藍(lán)藻與木屑混合炭化制備燃料炭研究

宋城城

摘 要：該研究以藍(lán)藻與木屑?jí)嚎s混合物為原料，經(jīng)粉碎干燥處理后，進(jìn)行熱解炭化制備燃料炭，考察了升溫速率、炭化時(shí)間、炭化溫度等因素對(duì)炭化實(shí)驗(yàn)的影響。結(jié)果表明，在不同炭化條件下獲得的燃料炭的得率和熱值差異較大，且獲得燃料炭的燃燒性能較未炭化原料有很大提升；藍(lán)藻與木屑混合物制備燃料炭較為適宜的工藝條件為：升溫速率為10℃/min，炭化溫度為350℃，炭化時(shí)間為40min，在此條件下燃料炭得率可達(dá)57.9%，熱值可達(dá)17.4 MJ/kg，其熱值比普通生物質(zhì)材料（10MJ/kg）提高了0.7倍。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；藍(lán)藻；低溫炭化；熱解

中圖分類號(hào) S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）09-0039-03

Abstract：With the addition of blue algae and sawdust mixture as raw material，crushing，drying，and then made fuel charcoal through low temperature pyrolysis. The effects of heating rate，carbonized time and carbonized temperature on the pyrolysis experiment were investigated. The yield and calorific value of fuel charcoal were obtained under different carbonized conditions，and the combustion characteristics of fuel charcoal were greatly improved after pyrolysis. The experimental results showed that the suitable process parameters for the preparation of fuel charcoal from the mixture of blue algae and sawdust were：the heating rate is 10℃/min，the carbonized temperature is 350℃，the carbonized time is 40min. Under these conditions，the yield of biomass charcoal is up to 57.9%，and the calorific value is up to 17.4Mg/kg. The calorific value is 0.7 times higher than that of biomass.

Key words：Biochar；Blue-green algae；Low temperature carbonization；Pyrolysis

巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化問題由來已久，每到夏季，藍(lán)藻大量繁殖且很難消化，會(huì)在水面形成一層藍(lán)綠色而有惡臭味的浮沫，稱為“水華”[1]，引起水質(zhì)惡化，甚至造成魚類死亡，對(duì)人類生活及環(huán)境造成了極大的危害[2]。雖說藍(lán)藻污染水體且其造成的危害較大，但作為自然界產(chǎn)物，其也是一種自然資源，可以考慮將其資源化利用，實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻廢棄物處理處置“減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化”的要求，同時(shí)達(dá)到“資源化”利用為目的的重要原則[3]。因此，可以采用“特種高壓鋼制板框深度脫水”工藝，將打撈到的含水率85%的藍(lán)藻藻泥按一定比例加入鋸木屑等進(jìn)行混合，然后壓縮脫水至含水率40%左右，制成藍(lán)藻木屑混合物壓濾餅。本實(shí)驗(yàn)使用該藻木屑混合物壓濾餅為原料，進(jìn)行熱解炭化制備燃料炭，考察不同炭化因素對(duì)炭化實(shí)驗(yàn)的影響，考察其是否可以作為一種燃料炭來使用，從而為藍(lán)藻的綜合利用和開辟生物質(zhì)炭原料新來源提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 將經(jīng)過前處理得來的藍(lán)藻木屑濾餅經(jīng)干燥，粉碎，備用。萬(wàn)能粉碎機(jī)；電熱鼓風(fēng)干燥箱；管式爐；分析天平；石英舟；發(fā)熱量測(cè)定儀。

