木质成型机制炭的制备工艺及性能表征

王亮才;章一蒙;马欢欢;周建斌;陈登宇【摘要】以木块气化多联产技术工艺的固体产物木块炭为原料，采用单因素试验方法，考察了胶黏剂添加量、原料炭粒径,对成型机制炭的理化特性、抗压强度、抗跌落强度的影响规律，以优化成型机制炭工业生产工艺.结果表明:随着胶黏剂添加量的增加、原料炭粒度的降低,成型炭的抗压强度、抗跌落强度增加，当胶黏剂添加量为4%,原料炭粒度在10~20目之间时，成型炭的抗压强度和抗跌落强度略高于对比样，且成本较低、夕卜观良好.本研究为成型机制炭的工业化生产提供理论基础.％Thesolidproductbiocharofwoodgasificationpolyco-productionwasusedastheformedrawmaterial.Theindustrialprocessofformingmechanismcarbonwasoptimized.Thesinglefactortestmethodwasadoptedtoinvestigatetheinfluencesoftheadditiveamountofadhesiveandtheparticlesizeoftherawmaterialsonthephysicalandchemicalproperties,thecompressivestrengthandtheresistancetofallstrengthoftheformingmechanism.Resultsshowedthatthecompressivestrengthandanti-dropstrengthoftheformingcarbonwereincreasedwiththeincreaseoftheadditionofadhesiveandtheparticlesizeoftherawmaterials.Whentheamountofadhesivewas4%,thestrengthoftheformingcarbonwasslightlyhigherthanthatofthecomparisonsample.Thecostwaslowandtheappearancewasgood.Thisstudyprovidedatheoreticalbasisfortheindustrializationofformingmechanismbiochar.【期刊名称】《广州化工》【年（卷），期】2018（046）010【总页数】3页（P66-68）【关键词】机制炭;成型;性能表征;气化联产【作者】王亮才;章一蒙;马欢欢;周建斌;陈登宇【作者单位】南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京210037;南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京210037;南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京210037;江苏竹溪活性炭有限公司，江苏常州213351;南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京210037;南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京210037;江苏竹溪活性炭有限公司，江苏常州213351【正文语种】中文【中图分类】TQ519木质机制炭在生活和工业上有广阔的应用空间，如用作餐饮（烧烤、火锅等）行业、生活取暖、工业燃料、钢铁冶金、二硫化碳生产等，具有密度大、热值高、无烟无味、无污染、易燃等优点，是国际上公认的绿色环保产品［1-2］。机制炭的制备工艺主要有两种，一是先成型后炭化，以生物质为原料（如秸秆、锯末等），经高压、高温（200~300°C）塑化后挤压成型为薪棒（半成品），再经炭化炉（500~800。0炭化即成成品。二是先炭化后成型，以木质炭粉为原料（竹炭、木炭等），添加一定量的胶黏剂和水，经高压挤压成型后干燥即成成品［3-4］。传统的先成型后炭化的机制炭生产工艺中，成型压力较大，机械磨损严重，在炭化过程中存在环境污染严重、能量消耗大、生产耗时长等问题［5-6］。