兩箱式煙氣間接加熱固定床炭化爐研究

汪烈， 樊啟洲， 吳蔚， 劉弼臣

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

我國耕地面積遼闊，每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈量巨大，理論資源量為8.2億t。與之相反，我國化石能源年消耗量超過30億t石油當(dāng)量，石油對(duì)外依存度高達(dá)68%[1]。如果能將秸稈制成生物炭，憑借其高熱值和燃燒性能，能夠有效緩解我國化石能源缺口，保障國家能源安全，并且在一定程度上可以解決現(xiàn)階段由于焚燒秸稈造成的環(huán)境污染問題。時(shí)至當(dāng)下，秸稈焚燒事件時(shí)有發(fā)生，原因在于秸稈集中回收勞動(dòng)強(qiáng)度大、利用成本高。對(duì)于小型農(nóng)戶而言，可供選擇的秸稈處理方式不多，秸稈氣化或生化飼料需要大量前期投入；作為廠家原材料，運(yùn)輸效率低，農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)效益也低；秸稈還田特別是留茬還田，自然狀態(tài)下腐爛速度慢，影響農(nóng)田使用[2]，故而尋求一種可以直接處理秸稈的方法，并且獲得一定收益。

生物炭是由生物質(zhì)在隔絕氧氣的條件下高溫裂解炭化得到碳元素含量極高的炭[3]。由于生物炭具有孔隙大、熱值高、便于壓縮運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)優(yōu)勢[4]，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)中。生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化主要有三種技術(shù)：一是物理轉(zhuǎn)化技術(shù)，即原料壓縮成型；二是化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括可獲得木炭、焦油、可燃?xì)怏w等的傳統(tǒng)化學(xué)轉(zhuǎn)化和直接燃燒、氣化發(fā)電、液化制取液體產(chǎn)品的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化；三是生物化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括生物質(zhì)水解和生物制氫等[5]。郭莎莎等[6]以棉稈為原料研制固定床炭-氣聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)溫度由400 ℃上升到500 ℃時(shí)，產(chǎn)炭灰分和固定碳含量升高。張本華等[7]以玉米秸稈為原料電加熱觀察秸稈升溫規(guī)律，得到最優(yōu)炭化溫度為500 ℃。目前研制的移動(dòng)床設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)施過于昂貴且復(fù)雜，不適用于小型農(nóng)戶，一般的固定床試驗(yàn)設(shè)備操作繁瑣，原料需要預(yù)處理且單次處理量少。然而在全國范圍內(nèi)，小型農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量生物質(zhì)秸稈無法及時(shí)處理，生物質(zhì)炭化技術(shù)便能有效解決此問題。因此，本文設(shè)計(jì)研究一種可炭化成捆生物質(zhì)秸稈的固定床設(shè)備，以期解決相應(yīng)問題，將秸稈變廢為寶。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 工作原理

該固定床設(shè)備可成捆炭化生物質(zhì)秸稈，工作流程可分為裝料、干燥、炭化、冷卻出料四個(gè)階段。圖1所示為生物質(zhì)炭化設(shè)備工作時(shí)傳熱傳質(zhì)過程，展現(xiàn)了干燥階段、炭化階段混合高溫?zé)煔庠谠O(shè)備中的流動(dòng)情況及主要熱傳遞方向。

圖1 傳熱傳質(zhì)過程Fig.1 Heat and mass transfer of carbonization process

①裝料階段：采用人工裝料，進(jìn)料口“門型”設(shè)計(jì)，設(shè)備寬闊的炭化室可以容納成捆生物質(zhì)秸稈。

②干燥階段：原料吸收燃燒室、高溫?zé)煔獾臒崃浚杆偕郎兀舭l(fā)出水分，并被風(fēng)機(jī)抽出炭化室[8]。

③炭化階段：燃燒室的熱輻射為原料炭化提供主要熱源，高溫?zé)煔饬鹘?jīng)炭化室內(nèi)部布置的曲型煙管，曲型煙管熱量補(bǔ)償炭化室邊緣地區(qū)，保證炭化室內(nèi)部各處原料炭化均勻。

④冷卻出料階段：停止燃燒室供熱后等待設(shè)備內(nèi)部冷卻至室溫，同時(shí)原料也有了充足的保溫時(shí)間，人工整體出料。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

