隨著中國煤炭中的粉煤含量逐年增加，對粉煤合理有效利用、提高燃燒效率的研究具有十分重要的意義。型煤是合理利用粉煤資源的有效途徑之一。針對中國現(xiàn)階段的一次能源結(jié)構(gòu)和“煤為基礎(chǔ)、多元發(fā)展”的能源結(jié)構(gòu)政策，將可再生能源的生物質(zhì)與傳統(tǒng)一次能源煤結(jié)合在一起，為生物質(zhì)能大規(guī)模工業(yè)化利用提供了可能的有效途徑，開辟了能源新領(lǐng)域，合理高效地利用了能源，生物質(zhì)型煤是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的有效措施。生物質(zhì)型煤是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，是指破碎成一定粒度并干燥到一定程度的煤與可燃生物質(zhì)在高壓力下壓制而成的型煤。通過節(jié)煤和生物質(zhì)代煤的雙重作用，減少溫室氣體C0₂和燃煤S0₂的排放，有利于緩解氣候變暖和酸雨污染，對保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源均具有重大意義，是型煤技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。
1  實驗原料
    原料煤粉選自四川仁壽的褐煤，生物質(zhì)選用稻草、玉米秸稈、甘蔗秸稈和鋸末。稻草、玉米秸稈、甘蔗秸稈是較為常見的農(nóng)作物廢棄物，鋸末是常見的木材加工廢棄物。生物質(zhì)樣品及煙煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)見下表

	水分Mml	灰分Amg	揮發(fā)分	空氣干燥基固定碳
煤	2.24	33.78	22.27	41.69
甘蔗	12.12	3.21	71.26	13.40
玉米	11.33	3.44	77.48	7.73
稻草	10.77	11.19	74.64	3.38
鋸末	16.60	0.50	72.32	10.56

    4類生物質(zhì)都取自四川農(nóng)村，粉碎至5cm以下備用。分別用濃度為0%、1%、2qo、3%、4%的NaOH溶液在90℃下對生物質(zhì)進(jìn)行4h的堿處理。改性后的生物質(zhì)按照一定比例與型煤混合，在20MPa的壓力下成型。（三門峽富通新能源科技有限公司生產(chǎn)顆粒機、秸稈顆粒機、秸稈壓塊機等生物質(zhì)燃料飼料成型機械設(shè)備）
2  實驗結(jié)果與討論
2.1  NaOH改性液濃度對型煤機械強度的影響

     圖1是經(jīng)16×40的倍數(shù)下顯微鏡拍攝的生物質(zhì)的纖維圖片（以稻草為例）。由圖可以看出，NaOH改性液濃度為0%（即純水）時，秸稈結(jié)構(gòu)完整，間隙很小；用1. 0%的NaOH溶液改性后，秸稈明顯軟化，但是細(xì)胞結(jié)構(gòu)不明顯；用大于2.0%的NaOH溶液改性后，生物秸稈結(jié)構(gòu)排列整齊，細(xì)胞結(jié)構(gòu)明顯，纖維素明顯吸水膨脹，植物細(xì)胞間的鑲嵌物質(zhì)與細(xì)胞壁松散，有明顯的結(jié)構(gòu)空隙。用4%的NaOH溶液改性后的秸稈已有部分纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，結(jié)構(gòu)趨于模糊，結(jié)構(gòu)空隙不明顯。
     這主要是由于秸稈類生物質(zhì)含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。半纖維素、纖維素和木質(zhì)素之間有化學(xué)鍵結(jié)合。纖維碳水化合物中的糖類與木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元形成化學(xué)鍵，木質(zhì)素聚合物通過酯鍵和芳基醚鍵與纖維連接。當(dāng)?shù)静菰?0℃經(jīng)NaOH溶液處理改性后，堿液在該溫度下釋放出- OH，- OH首先進(jìn)入生物質(zhì)細(xì)胞壁的木質(zhì)素中，破壞木質(zhì)素之中的吡喃環(huán)，拆開與木質(zhì)素相互纏結(jié)的纖維素和半纖維素，解除了木質(zhì)素與半纖維素的空間立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使生物質(zhì)的原始彈性被破壞掉，并產(chǎn)生了具有粘結(jié)作用的糖類以及果膠、單寧等物質(zhì)。通過生物質(zhì)型煤的SEM圖如圖2所示可以看出生物質(zhì)纖維在型煤中形成復(fù)雜的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以粘結(jié)大量煤粒。

    實驗配制不同質(zhì)量濃度的NaOH溶液，對4種生物質(zhì)進(jìn)行改性，在20MPa壓力下將其加工成型煤．測試其抗壓強度、跌落強度等各項物理指標(biāo)。實驗數(shù)據(jù)見表2。

	氫氧化鈉濃度	0%	1%	2%	3%	4%
型煤抗壓強度N/個	稻草秸稈型煤	632.1	1058.4	646.8	395.0	215.6
	玉米秸稈型煤	494.9	891.8	700.7	573.3	328.3
	甘蔗秸稈型煤	200.9	622.3	641.9	573.3	480.2
	鋸末型煤	53.9	171.5	166.6	98.0	63.7
型煤跌落強度/%	稻草秸稈型煤	44.48	93.56	39.59	38.83	22.43
	玉米秸稈型煤	31.6	91.82	67.33	35.12	13.03
	甘蔗秸稈型煤	51..9	92.48	73.85	73.49	90.51
	鋸末型煤	0	1.78	2.1	1.24	1.36

