炭粉压缩成型

生物质炭粉成型工艺及燃烧性能研究（中国林业科学研究院林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业局林产化学工程重点开发实验室，江苏南京210042）摘要：研究了炭粉压缩成型的工艺方法。通过选择合适的粘结剂使炭粉（木炭粉、竹炭粉、稻壳炭粉）压缩成型，试验分析得到适合的粘结剂B配比，即粘结剂与木炭粉之比为0.06、竹炭粉为0.05、稻壳炭粉为0.04。对制得的成型炭进行了真空高温热处理，显著提高了成型炭产品的固定炭含量，试验研究的三种成型炭固定炭含量平均提高10%以上。研究了成型炭的燃烧特性，考察了三种成型炭的热效率，结果表明：在密实度接近的情况下，成型炭的固定炭含量是影响其热效率的关键因素。关键词：木炭粉；竹炭粉；稻壳炭粉；压缩成型；燃烧性能；粘结剂ExperimentalStudyonTechnologyandCombustionProperties

forCharcoalMolding（InstituteofChemicalIndustryofForestProducts,CAF;NationalEngineeringLab.ForBiomassChemicalUtilization;KeyandOpenLab.OnForestChemicalEngineering,SFA,Nanjing210042,China）Abstract:Technologyoncompressionmoldingprocessofcarbonpowderwasstudied.Carbonpowderwascompressedbytheappropriateadhesive.ThemassratioofadhesiveB-charcoalpowder,adhesiveB-bamboocharcoalpowders,adhesiveB-ricehusktoner,were0.06,0.05,0.04,respectively,byexperiment.Afterthreekindsofmoldingcharcoalsweretreatedbyvacuumheating,thecontentofcharcoalcontainedhasrisenover10%ontheaverage.Andthethermalpropertiesofmoldingcharcoalwereinvestigated.Theresultsshowedthatwithclosingdensity,thecontentofcharcoalcontainedwasthekeyfactorofinfluencetothethermalefficiency.Keywords:charcoalpowder;bamboocharcoalpowder;ricehusktoner;compressionmolding;CombustionProperties;adhesive在我国，有许多的果壳、果核农业秸杆等农林副产品的废弃物，竹木采运，加工过程也伴生着大量的枝丫、梢头、锯末、板皮、截头等剩余物，如何充分利用这些天然可再生资源，是科技工作者关注的一个十分重要的研究领域，生物质成型炭的制备就是其中一个重要研究方向。生物质成型炭具有热值高，燃烧时无二氧化硫产生的特点，属可再生的清洁能源，可替代传统木炭，更可替代煤、油、气等化石能源，广泛应用于工业、生活领域。生物质成型炭的制备方法一般分为二条途径，比较常见的方法使将农业废弃物及农村加工剩余物粉碎成屑，用螺旋机高温、高压挤压成型后，再炭化制成生物质成型炭1，但该法生产设备投入费用高，磨损大，能源消耗强度大，工艺缺陷明显。生物质成型炭制备的另一个方法是先将生物质材料热解制成炭，粉碎后与一定比例的粘结剂捏合，成型制成具有一定强度、燃烧无烟、无味、安全卫生的成型燃烧炭，可供烧烤、餐饮、供暖等生产生活使用，该制备工艺生产具有设备投入费用较低、设备磨损小、生产过程能源消耗强度低等优点。本文利用生物质发电过程中产生的各种炭粉（包括木炭粉、竹炭粉、稻壳炭粉），研究了成型炭的成型工艺，探讨了提高成型炭固定炭含量和热值的工艺方法，并对成型同产品的燃烧特性进行了研究。1实验原料与方法1.1主要原料及设备1.1.1回收炭粉：某生物质气化发电厂提供，性质如下：表1炭粉性质Table1Propertiesofcarbonpowder项目Items木炭粉charcoalpowder竹炭粉bamboocharcoalpowder壬应士出蚣稻壳炭粉ricehusktoner灰分Ash/%3.033.1516.89含水率MoistureContent/%6.027.126.46挥发份Volatility/%10.5610.729.47热值Hotvalue/(kJ/g)30.44129.88726.456固定碳CharcoalContained/%86.4186.1373.641.1.2粘结剂脲醛树脂（UF）、水玻璃、糠醛废渣、粘结剂A、粘结剂B。1.1.3仪器设备表面皿、带瓷盖坩锅、挥发分特制坩锅、坩锅架和干燥皿、电光分析天平、捏合机、成型机、马弗炉、氧弹式量热计、移动层热解燃烧炉。