（木材科学与技术专业论文）杨树废料型煤燃烧和固硫特性的研究.pdf

摘要 我国能源与环保的压力不断加大，各个生产行业都在寻求适合自身特点的节能、降耗、 提高环保水平的新技术。本文根据人造板生产企业能源利用的现状，分析了由木材加工剩 余物与煤制成的木废料型煤的应用前景，并对木废料型煤的成型、燃烧、固硫效果进行了 比较全面地研究，探讨了该技术的技术可行性。 首先本文分析了我国人造板企业木材加工剩余物的产生和使用状况，研究了木废料型 煤的成型强度，试样为人造板生产中产生的砂光粉和树皮粉碎后的粉末，木材种类是江苏 省人造板企业使用比较多的杨树，煤种为烟煤。在试验过程中，通过自制模具，制作圆柱 形木废料型煤，对型煤进行冷压强度和落下强度试验，分析木废料的含量、成型压力、木 废料的粒径对成型效果的影响，总结了影响木废料型煤强度的因素，分析了木废料型煤的 成型机理。 在木废料型煤燃烧特性的研究中，本文主要分析了木废料的加入对木废料型煤的发热 量、燃烧速度、灰熔点的影响，使用热分析天平测定煤、木混合燃烧过程的热重、微商热 重和差热曲线，对试样的燃烧动力学特性以及木废料型煤的着火性能进行了研究。通过一 系列试验，基本掌握了木废料型煤的燃烧特性。 二氧化硫是我国大气的主要污染物之一，由于我国大多数人造板生产企业的规模都比 较小，因此在使用煤的过程中很少采取脱硫措施。本文在木废料型煤的成型过程中，加入 钙基固硫剂，分析了木废料型煤的固硫效果，为人造板企业寻找一条提高环保水平的途径。 关键词：木废料型煤；成型强度；燃烧特性；固硫效果 s t u d y0 1 1c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds u l f u rr e t e n t i o no f w o o d c o a lb r i q u e r e a b s t r a c t c h i n e s ee n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np r e s s u r eh a v eb e i n ga g g r a v a t e d s e r i o u s l y ，s oa l li n d u s t r i e sa r et r y i n gt h e i rb e s tt os e a r c hn e wm e a s u r e sf o re c o n o m i z i n ge n e r g y ， f a l l i n ge o n s u y l e sa n dr a i s i n gt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nl e v e l i nt h i ss t u d y a c c o r d i n gt o e n e r g yu s i n gs i t u a t i o ni nw o o d b a s e dp a n e lf a c t o r y , t h ea n t h e rs e a r c h e dw o o d - c o a lb r i q u e t t e t e c h n o l o g ya n da n a l y z e di t ss i g n i f i c a n c et ot l s ee n e r g ye f f i c i e n t l ya n dc l e a n l yi nw o o d b a s e d p a n e lm a n u f a c t o r y 弛s t u d ya n a l y z e dt h ei n t e n s i t y , c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds u l f u r r e t e n t i o no f w o o d - c o a l d i s c u s s e dt h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t yo f t h i st e c h n o l o g y i nt h ep a p e r , t h eu s eo f w o o dr e s i d u ei nw o o d - b a s e dp a n e lf a c t o r yw a sa r l a l y z e d , a n d t h e nt h ei n t e n s i t yo f w o o d - c o a l b r i q u e t t ew a ss t u d i e d i nt h er e s e a r c ht h es a m p l ei n c l u d e ss o f t c o a l a n ds a n d e r d u s t , b a r k d u s t o f t h e p r o d u c t i o n o f p o p l a r , w h i c h w a s w i d e l y u s