25 13 897 79
10 15 85 1.5 4 30 10 850 89
11 15 80 2.5 5 20 10 885 69
12 15 75 1.5 5 25 15 991 87
13 20 85 1.5 3 25 13 1 561 75
14 20 80 2.0 3 30 10 1 906 94
15 20 80 1.5 4 20 15 1 064 74
16 20 75 2.5 4 25 10 2 292 89
17 20 75 2.0 5 20 13 1 724 77
18 20 85 2.5 5 30 15 2 000 79

由表 6可知, 活化镁渣及改性小麦秸秆联用后, 焦粉-生物质型煤抗压强度和落下强度均有提升。

实验数据极差分析如表 7和表 8所示。

表 7 抗压强度极差分析

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均值1 均值2 均值3 均值4
416 685 1 757 1 341
1 004 916 939 88
877 929 1 052 175
814 970 1 074 260
808 840 931 123
1 161 864 833 328

表 8 落下强度极差分析

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均值1 均值2 均值3 均值4
63 81 81 18
75 75 69 7
73 68 78 10
69 80 70 10
65 75 79 14
73 76 71 5

由表 7可知, 对焦粉-生物质型煤抗压强度影响程度从大到小依次是: 改性秸秆用量>添水量>镁渣用量>NaOH溶液浓度>成型压力>改性温度。由此可得具有最佳抗压强度的焦粉-生物质型煤的制备工艺参数为: 改性小麦秸秆20%, 镁渣用量5%, 成型压力30 MPa, 改性温度75 ℃, NaOH浓度2.5%, 添水量10%。

由表 8可知, 对焦粉-生物质型煤落下强度影响程度从大到小依次是: 改性秸秆用量>成型压力>NaOH浓度=镁渣用量>改性温度>添水量。由此可得具有最佳落下强度的焦粉-生物质型煤的制备工艺参数为: 改性小麦秸秆用量15%或20%, 改性温度75 ℃或80 ℃, NaOH浓度2.5%, 镁渣用量4%, 成型压力30 MPa, 添水量13%。由于上述最佳制备工艺参数不相同, 从型煤综合性能角度出发, 充分考虑各不同因素对抗压强度和落下强度的影响程度, 确定焦粉-生物质型煤最佳制备工艺参数为: 改性小麦秸秆用量20%, 改性温度75 ℃, NaOH浓度2.5%, 镁渣用量5%, 成型压力30 MPa, 添水量10%。

3 型煤黏结机理

3.1 改性小麦秸秆SEM分析

经过质量分数为1.5%、2.0%、2.5%的NaOH溶液改性的小麦秸秆SEM图像如图 5所示。



图 5 1.5%、2.0%、2.5%NaOH溶液改性小麦秸秆SEM图像

由图 5(a)可以看出, 经过浓度为1.5%的NaOH溶液处理后, 小麦秸秆颗粒表面仍有大量细碎颗粒, 秸秆表皮基本上保持光滑、完整, 除破碎过程产生的机械撕裂外, 并未出现明显外观改变。由图 5(b)可以看出, 经浓度为2.0%的NaOH溶液改性处理的小麦秸秆表面出现明显破坏, 光滑表皮结构和表皮上粘连的细碎颗粒基本消失; 表皮剥落后内部出现清晰明显的纤维纹理; 小麦秸秆颗粒表面可见内部沿生长走向排列的条束状纤维。由图 5(c)可以看出, 经浓度为2.5%的NaOH溶液处理的小麦秸秆颗粒表皮所受破坏更加严重, 表皮结构完全消失, 其纤维束暴露无遗, 纤维断裂处破碎程度更加严重; 表皮及纤维束均被溶解, 暴露出更深层次的网眼状结构, 纤维束沿走向出现破碎。