1.2成型炭高温真空热处理工艺将成型炭半成品放入真空炉中，炉内气压经0.8小时抽到1-2Pa的真空度，并以5°C/min的速度将炉内温升到850C，在该温度下保温保压2小时，然后以5C/min的速度降压至常温，再将炉内气压在30分钟内升至常压取出。1.3性能检测1.3.1含水率、灰分、挥发分和固定炭含量测试参照GB/T17664—1999木炭和木炭试验方法，测定炭粉含水率、灰分含量、挥发分含量、固定炭含量（多次测定取平均值）。1.3.2抗跌落强度［2］将炭粉压制成20X20tm炭棒样品，将一批5个样品从1.5口自由落下至钢板上，测定产生明显裂纹时的跌落次数，结果取平均值。1.3.3燃烧特性研究1）燃烧舒适性炭棒置于红热的电炉上燃烧，记录发烟、气味产生情况和拨动炭棒时是否呈粉状散开或散发火星2）相同重量的炭粉成型块燃料的燃烧特性测定在相同的运行参数和试验条件下，测定不同种类生物质燃料加热锅中相同重量水的热性能.锅内水重量为17.5kg。燃料的重量为500g。在燃烧特性实验中，成型块截面尺寸55mmX55mm,内孔直径15mmB"且有效热能为：有效热能=水重量X水比热X水的增温+水蒸发量X水汽化潜热。锅水升温时吸收的热量（显热）同蒸发的锅水吸收的热量（潜热）之和与加入炉胆内的燃料热量之比，即为热效率。测量重复5次取平均值。2结果与讨论2.1炭粉成型工艺本实验所用原料为生物质气化发电后回收的炭粉，采用常规成型工艺以制取合格产品。通过几次试验确定了其工艺如图1所示：图1炭粉压缩成型工艺图Fig.1Compressionmoldingprocessofcarbonpowder生物质气化发电回收的炭粉经除杂、磨粉过160目筛后送入成型设备中。在成型过程中成型压制时间以及粘结剂的选择及用量是炭粉成型的关键因素。在这我们主要研究粘结剂的选择及用量，而压制时间为3-4min，且压制过程中加水以保证炭粉的湿含量控制在30%左右。在成型后经过晾干、真空热处理后得到成型炭产品。2.2粘结剂的优选由于发电回收的炭粉灰分含量较高及其成型困难的特点，选择合适的成型用粘结剂成分该实验的关键。这里作者考虑到各种因素选取了几种常见的成型剂进行木炭粉实验测定（表2）以确定较好的粘结剂。表2不同粘结剂的使用效果Table2Effectsofdifferentadhesionagentsonqualityofformedcharcoal粘结剂强度燃烧性质burningproperties综合评价AdhesionagentsStrength气味Smell稳定性StabilityComprehensiveevaluation脲醛树脂UF<1甲醛味差差水玻璃1无味差差Sodiumsilicate糠醛废渣1.6刺激特殊气味合格差Furfuralresidue粘结剂A1焦糊味良合格AdhesionagentsA粘结剂B4微焦味良良AdhesionagentsB粘结剂A为，将1.2gNaOH和0.5g硼砂分别溶解于70°C的水中配制10%的溶液，然后将20g淀粉加入100mL水中配制成悬浮液，放在80~C的电热恒温油浴锅中不断搅拌，加人NaOH溶液，当悬浮液呈糊状粘稠体时倒入硼砂溶液进行交联，获得凝胶状物体。粘结剂3为在反应釜中将聚乙烯醇（PVA—1799）加热溶解，然后加人淀粉糊，加热搅拌下加人另一组JTJ（代号）。80C左右反应30min得粽色粘稠液体，均匀无明显颗粒，即为粘结剂成品。炭燃烧时是无烟、无味的,因此成型炭燃烧时产生的烟和气味与所用的粘结剂有关。燃烧时散开与否（稳定性），则与粘结剂在受热时是否脆化和熔融有关。成型炭的抗跌落性能与高分子复合材料的断裂机制相关。以UF和水玻璃为粘结剂时，成型炭成为类玻璃态固体，受应力作用时通过断键的方式分散能量⑷。但由于炭粒的影响使交联度很低,因此强度很差。以粘弹性胶为粘结剂时，成型炭在受应力后，聚合物分子链先从炭表面上滑落产生银纹化,使能量分散4。优选出的粘结剂B可以和炭的羟基、羰基等极性基团产生价键作用，则其制的成型炭具有高强度性。由于木炭粉和竹炭粉、稻壳炭粉在性质和组成上相似，则在以下实验中亦使用该粘结剂。2.3粘结剂B用量炭粉粘结剂是影响炭粉制品性能的主要因素。实验发现炭粉与粘结剂必须混合均匀，再经处理，否则炭粉制品容易产生裂纹，湿强度低。粘结剂用量对制品强度影响见表3