e d i n j i a n g s u p r o v i n c e i nt h ee x p e r i m e n t , b yp r o d u c i n gc o l u m n i f o r mw o o d - c o a lb r i q u e t t eb ys e l f - r e g u l a t i n g m o u l d a n dt e s t i n gt h ec o l d - p r e s s e si n t e n s i t ya n dd r o p si n t e n s i t y , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ee f f e c t o f w o o dr e s i d u e c o n t e n t , p r e s s u r e 。w o o d r e s i d u e g r a n u l a r i t y o n t h e i n t e n s i t y o f w o o d c o a l b r i q u e t t e ，a n ds t u d i e dt h em o l d i n gm e c h a n i s m i nw o o d - c o a lb r i q u e t t ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r sr e s e a r c h , t h ea u t h o rm a i n l ys t u d i e dt h e w o o d si n f l u e n c eo nc a l o r i cv a l u e , c o m b u s t i o ns p e e da n da s hm e l t i n gp o i n to fw o o d - c o a l b r i q u e t t e a n dt e s t e dc o m b u s t i o nc o n t o u r so ft qd t gd t ao fw o o d - c o a l ，a n da c c o u n t e d c o m b u s t i o nk i n e t i c sp a r a m e t e ra n dd e t e r m i n ei g n i t i o np o i n t sb y c o n t o u r s b yt h e s ee x p e r i m e n t s ， t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r so f w o o d - c o a l b r i q u e t t ew e r ea c q u i r e d a l t h o u g hs u l f u rd i o x i d ei st h em a i np o l l u t a n to f a t m o s p h e r ep o l l u t i o i l i e s sw o o d b a s e d p a n e lf a c t o r i e st o o km e a s u r e st of i xs u i 吣i nc o a l b e c a u s et h es c a l e so f t h e ma r en o tb i g e n o u g ht os o l v et h ep r o b l e m si no u rc o u n t r y t h e r e f o r s u l f u rs o r b e n tw a sa d d e di nw o o d - c o a l b r i q u e t t e 。a n dt h es u l f u rr e t e n t i o ne f f e c tw a sa n a l y z e d t h er e s u l to f t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h i s m e t h o dc a l lb eu s e di nf i x i n gs u l f u rd i o x i d e i nc o n c l u s i o n , t h i sr e s e a r c hp r o v i d e dan e ww a y f o rw o o d - b a s e dp a n e lm a n u f a c t o r yt oi m p r o v et h e i re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nl e v e l ， k e y w o r d s ：w o o d - c o a lb r i q u e t t e ；m o l d i n gi n t e n s i t y ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r s ；s u l f u rr e t e n t i o n 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均己注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名 佾侮靶 铷一亍 吼跏卜占、加 致谢 本课题是在导师孙军副教授的悉心指导下完成的。