周建斌等［7］提出生物质气化多联产技术，气化可燃气用于发电或供热，解决炭化工艺中能源利用率低、环境污染等问题，同时联产生物炭，以其为原料制备成型机制炭，缩短加工时间，降低机器损耗，是机制炭的发展方向。马欢欢等［8］以活性炭为原料，选择有机-无机复合胶黏剂，通过挤压成型工艺，成型效果较好。ZhouBL等［9］利用生物炭为原料、焦油作为胶黏剂制备成型炭，低位热值达到25.89MJ-kg-1，强度超过95%。笔者以木块气化多联产固体产物木块炭为原料，经粉碎后选取合适粒度炭样及环保胶黏剂，考察胶黏剂用量、炭粒度大小对成型机制炭的理化性质、抗压强度、抗跌摔强度的影响。1实验1.1原料及仪器木块炭由浙江某采用生物质气化联产技术的企业提供，胶黏剂选用市场销售的环保型改性淀粉胶，成型设备采用泰州荣美液压机械制造有限公司SFLS-50T液压机，成型模具由自主设计。选购浙江某企业销售的以木屑挤压成型后炭化的烧烤炭作对比。1.2制备工艺木块炭经粉碎后，筛取合适颗粒度大小，添加一定比例的胶黏剂和水，充分混合后转入成型模具，在40MPa压力下挤压成型后脱模，在105°C下干燥3h，冷却至室温封装待测。1.3性能检测1.3.1工业分析、元素分析与热值分析参考GB/T17664-1999《木炭和木炭试验方法》对木质成型机制炭进行工业分析。CHNSO按照VarioMACROcube元素分析仪测定，热值分析按照ZDHW-6型微机全自动量热仪测定。1.3.2抗压强度分析采用深圳市新三思材料检测有限公司生产的4303型微机控制电子万能试验机，通过施加均布载荷的方式来计算其单位面积所能承受的最大载荷，即称为抗压强度。抗压强度的检测可按照式(1)计算：式中：。——抗压强度，MPaF 最大载荷，kNS——受力面积，cm21.3.3抗跌摔强度分析抗跌摔强度是指成型炭在承受一定高度跌落作用时抵抗破碎的能力，一般通过跌落试验的失重率来表征。取长度5cm的炭块，然后将其从1m高的地方自由跌落至钢板表面，重复4次，检测每次剩余炭块质量占初始质量的百分比，即为抗跌落强度［10-11］。2结果与讨论2.1胶黏剂用量对成型炭样理化性质的影响筛取10~20目木炭粉，考察胶黏剂添加量质量比分别为2%、3%、4%、5%对成型炭样理化性质影响。表1胶黏剂添加量对成型炭样理化性质影响Table1Effectofadhesiveadditiononphysicalandchemicalpropertiesofformingbiochar用量/%工业分析/%灰分挥发分固定碳元素分析/%CHSNO热值/(MJ・kg-1)010.046.8683.1084.480.200.720.653.9129.1929.877.9682.1783.880.460.650.634.5128.8639.238.2182.5684.210.380.830.464.8929.0548.539.3782.1083.450.420.850.306.4528.7358.0410.1581.8182.530.690.970.267.5128.45市场炭9.566.1484.3084.860.570.540.164.8729.75由表1可知，逐渐增加胶黏剂量，会使成型炭的灰分降低、挥发分升高，固定碳和热值整体是逐渐降低的。所以在保证成型强度的同时，增加胶黏剂的添加量不利于成型炭的性能。从表1中还可以看出，木块气化多联产技术生产的炭S、N元素含量较低，成型炭在燃烧过程中不会产生大量的氮氧化物、硫氧化物等污染物［12-13］。2.2胶黏剂添加量对成型炭抗压强度的影响筛取10~20目木炭粉，考察胶黏剂添加量质量比分别为2%、3%、4%、5%对成型炭样抗压强度的影响。图1不同胶黏剂添加量对成型炭的抗压强度影响Fig.1Effectoftheamountofdifferentadhesivesonthecompressivestrengthofformingbiochar由图1可知，成型炭样的抗压强度随着胶黏剂添加量的增加而增加，添加量在2%~4%时增幅较大，大于4%时虽然还在增加，但增幅减小。添加量达到4%时的成型炭样的抗压强度为2.06MPa，大于市场炭样的1.80MPa。