松木屑/煙煤粉/PVC粉混合制備成型燃料

劉澤偉,戴世金,黃啟飛,趙由才*

松木屑/煙煤粉/PVC粉混合制備成型燃料

劉澤偉1,2,戴世金1,黃啟飛2,趙由才1*

(1.同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092；2.中國環境科學研究院,土壤與固體廢物研究所,北京 100012)

以松木屑/PVC粉/煙煤粉為原料,在150℃下采用不同壓力和不同原料配比混合制備成型燃料,研究不同原料配比和壓力對成型后顆粒的初始密度、松弛密度和耐摔強度等物理品質的影響.結果表明,2種或3種原料混合制備成型燃料的穩定性和耐摔強度均高于單一原料.雖然成型燃料的成型密度穩定性和耐摔強度隨著壓力的增加而升高,但是當壓力達到15MPa后,耐摔強度的增加趨勢并不是很明顯.考慮到熱壓機能耗隨著壓力增加而增加的因素,15MPa可以確定為最佳成型壓力.15MPa下,成型燃料在混合比例(松木屑:煙煤粉:PVC粉)為1:1:3時密度穩定在1.408g/cm3;耐摔強度在1:1:2時達到最大值99.99%.

松木屑；PVC塑料；煙煤；成型燃料；物理品質

松木屑是在伐木和木材加工過程中產生的廢棄物,既可以作為原料制備熱解炭也可以加工制備為生物質成型燃料DBBF[1-3];還可以和廢棄PVC塑料等混合制備垃圾衍生燃料RDF,實現垃圾處理的減量化和資源化[4-6].為了降低SO和NO的排放量,實現清潔燃燒的效果,也有學者在做生物質和煤粉混燃或者混合熱解的研究[7-9];關于煙煤脫硫提質和制備燃料的研究也有報道[10-11].然而,松木屑單獨成型燃料在耐水性和耐摔性上不高[1,3],硬質PVC致密性良好但是熱值和耐摔性不高.目前研究大多集中在城市生活垃圾制備RDF[4-6]、松木屑成型燃料和煙煤粉熱解氣化上[7-9],少有人利用煙煤粉中無機成分和有機成分之間固體粒子架橋、填充或嵌合的能力以及PVC粉120~150℃時具有的可塑性制備成型燃料.

本文以云南馬尾松木屑、硬質PVC塑料粉和云南曲靖煙煤為原料,將3者混合熱壓制備成型燃料,通過研究成型壓力和3者混合比例對成型燃料成型初始密度、分散密度以及耐摔強度的影響,解釋3者混合成型機理,確定最佳成型壓力和混合比例,為成型燃料的發展和制備提供一定的理論基礎和數據支撐.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選用的松木屑為昆明市某木材加工廠廢棄的馬尾松木屑,實驗用煤為云南曲靖煙煤,將風干后的樣品破碎和研磨后,篩分至粒徑分布為80~100目(150~180μm);PVC粉(150~180μm)屬于硬質PVC,來自天津化工廠.實驗原料的物性參數如表1所示.實驗熱壓爐來自合肥科晶材料技術有限公司,型號為OTF-1200X.

松木屑、煙煤和PVC粉開始熱分解溫度分別在225,300,210℃左右[1,12-14];而松木屑中木質纖維素100℃開始軟化具有黏結性,硬質PVC塑料加熱到120~150℃時具有可塑性;同時考慮到加熱能耗問題,所以熱壓溫度設定為150℃[1,3].混合標記按松木屑:煙煤粉:PVC粉(PS:BIT:PVCP)順序記錄,比例(質量比)分別為1:1:1、1:1:2、1:2:1、2:1:1、1:1:3、1:3:1、3:1:1、1:1:0、1:0:1、0:1:1、1:0:0、0:1:0和0:0:1.此外,熱壓爐成型壓力分別設定為10,12.5,15,17.5,20MPa.用校正完畢的電子天平上稱取(2±0.001g)按比例混合均勻的原料,并填裝至圓柱型模具中;將整套設備固定在熱壓爐中間位置;扣緊爐腔,開啟電爐.在溫度控制儀示數達到設定溫度之后,開始給模具施加壓力至規定壓力后停止加壓,并維持該狀態15min;之后,關閉電爐,打開爐腔,取出圓柱體成型燃料.

表1 實驗原料物性參數

注:ad為空氣干燥基;daf為干燥無灰基;*由差值法所得;—表示未檢出.

1.2 成型燃料衡量指標

1.2.1 初始密度 成型燃料的初始密度為混合原料最初成型顆粒立即測得的體積密度,其值越高表明成型燃料的致密性越好,單位為g/cm3,可由公式(1)[1,15]計算:

式中:為顆粒質量,g;Initial為最初成型顆粒的體積,cm3;為顆粒直徑,cm;為顆粒長度,cm.使用游標卡尺對成型顆粒的長度和直徑(上、中和下部各測量3次)測量并記錄數據;用電子天平稱取顆粒質量(稱取3次),本文所有數據都測量3次所得的平均值,并且所寫數據都為平均值.