从论文选题，到研究 内容的安排、技术路线的确定、实验结果的分析直至论文撰写的各个环节， 都得到导师精心指导和亲切关环。几年来，在学习、工作、生活上导师都给 了无微不至的关怀。导师严谨的治学态度，广博的专业知识以及孜孜不倦的 教诲令学生获益不浅。 在本文试验及论文进行中，我得到了王志和副教授、周捍东教授、顾炼 百教授、梅长彤副教授的热心支持、帮助和指导。在试验和论文写作过程中， 师兄刘翔、傅庚福，师弟谢启强、赵鹏、赵凯峰，我的同学樊英鑫、唐剑、 裴志坚都给予了大量支持与帮助。 各方支持，未能尽列，值论文完成之际，向所有给与支持和帮助的老师、 同学以及我的家人表示最诚挚的谢意! 在论文完成的过程中，还参考了许多文献资料，在此，向各参考文献的 作者、译者和出版者一并表示感谢! 作者：徐德良 二零零七年六月 1 绪论 1 1 课题背景 人造板( 包括胶合板、刨花板、纤维板等) 在家具制造、包装、建筑和室内 外装饰等领域有着广泛的应用。近年来，我国人造板产业发展非常迅速，2 0 0 5 年我国的人造板产量为2 8 0 0 万m 3 ，比2 0 0 0 年增长了2 6 。我国人造板生产过 程消耗的能源与国外相比普遍较高，能源利用过程中产生的污染也比较严重，因 此，如何实现节能降耗、减轻对环境的污染己成为木材工业企业和学术界共同关 心的热点问题。 1 1 1 我国目前面临的能源与环境问题 当前，我国能源消费总量已经位居世界第二，根据国家统计局的统计数据， 2 0 0 5 年全国能源消费总量2 2 2 亿吨标准煤，比上年增长9 5 ，0 4 年我国能源消 费总量约占世界能源消费总量的1 3 6 ，煤的消费量占到我国能源消费总量的 6 7 2 】。同时由于在化石能源中，我国的煤资源相对比较丰富，因此我国在现在 及今后相当长的一段时间内，能源的消费主要还是以煤为主，国家也制定了“煤 为基础、多元发展”能源发展方略1 。当前在我国能源利用中存在的主要问题是 能源利用效率低下，能源的利用过程中对环境造成的破坏比较严重。据统计，2 0 0 4 年我国单位产值的能耗比世界平均水平高2 4 倍，是美国的3 6 倍，德国的4 9 倍，日本的4 4 倍，印度的i 6 倍3 。这种依靠高投入、高能耗、高资本积累带 动的经济增长和工业化，使能源供需矛盾日益加剧，引发了能源紧缺和环境恶化 等一系列的经济和社会问题。我国煤中硫和灰分的含量都比较高，煤的利用给生 态环境造成了巨大的破坏。2 0 0 5 年，全国废气中二氧化硫排放量2 5 4 9 3 万吨， 比上年增加1 3 1 。烟尘排放量1 1 8 2 5 万吨，比上年增加8 0 。工业粉尘排放 量9 1 1 2 万吨，比上年增加o 7 | j 6 嫡。根据国家环保局( n e p a ) 公布的资料，中国 的大气污染是典型的煤烟型，全国所排放烟尘量的8 0 ，s o ：的9 0 ，都来自煤的 燃烧。由于s o ：排放造成的酸雨问题日益严重，中南、华东、华南、西南都是迅 速发展中的酸雨区在我国年均降水p h 值小于5 6 的区域，已经占到全国国土 面积的4 0 左右，酸雨给整个生态系统、绘我国的工农业生产以及国民的身体健 康都带来了巨大的破坏is j 。因此如何清洁、高效地利用好煤资源，是摆在我国能 源工作者面前的首要问题。 1 1 2 人造板企业的能源与环境问题 人造板生产耗能量较大，通常每生产1 立方米入造板的能耗约为0 5 吨标准 煤左右，能源利用率比较高的企业也在0 3 吨标准煤以上”1 ，即使是一个年产 l o 万立方米的小型人造板企业，其年均耗能量也达到3 5 万吨标准煤，根据比 较权威的预计，到2 0 1 0 年我国的人造板产量可以达到3 2 8 5 万立方米，耗能量 将达到1 5 0 0 万吨标准煤。目前，我国人造板企业在能源利用方面主要有以下两 个问题： ( 1 ) 煤炭的高效、洁净利用问题 人造板生产过程中的能耗主要以热能消耗为主，热能消耗量占总能耗量的 8 0 9 5 。生产工艺中的干燥、蒸煮、热压等工序都需要消耗大量的热能，热 能主要来源于锅炉中的燃料燃烧。根据我国目前能源供应的现状和我国的能源政 策，人造板企业的锅炉燃料目前基本上是以煤为主而且将持续很长的时间。虽然 我国的人造板生产总量已经很大，但目前企业规模普遍偏小，其中2 1 3 是中小型 企业，以江苏省为例，据省林业局统计，2 0 0 2 年全省从事三板( 胶合板、中纤板、 刨花板) 加工为主的各类企业有6 6 4 4 家，其中产值1 亿元以上的企业有1 5 家， 产值在5 0 0 0 万元1 亿元的企业有2 5 家，产值在1 0 0 0 万元5 0 0 0 万元的企业 有9 1 家呻3 ；在规模较小的人造板生产企业中，厂中的自备锅炉多为容量在l o 吨小时以下的小型燃煤锅炉。