農作物秸稈炭理化特性分析

鄭文軒+楊瑛

摘要：選取新疆南疆極旱地區當年的3種農作物秸稈炭為研究對象，采用生物質原料測試方法研究了秸稈炭的理化特性。結果表明，3種秸稈炭的含水率均在10%左右，易于加工成型；稻秸炭的堆積密度最大；3種秸稈炭的堆積角均較大，屬于流動性較差的物料；棉稈炭的外摩擦系數最大；棉稈炭發熱量和固定炭含量最高；玉米稈炭揮發分最高。

關鍵詞：農作物；秸稈炭；理化特性

中圖分類號：S5；Q819 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）17-4136-03

Physical and Chemical Characteristics of Crop Straw Charcoal

ZHENG Wen-xuan，YANG Ying

（School of Mechanical Electrization Engineering，Talimu University，Alar 843300，Xinjiang， China）

Abstract： The physical and chemical characteristics of three kinds of crop straw charcoals from extremely drought area in southern Xinjiang region were studied and analyzed according to the biomass standards and methods. The results showed that moisture content of three kinds of straw charcoals were around 10% and easy to process molding. Bulk density of the rice straw charcoal was maximum. The repose angle of the straw charcoals were big， belonging to poor mobility materials. The coefficient of friction of cotton straw charcoal was much higher than that of other straw charcoals. The calorific value and fixed carbon content of corn straw charcoal were much higher than that of other straw charcoals. The volatile matter of cotton straw charcoal was maximal.

Key wods： crop； straw charcoal； physical and chemical characteristic

我國是農業生產大國，每年農業收獲后產生的大量農作物秸稈廢料被焚燒，不僅污染環境，而且造成資源浪費。若能將農作物秸稈回收利用，既保護了環境又實現了資源的有效利用。采用碳化工藝將秸稈制成炭是一種有前景的利用方式，如制活性炭、無煙燒烤炭等。任何碳含量較高且價格低廉的材料均可作為生產活性炭的原料，農作物秸稈在除灰后可制成高質量的活性炭。隨著對環保問題的日趨重視和人民生活品質的不斷提高，各行業對活性炭的需求逐年增加，這也給秸稈炭的利用提供了市場。

目前，對秸稈物料在化學、物理特性方面的研究包括：工業分析、低位發熱量、元素分析、全水分、堆積密度、外摩擦角、靜態堆積角等[1，2]。對麥秸、飼草等軟莖稈秸稈的拉伸強度、彈性模量、剪切強度等物理特性和松散原料物理特性的研究也較多[3，4]， 如小麥、玉米、大豆等作物[5-10]。這些研究為秸稈類生物質原料的儲存、輸送、加工等提供了基礎數據。研究者大多對秸稈物料的理化特性進行了研究[11-14]，而對秸稈經碳化工藝制成秸稈炭的理化特性參數進行研究，還未見報道。

本試驗選取3種秸稈炭作為研究對象，分別對其全水分、堆積密度、堆積角、摩擦系數、流動特性等物理特性和發熱量、工業分析等化學特性進行試驗，旨在為秸稈類生物質炭的儲存、輸送、加工等系統設計和選型提供基礎性參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取新疆南疆極旱地區當年的棉花秸稈、玉米秸稈和水稻秸稈3種生物質原料秸稈炭作為研究對象。

1.2 試驗儀器

HLP型粉碎機（篩孔徑10 mm，北京環亞天元機械有限公司）；馬弗爐（上海市實驗儀器總廠）；XP204型分析天平（精度0.01 mg）、JJ200B 型電子天平（精度0.001 g）（瑞士梅特勒-托利多公司）；101-1A型電熱鼓風干燥箱、標準樣品分析篩（河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）；堆積密度測量儀（自制，容積為3 L，有效直徑125 mm，有效高度200 mm）、堆積角測量儀（自制）；HZJ型振動平臺（新鄉偉達振動設備有限公司）；外摩擦系數測定儀（自制）；角度尺；游標卡尺；ZJ-2型等應變直剪儀；計時器；托盤等。

