山核桃果蓬添加量對機制炭燃燒性能影響分析

陳順偉，莊曉偉，潘 炘，朱杭瑞，章江麗

(浙江省林業科學研究院；浙江省森林資源與生物質化學利用重點實驗室，浙江 杭州 310023)

·研究報告——生物質能源·

山核桃果蓬添加量對機制炭燃燒性能影響分析

陳順偉，莊曉偉，潘 炘，朱杭瑞，章江麗

(浙江省林業科學研究院；浙江省森林資源與生物質化學利用重點實驗室，浙江 杭州 310023)

以木屑機制炭為對照，對山核桃果蓬添加量為10%、 20%、 30%和50%共4個添加山核桃的木屑機制炭試樣的理化特征分析結果表明，山核桃果蓬添加量低于30%時，機制炭外形和理化性能較佳，其固定碳含量和燃燒熱值分別高于80%和30 MJ/kg；利用TG-DTG-DSC熱分析聯用技術對果蓬炭燃燒性能測試結果則表明，隨山核桃果蓬添加量由10%增至50%，燃燒失重開始的溫度逐漸降低；燃燒速率峰值和放熱曲線峰值及其相對應溫度則隨山核桃果蓬添加量的增加而減小和降低，分別從1.0 mg/min降至0.7 mg/min、 95.12 W/g降至82.18 W/g、 580 ℃降至462.5 ℃。此外，試驗也證實了隨著山核桃果蓬添加量的增加，機制炭著火溫度、最大燃燒速率和著火后最大失重速率、及其相應溫度、最大釋熱量等5個參數均呈逐漸變小趨勢；其中木屑機制炭著火溫度比50%山核桃果蓬木屑機制炭高105.6 ℃；木屑機制炭和20%山核桃果蓬木屑機制炭的可燃性指數相對較小，相應的前期燃燒反應能力相對較弱。

山核桃；果蓬；機制炭；燃燒性能

機制炭作為木炭的理想替代品，是冶金、化工、醫藥、環保、服裝等工業領域不可缺少的原料和添加劑，同時，廣泛應用于食品燒烤、涮鍋、取暖等民用領域[1-2]。據聯合國糧農組織(FAO)預測[3]，到2025年和2050年世界木炭消費量分別將增長到31.3億m3和39.3億m3，市場發展前景廣泛。本實驗在前期果蓬類原料理化性質、成型和炭化工藝及其燃燒性能等方面研究的基礎上[4-7]，就山核桃果蓬添加量對機制炭燃燒性能影響作分析，為果蓬類資源的能源化高效利用及其精深加工產品開發提供基礎依據。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料 杉木(Cunninghamialanceolat(Lamb.)Hook.)屑、馬尾松(PinusmassonianaLamb.)木屑和山核桃(CaryacathayensisSarg.)果蓬均取自杭州臨安市天目香山炭業有限公司。

1.1.2 儀器和設備 德國NETZSCH 公司STA409型熱綜合分析儀，上海歐銳WELL8000型多用量熱儀；機制炭中試生產示范線包括滾筒篩、攪拌機、氣流式連續烘干機、螺旋式成型機和炭化窯等主要設備。

1.2 生產工藝

1.2.1 致密成型 包括備料、配料、干燥、成型等主要工序。備料：將經15～30 d堆放軟化預處理后的山核桃果蓬和松木屑、杉木屑經粉碎或過篩至顆粒粒徑0.25～0.83 mm。配料：先將過篩后松木屑和杉木屑按質量比1 ∶1混合備用(下稱木屑)，并以山核桃果蓬添加量(果蓬占木屑和果蓬混合物料質量分數)10%、 20%、 30%、 50%及全果蓬物料(100%)進行混合配料，以全木屑物料為對照。干燥：物料經氣流式連續烘干機處理，烘干機爐膛出口溫度130～140 ℃，經烘干后原料含水率控制在10%以內。成型：干燥后物料在溫度340±10 ℃、壓力約10×103kg/cm2條件下經螺旋式成型機致密成型制得機制棒，成型棒外徑50 mm、內孔徑15 mm。

1.2.2 炭化 采用“機制棒自燃式炭化方法及其炭化窯”(CN 00710067312.4)專利技術實施炭化，炭化總時間126 h，其中精煉時間6 h，初炭化溫度290～300 ℃，精煉溫度690～700 ℃，外置式絕氧冷卻 1～2 d，制得機制炭。