由于锅炉较小，燃煤基本不经过任何处理就直接 进炉燃烧，不仅煤的利用效率不高，而且锅炉基本没有脱硫装置，烟尘控制方面 的问题也很严重，锅炉污染物排放难以得到有效控制，对环境造成的污染是非常 严重的。 ( 2 ) 木废料资源的能源化利用问题 根据比较权威的预计，到2 0 l o 年我国的人造板产量可以达到3 2 8 5 万立方米 m 。当前，我国生产的人造板主要品种有胶合板、刨花板、纤维板在这三种人 造板的生产过程中都会产生加工剩余物。胶合板生产过程中产生的剩余物数量主 要决定于原木直径的大小和原木的质量。通常每1 0 0 立方米原木约能生产胶合板 4 5 5 0 立方米，产生的剩余物约为5 0 5 5 立方米，在产生的剩余物中，原木端 头等约为5 、树皮为7 、木芯1 0 、废弃湿单板1 2 、废弃干单板8 、裁边4 、 不合格单板1 和砂光粉5 。在刨花板生产过程中，裁边、不合格板等都可以作 为原料回用，因此产生的剩余物较少，主要的剩余物是砂光粉、刨花沫、树皮， 剩余物生成量一般约为原料的2 0 左右，其中，筛选后剩余的细末约为5 ，砂光 粉约为5 ，树皮也占到1 0 左右。与刨花板生产相似，纤维板生产对木质原料的 利用率也比较高，产生的剩余物主要也是砂光粉和树皮，其比例约占原料的1 5 左右i l o 在人造板生产过程产生的剩余物中，由于木材资源比较紧缺，因此一部分加 工剩余物可以作为其它产品的原料，如板皮、边条、原木端头，木芯、废弃单板 和裁边等适合可以作为制浆造纸、刨花板及纤维板原料，而其余部分则作为木废 料处理。近年来，人造板生产企业开始重视木废料的能源化利用问题，相继研究 开发了一些直接燃烧木废料的技术和设备，如部分大型木材加工企业通过建立能 源工厂专门燃用木废料，取得了很好的经济效益；部分企业将砂光粉通过管道输 送，喷入蒸汽锅炉和热油炉中燃烧，这也是一项值得推广的节能技术。虽然有的 人造板加工厂将木废料用作能源使用，取得比较好的效果，但当前我国人造板产 2 业规模普遍比较小，对于这些规模较小的人造板生产企业，采用能源工厂等较先 进的木废料能源利用技术，由于投资比较大，木废料的来源和数量难以保障，因 此推广应用具有一定的难度。当前，这些规模比较小的人造板生产企业中，生产 过程中所需要的热能大多数由工厂的自各锅炉提供，由于锅炉较小，因此煤的燃 烧效率较低，环境污染比较严重，对这些企业来说，目前迫切需要同时解决以下 两方面的问题：( 1 ) 煤炭如何在锅炉中清洁、高效燃烧；( 2 ) 如何高效利用木废 料能源。采用本课题所研究的木废料型煤作为锅炉燃料是可以同时解决这两个问 题的重要途径之一 1 2 本课题研究的主要目的 所谓木废料型煤，是指将破碎成一定粒度并且干燥到一定程度的煤和木材加 工过程中的木质剩余物，按一定比例掺混，然后压制成型所形成的块状混合燃料。 由于木废料、农作物秸秆、稻壳等均属于主要的生物质燃料，因此，木废料型煤 与农作物秸秆型煤、稻壳型煤等又合称为生物质型煤。 生物质型煤是工业型煤技术的一个分支。型煤技术是我国洁净煤技术发展的 重点之一，型煤技术主要是在煤的燃烧前对其进行处理，将粉煤或低品位煤加工 制成一定强度和形状的煤制品的技术。当前，我国煤炭资源大部分都用于直接燃 烧，现有工业锅炉、窑炉，大多采用层燃式燃烧方式，要求以块煤为燃料，然而 随煤矿机采程度的提高，块煤率不到2 0 ，块煤供不应求，大多数层燃锅炉不得 不直接燃烧散煤，造成热效率低下、环境污染严重。将散煤压制成型煤应用到锅 炉燃烧后，具有以下优点： ( 1 ) 型煤尺寸均匀，孔隙率高，能强化燃烧，灰渣含碳量明显减少： ( 2 ) 型煤有较好的热变形特性，确保型煤能完全烧透； ( 3 ) 型煤燃烧时，飞灰和漏媒量大为减少，能减轻污染，节约能源； ( 4 ) 型煤可以有较合适的焦结特性，以满足层燃的要求； ( 5 ) 型煤可以获得较高的灰熔融性，使型煤燃烧时不结渣，也有利于提高 炉膛内的温度； ( 6 ) 使用型煤可以降低炉内空气过剩系数，减少床层通风阻力，降低风机 功耗，减少排烟损失，提高锅炉效率； ( 7 ) 型煤如在成型前加入石灰石粉或电石渣等脱硫剂，还可以降低烟气s o ： 的排放量 研究表明，相对于散煤，燃用型煤的层燃炉可节煤1 5 2 0 ，提高热效率 1 0 1 5 ，减小烟尘排放量6 0 8 0 ，强致癌物减少5 0 以上。型煤添加固硫剂 后，s o ：、n o ，的排放量可减少5 0 6 0 型煤技术投资少、建厂周期短、见效 3 快、节能、环保效益显著，是我国当前发展洁净煤技术产业化的主要技术之一。 木废料本身是一种易于燃烧的清洁燃料，木废料的挥发分含量高，着火点低、 烧尽率高；木废料中灰分含量很低、基本不含硫，燃用木废料对环境造成的污染 小。将人造板生产中的木材剩余物与煤混合制成木废料型煤，除了具有普通型煤 的优点外，还具有以下优点：木废料型煤的挥发分比普通型煤高，在点火的过程 中，易燃的生物质率先点火放热，使型煤在短时间内迅速达到着火点；而且随着 木废料的迅速燃烧，型煤成为多孔介质，改善了气体渗透扩散性能，即有利于形 成稳定的点火燃烧，又有利于提高固硫率，另一方面由于木废料替代了部分煤， 燃料二氧化硫排放总量将会成比例降低。相对于单独燃用木废料，木废料型煤又 具有更大的能量密度，在使用过程中，对锅炉的压火及锅炉运行的稳定性都有利。 