1.3 試驗方法

將收集的秸稈除去根部、莖稈表面泥土后，用鍘草機切成小段，再用粉碎機粉碎過篩。將秸稈粉稱重后放入馬弗爐內密閉熱解。熱解工藝參數：升溫速率10 ℃/min、熱解溫度450 ℃和保溫時間1 h。熱解后殘炭用研缽破碎。

采用GB/T 212—2001方法測定工業分析組成，全水分采用《NY/T 1881.2—2010生物質固體成型燃料試驗方法全水分》測定，堆積密度采用《NY/T 1881.6—2010生物質固體成型燃料試驗方法堆積密度》測定，堆積角采用《JB/T 9014.7—1999連續輸送設備散粒物料堆積角的測定》測定，摩擦系數采用《JB/T 9014.9—1999連續輸送設備散裝物料外摩擦系數的測定》測定，流動特性采用Carr流動性指數法評價流動性能，發熱量采用《NY/T 12—1985生物質燃料發熱量測試方法》測定。

2 結果與分析

2.1 物理特性

2.1.1 全水分 全水分是生物質原料能源轉化利用的重要因素之一，水分在10%～25%的生物質原料易于成型。稱取秸稈炭400 g測量全水分，經碳化工藝處理后，3種秸稈炭含水率均在10%左右，棉稈炭為10.125%、玉米稈炭為9.782%、稻秸炭為9.253%，均屬于易于加工成型的原料。

2.1.2 堆積密度 不同秸稈炭堆積密度有一定的差異，棉稈炭為421 kg/m3，玉米稈炭為468 kg/m3， 稻秸炭為543 kg/m3。由于秸稈物料成分不同，棉稈中含有的木質素最高，熱解成秸稈炭的固體剩余物較高，相對其他兩種秸稈揮發分較少，棉稈炭堆積密度較其他兩種秸稈炭小。

2.1.3 堆積角 不同秸稈炭靜態堆積角有一定的差異。靜態堆積角越大，流動性就越差。3種秸稈炭堆積角分別為棉稈炭58.16°、玉米稈炭59.83°、稻秸炭61.45°，都屬于流動性較差的物料。

2.1.4 摩擦系數 外摩擦系數對摩擦、磨損機理的研究和秸稈炭加工設備的選用均有參考價值。由表1可知，3種秸稈炭的最大靜摩擦系數均大于滑動摩擦系數，與金屬的摩擦系數小于與橡膠的摩擦系數。

2.1.5 流動特性 3種秸稈炭的靜態堆積角在58.16°～61.45°，均屬于流動性較差的原料。采用Carr流動性指數法評價其流動性能。Carr指數法采用堆積角、壓縮率、板勺角、均勻度來評價原料的流動性[15]。流動性指數范圍在69～76之間，屬于流動性一般的材料。結果可知，3種秸稈炭的的流動性指數為棉稈炭69.1、玉米稈炭75.2、稻秸炭71.6。

2.2 化學特性

研究秸稈炭的發熱量和工業分析，都以秸稈炭的干燥基為基準。

2.2.1 發熱量 生物質原料能源化利用的重要評價指標之一是發熱量，3種秸稈炭的發熱量分別為棉稈炭26.53 MJ/kg、玉米稈炭24.62 MJ/kg，稻秸炭23.27 MJ/kg。3種秸稈炭的發熱量有一定的差異，以棉稈炭的最高，稻秸炭的發熱量最低。

2.2.2 工業分析 工業分析包括：水分、灰分、揮發分和固定炭含量。在3種秸稈炭中，稻秸炭的灰分含量最高（12.65%）；玉米稈炭的揮發分最高（31.87%）；棉稈炭的固定炭含量最高（65%），這可能和工藝條件有關。秸稈炭可根據不同秸稈原料，選擇合適的碳化工藝，提高固定炭含量。