1.3 分析方法

1.3.1 理化指標分析 機制炭的固定碳、揮發分、灰分指標按GB/T 17664—1999《木炭和木炭的試驗方法》測定，熱值指標按GB 14402—1993《建筑材料燃燒熱值試驗方法》測定。

1.3.2 燃燒特性分析 采用熱綜合分析儀對機制炭樣品作燃燒性能分析，每份樣品量約10 mg，氧氣流量8 mL/min、氮氣流量32 mL/min，測試溫度為室溫～1 000 ℃，升溫速率20 ℃/min。

1.3.3 著火溫度的測定方法 采用適合燃燒曲線規整生物質炭燃燒試驗的TG-DTG切線法[8]。

2 結果與討論

2.1 機制炭基本理化特征

機制棒為成型情況對機制炭的外形開裂有直接影響作用。對山核桃果蓬添加量為10%、 20%、 30%、 50%和100%的機制棒成型和炭化棒外形觀測結果表明，山核桃果蓬添加量為10%、 20%和30%時，制備的機制棒及其機制炭棒形完整、無明顯開裂現象；山核桃果蓬添加量為50%時，機制棒出現中間直裂的概率為30%以上，機制炭則均出現中間直裂；而山核桃果蓬含量為100%時，機制棒出現中間直裂的概率為80%以上，且裂縫較大，機制炭則出現嚴重的開裂或橫斷散裂，炭化物表面和裂縫處存在過度灰化現象。

表1對不同山核桃果蓬添加量制備的機制炭樣品理化特征分析結果表明，機制炭灰分含量隨山核桃果蓬所占比例的增加而上升，其中果蓬添加量30%～100%制備的機制炭灰分含量達13.09%～17.75%；相反地，固定碳含量和燃燒熱值則隨山核桃果蓬含量的增加而呈下降趨勢。其中，山核桃果蓬添加量≥30%時，機制炭固定碳含量低于80%，燃燒熱值低于29 MJ/kg;而添加量10%～20%時，固定碳含量和熱值分別大于85.09%和30.39 MJ/kg。此外，揮發分含量與果蓬添加量未呈現規律性相關。

2.2 機制炭燃燒性能分析

基于山核桃機制炭外形觀測和理化性能分析結果，以木屑機制炭(山核桃果蓬添加量為0，下同)為對照，選擇除100%山核桃果蓬添加量制備機制炭外的果蓬添加量為10%、 20%、 30%和50%共4個山核桃機制炭樣品在等速升溫條件下測定燃燒失重(TG)、燃燒失重速率(DTG)以及燃燒過程中釋放熱量(DSC)等燃燒性能，并分析了著火溫度θi、著火后最大燃燒速率 (dG/dt)max、著火后最大失重速率Vmax及其相應溫度θmax、最大釋熱量Qmax以及可燃性指數(dG/dt)max/θi2等燃燒特性。

表1 山核桃果蓬機制炭理化性能1)

1) 機制炭以干基計dry basis charcoal briquettes。

2.2.1 燃燒失重曲線分析 山核桃果蓬機制炭和木屑機制炭樣品的燃燒失重結果見圖1(a)，結果表明隨山核桃果蓬添加量的增加，燃燒失重開始的溫度逐漸降低，表明山核桃果蓬在機制炭中添加量影響機制炭的著火溫度。在燃燒階段，5類機制炭樣品所處的溫度區間可分成3組，溫度區間最高的為對照木屑機制炭； 10%和20%山核桃果蓬制備的機制炭所處溫度區間次之，兩者在燃燒階段的曲線非常接近；溫度區間最低的為30%和50%山核桃果蓬機制炭。在燃盡階段，其剩余物質量的大小與其本身的灰分含量高低呈正相關，體現了山核桃果蓬的灰分含量高于木屑。

2.2.2 燃燒速率曲線分析 各樣品燃燒過程燃燒速率DTG隨溫度升降變化關系分析見圖1(b)，結果表明,燃燒速率曲線峰值所對應的溫度隨果蓬添加量的增加而下降，曲線峰值大小則隨果蓬在機制炭中添加量的增加而降低。其中，果蓬添加量10%和20%機制炭、果蓬添加30%和50%機制炭曲線峰值及其峰值出現的溫度均較接近，而木屑機制炭則呈現為曲線峰值最大、相應溫度最高，分別為19.45%/min、 585 ℃。

