王文雅 吴鹏 吕玉庭 魏立国 宋微娜 解丽萍

摘要：为了解决玉米秸秆资源化利用率低和褐煤难于成型、成型后燃烬率不高等问题，以褐煤和玉米秸秆为原料，考察了玉米秸秆添加量、水添加量、成型压力因素对制备玉米秸秆/褐煤型煤抗碎强度的影响，采用热重分析法对制备的玉米秸秆/褐煤型煤的燃烧性能进行了测试。结果表明：当成型压力为1961.330N/cm2，水添加量为0.2mL，玉米秸秆添加量为50%时得到的玉米秸秆/褐煤型煤的抗碎性能最佳。热重分析结果表明，添加玉米秸秆后玉米秸秆/褐煤型煤的着火点由433℃降至282℃，燃烬率由94.72%提升至99.88%，单位时间发热量增加。研究结果为玉米秸秆/褐煤型煤的制备提供了试验基础和理论依据，为玉米秸秆和褐煤的高效清洁利用提供了有效途径。

关键词：褐煤;玉米秸稈;型煤;抗碎强度;燃烧性能

中图分类号TQ536文献标识码A

文章编号0517-6611（2021）08-0203-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.053

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

PreparationandCombustionPerformanceofCornStalks/LigniteBriquette

WANGWen-ya，WUPeng，LYu-tingetal（SchoolofEnvironmental&ChemicalEngineering，HeilongjiangUniversityofScience&Technology，Harbin，Heilongjiang150022）

AbstractInordertosolvetheproblemsoflowmoldingrateandlowburningrateoflignitebriquette，lowmoldingrate，andlowutilizationrateofcornstrawresourcesutilizationrate，theeffectsofaddingamountofcornstalk，addingamountofwaterandformingpressureonthecrushingstrengthofpreparedcornstalk/lignitebriquettewerestudied.Thecombustionperformanceofthepreparedcornstalk/lignitebriquettewastestedbythermogravimetricanalysis.Theresultsshowedthatthecornstalk/lignitebriquettehadthebestcrushresistancewhenthemoldingpressurewas1961.330N/cm2，theaddingamountofwaterwas0.2mL，andtheadditionamountofcornstalkwas50%.Theresultsofthethermogravimetricanalysisshowedthattheignitionpointofcornstalk/lignitebriquettewasreducedfrom433℃to282℃，theburningratewasincreasedfrom94.72%to99.88%，andthecalorificvalueperunittimeincreased.Theresearchresultsprovidedexperimentalandtheoreticalbasisforthepreparationofcornstalk/lignitebriquette，andprovidedaneffectivewayfortheefficientandcleanutilizationofcornstalkandlignite.

KeywordsLignite;Cornstalks;Briquette;Crushingstrength;Combustionperformance

我国褐煤资源丰富，但褐煤的高水分、低热值、容易风化等特点限制了其有效利用[1]。褐煤成型可以有效解决其燃烧产尘量高、易风化、不易运输[2]等问题，并可防止因褐煤高水分而对投料设备的堵塞和黏连。但仅用褐煤成型也有明显缺陷，一方面，由于褐煤自身水分含量高[3]，导致型煤不容易脱模，成型率低，抗碎效果差;另一方面，由于褐煤的独特性质，成型后密度大，孔隙几乎消失，导致型煤燃烧困难，燃烬率低。为改善这一状况，可向褐煤型煤中掺杂一定比例的生物质成分[4-5]。玉米秸秆是一种具有较高发热量的生物质材料[6]，其含有的大量木质素、纤维素等物质形成的纤维束[7]，对型煤成型可以起到黏连作用[8]，有助于褐煤成型。玉米秸秆的加入既可以增加型煤中的孔隙数量，也可提高型煤的燃烬率。此外，将农业废料玉米秸秆作为褐煤型煤的添加剂，可以有效解决玉米秸秆占地面积大、燃烧污染环境等问题[9]，同时达到回收玉米秸秆中有机热量的目的。

为了获得燃烧性能良好，抗碎性强的玉米秸秆/褐煤型煤，笔者采用单因素试验的方法，分别考察了成型压力[10]、水添加量、玉米秸秆添加量对制备的玉米秸秆/褐煤型煤抗碎强度的影响，采用热重分析方法研究了添加玉米秸秆后型煤燃烧着火点以及燃烬率等性能[11]的变化，旨在为玉米秸秆/褐煤型煤的制备提供了试验基础，为其实际应用提供了理论数据。