3 小結

本試驗結果表明，棉稈炭、玉米稈炭和稻秸炭的物理特性和化學特性各有差異，含水率均在10%左右，易于加工成型；堆積密度以稻秸炭最大，玉米稈炭次之，棉稈炭最小；3種秸稈炭的堆積角較大，屬于流動性較差的物料；不同種類的秸稈炭最大靜摩擦系數均大于滑動摩擦系數，與金屬的摩擦系數小于與橡膠的摩擦系數，外摩擦系數以棉稈炭最大，玉米稈炭次之，稻秸炭最小；發熱量以棉稈炭最高，稻秸炭最低；灰分以稻秸炭最高；揮發分以玉米稈炭最高；棉稈炭中的固定炭含量最高。

在加工生產過程中，建議針對不同秸稈炭要充分考慮原料自身特點，優化碳化工藝參數，設計合理的碳化、加工秸稈炭設備。本研究僅選擇了3種秸稈炭進行研究，材料較少。在今后的研究中，要選擇更多的秸稈炭種類進行分析，從而為大規模工業化生產的秸稈炭提供理論依據。

參考文獻：

[1] 田宜水，姚宗路，歐陽雙平，等.切碎農作物秸稈理化特性試驗[J].農業機械學報，2011，42（9）：124-128，145.

[2] 姚宗路，趙立欣，RONNBACK M，等.生物質顆粒燃料特性及其對燃燒的影響分析[J].農業機械學報，2010，41（10）：97-102.

[3] 張桂花，湯楚宙，熊遠福，等.包衣稻種物理特性的測量及其應用[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2004，30（1）：68-70.

[4] 郭 勝，趙淑紅，楊悅乾，等.除芒稻種摩擦特性測量[J].東北農業大學學報，2010，41（7）：118-121.

[5] 謝曉旭.煤粉流動特性試驗研究[D].南京：東南大學，2007.

[6] MOLENDA M， THOMPSON S A， ROSS L J. Friction of wheat on corrugated and smooth galvanized steel surfaces[J]. Journal of Agricultural Engineering Research， 2000， 77（2）： 209-219.

[7] SUBRAMANIAN S， VISWANATHAN R. Bulk density and friction coefficients of selected minor millet grains and flours[J]. Journal of Food Engineering， 2007， 81（1）： 118-126.

[8] SINGH K K， GOSWAMI T K. Mechanical properties of cumin seed （Cuminum cyminum Linn.） under compressive loading[J]. Journal of Food Engineering， 1998，36（3）：311-321.

[9] ROSENTRATER K A， RICHARD T L， BERN C J， et al. Economic simulation modeling of reprocessing alternatives for cornmesa byproducts[J]. Resources， Conservation and Recycling， 2003， 39（4）： 341-367.

[10] 孟海波，韓魯佳.秸稈物料的特性及其加工利用研究現狀與應用前景[J].中國農業大學學報，2003，8（6）：38-41.

[11] 霍麗麗，田宜水，趙立欣，等.農作物秸稈原料物理特性及測試方法研究[J].可再生能源，2011，29（6）：86-92.

[12] 田宜水，趙立欣，孫麗英，等.農業生物質能資源分析與評價[J]. 中國工程科學，2011，13（2）：24-28.

[13] 李永軍，何 芳，柏雪源，等.顆粒和粉體混合物沿斜滑道的滑動摩擦系數[J].山東理工大學學報（自然科學版），2003，17（4）：10-12.

[14] 盛奎川，吳 杰.生物質成型燃料的物理品質和成型機理的研究進展[J].農業工程學報，2004，20（2）：242-245.

[15] 張 鵬.卡爾指數法在評價煤粉粉體特征中的應用[J].中國粉體技術，2000，6（5）：33-36.