总体而言, 经改性处理后, 秸秆表皮部分纤维素、木质素等物质被溶解, 半纤维素在NaOH溶液中水解产生葡萄糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖等具有黏结性的单糖[16], 形成改性黑液, 并暴露出内部纤维结构, 比表面积增大; 纤维与焦粉颗粒之间及纤维与纤维之间的缠绕与粘连增多、机械啮合力增大, 因此可增强型煤弹性, 提高其机械性能。

3.2 改性小麦秸秆FTIR分析

小麦秸秆中的木质素是由愈创木基型、紫丁香基型和对羟基苯基型单体通过烷基-烷基、烷基-芳基、芳基-烷基等化学键连接起来的芳香族天然高分子物质, 富含甲氧基、羟基、羰基、羧基等官能团[17-18]。其化学结构式如图 6所示。



图 6 木质素3种基本成分化学结构式

小麦秸秆在水浴加热过程中的碱改性原理是: 碱液中游离的OH-可以削弱纤维素和半纤维素之间的氢键、皂化木质素和半纤维素之间的酯键, 改性过程中木质素基本结构之间的醚键断裂, 大分子的木质素被拆解为小分子碎片并溶解于碱液中, 从而降低了木质素含量。改性过程将木质素拆解并生成碱木质素(即碱木素)[19], 碱木素具有较高的黏度及粘连性[20]。纤维素及半纤维素基本构成单元是β-D-葡萄糖基, 其C2及C3处有仲羟基, C6处为伯羟基, 这些羟基显著影响纤维素的物理强度[16, 19]。为研究小麦秸秆改性前后物质基团的变化, 使用FTIR对其进行表征, 结果如图 7所示。



图 7 经0%、1.5%、2.0%、2.5%NaOH溶液改性小麦秸秆FTIR图像

由图 7可知, 经不同浓度NaOH溶液改性的小麦秸秆红外光谱图整体形貌相似, 但在个别波数处出现差异。随着NaOH溶液浓度的增加, 各吸收峰强度随之增强。在3 700~3 200 cm-1处出现了宽且钝的-OH伸缩振动吸收峰, 归属于形成分子间氢键的醇类及酚类物质[21-22], 此处-OH的吸收峰波数相比游离-OH而言向低波数区域移动。这是由于形成了分子间氢键, 使-O-H伸长并导致其红外吸收峰向更高的波长(即低波数)移动而出现红移氢键[23]。2 853~2 920 cm-1处出现-CH吸收峰, 2 350 cm-1处出现C=O。在1 600~1 450 cm-1处分别在1 600 cm-1、1 580 cm-1、1 500 cm-1、1 450 cm-1处出现4个苯环特征吸收峰。相较于未改性秸秆而言, 1 600 cm-1和1 500 cm-1处峰值明显减弱, 说明木质素被溶解, 产生了部分小分子芳香族化合物。1 330 cm-1处出现C=O的对称伸缩和反对称伸缩峰, 表明羧基以羧酸盐的形式存在。在1 260 cm-1, 1 150 cm-1, 1 038 cm-1处分别出现叔醇、仲醇及伯醇吸收峰; 1 108~1 052 cm-1范围内出现醚类物质的C-O。这是由于木质素中β-O-4键断裂导致木质素大分子断裂, 进而产生游离醚键[16], 以上含氧官能团均有较强的电负性。878 cm-1处吸收峰表明纤维素被溶解, 且随NaOH溶液浓度的增加, 其溶解程度加深[24], 结晶程度降低, 与焦粉颗粒等物质的接触更紧密。

小麦秸秆属于草类纤维, 其中的木质素含量相对少且脱除难度低, 经NaOH蒸煮改性处理后, 木质素最多可溶解60%[25], 生成具有粘连性的碱木质素并溶于碱液中; 分子量较小的半纤维素被部分溶解。在上述反应中, 木质素之间的酚醚键被破坏, 木质素和纤维素被部分溶解, 进而产生大量羟基[25-26]、醚键, 形成酚羟基钠盐[18]及羧酸盐。在型煤中焦粉、改性小麦秸秆、镁渣等被水浸润, 改性小麦秸秆中丰富的官能团可形成大量分子间氢键[23, 27]; 木质素溶解产生的高粘连性芳香族物质可将焦粉、改性小麦秸秆颗粒等包裹, 干燥后可形成胶体, 具有将上述组分连接进型煤整体刚性网络中的能力[28], 显著提升了各物料间连接紧密度, 从而增加了型煤的抗压强度。