表3粘结剂用量对制品强度影响(次)Table3EffectsofdosageofadhesionagentBonfallingstrength(times)B用量/%dosageofB12345678木炭粉强度strengthofcharcoalpowder1.33.24.66.07.48.59.29.8竹炭粉强度strengthofbamboocharcoalpowder3.44.75.86.88.39.19.89.6稻壳炭粉强度strengthofricehusktoner5.06.37.79.510.010.410.610.7由表可知，随粘结剂用量的增加制品强度增大，考虑到生产成本：对于木炭粉为0.06,即每吨制品加60千克粘结剂；对于竹炭粉取为0.05即每吨制品加入粘结剂50千克；由于稻壳炭粉中硅含量较高则粘结剂对它的影响，相比于其他两种就小得多了，在这取为0.04即每吨用粘结剂40千克。2.4成型炭燃烧方法[5]生物质燃料在小型的移动层上吸式热解燃烧炉内进行燃烧特性试验，见图2:热电偶（thermocouple'：水[water'：锅子（pert：炉栅(fire水[water'：锅子（pert：炉栅(firegrate)、炉胆(furnace)二次进风口(repeatedairintake)一次进风口:二1(onceairintake'：~I~I数据采集和显示fdateacquisitionanddisplay'：图2成型炭在移动层热解燃烧炉中的热特性测试原理Fig.2Schematicofthermalpropertytestinpyrolysisandcombustionfurnaceinmovingbedandupdraft炉子由圆柱状炉体（内胆直径100ram）、一次进风口（直径30ram）、炉栅、二次进风口（直径30mm）和出风口（燃烧腔）等组成见图1.燃料从上部加入并充填到炉胆内；试验时首先将上部燃料引燃，热解及气化反应自上而下进行，固体物料层逐渐下移减少.一次进风口吸入的空气自下而上流动，使上层部分燃料氧化燃烧，为固体物料的热解气化提供热量.二次进风口吸入的空气从炉胆上部均布的小孑L（直径3〜I数据采集和显示fdateacquisitionanddisplay'：3样品理化性能测定及其燃烧特性测定根据以上试验及确定的粘结剂使用量，制的成型炭理化性能如下：表4三种成型炭理化性能（真空高温热处理前）Table4Physicalandchemicalpropertiesofmoldingcarbon（beforevacuumheating）项目Items木炭粉charcoalpowder竹炭粉bamboocharcoalpowder稻冗炭粉ricehusktoner灰分Ash/%3.123.3317.69含水率(MoistureContent/%)4.134.223.96挥发份(Volatility/%)10.7410.969.56固定碳(Charcoalcontained/%)86.1485.7172.75强度(Strength)889热值(Hotvalue/(kJ/g))29.55229.16425.956燃烧性质烟smog微烟微烟微烟Burning气味smell焦味焦味焦味properties稳定性stability不呈粉状不呈粉状不呈粉状表5三种成型炭理化性能(真空高温热处理后)Table5Physicalandchemicalpropertiesofmoldingcarbon(aftervacuumheating)项目Items木炭粉竹炭粉稻冗炭粉charcoalbamboocharcoalricehuskpowderpowdertoner灰分(Ash/%)3.143.3517.72含水率(MoistureContent/%)3.943.623.86挥发份(Volatility/%)5.245.045.56固定碳(Charcoalcontained/%)91.6291.6176.72强度(Strength)9910热值(Hotvalue/(kJ/g))31.55230.86427.956燃烧性质烟smog无烟无烟无烟Burning气味smell无味无味无味properties稳定性stability不呈粉状不呈粉状不呈粉状

炭粉压缩成型品燃烧特性结果如表:表6相同重量的炭粉成型燃料的燃烧结果Table6Resultsofburningmoldingfuelsofcarbonpowderwiththesamevolume燃料种类Fueltype木炭粉charcoalpowder竹炭粉bamboocharcoalpowder壬应士出蚣稻冗炭粉ricehusktoner比重Proportion1.141.081.22炉子初温/oC60.760.259.0FurnaceInitialtemperature最高温/oC730694620Maximumtemperature终温/oC69.569.369.3Finaltemperature最大升温时间/min282830Maximumheatingtime升温速率/(oC/min)23.922.618.7Heatingrate降温速率/(oC/min)8.697.446.56Coolingrate总时间/minTotaltime104112114锅水初温/oC22.322.624.9BoilerwaterInitialtemperature最高温/oC98.693.891.3Maximumtemperature终温/oC81.880.378.6Finaltemperature最大升温时间/min222325Maximumheatingtime最大保留时间/min116112102Maximumretentiontime升温速率/(oC/min)3.473.102.67Heatingrate降温速率/(oC/