2 結果與分析

2.1 物理特性

2.1.1 全水分 全水分是生物質原料能源轉化利用的重要因素之一，水分在10%～25%的生物質原料易于成型。稱取秸稈炭400 g測量全水分，經碳化工藝處理后，3種秸稈炭含水率均在10%左右，棉稈炭為10.125%、玉米稈炭為9.782%、稻秸炭為9.253%，均屬于易于加工成型的原料。

2.1.2 堆積密度 不同秸稈炭堆積密度有一定的差異，棉稈炭為421 kg/m3，玉米稈炭為468 kg/m3， 稻秸炭為543 kg/m3。由于秸稈物料成分不同，棉稈中含有的木質素最高，熱解成秸稈炭的固體剩余物較高，相對其他兩種秸稈揮發分較少，棉稈炭堆積密度較其他兩種秸稈炭小。

2.1.3 堆積角 不同秸稈炭靜態堆積角有一定的差異。靜態堆積角越大，流動性就越差。3種秸稈炭堆積角分別為棉稈炭58.16°、玉米稈炭59.83°、稻秸炭61.45°，都屬于流動性較差的物料。

2.1.4 摩擦系數 外摩擦系數對摩擦、磨損機理的研究和秸稈炭加工設備的選用均有參考價值。由表1可知，3種秸稈炭的最大靜摩擦系數均大于滑動摩擦系數，與金屬的摩擦系數小于與橡膠的摩擦系數。

2.1.5 流動特性 3種秸稈炭的靜態堆積角在58.16°～61.45°，均屬于流動性較差的原料。采用Carr流動性指數法評價其流動性能。Carr指數法采用堆積角、壓縮率、板勺角、均勻度來評價原料的流動性[15]。流動性指數范圍在69～76之間，屬于流動性一般的材料。結果可知，3種秸稈炭的的流動性指數為棉稈炭69.1、玉米稈炭75.2、稻秸炭71.6。

2.2 化學特性

研究秸稈炭的發熱量和工業分析，都以秸稈炭的干燥基為基準。

2.2.1 發熱量 生物質原料能源化利用的重要評價指標之一是發熱量，3種秸稈炭的發熱量分別為棉稈炭26.53 MJ/kg、玉米稈炭24.62 MJ/kg，稻秸炭23.27 MJ/kg。3種秸稈炭的發熱量有一定的差異，以棉稈炭的最高，稻秸炭的發熱量最低。

2.2.2 工業分析 工業分析包括：水分、灰分、揮發分和固定炭含量。在3種秸稈炭中，稻秸炭的灰分含量最高（12.65%）；玉米稈炭的揮發分最高（31.87%）；棉稈炭的固定炭含量最高（65%），這可能和工藝條件有關。秸稈炭可根據不同秸稈原料，選擇合適的碳化工藝，提高固定炭含量。

3 小結

本試驗結果表明，棉稈炭、玉米稈炭和稻秸炭的物理特性和化學特性各有差異，含水率均在10%左右，易于加工成型；堆積密度以稻秸炭最大，玉米稈炭次之，棉稈炭最小；3種秸稈炭的堆積角較大，屬于流動性較差的物料；不同種類的秸稈炭最大靜摩擦系數均大于滑動摩擦系數，與金屬的摩擦系數小于與橡膠的摩擦系數，外摩擦系數以棉稈炭最大，玉米稈炭次之，稻秸炭最小；發熱量以棉稈炭最高，稻秸炭最低；灰分以稻秸炭最高；揮發分以玉米稈炭最高；棉稈炭中的固定炭含量最高。

在加工生產過程中，建議針對不同秸稈炭要充分考慮原料自身特點，優化碳化工藝參數，設計合理的碳化、加工秸稈炭設備。本研究僅選擇了3種秸稈炭進行研究，材料較少。在今后的研究中，要選擇更多的秸稈炭種類進行分析，從而為大規模工業化生產的秸稈炭提供理論依據。