1.2.2 松弛密度 成型燃料的松弛密度為混合原料最初成型后放置一段時間后測得的體積密度,松弛密度和初始密度前后對比可以衡量成型燃料成型的穩定性,單位為g/cm3,可由公式(2)[1,15]計算:

式中:為顆粒質量,g;Relaxed分別為成型顆粒放置5min,12h,24h后通過游標卡尺測得的體積,cm3,測量方法同上.初始密度與松弛密度值之間差距越小表明成型燃料的穩定性越好.

1.2.3 耐摔強度 成型顆粒的耐摔強度是衡量其在包裝、裝卸、運輸過程中抗沖擊力、抗摔性和耐損性的重要指標,其值越高表明成型燃料的抗沖擊性越好.成型顆粒的耐摔強度在成型顆粒制備24h后,可通過落下實驗得出的破碎指數來表示.將成型顆粒稱取質量后至于1m高處自由落至金屬臺上,如此循環10次.10次后,保持成型的顆粒質量除以最初下落的顆粒質量即為破碎指數,其計算方法可由公式(3)[1,15-16]計算:

式中:Remained為10次落下后保持成型的顆粒質量, g;Initial初始成型顆粒的質量,g.

2 結果與分析

2.1 混合比例和壓力對成型燃料密度的影響

由圖1可知,不管是2種還是3種原料混合準備的成型燃料均比單一原料情況下的成型密度要穩定,說明混合成型具有成型穩定的優勢.此外,成型密度均隨著成型壓力的增加而增加;當壓力達到15MPa后,其增加趨勢并不是很明顯.

由圖1(a~g)可知,3種原料混合情況下,混合比例(松木屑:煙煤粉:PVC粉)為1:1:1的時候燃料成型密度已經是非常穩定了,并且隨著塑料粉占比的升高成型密度穩定性趨于緩慢增加,在1:1:3時4條曲線重合度最大說明此時成型燃料的穩定性最好.然而當木屑和煤粉混合占比增加后,成型密度穩定性有所降低,并且發現同樣混合占比的情況下(圖1f和圖1g),煤粉相對于木屑更容易使得成型密度穩定性降低.含有塑料粉混合成型的燃料,其成型密度穩定性都比較好,這是由于塑料熱塑性比較好的原因.在化學鍵黏結中,共價鍵結合最強,氫鍵其次,范德華力最弱[16-17].而塑料熱塑性靠的是共價鍵黏結;煙煤粉熱成型靠的是含有的無機成分和有機成分之間固體粒子架橋或橋接、填充或嵌合[18-19].松木屑成型過程中,自身含有木質素和纖維素表面的氫鍵連接是主要黏結方式,而纖維素間的黏結主要依靠的是共價鍵的形成[20].但是松木屑成型燃料成型穩定性最差,這是因為長時間放置會吸收空氣水分而發生膨脹,導致松弛密度小于初始成型密度[2,3],如圖1(k)所示.所以3種原料單獨成型穩定性強弱為:PVC粉>松木屑>煙煤粉.

圖1(j)中,在0:1:1和1:1:3時成型燃料穩定性相近,但是前者的成型密度大于1:1:3,這是因為PVC粉熱塑性的共價鍵黏結能力最強和煤粉密度最大.但由于PVC粉和煙煤粉2者還有較多硫和氯元素,考慮燃燒污染物排放問題,0:1:1不能作為實驗中的最佳混合成型比例.

圖2 混合比例和壓力對成型燃料耐摔強度的影響

2.2 比例和壓力對成型燃料耐摔強度的影響

如圖2所示,在同一比例混合下,成型燃料的越大,能耗越大,說明在15MPa后不宜繼續增加壓力.

單一原料成型下,成型燃料的耐摔強度順序為松木屑>煙煤粉>PVC粉;二種原料混合成型下,耐摔強度順序是松木屑+PVC粉>松木屑+煙煤粉>煙煤粉+PVC粉;3種原料混合成型,所得燃料耐摔強度在1:1:2達到最大值99.99%.成型燃料的穩定性在1:1:3的時候達到峰值,表明成型穩定性好的燃料,其耐摔強度未必好.同樣,塑料粉與煤粉分別單獨成型燃料的密度穩定性大于松木屑,可是其耐摔強度低于松木屑單獨成型的燃料.在同一壓力下,成型燃料的耐摔強度并未呈現單一的變化趨勢,結果表明不同原料混合后成型燃料的耐摔強度均大于單一原料.