1.2 熱解炭化實(shí)驗(yàn) 稱量一定量藍(lán)藻木屑濾餅樣品置于石英舟中，平穩(wěn)放于管式爐內(nèi)，接入保護(hù)氣管并密封電阻爐，以炭化時(shí)間、炭化溫度和升溫速率為實(shí)驗(yàn)因子開展實(shí)驗(yàn)[4-5]。設(shè)定好各實(shí)驗(yàn)因子后，擰開氮?dú)忾y門，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)至100mL/min，待吹盡爐內(nèi)空氣，開始加熱炭化。達(dá)到設(shè)定炭化溫度系統(tǒng)自動(dòng)停止加熱，為防止?fàn)t內(nèi)炭化物燃燒，此時(shí)持續(xù)通入氮?dú)猓敝晾鋮s到100℃，打開炭化爐，取出炭化物，降至室溫后進(jìn)行燃料炭得率（即炭化后固體產(chǎn)物質(zhì)量占未炭化前固體物質(zhì)量的百分比）測(cè)定，用塑料袋分裝、密封，放入有干燥劑的干燥皿中備用。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

其中M是炭化后生物質(zhì)炭的質(zhì)量（g），M0是未炭化前固體物質(zhì)量（g）。

1.4 熱值測(cè)定 此次實(shí)驗(yàn)熱值測(cè)定參考氧彈法（GB/T384-1981），使用發(fā)熱量測(cè)定儀測(cè)定出樣品的彈筒高位發(fā)熱量，干基高位發(fā)熱量，干基低位發(fā)熱量[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭樣品的得率 以炭化時(shí)間、炭化溫度和升溫速率為實(shí)驗(yàn)因子，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出的9個(gè)實(shí)驗(yàn)組合的得率，結(jié)果如表1所示。對(duì)于試驗(yàn)號(hào)1號(hào)的得率較高，可能是因?yàn)樘炕瘯r(shí)間太短，炭化溫度較低，藍(lán)藻木屑混合物樣品炭化不完全，因此炭化后樣品較重，得率相對(duì)偏高；6號(hào)得率較高可能因?yàn)樘炕瘻囟冗^低沒有炭化完全；9號(hào)得率較高可能因?yàn)樯郎厮俾蔬^快，藻泥樣品直接在較高溫下炭化，沒有炭化充分。由正交實(shí)驗(yàn)表計(jì)算各因素各水平下每種試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)據(jù)和以及平均值，并計(jì)算極差R。根據(jù)極差大小得出升溫速率、炭化溫度、炭化時(shí)間對(duì)得率的影響主次順序?yàn)椋簳r(shí)間>溫度>升溫速率，即影響制備生物質(zhì)炭的得率的因素最主要的是炭化時(shí)間，其次是溫度、升溫速率。本試驗(yàn)得率指標(biāo)數(shù)值越大越好，對(duì)因素B、C及真實(shí)的得率數(shù)值分析，確定優(yōu)水平為B3、C2；因素A的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果幾乎無(wú)影響，可從經(jīng)濟(jì)、操作等角度考慮取值，選A2。優(yōu)水平組合為A2B3C2。

2.2 生物質(zhì)炭樣品的熱值測(cè)定 以炭化時(shí)間、炭化溫度和升溫速率為實(shí)驗(yàn)因子設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)得出樣品的熱值測(cè)定參考氧彈法（GB/T384-1981），使用發(fā)熱量測(cè)定儀測(cè)定出樣品的彈筒高位發(fā)熱量，干基高位發(fā)熱量，干基低位發(fā)熱量。熱值結(jié)果如表2所示。對(duì)比分析生物質(zhì)炭樣品的彈筒高位發(fā)熱量，干基高位發(fā)熱量，干基低位發(fā)熱量，所得所有樣品熱值均大于15000J/g，即15MJ/kg，最高可達(dá)17MJ/kg以上，與生物質(zhì)（10MJ/kg）相比提高了0.7倍，具有一定的燃料開發(fā)價(jià)值。由正交實(shí)驗(yàn)表計(jì)算各因素各水平下每種試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)據(jù)和以及平均值，并計(jì)算極差R。從正交數(shù)據(jù)表中可以看出因素C的極差R值較大，說明炭化時(shí)間對(duì)制得的生物質(zhì)炭的熱值影響較大，其次是升溫速率和炭化溫度。本試驗(yàn)得率指標(biāo)數(shù)值越大越好。從因素A列表中可以看出，K2較大，B因素中K2較大，C因素中K2較大，故知A2、B2、C2是各因素中影響最大的水平。