对人造板企业来说，开发利用型煤技术有着自身的优势，如砂光粉，本身就 是粉末状，而且含水率比较低，非常适合用来与煤粉混合生产型煤当前，国内 外对生物质与煤混合生产型煤的研究与应用都取得了一定的进展，本文根据木材 加工企业能源利用的实际状况，将生物质型煤技术引入人造板生产企业的能源利 用中，研究人造板生产工艺中产生的木材剩余物制成木废料型煤技术可行性，通 过对木废料型煤技术的研究给木材加工企业寻求适合自身情况的、可行的能源清 洁利用技术，从而提高人造板生产企业煤的利用效率，降低燃煤对大气造成的污 染，促进人造板行业环保水平的改善，开拓木废料利用的新途径。 1 3 本课题相关的研究进展 随着国际能源形势的紧张，以及诸如京都议定书等条约的生效，生物质 型煤技术作为洁净煤技术的一项，在国内外都有一定的发展。日本、美国等发达 国家已经根据本国的燃料生物质能的具体情况研发出适合本国国情的生物质型 煤成型、燃烧、污染控制技术，并且已经形成一定规模，产生初步的经济、环保 效益n ”。日本在面临石油危机后非常重视对生物质能的开发利用，特别是农作 物的秸秆和木材加工的剩余物”，大力的开发生物质燃料的成型燃烧和生物质 型煤技术，将粉碎后的农作物秸秆、原煤与固硫剂混合后经高压成型机压制而成， 其中生物质占1 5 - 3 0 ，固硫效率可达8 0 ，燃烧效率高达9 9 ：日本于1 9 8 5 年即在北海道建成了一座年产60 0 0 t 生物质型煤的工厂，日本还试验生产了生 物质型煤的小型燃烧装置和专用燃烧设备，以及生物质与煤的混合气化技术“”。 欧洲许多国家也重视生物质与煤混合燃烧技术，他们主要侧重燃烧生物质对环保 的作用方面。西班牙学者研究将生物质和废旧塑料粉碎后通入烧煤的循环流化床 锅炉中，他们对该技术的技术可行性和经济效益都做了比较充分的研究n ”“”。 日本很重视在中国、土耳其、澳大利亚、巴基斯坦和泰国等发展中国家推广应用 其生物质型煤技术n ”。土耳其学者a y h a n 研究了小麦秆与橡树和煤混合燃烧后 对煤燃烧过程和环保效益的影响n ”。 4 生物质型煤虽然具有优良的燃烧性能和环保节能效应，但在中国尚处于实验 室研究、工业试生产阶段，尚未形成规模产业，技术经济因素阻碍了它的工业化 发展应用。在国内研究生物质利用技术的科研单位主要是浙江大学、清华大学、 哈尔滨理工大学、煤炭科学研究总院北京煤化学研究所、杭州环境保护研究所和 沈阳环境科学研究所等单位也进行了生物质型煤的部分开发工作和小型实验研 究 哈尔滨理工大学的刘伟军等人在机械部科学技术发展司的基金资助下，对生 物质型煤点火性能、燃烧机理、燃烧速度、燃烧污染特性和固硫规律等进行了理 论分析和试验研究，在1 9 9 8 年到2 0 0 3 年发表了关于生物质型煤固硫、燃烧速度、 燃烧机理等方面的文章，对生物质型煤燃烧和固硫作了比较充分的研究 ”- t 2 4 。 2 0 0 1 2 0 0 2 年清华大学徐康富等在国家“九五”科技攻关项目基金的资助 下对和生物质型煤的成型技术和成型机作了比较深入的研究，对高压成型机进行 了改进，在降低成型压力和扩大成型机的应用范围方面取得了一定的成果“”。 此外，中国矿业大学的张香兰，昆明理工大学的何方。浙江大学的蒋林等都 对生物质型煤的粘结成型、燃烧、周硫等作了初步研究“”1 驯。 在国内学者研究生物质型煤技术的同时，我国也先后建立了几家生物质型煤 的示范性生产工厂 山东临沂生物质型煤示范厂1 9 9 4 年动工，1 9 9 5 年建成，是目前国内唯一的 一家工业规模的生物质型煤生产厂，设在山东临沂矿务局汤庄煤矿内。由日本国 新能源开发机构( n e d o ) 的绿色援助计划( g a n ) 资助，日本政府对该型煤厂的 总投资为7 亿日元。该厂的设计年产量为3 万t ( 5 t h ，每年以2 5 0 天计，2 4 h 运转) ，实际为年产量1 万t ，生产的型煤呈枕头型，尺寸为4 0 m m x 4 0 m m 2 5 m m ， 生物质主要为农作物秸秆，含量在1 0 到3 0 。型煤的崩溃强度大于3 9 2 n ，热值 为1 2 1 2 1 8 4 8 m j k g ，脱硫率大于5 0 。煤末经粉碎至3 m m ，经干燥，使其水 分为1 左右；生物质经切碎至2 3 m m ，干燥后水分约1 0 ；消石灰脱硫剂粉颗 粒小于0 1 m m ，水分小于3 。在生产设备安装初始时有许多问题未能解决，在锅 炉试烧中还存在烧不透的问题，造成锅炉型煤生产线不能正常生产运行“”。”。 重庆市由日本国际善邻协会赠送的价值数百万元人民币的高压成型机，安装 调试成功后压制出的四种配方的生物质固硫型煤和非生物质周硫型煤，初步燃烧 测试和实验室测试表明，民用型煤可获及较高的固硫率，工业固硫型煤也有希望 获得5 0 7 0 的固硫率；日本的高压成型机性能优异，运转平稳、压力可调、设 计科学、结构合理、基本无噪声，但存在因成型水分5 ，致使扬尘较大的问题。 中日两国共同研究的目的是进一步改进并完善生物质固硫型煤技术，使其具有优 怠的防潮抗水性、较高的冷热强度和高温下维持较高的固硫、灰率的优点。