    表2中數(shù)據(jù)顯示，選用鋸末作為原料制備的型煤樣品跌落強度和抗壓強度較低，其他3種生物質(zhì)型煤樣品都具有較高的跌落強度和抗壓強度。不同生物質(zhì)的抗壓強度表現(xiàn)出相同的趨勢，當(dāng)NaOH溶液的濃度在1. 0%時，不同生物質(zhì)的抗壓強度都較高。相對而言，型煤的跌落強度趨勢并不是特別明顯。與抗壓強度相同，當(dāng)NaOH溶液的濃度在1.0%時，不同生物質(zhì)型煤的跌落強度較高。
    生物質(zhì)表面的成分分析如圖3所示。對堿化后纖維的EDS能譜分析得出生物質(zhì)表面的鈉離子的質(zhì)量百分比為1. 84%，這表明在生物質(zhì)干燥過程中，鈉離子隨著水分子的脫出吸附在聚合物的表面。而煤在破碎加工過程中，一些橋鍵或品格斷裂形成不飽和鍵，使煤粒表面產(chǎn)生微弱的負(fù)電荷，鈉離子與極性水分子被煤粒吸附，使煤粒與生物質(zhì)之間的粘結(jié)效果增強。

    隨著NaOH改性液濃度的增加，改性后秸稈的木質(zhì)素分解更為完全，產(chǎn)生的粘性物質(zhì)更多，型煤強度也更高。但當(dāng)NaOH溶液濃度大于2.0%時，木質(zhì)素分解程度進(jìn)一步增加，秸稈的纖維結(jié)構(gòu)被破壞，粘結(jié)效果降低，使型煤的跌落強度和抗壓強度都有不同程度的降低。由此可以看出，不宜使用派度太高NaOH溶液來對生物質(zhì)進(jìn)行改性。實驗中NaOH溶液較適宜的濃度為1.0%
2.2生物質(zhì)種類對型煤機械強度的影響
    生物質(zhì)的改性處理實質(zhì)是解決木質(zhì)素問題。原本木質(zhì)素是不溶于任何溶劑的，堿液中木質(zhì)素發(fā)生了分離和降解，許多物理性質(zhì)改變了，溶解度也隨著改變，酚羥基或羧基的存在，使木質(zhì)素能夠在濃的強堿溶液中易溶解，堿液降解了纖維素與木質(zhì)素的復(fù)合物，讓纖維素吸水膨脹，使植物細(xì)胞間的鑲嵌物質(zhì)與細(xì)胞壁松散。分離后的木質(zhì)素本身具有粘性，熱處理可以加速沒有粘結(jié)能力的半纖維素等可溶性多糖的去除，纖維素中不溶性多糖分子間長鏈結(jié)構(gòu)相互交織，粘結(jié)煤粉顆粒，提高型煤的強度。

    如圖4所示，鋸末的跌落強度和抗壓強度要明顯低于其他生物質(zhì)型煤，這主要是由于鋸末木化組織中，半纖維素常通過羧基與木質(zhì)素以酯鍵連接。而秸稈類禾本科植物的細(xì)胞壁中，木質(zhì)素通過酯鍵和芳基-醚鍵與阿拉伯糖基和木糖基連接。細(xì)胞壁中大部分苯甲基醚鍵在木質(zhì)素大分子側(cè)鏈的僅·位醚化，可被堿水解。因此鋸末的堿化降解程度相對較弱。
    數(shù)據(jù)顯示，稻草秸稈型煤在實驗的堿液濃度范圍內(nèi)的抗壓強度和跌落強度要稍高于玉米秸稈和甘蔗秸稈制備的型煤。由于生物質(zhì)木質(zhì)素分子之間除了結(jié)構(gòu)單元通過化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)之外還存在氫鍵作用。Dawy‘圳等研究了稻稈堿木質(zhì)素、玉米稈堿木質(zhì)素和甘蔗渣木質(zhì)素磺酸鹽這3種木質(zhì)素的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)這3種木質(zhì)素的- OH伸縮振動峰依次向高波數(shù)的方向遷移：稻稈堿木質(zhì)素( 3396cm^-1)、玉米稈堿木質(zhì)素（3409cm^-1）、甘蔗渣木質(zhì)素磺酸鹽(3446cm^-1)。引起這種遷移的原因就是甘蔗木質(zhì)素的分子間氫鍵儂次低于玉米稈堿木質(zhì)素和稻稈堿木質(zhì)索。因此堿化后的稻草秸稈生物質(zhì)的粘結(jié)作用要優(yōu)于其他秸稈類生物質(zhì)，原料煤選用稻草秸稈制備生物質(zhì)型煤較宜。
3結(jié)  論
    （1）實驗結(jié)果表明，采用NaOH改性溶液制得的生物質(zhì)混合物可作為生物質(zhì)型煤的粘結(jié)劑，NaOH改性溶液較適宜的濃度為1. 0%。
    （2）改性后的稻草秸稈所制備的生物質(zhì)型煤的抗壓強度和跌落強度相對最好，適合作為生物質(zhì)型煤粘結(jié)劑，而改性后的鋸末不適宜作為生物質(zhì)型煤粘結(jié)劑。
    （3）顯微結(jié)構(gòu)分析表明，隨著NaOH溶液濃度的增大，秸稈降解程度增大，木質(zhì)素和纖維素的分解增大，進(jìn)一步說明改性后的生物質(zhì)秸稈具有粘結(jié)作用。
    三門峽富通新能源科技有限公司主要產(chǎn)銷顆粒機、秸稈壓塊機、木屑顆粒機、飼料顆粒機等生物質(zhì)燃料飼料成型機械設(shè)備。