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2 結果與分析

2.1 物理特性

2.1.1 全水分 全水分是生物質原料能源轉化利用的重要因素之一，水分在10%～25%的生物質原料易于成型。稱取秸稈炭400 g測量全水分，經碳化工藝處理后，3種秸稈炭含水率均在10%左右，棉稈炭為10.125%、玉米稈炭為9.782%、稻秸炭為9.253%，均屬于易于加工成型的原料。

2.1.2 堆積密度 不同秸稈炭堆積密度有一定的差異，棉稈炭為421 kg/m3，玉米稈炭為468 kg/m3， 稻秸炭為543 kg/m3。由于秸稈物料成分不同，棉稈中含有的木質素最高，熱解成秸稈炭的固體剩余物較高，相對其他兩種秸稈揮發分較少，棉稈炭堆積密度較其他兩種秸稈炭小。

2.1.3 堆積角 不同秸稈炭靜態堆積角有一定的差異。靜態堆積角越大，流動性就越差。3種秸稈炭堆積角分別為棉稈炭58.16°、玉米稈炭59.83°、稻秸炭61.45°，都屬于流動性較差的物料。

2.1.4 摩擦系數 外摩擦系數對摩擦、磨損機理的研究和秸稈炭加工設備的選用均有參考價值。由表1可知，3種秸稈炭的最大靜摩擦系數均大于滑動摩擦系數，與金屬的摩擦系數小于與橡膠的摩擦系數。

2.1.5 流動特性 3種秸稈炭的靜態堆積角在58.16°～61.45°，均屬于流動性較差的原料。采用Carr流動性指數法評價其流動性能。Carr指數法采用堆積角、壓縮率、板勺角、均勻度來評價原料的流動性[15]。流動性指數范圍在69～76之間，屬于流動性一般的材料。結果可知，3種秸稈炭的的流動性指數為棉稈炭69.1、玉米稈炭75.2、稻秸炭71.6。

2.2 化學特性

研究秸稈炭的發熱量和工業分析，都以秸稈炭的干燥基為基準。

2.2.1 發熱量 生物質原料能源化利用的重要評價指標之一是發熱量，3種秸稈炭的發熱量分別為棉稈炭26.53 MJ/kg、玉米稈炭24.62 MJ/kg，稻秸炭23.27 MJ/kg。3種秸稈炭的發熱量有一定的差異，以棉稈炭的最高，稻秸炭的發熱量最低。

2.2.2 工業分析 工業分析包括：水分、灰分、揮發分和固定炭含量。在3種秸稈炭中，稻秸炭的灰分含量最高（12.65%）；玉米稈炭的揮發分最高（31.87%）；棉稈炭的固定炭含量最高（65%），這可能和工藝條件有關。秸稈炭可根據不同秸稈原料，選擇合適的碳化工藝，提高固定炭含量。

3 小結

本試驗結果表明，棉稈炭、玉米稈炭和稻秸炭的物理特性和化學特性各有差異，含水率均在10%左右，易于加工成型；堆積密度以稻秸炭最大，玉米稈炭次之，棉稈炭最小；3種秸稈炭的堆積角較大，屬于流動性較差的物料；不同種類的秸稈炭最大靜摩擦系數均大于滑動摩擦系數，與金屬的摩擦系數小于與橡膠的摩擦系數，外摩擦系數以棉稈炭最大，玉米稈炭次之，稻秸炭最小；發熱量以棉稈炭最高，稻秸炭最低；灰分以稻秸炭最高；揮發分以玉米稈炭最高；棉稈炭中的固定炭含量最高。

在加工生產過程中，建議針對不同秸稈炭要充分考慮原料自身特點，優化碳化工藝參數，設計合理的碳化、加工秸稈炭設備。本研究僅選擇了3種秸稈炭進行研究，材料較少。在今后的研究中，要選擇更多的秸稈炭種類進行分析，從而為大規模工業化生產的秸稈炭提供理論依據。

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