1材料与方法

1.1材料与设备

1.1.1试验材料。褐煤源于黑龙江省宝清县朝阳煤矿，玉米秸秆源于哈尔滨市郊区。

1.1.2设备。嵌样机，产自河南鹤壁设备制造公司。

1.2原材料预处理将秋季干燥玉米秸秆切割成小于30mm的短茎后，继续在粉碎机中破碎至粒径5mm以下。

使用粉碎机将空气干燥基褐煤破碎至粒径小于5mm。

1.3原材料性能分析采用GB/T211—2008煤炭工业分析标准方法获得褐煤工业分析数据。采用GB/T35835—2018玉米秸秆颗粒标准方法获得玉米秸秆工业分析。

1.4制备玉米秸秆/褐煤型煤

将预处理后褐煤和玉米秸秆按照一定的比例，在嵌样机中通过一定的压力形成直径1.5cm的球形型煤。采用单因素试验法，首先，控制煤粉与秸秆总添加量为2.5g，秸秆添加质量占总添加量的20%，水添加量为0.2mL，改变成型压力，控制成型压力分别为784.532、1176.798、1569.064、1961.330、2353.596N/cm2;其次，控制玉米秸秆添加量为20%，成型压力为1961.330N/cm2，改变水添加量，控制水添加量分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30mL;最后，控制成型压力为1961.330N/cm2，水添加量为0.20mL，控制玉米秸秆添加量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%。

1.5燃烧性能测定

使用北京恒久科学仪器厂HCT-3型热重分析仪对制备的型煤进行热重分析，取样品10～15mg，褐煤程序控制升温速率15℃/min，其他样品程序控制升温20℃/min，温度为20～900℃。

1.6抗碎强度检测将成型后的型煤在空气中阴干7d左右，在地上铺制铁板，距离铁板高1.5m处使型煤自由下落，收集落地后的型煤块，进行测量并计算其平均粒径。

2结果与分析

2.1褐煤与玉米秸秆的工业分析

褐煤与玉米秸秆工业分析见表1。褐煤全水分（Mt）高达42%，其内在水（Mad）为11.6%，这导致褐煤的低位发热量（Qnet，v，ar）远低于秸秆的低位发热量，且灰分含量（Aad）较高，导致着火点升高，燃尽时间拉长，故褐煤燃烧困难。而玉米秸秆灰分含量较低，仅4.95%，且挥发分含量（Vad）高达72.61%，具有较高的固定碳含量（FCad），故其发热量较高，着火点低，容易燃烧。基于玉米秸秆和型煤的工业分析数据可推测出，通过掺杂玉米秸秆制备型煤，因加入了高挥发分、高发热量的玉米秸秆，可以降低型煤的着火点，使其易于点燃，并可以提高型煤的发热量。因此，掺杂玉米秸秆制备型煤具有理论上和实际上的可行性。

2.2成型压力对型煤抗碎强度的影响

不同成型压力条件下制备的玉米秸秆/褐煤型煤的抗碎强度见图1。从图1可以看出，随成型压力的增大，抗碎强度呈现先增加后减小的趋势，当成型压力为1961.330N/cm2时抗碎强度试验获得的型煤的平均粒径为1.5cm，型煤几乎不发生破裂，此时型煤的抗碎强度最大，随着成型压力继续增加，抗碎强度反而略有降低。其原因在于：型煤成型中加压使煤粒之间结构产生变化，缩小了煤粒之间的间隙，褐煤充分与玉米秸秆接触，增大了型煤的抗碎强度[12]。但成型压力过小会导致煤粒不能充分粘结，容易破碎;成型压力大则会导致型煤内部结构被破坏，出现裂纹，型煤抗碎强度反而降低，还会导致不必要的能耗。因此，当成型压力为1961.330N/cm2时，可以获得抗碎强度最佳的型煤。

2.3水添加量对型煤抗碎强度的影响

不同水添加量条件下制备的玉米秸秆/褐煤型煤的抗碎强度见图2。从图2可以看出，随着水添加量的增大，抗碎强度呈现先增加后减小的变化趋势，当水添加量为0.20mL时，抗碎强度试验获得的型煤的平均粒径为1.5cm，型煤几乎不发生破裂，此时型煤的抗碎强度最大，随着水添加量的继续增加，抗碎强度反而略有降低。其原因在于：水存在使煤粒间相互运动顺利，促进粘结。若水添加量过多，会造成型煤水分分布不均出现压溃现象，抗碎强度降低，容易破碎;若水添加量太少，则不利于粘结，易破碎。另外，褐煤本身含有较多水分，相较于其他类似研究，试验中水添加量仅为材料总量的8%左右，整体水添加量较少，充分利用了褐煤中的水分，节约了水资源。因此，当水添加量为0.20mL时，可以获得抗碎强度最佳的型煤。