2.2.3 燃燒放熱曲線分析 各樣品燃燒過程中放熱速率隨溫度升降的DSC曲線分析見圖1(c)。

圖1 山核桃果蓬添加量對機制炭燃燒性能的影響

結果表明燃燒放熱峰值以木屑機制炭最大，山核桃機制炭放熱峰值隨山核桃果蓬添加量的增加而降低，其中山核桃果蓬添加量10%和20%、 30%和50%時的曲線峰值相對接近，各樣品間峰值差異較小，說明在試驗范圍內，山核桃果蓬添加量對機制炭熱值影響不明顯。此外，放熱曲線的峰值出現所對應的溫度則隨山核桃果蓬添加量的增加而呈下降趨勢，果蓬添加促進了機制炭燃燒放熱過程。

2.2.4 燃燒特性分析 各樣品的燃燒特性見表2，結果表明著火溫度θi、最大燃燒速率(dG/dt)max和著火后最大失重速率Vmax及其相應溫度θmax、最大釋熱量Qmax等5個參數均隨山核桃果蓬添加量的增加而逐漸變小，按5個參數值的相近度可將各樣品分成3組，即木屑機制炭、 10%和20%果蓬機制炭、 30%和50%果蓬機制炭，組間參數存在較大差異，組內參數值差異較小。其中，在著火溫度方面，以木屑機制炭最高，為504.5 ℃，其它機制炭則隨果蓬添加量增加，著火溫度相應降低，最大差值達105.6 ℃。在最大燃燒速率方面，3組間差值不大，其燃燒穩定性好。在最大失重速率和最大釋熱量方面，其變化趨勢與著火溫度基本一致，其中山核桃果蓬添加量達到30%及以上時最大失重速率和最大釋熱量下降較明顯，分別與木屑機制炭差值達6.74%/min和12.94 W/g。

此外，通過計算得到各樣品的可燃性指數[7，9](dG/dt)max/θi2，結果表明木屑機制炭和山核桃果蓬10%～50%機制炭的可燃性指數數值較小，且相互間差異也較小，表明各樣品前期燃燒反應能力相對較弱、著火后的燃燒前期較接近。

表2 山核桃果蓬機制炭燃燒特性

3 結 論

3.1 對不同山核桃果蓬添加量制備的機制炭樣品理化特征分析結果表明，以杉木和馬尾松木屑為主的機制炭，其灰分含量隨山核桃果蓬所占比例的增加而上升，固定碳含量和燃燒熱值則隨山核桃果蓬添加量的增加而下降，其中，山核桃果蓬添加量高于30%時，機制炭固定碳含量低于80%，燃燒熱值低于29 MJ/kg；此外，揮發分含量與果蓬添加量未呈現規律性相關。從機制棒及其機制炭外形和理化性能綜合來看，山核桃果蓬添加量為10%和20%時制備的機制炭性能較佳。

3.2 以木屑機制炭為對照，對果蓬添加量10%、 20%、 30%和50%共4個山核桃機制炭進行TG-DTG-DSC對比分析，證實了機制炭的著火溫度隨山核桃果蓬在機制炭中添加量的增加逐漸降低。在燃燒階段，機制炭所處的溫度區間木屑機制炭高于山核桃果蓬機制炭，且以30%和50%山核桃果蓬機制炭溫度區間較低。在燃盡階段，其剩余物質量的大小與其本身的灰分含量高低呈正相關，體現了山核桃果蓬的灰分含量高于木屑。燃燒速率峰值和放熱曲線的峰值及其對應溫度以木屑機制炭呈現為曲線峰值最大1.0 mg/min和95.12 W/g、對應溫度最高580.0 ℃，而果蓬機制炭則隨山核桃果蓬添加量的增加而減小和降低，果蓬添加量為50%時，燃燒速率降值和放熱曲線峰值及其對應溫度分別為0.7 mg/min、82.18 W/g、462.5 ℃。樣品著火溫度、燃燒速率和燃燒放熱的對比結果也證實了添加果蓬原料對機制炭的燃燒性具一定的促進作用。

3.3 對果蓬類機制炭燃燒特性分析結果表明，著火溫度、最大燃燒速率和著火后最大失重速率及其相應溫度、最大釋熱量等5個參數均隨山核桃果蓬添加量的增加而逐漸變小。著火溫度以木屑機制炭最高，為504.4 ℃，與果蓬機制炭最大差值達105.6 ℃；在最大失重速率、最大燃燒速率和最大釋熱量方面，山核桃果蓬添加量達到30%及以上時相應的機制炭最大失重速率和最大釋熱量下降較明顯，分別與木屑機制炭差值達6.74 mg/min和12.94 W/g。

[1]回彩娟.生物質燃料常溫高壓致密成型技術及成型機理研究[D].北京：北京林業大學碩士學位論文，2006.