根據(jù)上述表格，分析9組實(shí)驗(yàn)條件的得率及熱值情況如圖2所示。從圖2可以看出，4號(hào)的對(duì)應(yīng)的彈筒高位發(fā)熱量為17720.9J/g，干基高位發(fā)熱量為17688.8J/g，干基低位發(fā)熱量為17410.9J/g，熱值相對(duì)于其他試驗(yàn)條件較高，得率為該實(shí)驗(yàn)條件為升溫速率為10℃/min，炭化時(shí)間為20min，炭化溫度為350℃。

總體看9個(gè)試驗(yàn)，4～6號(hào)的熱值均較高，且對(duì)比9組試驗(yàn)條件的得率可見其升溫速率的影響效果為：10℃/min>20℃/min>5℃/min。結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析和生物質(zhì)炭的得率及熱值數(shù)值分析，對(duì)比試驗(yàn)號(hào)1、2、3，升溫速率同是5℃/min，2號(hào)對(duì)應(yīng)的熱值較1、3號(hào)高；對(duì)比試驗(yàn)號(hào)7、8、9號(hào)，升溫速率同是20℃/min，試驗(yàn)號(hào)8對(duì)應(yīng)的熱值較7、9號(hào)高；可見當(dāng)炭化溫度為350℃，炭化時(shí)間為40min時(shí)炭化效果較好。綜合分析覺得優(yōu)化水平組合為A2B2C2，即較佳實(shí)驗(yàn)條件因素設(shè)定為升溫速率為10℃/min，炭化溫度為350℃，炭化時(shí)間為40min。確定了較佳實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，以升溫速率為10℃/min，炭化溫度為350℃，炭化時(shí)間為40min進(jìn)行了多次炭化實(shí)驗(yàn)，得出其得率均在55%以上，熱值均在17000J/g以上。

3 結(jié)論

本研究以藍(lán)藻生物質(zhì)添加鋸木屑?jí)嚎s混合物為原料，經(jīng)粉碎，干燥后進(jìn)行熱解炭化，考察了升溫速率、炭化時(shí)間、炭化溫度對(duì)炭化實(shí)驗(yàn)的影響，通過不同炭化條件下得出的生物質(zhì)炭得率和熱值測(cè)定分析炭化后所得生物質(zhì)炭燃燒特性，表明生物質(zhì)炭化后燃燒性能得到了很大提升。

藍(lán)藻木屑混合物制備生物質(zhì)炭較為適宜的工藝參數(shù)為：升溫速率為10℃/min，炭化溫度為350℃，炭化時(shí)間為40min，在此條件下制備的生物質(zhì)炭得率可達(dá)57.9%，熱值可達(dá)17.4MJ/kg，其熱值與生物質(zhì)相比提高了0.7倍，具有一定的燃料開發(fā)利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]繆燦，李堃，余冠軍.巢湖夏、秋季浮游植物葉綠素a及藍(lán)藻水華影響因素分析[J].生物學(xué)雜志，2011，28（2）：54-57.

[2]孔繁翔，高光.大型淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻水華形成機(jī)理的思考[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（3）：589-595.

[3]慈娟，衛(wèi)新來，王磊，等.巢湖藍(lán)藻與農(nóng)業(yè)廢棄物共熱解制取生物質(zhì)油研究[J].生物學(xué)雜志，2015（2）：61-64.

[4]朱金陵，何曉峰，志偉，等.玉米秸稈顆粒熱解制炭的試驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31（7）.

[5]袁浩然，魯濤，黃宏宇，等.市政污泥熱解制備生物炭實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（10）：3310-3315.

[6]張秋云，任霽晴，申晨偉，等.常州市城市生活垃圾熱值測(cè)定的研究[J].科技信息，2010（8）：122-122，124.

（責(zé)編：張宏民）