中日 共同研究的生物质固硫型煤试验厂在1 9 9 7 年建成，达年产l 万t 生物质固硫型 煤，试验成功后将在重庆普及推广，使重庆日益严重的酸雨问题得到有效的控制 曲i 】【3 2 丁 成都市由日本庆应大学提供技术( 主要是生物质型煤成型主机装置及其相关 技术) ，中日合作在成都市进行研究、试验生产生物质型煤，以成都环保科研所 的杨治敏为组长的中日合作课题是成都市政府计划科研项目( 9 9 0 1 ) ，他们深入 研究了生物质型煤的生产工艺流程及其固硫技术，试验生产的生物质活性型煤是 在粉煤中添加有机活性物( 如农作物秸秆等) ，脱硫剂( 氧化钙) 等，将其混合 后经由日本庆应大学提供的k - 1 2 3 a 轴压缩式成型机压制成具有易燃、脱硫效果 显著、未燃损失小等特点的型煤n 钉n “。 由日本技术提供给我国建立的这几家生物质型煤生产工厂，虽然在生物质型 煤的生产和使用过程中还存在一些问题，但是该技术已经在当地取得了一定的能 源利用和环境保护的效益。 尽管国内外在生物质型煤研究开发领域已取得一定的研究成果，但在以下几 方面仍存在一些问题，有待进一步研究： ( 1 ) 目前在生物质型煤的研究中，对农作物秸秆型煤研究较多，对木废料 型煤研究较少； ( 2 ) 由于木材资源的减少和我国“天然林保护工程”的实施，我国木材加 工行业尤其是人造板行业的生产原料己逐步转向速生木材，如杨木、马尾松等。 树种不同，其木废料的燃烧特性不完全相同，也必然会影响木废料型煤的燃烧特 性，而目前针对特定树种，尤其是我国广泛使用的杨木木废料型煤的研究尚未见 报道； ( 3 ) 目前人造板行业迫切需要解决树皮和砂光粉的能源化利用问题以及煤 炭的高效清洁燃烧问题，将树皮和砂光粉与煤混合制成型煤是可以同时解决这两 个问题的有效途径之一，面目前在生物质型煤研究领域，以树皮和砂光粉作为主 要研究对象所进行的研究很少； ( 4 ) 工业型煤( 包括生物质型煤) 的生产和使用主要有两种方式，一种是 建立专门的型煤加工厂，集中生产，市场销售；另一种是型煤使用企业自产自用。 木材加工企业自产自用木废料型煤的优势非常明显，因此木废料型煤的研究，必 须考虑到木材加工企业的能源结构( 能源品种、消耗比例) 、木废料产生现状等 实际因素，进行有针对性的研究，而这方面的研究，目前尚为空白。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题主要研究木废料型煤的成型、燃烧、固硫特性。 本课题研究中，压制木废料型煤的主要原料为烟煤、树皮和砂光粉。烟煤是 我国人造板企业工业锅炉目前燃用的主要煤种，本课题试验中使用的烟煤为安徽 淮北烟煤，在进行木废料型煤固硫试验时采用的是产自山东兖州小曹庄的高硫烟 煤利用人造板加工过程产生的砂光粉制成型煤有着先天的优势，根据目前生物 质型煤成型工艺研究结果，制作生物质型煤的原料一般要求粒径在3 m m 以下，含 水率不超过，而砂光粉的粒径( 0 1 m m ) 和含水率( 1 0 ) 完全符合要求，无 6 需经过任何处理就能用来生产木废料型煤。在目前各种木废料燃烧技术中，树皮 直接燃烧难度较大，因此，将树皮干燥粉碎后作为制作木废料型煤的原料，是利 用树皮的有效途径之一。 在本课题的试验过程中，试验因子( 原料成分、配比、粒径、含水率以及成 型压力等) 及其因子水平的设置依据为： ( 1 ) 参考型煤、生物质型煤的已有研究成果； ( 2 ) 依据人造板企业木废料的生成量、木废料形态与特性； ( 3 ) 依据人造板企业原料种类，能源利用的现状。 例如，煤种选用目前工业企业普遍使用的烟煤，树种则选用江苏省人造板生 产企业使用比较多的速生材杨树，随着杨树产业的不断发展，仅江苏省就有8 0 以上的企业是以杨树为主要生产原料”。 本课题研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 在木废料型煤的成型试验中，结合已有的生物质型煤成型研究结果本 文主要分析砂光粉、树皮粉与煤的不同配比、不同成型压力、树皮粉的不同粒径 级对木废料型煤成型的影响，为木废料型煤的成型技术提供理论依据。根据木废 料产生量和我国的人造板企业能耗标准，人造板加工过程中产生的砂光粉和树皮 粉折算成标准煤大约占到耗煤的1 0 2 0 ，本文考虑木废料与煤的配比，取木 废料占型煤的5 、1 0 、2 0 、3 0 。通常生物质型煤冷压成型的成型压力要求比 较高，本文选定1 0 0 m p a 和1 2 5 m p a 两个压力级。在作木废料粒径对型煤成型强度 的影响试验中，将树皮粉的粒径级别分为0 5 m m ，0 5 l m m ，1 2 m m 。这一部 分内容主要在论文的第二章介绍； ( 2 ) 本文在研究木废料型煤的燃烧特性中，主要研究了杨树砂光粉和树皮 粉对其制成型煤的发热量、燃烧速度、灰熔点的影响，同时本文使用热分析天平 研究杨树砂光粉和树皮及其与煤混合的t g 、d t g 、d t a 曲线，分析杨树木质部、 树皮及其制成的木废料型煤的燃烧动力学特性，确定木废料型煤的着火点。通过 本文的试验研究掌握杨树砂光粉和树皮粉制成型煤燃烧特性的基本数据和规律， 从而为使用木废料型煤和相关燃烧设备的设计提供理论依据。在木废料型煤的发 热量试验中，本文测定了杨树的木质部和杨树皮及按照木废料和煤不同配比制成 的型煤的发热量。在木废料型煤燃烧速度的试验中，本文主要考虑砂光粉和树皮 粉的加入量，木废料型煤的成型压力和树皮粉的不同粒径级别对木废料型煤燃烧 速度的影响。