[2]劉石彩，蔣劍春.生物質能源轉化技術與應用(Ⅱ)——生物質壓縮成型燃料生產技術和設備[J].生物質化學工程，2007，41(4)：59-63.

[3]GROVER P D,MISHRA S K.Regional wood energy development programme in Asia:Biomass briquetting:Technology and practices[R].Bangkok：FAO,1996:1-43.

[4]章江麗，莊曉偉，陳順偉，等.山核桃等3種果蓬化學成分分析和利用評價的研究[J].生物質化學工程，2010，44(6)：36-39.

[5]莊曉偉，吳麗芳，陳順偉，等.機制棒自燃內熱式炭化窯及其炭化工業試驗[J].浙江林業科技，2010，30(4):56-61.

[6]莊曉偉，陳順偉，張桃元，等.7種生物質燃燒特性的分析[J].林產化學與工業，2009，29(增刊)：169-173.

[7]朱杭瑞，莊曉偉，潘 炘，等.山核桃等3類果蓬原料機制炭燃燒性能分析[J].浙江農林大學學報，2013，30(1)：90-94.

[8]徐朝芬，孫學信.用TG-DTG-DSC研究生物質的燃燒特性[J].華中科技大學學報：自然科學版，2007，35(3)：126-128.

[9]姜秀民，劉德昌，鄭楚光，等.油頁巖燃燒性能的熱分析研究[J].中國電機工程學報，2001，21(8)：55-59.

Effects ofCaryacathayensisEpiear’s Addition on Combustion Performance of Charcoal Briquettes

CHEN Shun-wei，ZHUANG Xiao-wei，PAN Xin，ZHU Hang-rui，ZHANG Jiang-li

(Zhejiang Forestry Academy，Zhejiang Provincial Key Laboratory of Biological and Chemical Utilization of Forest Resource， Hangzhou 310023， China)

The physical and chemical characteristics of sawdust charcoal briquettes(as control)and charcoal briquettes with 10%,20%,30%,50%Caryacathayensisepiea were analyzed in this paper,respectively.The results showed that when the content ofCaryacathayensisepiear was under 30%,the shape and physicochemical properties of charcoal briquettes were better.The fixed carbon content of this charcoal briquette was more than 80% and calorific value was over 30 MJ/kg.TG-DTG-DSC thermal analysis technology was used to analyze the combustion performances of charcoal briquettes.Results showed that with the increase ofCaryacathayensisepiea’s addition in charcoal briquettes,the initial temperature of mass loss in combustion decreased,the peak value for the combustion rate curve decreased,and the time required to get the peak value for the combustion rate curve became shorter,1.0 mg/min to 0.7 mg/min,95.12 W/g to 82.18 W/g,580.0 ℃ to 462.5 ℃.In addition,five parameters of charcoal briquettes,i.e.,ignition temperature,maximal combustion rate,maximum weight loss rate,temperature of the maximum weight loss rate,and maximal heat-release,declined with the increase ofCaryacathayensisepiea in charcoal briquettes.The ignition temperature of sawdust charcoal briquettes was 105.6 ℃ higher than that of charcoal briquettes contained 50%Caryacathayensisepiea.Flammability indexes of sawdust charcoal briquettes and charcoal briquettes contained 20%Caryacathayensisepiea were small,corresponding,their pre-combustion reaction capabilities were relatively weak.

Caryacathayensis;epiear;charcoal briquettes;combustion character

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.01.007

2014- 08- 14

浙江省院所專項( 2012F20048)；中央財政林業科技推廣示范資金項目(2013TS01)

陳順偉(1962—)，男，浙江瑞安人，研究員，從事林產化工研究；E-mail:chensw1962@sina.com。

TQ35

A

1673-5854(2015)01- 0039- 04