2.3胶黏剂添加量对成型炭抗跌摔度的影响筛取10~20目木炭粉，考察胶黏剂添加量质量比分别为2%、3%、4%、5%对成型炭样抗跌摔强度的影响。图2不同胶黏剂添加量对成型炭的抗跌摔强度影响Fig.2Effectofdifferentamountofadhesiveontheimpactstrengthofformingbiochar从图2中可以看出，随着跌落次数的增加，成型炭的最大炭块质量百分比逐渐减小，不同胶黏剂添加量的成型炭的最大炭块质量百分比由小到大的顺序始终不变，当添加量为2%时，成型炭的强度非常低，当用胶量为4%时，抗跌摔强度便大于市场炭样的强度满足要求［14-15］。2.4颗粒度大小对成型炭样抗压强度的影响选择胶黏剂添加量为4%，分别筛取5~10目、10~20目、20-30目、30目以上的木炭粉，考察其对成型炭样抗压强度的影响。图3颗粒度大小对成型炭样抗压强度的影响Fig.3Effectofparticlesizeoncompressivestrengthofformingbiochar由图3可知，成型炭的抗压强度随着炭粉目数增加而增加，在20-30目之间时，抗压强度为1.88MPa,大于市场炭样的1.80MPa，考虑生产成本选择破碎达到20目以下［16］。2.5颗粒度大小对成型炭样抗跌摔强度的影响选择胶黏剂添加量为4%，分别筛取5-10目、10-20目、20-30目、30目以上的木炭粉，考察其对成型炭样抗跌摔强度的影响。图4烧烤炭块跌落次数与最大炭块质量百分比关系Fig.4Relationbetweenthenumberoffallingbarbecuecharcoalandthemasspercentageofthelargestbiocharblock从图4可以看出，随着跌落次数的增加，成型炭剩余的最大炭块质量逐渐减少，经过4次跌落试验以后，10目及以上的颗粒度成型的炭样抗跌摔强度优于市场炭样，同时可根据市场对抗跌摔强度的要求，调整炭粉破碎程度。2.6成型炭样与市场炭样外观对比图5a、图5b中，左侧为对比炭样，右侧为成型炭样。由图5可看出，市场炭是先成型后炭化的样品，炭化时生物质原料热分解，表面易形成断裂，影响其强度。本工艺制备的成型炭样外观较佳，且规模化生产工艺简单，有利于推广。图5成型炭样与市场炭样外观对比Fig.5Comparisonofappearanceofformingbiocharandmarketcarbonsamples3结论胶黏剂添加量的增加，成型炭的固定碳和热值整体会降低。胶黏剂添加量为4%、炭破碎至粒度20目以下，抗压强度为2.02MPa以上，抗破碎强度高于市场对比炭样。⑶成型炭的夕卜观良好，生产工艺简单，适宜规模化生产。参考文献卢辛成，蒋剑春,孟中磊，等.生物质成型炭的制备及其性能研究[J].林产化学与工业,2013,33(2):81-84.傅庚福.成型生物质炭化及成型炭特性研究[D].南京:南京林业大学,2009.刘石彩，蒋剑春，陶渊博，等.生物质固化制造成型炭技术研究[J].生物质化学工程2002,36(2):3-5.张文标，王伟龙,赵丽华，等.机制炭理化性能的研究[J].浙江农林大学学报,2003,20(2):215-218.侯宝鑫，张守玉，茆青，等.生物质炭化成型燃料燃烧性能的试验研究[J].太阳能学报,2017,38(4):885-891.马培勇，虞浸，蒋峰，等.棉花秸秆成型颗粒炭化特性实验研究[J].太阳能学报,2016,37(3):546-552.周建斌，周秉亮,马欢欢，等.生物质气化多联产技术的集成创新与应用[J]林业工程学报,2016,1(2):1-8.马欢欢，周秉亮,邢美腾，等.木糖脱色用活性炭的成型工艺[J]林业工程学报,2016,1(5):65-70.ZhouBL,ZhouJB,ZhangQS,etal.Propertiesandcombustioncharacteristicsofmoldedsolidfuelparticlespreparedbypyrolyticgasificationorsawdustcarbonizedcarbon[J].Bioresources,2015,10(4):7795-7807.刘石彩，边轶，童娅娟，等.生物质炭粉成型工艺及燃烧性能[J].生物质化学工程,2011,45(1):10-14..刘