3.3 镁渣SEM分析

镁渣红NaOH活化前后的SEM图像如图 8所示。



图 8 镁渣经NaOH活化前后SEM图像

由图 8可知, 镁渣颗粒细密, 活化前呈现立方晶体结构, 玻璃化表面较光滑, 原生裂隙发育较多, 亲水性好, 吸水性强[29]。活化镁渣表面物质与NaOH反应后, 呈现较多坑洞及犄角, 焦粉颗粒之间相对错动阻力大, 可增大型煤内部机械啮合力。型煤成型过程中, 镁渣可有效促进水分均匀分布, 有助于将焦粉、小麦秸秆及改性溶出的粘连性物质等充分浸润、包裹, 并促进内部氢键形成。在型煤自然风干过程中, 型煤表层水分逐渐流失, 内部水分在浓度差作用下向表面扩散, 将被破坏的氢键修复[30], 同时粘连性物质脱水固化形成固桥及骨架结构, 提升了型煤的抗压强度和落下强度。

3.4 型煤SEM分析

添加改性小麦秸秆和活化镁渣制备的型煤SEM图像如图 9所示。



图 9 焦粉-生物质型煤表面SEM图像

由图 9(a)可知, 下方块状物为焦粉颗粒, 棍状改性小麦秸秆颗粒与焦粉紧密粘连, 粘连性物质将其充分包裹。由图 9(b)可知, 型煤颗粒表面覆盖着大量粒径1 μm左右颗粒, 其中可见丝状纤维及具有棱角和表面坑洼的镁渣颗粒及其他物质, 各组分紧密团聚且无明显空隙存在。由此可见, 使用改性小麦秸秆、活化镁渣做黏结剂, 可将型煤中各组分充分浸润并粘连, 形成较为牢固的整体结构, 使型煤具有优良的抗压强度和落下强度。

4 结论

(1) 通过单因素实验及正交实验结果分析, 可确定焦粉-生物质型煤的最佳成型参数为: 改性小麦秸秆用量20%, 改性温度75 ℃, NaOH浓度2.5%, 镁渣用量5%, 成型压力30 MPa, 添水量10%。

(2) 镁渣粘连性较弱, 经活化处理后, 可打破表面玻璃状态结构, 形成大量坑洼和孔洞, 但仅使用镁渣为黏结剂无法显著提升型煤的抗压强度和落下强度。型煤抗压强度最高345 N/个, 落下强度最高35%, 无法满足国标要求。

(3) 小麦秸秆粘连性较镁渣更强, 且能够增加型煤弹性。小麦秸秆经改性处理后, 木质素、纤维素及半纤维素溶解, 内部纤维充分暴露, 比表面积增大; 纤维与焦粉颗粒之间及纤维与纤维之间的缠绕与黏结增多、机械啮合力增大, 可有效传递所受应力。

(4) 小麦秸秆改性后木质素及纤维素溶解, 破坏了其芳香化合物高分子链, 溶出小分子芳香族化合物及醇类、醚类物质, 其携带的高活性含氧官能团具有较强电负性, 可供型煤中各组分形成分子间氢键; 且上述溶出物质具有较好的粘连性, 干燥后可在型煤中形成胶体。

(5) 镁渣具有良好的亲水性, 活化后一方面产生黏性物质, 另一方面有助于型煤内水分均匀分布, 在型煤干燥过程中修复分子间氢键。与改性小麦秸秆联用后, 型煤中各组分充分浸润、团聚, 形成牢固的骨架结构, 显著增强型煤的抗压强度和落下强度。

参考文献