2.4玉米秸秆添加量对型煤抗碎强度的影响

不同玉米秸秆添加量条件下制备的玉米秸秆/褐煤型煤的抗碎强度见图3。从图3可以看出，随着玉米秸秆添加量的增大，抗碎强度呈现先增加后减小的变化趋势，当玉米秸秆添加量为50%时，抗碎强度试验获得的型煤的平均粒径为1.5cm，型煤几乎不发生破裂，此时型煤的抗碎强度最大，随着玉米秸秆添加量的继续增加，抗碎强度反而略有降低。其原因在于：玉米秸秆含有的木质素、纤维素等物质起到粘结作用[13]，但当秸秆添加量增加到一定程度时，玉米秸秆膨胀作用超过粘结作用，导致型煤易碎。因此，当玉米秸秆添加量为50%时，可以获得抗碎强度最佳的型煤。

2.5燃烧性能

从图4（a）可以看出，350℃時褐煤的热重（TG）曲线开始出现明显下降，且微熵热重（DTG）曲线仅有一个显著峰，到646℃时失重结束，整个失重过程持续了43min左右。这个阶段的失重主要是挥发分逸出和固定碳燃烧造成的。根据着火点算法[14]可知，褐煤的着火点（Tm）为433℃。

从图4（b）可以看出，262℃时TG曲线出现明显下降，此时为挥发分析出的初始温度。图中TG曲线有2个明显的拐点，对应到DTG曲线上有2个显著峰，320℃时DTG曲线出现第一个显著峰，该点为挥发分析出的最大速率对应的温度。422℃时DTG曲线出现第二个显著峰，此点为固定碳析出最大速率的对应温度。当温度达到460℃时，TG曲线和DTG曲线几乎不发生变化，玉米秸秆燃烧完全。失重过程持续了23min左右。玉米秸秆的着火点为281℃。

图5（a）为成型压力1961.330N/cm2，水添加量为0.2mL，玉米秸秆添加量为20%的玉米秸秆＼褐煤型煤的热重曲线。DTG曲线200℃出现一个小峰，此时失重主要是内在水的析出造成的。277℃下TG曲线开始明显下降，这阶段的失重主要是挥发分析出造成的，342℃下达到挥发分最大析出率。380℃下TG曲线继续下降，此时固定碳与挥发分都有析出，420℃下析出速率达到最大。506℃下TG曲线又有明显下降，这阶段主要是固定碳析出，579℃下达到最大析出率。根据着火点算法，型煤着火点为312℃。

图5（b）为成型压力1961.330N/cm2，水添加量为0.2mL，玉米秸秆添加量为30%的玉米秸秆/褐煤型煤的热重曲线。从图5（b）可以看出，DTG曲线在200℃时出现了一个小峰，此点为内在水的最大析出速率。DTG曲线中有2个显著峰，281℃时TG曲线开始出现明显下降，此时主要为挥发分析出，378℃时达到挥发分最大析出率。从399℃开始，TG曲线继续下降，此时主要为固定碳析出，556℃时达到固定碳最大析出率。型煤着火点为316℃。

图5（c）为成型压力1961.330N/cm2，水添加量为0.2mL，玉米秸秆添加量为50%的玉米秸秆/褐煤型煤的热重曲线。第一阶段失重在251℃时到320℃，在此温度区间内TG曲线出现明显下降，这个阶段主要发生的挥发分和固定碳的析出。320℃后的失重阶段主要是因固定碳析出而造成的。DTG曲线在352℃和527℃时出现2个小峰，但整体变化均匀，样品燃烧稳定。型煤的着火点为282℃。

由表2可知，随着掺杂秸秆的质量增加，型煤着火点从433℃逐渐降低到282℃，可见玉米秸秆含量对型煤着火点影响不显著。这是由于燃烧过程中玉米秸秆中的挥发分首先析出并燃烧，故着火点降低。随着玉米秸秆的燃烧，在型煤中形成大量的孔隙，扩大了煤与空气接触面积促进燃烧，随着玉米秸秆添加量的增加，型煤空隙量增大、固定碳含量减少，其燃烧时间也从43min缩短到30min，而燃烬率则逐渐提高至99.88%，同时单位时间型煤释放热量增多。从图5（c）可以看出，DTG曲线只有一个明显峰值，TG曲线失重均匀。以上结果表明玉米秸秆/褐煤型煤燃烧均匀，且在实际燃烧中具有良好的燃烧性能。

3结论

（1）成型压力1961.330N/cm2，水添加量为0.20mL，玉米秸秆添加量为50%时，可获得抗碎强度良好的型煤。

（2）与褐煤型煤相比，玉米秸秆/褐煤型煤燃烧性能得到明显改善。着火点由433℃降低为282℃;燃烧时间从43min缩短为30min，单位时间释放热量增加;燃烬率由94.72%提高到99.88%。

该研究通过控制成型压力、水添加量和玉米秸秆添加量，获得了燃烧性能良好、抗碎性强的玉米秸秆/褐煤型煤，为其在生产中的应用提供了理论基础。

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