在木废料型煤的灰熔点试验中，本文主要研究杨树木质部和杨树皮 的灰对型煤灰熔点的影响。本部分内容主要在论文的第三章介绍； ( 3 ) 研究由杨树砂光粉和树皮粉制成的木废料型煤的固硫特性试验中，本文 采用氢氧化钙作为木废料型煤固硫剂，分析木废料的含量对不同煤种型煤固硫率 的影响，得出实验室条件下杨木废料型煤的固硫率。本部分内容主要在论文的第 四章介绍。 7 1 。5 本课题研究的创新之处 本文将生物质型煤技术引入到人造板生产行业，根据人造板生产过程中产生 的木废料的具体情况制成木废料型煤，研究了由杨树砂光粉和树皮粉制成的木废 料型煤的成型、燃烧和固硫特性，为木废料型煤的开发利用提供了重要依据。 特点和新意主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 杨树是我国尤其是江苏地区主要的速生工业用材，研究开发杨树木废 料型煤为杨树资源的高效利用提供了一个新的利用途径。 ( 2 ) “能源工厂”技术是目前利用木废料资源的比较先进的利用技术，但由 于该技术存在投资大、管理要求高等问题，所以在中、小型木材加工企业中推广 尚有一定的难度。木废料型煤技术为这类企业提供了一条投资少、见效快的利用 木废料的新途径。 ( 3 ) 本文研究的木废料型煤技术将生物质型煤技术引入到具体的生产行业， 相比较专门建立利用农作物秸秆作为原料的生物质型煤生产厂，木废料型煤技术 没有原料来源与市场的限制，为生物质型煤技术的生存与发展开拓了新空间。 ( 4 ) 目前我国中小型木材加工企业仍以煤炭作为主要能源，面临的环保压 力越来越大，利用木废料型煤技术既可以减少燃煤消耗，降低企业的能耗成本， 同时也有利于煤炭的高效清洁燃烧，减轻对环境的污染。 2 木废料型煤成型试验研究 木废料型煤成型主要是将煤粉和破碎成一定粒度、干燥到一定程度的木废 料，经高压成型机压制块状燃料。本课题采用自制的压制模具，以人造板生产过 程中产生的砂光粉和杨树皮粉碎后的粉末，与烟煤挤压制成木废料型煤，通过试 验来测定木废料型煤的成型效果，分析木废料型煤的成型机理和成型的主要影响 因素。 2 1木废料型煤成型方法 型煤成型是指以适当的工艺和设备，将具有一定粒度组成的粉煤加工成一定 形状、尺寸、强度及理化特性的人工“块煤”，这样的加工过程称为粉煤成型。 粉煤成型的目的是根据煤使用过程中的不同需求，克服煤炭天然存在的缺陷，赋 予原煤所没有的优良特性，使之符合用户的最佳需求，实现煤的清洁、高效利用。 型煤生产的关键技术就是型煤的成型技术，常用的型煤成型技术见表2 - i 。当前， 为了确定煤炭可成型性，通常要进行实验室的可成型性试验，并检验所获得的型 煤质量。根据实验室成型试验结果评价煤的成型性能，确定型煤机械强度与成型 条件的关系，从而以所得试验数据为基础，探索符合质量要求的型煤的最佳成型 条件，在实验室试验的基础，进行半工业性和工业性的成型试验。 表2 - 1 型煤成型技术】f ”1 11 1 1 11 坚! ! 皇! 呈曼! ! ! 皇里! ! ! g i ! ! ! ! ! ! i 旦兰! ! ! ! 技术分类技术特点 9 工业用型煤通常有球状、椭球状、圆柱状、圆管状等，主要是根据成型机的 不同，生产不同形状、不同尺寸的型煤，我国工业用型煤机主要有对辊成型机、 冲压成型机、螺旋挤压机等，以后发展的生物质成型燃料、以及生物质型煤的成 型设备主要也是以这几种方式为主1 。 撼 旺 ， 、 彭诞 ， 图2 - l 成型机的工作示意图 f i g2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm o l d i n ge q u i p m e n t 在型煤的成型过程中，不同的煤种对成型压力的要求不同，通常泥炭、褐煤 等年轻煤种均富含塑性高的沥青质和腐植酸物质，因而其成型件好，成型效果理 想，甚至可以采用无粘结剂成型，对成型压力的要求比较低，随着煤化度的提高， 煤的塑性迅速下降，其成型特性逐渐变差。在烟煤和无烟煤的成型中通常使用冷 压有粘结剂成型，生物质含有的木质素、纤维素、半纤维素具有一定的粘结性， 可以用来傲型煤粘结剂，常用的生物质粘结剂有生物质制浆后的废液，主要造纸 过程中产生的废液；生物质的水解生成的木质素、纤维素、半纤维素等；生物质 直接和煤粉混合，利用受热后纤维素、木质素具有的粘结作用生产型煤；生物质 直接和煤粉混合后在高压下直接成型。 根据笔者进行预备试验的结果，木废料与煤粉混合后在一定的压力下进行冷 压，即可获得较好的成型效果，而且冷压成型可以降低成型成本、简化成型工艺， 因此本文在木废料型煤的成型研究时采用冷压成型方法。在进行冷压试验前，本 文首先对使用的杨树废料和淮南烟煤进行工业分析。 2 2试样的工业分析 2 2 1 试验设备 ( 1 ) s a r t o r i u sb s 2 2 4 s 电子天平。最大量程2 2 0 9 ； 最小分度0 0 0 0 1 9 。 北京赛多利斯仪器有限公司 ( 2 ) d h g c 型全自动电脑干燥箱。控温范围：1 0 2 5 0 ：恒温波动值：l 1 0 ：控温精度：l ；杭州蓝天化验仪器厂 ( 3 ) 可控温马弗炉。