2.3 成型過程和機理

由圖3可知煙煤粉單獨成型后,圓柱型煤塊雖然密度高但是有很明顯的“裂縫”,而塑料粉單獨成型后表觀面上也有些許“散碎”現象,說明其耐摔強度比較小.3者混合成型成品表觀圖都很完整,實驗成品燃料的表觀證明混合成型的優點“裂縫”,而塑料粉單獨成型后有些許“散碎”現象,說明其耐摔強度比較小.3者混合成型成品表觀圖都很完整,實驗成品燃料的表觀證明混合成型的優點.

圖3 原料熱壓成型過程示意

松木屑單獨成型依靠的主要是木質素表面的氫鍵和纖維素之間共價鍵的形成[20],塑料熱塑性靠的是共價鍵黏結;煙煤粉成型主要靠的是含有的固體粒子架橋或橋接、填充或嵌合[18-19].所以當3種或者2種原料一起混合熱壓成型時,共價鍵、固體顆粒架橋或填充、氫鍵和范德華力4種黏結方式均存在,會大幅提升成型燃料的穩成型穩定性和耐摔性.松木屑、煙煤粉和PVC塑料混合成型制備的成型燃料的優勢和意義在于可以既可以將松木屑和廢塑料等廢棄物和低階煙煤合理利用起來,同時可以制備能量密度高、成型密度大、易儲存和運輸的成型燃料.

此外,3種原料混合成型比例在1:1:3時(松木屑:煙煤粉:PVC粉),所得成型燃料密度穩定性達到峰值,耐摔強度在1:1:2達到最大值.考慮到熱壓機壓力越大能耗越高,15MPa定為最佳成型壓力.

研究表明,松木屑可以作為低成本且有效的粘結劑[15,21],根據以上分析和前人的研究結果,本文提出“鋼筋混凝土”式成型機理解釋松木屑、煙煤粉和PVC粉混合成型制備成型燃料的機理.如圖4所示,軟化態的松木屑具有粘結性,猶如鋼筋形成骨架;熱塑態的PVC粉可視為水泥;而煙煤粉視為沙子石頭;三者混合后共同形成混凝土填充物.這使得粒子間能夠嚙合,形成緊密貼合的粒子層,避免了原料各自成型的劣勢,還大幅提升成型燃料的熱值、體積密度和耐摔強度.在15MPa和混合比例為1:1:2時,成型顆粒耐摔強度在達到最大值99.99%;而在1:1:3的時體積密度穩定保持在1.408g/cm3.

圖4 原料熱壓混合成型機理示意

3 結論

3.1 同一比例下,成型燃料的密度穩定性和耐摔強度隨著壓力的升高而增加;當壓力達15MPa后,其增加趨勢并不明顯.由于壓力越大能耗越高,15MPa可以定為最佳成型壓力.

3.2 在3種原料 (松木屑:煙煤粉:PVC粉) 混合比例為1:1:3時,所得成型燃料密度穩定在1.408g/cm3,耐摔強度在1:1:2達到最大99.99%,成型燃料的密度穩定性和耐摔強度沒有直接的正比列關系.

3.3 共價鍵、固體顆粒架橋或填充、氫鍵和范德華力4種黏結方式共存的情況下,使得3者混合成型時粒子間能夠嚙合,形成緊密的粒子層,從而具備良好的黏結力,大幅提升成型燃料的物理品質.

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Production of briquettes fuel derived from pinewood sawdust/PVC plastic/ bitumite mixed together.

LIU Ze-wei1,2, DAI Shi-jin1, HUANG Qi-fei2, ZHAO You-cai1*

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Research Institute of Soil and Solid Waste Environment, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012,China)., 2019,39(7)：2938~2943

The mixtures of pine sawdust/PVC plastic /bitumite were used for producing high physical properties briquettes fuel with stable intensity and high durability, which can make fully use of abandoned pine sawdust, refractory PVC plastic and low quality Qujing bituminous coal. The air dried mixtures of pine sawdust/PVC/bituminous coal were slected to make briquettes fuel under 150℃ and different pressure. The effects of material ratio and pressure on briquettes initial density, relaxed density and durability were studied. Two or three ingredients of molding fuels had higher density stability and durability than those of single material. The density stability and durability increased with the increase of pressure, but the increasing trend was slow after 15MPa. Considering that the energy consumption increases with the increase of pressure, 15MPa could be determined as the best molding pressure. 1.408g/cm3was the most stable density of briquettes fuel at 1:1:3, while the durability reached peak value of 99.99% at 1:1:2, under condition of 15MPa.

pinewood sawdust；PVC plastic；bitumite；briquette fuel；physical qualities

X705

A

1000-6923(2019)07-2938-06

劉澤偉(1992-),男,河南信陽人,同濟大學博士研究生,研究方向為固體廢物處理與資源化.發表論文4篇.

2018-12-06

國家自然科學基金資助項目(51678459)

* 責任作者, 教授, zhaoyoucai@tongji.edu.cn