炭粉压缩成型工艺研究

炭粉压缩成型工艺研究

在中国，有许多农业废物，如地壳、果核、农作物秸秆和其他废弃物。在竹子的收获、运输和加工过程中，也有大量的树枝、树枝、锯末、板皮、刺头和其他废物。如何充分利用这些天然可再生资源是科学家特别感兴趣的研究领域。生物碳形成的准备是利用这些废物和废物开发的一个重要研究方向。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两条途径,比较常见的方法是将农业废弃物及农林加工剩余物粉碎成屑,用螺旋机在高温、高压下挤压成型后,再炭化制成生物质成型炭,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。本文作者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),研究了炭粉压缩成型炭的生产工艺,探讨了提高成型炭固定碳含量和热值的方法,并研究了成型炭产品的燃烧特性。1实验1.1树脂、水玻璃、糠醛废水、粘结剂a、b回收炭粉,某生物质气化发电厂提供;粘结剂:脲醛树脂(UF)、水玻璃、糠醛废渣、粘结剂A、粘结剂B;仪器设备: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稻壳炭粉的制备生物质气化发电回收的木炭粉、竹炭粉、稻壳炭粉经除杂、磨粉过96μm筛后添加适当比例的粘结剂,混合均匀后送入成型设备中捏合成型。确定的成型工艺如图所示:1.3成型炭在真空高温热处理前后的理化性能将成型炭半成品放入真空炉中,炉内气压经48min抽真空到1~2Pa,并以5℃/min的速度将炉内温升到850℃,在该温度下保温保压2h,然后以5℃/min的速度降压至常温,再将炉内气压在30min内升至常压取出,测定3种成型炭在真空高温热处理前后的理化性能。1.4性能试验1.4.1含水量、养分、发芽点和固定碳含量1.4.2抗坠落强度1.4.3关于燃烧性能的研究1.4.3.1.燃料效率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。1.4.3.燃烧特性实验生物质成型炭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1。炉子由圆柱状炉体(内胆直径100mm)、炉栅、一次进风口(直径30mm)、二次进风口(直径30mm)和出风口(燃料腔)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孔(直径3~4mm)流出,与自下而上(上吸式)可燃气体混合燃烧。反应过程中产生的灰分靠自重通过燃料之间的间隙和炉栅落入底部灰腔内。热电偶用于测定炉子的火焰温度和锅内水温,由计算机采集数据并显示。本实验在相同的运行参数和试验条件下,测定不同种类炭粉成型块燃料加热锅中相同质量水的热性能。锅内水质量为17.5kg,燃料的质量为500g。在燃烧特性实验中,成型块截面尺寸55mm×55mm,内孔直径15mm。且有效热能为:有效热能=水质量×水比热×水的增温+水蒸发量×水汽化潜热。锅水升温时吸收的热量(显热)同蒸发的水吸收的热量(潜热)之和与加入炉胆内的燃料热量之比,即为热效率。重复测量5次取平均值。2结果与讨论2.1原料碳粉的性质某生物质气化发电厂的回收炭粉,性质见表1。2.2成型炭的制备在成型过程中,由于发电回收的炭粉灰分含量较高及其成型困难的特点,粘结剂的选择及用量是炭粉成型的关键因素。选取了几种常见的粘结剂进行木炭粉压缩成型,测定燃烧特性以确定较好的粘结剂。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。结果见表2。粘结剂A:将1.2gNaOH和0.5g硼砂分别溶解于70℃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℃的电热恒温油浴锅中不断搅拌,加入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B:在反应釜中将聚乙烯醇(PVA-1799)加热溶解,然后加入淀粉糊,加热搅拌下加入另一组JTJ(代号)。80℃左右反应30min得棕色黏稠液体,均匀无明显颗粒。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。但由于炭粒的影响使交联度很低,因此强度很差。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,用其制得的成型炭具有高强度。由于木炭粉和竹炭粉、稻壳炭粉在性质和组成上相似,在以下实验中亦使用该粘结剂。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。2.3成型炭制品强度粘结剂用量对制品强度的影响见表3。由表3可知,随粘结剂B用量的增加成型炭制品强度增大,在相同粘结剂用量的条件下,木炭粉和竹炭粉制备的成型炭强度相当,而稻壳炭粉制备的成型炭强度最好。考虑到生产成本,对于木炭粉、竹炭粉和稻壳炭粉的粘结剂B的用量分别为6%、5%和4%。2.4高温热处理系统根据上述试验及确定的粘结剂使用量,制得的成型炭理化性能见表4。从表4、表5中可以看出:对成型炭进行真空高温热处理,能显著提高其固定碳含量和强度。这是因为通过真空高温处理,使成型炭中残留的挥发分进一步逸出,从而相应的提高了成型炭的固定碳含量,同时高温处理使成型炭进一步收缩,质地更致密,从而提高了成型炭的强度。2.5成型炭原料的成碳性能称取相同质量的成型炭测定其燃烧特性,结果见表6。表6结果表明,相同质量的成型炭燃烧所能达到的最高温度、最大保留时间以及热效率与成型炭原料种类密切相关,其中以固定碳含量最高的木炭成型炭热效率最高,为35.2%;竹炭粉成型炭次之,为34.1%;固定碳含量最低的稻壳炭粉成型炭热效率最低,为26.3%。成型炭相对密度对燃烧热效率也有影响,这是由于成型炭相对密度大,燃料变得致密,限制了挥发分的逸出速度,热解过程及挥发分的逸出时间增加,因此,炉子和锅水的升温时间明显延长,有利于提高成型炭的热效率。3不同炭粉对成型炭、炭粉、稻壳炭粉的覆盖对样品平均碳含量和强度的影响3.1粘结剂的选择对生物质炭粉(木炭粉、竹炭粉、稻壳炭粉)成型品质的好坏有非常关键的影响。在相同粘结剂用量的条件下,木炭粉和竹炭粉制备的成型炭强度相当,而稻壳炭粉制备的成型炭强度最好。实验发现粘结剂B的用量分别为:木炭粉为6%、竹炭粉为5%、稻壳炭粉为4%时具有较好的粘结效果。3.2对成型炭进行真空高温热处理能显著提高成型炭的固定碳含量和强度。3.3在密实度接近的情况下,成型炭的燃烧热效率与成型炭的固定碳含量成正比。以固定碳含量最高的木炭成型炭热效率最高,为35.2%;竹炭粉