s x f 程控器；温度范围：室温1 2 0 0 燃烧室尺 寸：3 0 0 丰2 0 0 幸1 2 0 m m ；杭州蓝天化验仪器厂 ( 4 ) 万能粉碎机。型号：f w 8 0 ；转速：1 0 0 0 0 r m i n ；体积：夺1 3 0 2 5 0 ； 刀片材料：不锈钢。 2 2 2 工业分析结果 由于我国还没有生物质的工业分析标准，因此使用煤的工业分析方法即 g b 2 1 2 - 9 对本试验的试样进行工业分析。实验使用的样品为江苏省灌南县大圣木 业公司锅炉房使用的淮南烟煤和在胶合板生产过程中产生的砂光粉及树皮废料 ( 制材过程中产生的杨树皮经过自然干燥) 。试样工业分析结果如下表2 2 ： 表2 - 2 杨树和煤的工业分析 ! 堡坠! ! 三：兰! 堡璺兰! ! ! 兰堡翌苎! 兰堑12 1 竺! 璺! 苎呈璺1 2 垒! 试样名称水分挥发分灰分固定碳 从试验结果可以看出，杨树木质部和树皮的挥发分含量非常高，杨树木质部 的灰分含量非常小，而杨树皮的灰分含量明显多于杨树木质部。相比较于煤，杨 树木质部和杨树皮的固定碳含量都比较低，树皮中的固定碳含量高于木质部中的 固定碳含量 2 3木废料型煤成型试验研究 2 3 1 木废料型煤成型试验内容与试验因子 本文主要利用人造板生产过程产生的砂光粉和经过干燥、粉碎后的树皮粉， 加入氢氧化钙固硫剂后直接与烟煤混合在高压下挤压成型。目前，使用的型煤或 生物质成型燃料大多是球状、圆柱状等，不同形状的型煤，对使用比较多的对辊 成型机，可以通过改变辊子表面的凹槽形状来实现，近几年随着我国各种成型燃 料的发展应用，许多机械生产厂家也都在生产操作简便，成本低的成型机，各种 小型冲压式、螺旋式成型机在成型燃料的生产中应用比较广泛，各种成型机的发 展使生物质型煤的工业化生产问题得以解决，当前成型燃料的生产过程中存在的 主要问题是成型接触部位的磨损问题，关键部位的易磨损造成生产成本的加大。 在本次研究中结合实验室现有条件，笔者自制了一套模具，利用实验室中的平板 i l 压力机来制作圆柱形的砂光粉、( 交待修改意见1 中提出的试验制作圆柱型煤的 原因) 树皮粉和煤混合后的木废料型煤，制成的型煤样品直径为3 c m ，高控制在 2 5 c m 左右。成型模具见图2 2 ： 图2 - 2 模具结构示意图 f i g2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e l f r e g u l a t i n gm o u l d 工业型煤强度测定一般有包括抗压强度、落下强度、浸水强度n ”。由于：( 1 ) 人造板企业生产、使用木废料型煤，多为自产自用，一般遵循即生产即使用的原 则，或者保存一至两天的使用量；( 2 ) 木废料型煤的生产、使用流程时间短，不 需要长途运输；( 3 ) 大部分的人造板生产企业都有煤棚。因此一般不会出现木废 料型煤浸水的问题，故本文不再对木废料型煤的浸水强度进行试验，主要分析分 析木废料种类、形态、粒径等因素对木废料型煤成型效果的影响，并在此基础上， 分析木废料型煤的成型机理 在现有的对生物质型煤成型的研究中，一般认为生物质的种类、形态，生物 质的加入量、含水率，成型的压力对型煤的成型强度影响比较大。在生物质型煤 的成型压力研究中，日本生产的成型机压力都比较高，都在1 0 0 m p a 到2 0 0 m p a ， 甚至达到3 0 0 m p a ，成型机一般采用对辊成型，清华大学的徐康富等曾对辊成型 机作过改进，可以使成型压力控制在1 2 0 m p a 左右，型煤中生物质的含量和水分 的允许范围都成倍扩大。我国国内技术生产的成型机压力一般比较低，都在 1 0 0 t p a 以下，高压成型机技术尚不成熟乜”。成型压力升高，会增加成型的动力 消耗，而且对成型机造成的磨损也比较大，日本的高压成型机通常都在成型接触 部位涂有耐磨材料，成型压力过高对生物质型煤的燃烧也会造成影响，日本援助 我国在临沂建立的以农作物秸秆与煤混合成型的生物质型煤生产厂，在产品使用 初期就发现了生物质型煤部不容易烧透，容易出现灰壳、黑心的现象。本文在木 废料型煤成型试验中，采用的煤为淮南烟煤，由于烟煤的煤化程度比较高，因此 对成型压力要求比较高，一般在1 0 0 m p a 以上。 茴血 人造板生产过程产生的砂光粉的粒径都非常小，同时由于砂光工序都是在单 板干燥后进行，园此砂光粉的含水率一般在l o 左右，在本文木废料型煤的研究 中考虑不对其进行任何处理直接与煤粉压制成型，制成型煤。树皮都是在干燥之 前就被剥离，含水率比较高，直接使用含水率较高的树皮制造木废料型煤，不仅 给树皮粉碎带来困难，在燃烧过程中也会带走一部分热量。因此在树皮粉碎前， 对其进行干燥将其含水率降到1 0 左右，通常杨树皮的干燥相对于杨树木质部 比较容易，本文将新鲜杨树皮放入试验室干燥处，三天后测定其含水率，大约可 以降到2 0 以下左右，实验室中测得的杨树皮的平衡含水率为6 3 左右。将干 燥后的杨树皮，使用锤片粉碎机进行粉碎，本次试验控制在2 m m 以下。 在型煤生产中一般将煤料粒度控制在小于3 m m ，粒径低于i m m 部分占到7 0 9 0 是比较适宜的1 ，煤粉粒径过大对型煤的强度不利，成型中煤粉的粒度过细， 会增加煤料破碎的动力消耗和成型时的粘