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 |
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��；用1. 0%的NaOH溶液改性后，秸稈明顯軟化，但是細胞結(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，細胞結(jié)構(gòu)明顯，纖維素明顯吸水膨脹，植物細胞間的鑲嵌物質(zhì)與細胞壁松散，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首先進入生物質(zhì)細胞壁的木質(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 |
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，使植物細胞間的鑲嵌物質(zhì)與細胞壁松散。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。