兩箱式煙氣間接加熱固定床炭化爐的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：1—炭化室；2—測溫孔；3—密封裝置；4—門式進(jìn)出料口；5—地輪；6—燒火口；7—出灰口；8—二次進(jìn)風(fēng)管；9—底部曲型煙管；10—側(cè)壁曲型煙管；11—保溫夾層；12—風(fēng)機(jī)；13—總出煙管；14—干燥煙管；15—可燃?xì)饣赜霉埽?6—抽濕煙管；17—隔板；18—除塵室；19—燃燒室。Note: 1—Carbonization chamber；2—Temperature measuring hole；3—Seal groove；4—Door type inlet and outlet port；5—Ground wheel；6—Burning port；7—Soot door；8—Secondary air inlet pipe；9—Bottom curved tobacco pipe；10—Side wall curved tobacco pipe；11—Insulation layer；12—Fan；13—Total smoke pipe；14—Dry pipe；15—Combustible pipe；16—Wet pipe；17—Partition；18—Dust chamber；19—Combustion chamber.圖2 兩箱式炭化設(shè)備爐體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the biomass carbonizing furnace

本設(shè)備中間處布置燃燒室，隔板緊貼燃燒室右壁面將炭化室分成左右兩部分，兩箱完全隔離，功能獨(dú)立，可以同時(shí)分別炭化不同濕度、不同原料的生物質(zhì)。兩箱內(nèi)部管道相對(duì)燃燒室對(duì)稱布置，通過閥門控制煙氣流向，共用同一風(fēng)機(jī)，但兩者獨(dú)立完成干燥、炭化過程。曲型煙管布置在炭化室底部及遠(yuǎn)離燃燒室的側(cè)壁面，用于補(bǔ)償該區(qū)域炭化過程中熱量的不足，使得箱體內(nèi)部熱分布更為均勻。

在原料干燥過程中，打開風(fēng)機(jī)和控制干燥煙管、抽濕煙管的閥門，燃燒室產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)除塵室除去固體塵埃，由底部曲型煙管進(jìn)入炭化室，迅速提高炭化室和原料初溫，同時(shí)原料直接和高溫?zé)煔饨佑|完成干燥。通過外部風(fēng)機(jī)的抽吸，炭化室的煙氣和原料蒸發(fā)的水蒸氣一并經(jīng)總出煙管排到外界。根據(jù)前期測試相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，此過程一般為30 min，炭化室溫度不高于150 ℃[9-10]。

此后，打開控制側(cè)壁曲型煙管、可燃?xì)饣赜霉荛y門，關(guān)閉干燥煙管、抽濕煙管閥門，燃燒室產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)除塵室除去固體塵埃，相繼進(jìn)入底部和側(cè)壁曲型煙管，最后匯入總出煙管排到外界。曲型煙管的高溫?zé)煔庋a(bǔ)償設(shè)備底部及遠(yuǎn)離燃燒室的側(cè)壁一定熱量，從而使炭化室內(nèi)部熱分布更為均勻。生物質(zhì)秸稈在炭化的同時(shí)，產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，經(jīng)可燃?xì)饣赜霉軐?dǎo)流到燃燒室中燃燒，既減少氣體排放造成的空氣污染，又提高設(shè)備整體的能量利用率。

其中，設(shè)備的除塵室內(nèi)依次放置3塊多孔板，孔徑分別為10、10、5 mm，用于過濾燃燒室產(chǎn)生的固體塵埃，除塵室底部采用合頁設(shè)計(jì)，方便清理出沉積的灰塵和清洗多孔板。

1.3 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

兩箱式煙氣間接加熱固定床炭化設(shè)備的主要參數(shù)如表1所示。

表1 炭化設(shè)備主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the carbonizing equipment

1.3.1保溫層厚度 該炭化設(shè)備為箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層均為鋼板，夾層作為保溫層，以膨脹珍珠巖為保溫填料。設(shè)備保溫層越厚，材料費(fèi)用越高，保溫效果越好，熱損失越小，綜合使用壽命內(nèi)設(shè)備總成本考量保溫層設(shè)計(jì)厚度。

W=W1+W2+W3+W4

(1)

式中，W為總成本；W1為珍珠巖成本；W2為鋼材成本，由于炭化室設(shè)計(jì)大小固定，保溫層厚度只影響外層鋼板用量，故只計(jì)算外層鋼板費(fèi)用；W3為熱損失成本，設(shè)備為“鋼膨脹珍珠巖鋼”三層平壁傳熱模型[11]；W4為加工成本，其中保溫層厚度幾乎不影響加工成本，故下文不計(jì)算。

W1=m1×V×ρ1

(2)

式中，m1為膨脹珍珠巖市場價(jià)格，現(xiàn)約為45元·kg-1；V為保溫層體積，單位m3，爐體內(nèi)腔尺寸為2.875 m×1.475 m×1.475 m；ρ1為膨脹珍珠巖堆積密度，約為60 kg·m-3。

W2=m2×s2×h2×ρ2

(3)

式中，m2為碳鋼市場價(jià)格，現(xiàn)約為5 000元·t-1；s2為外層鋼板表面積，單位m2；h2為外層鋼板厚度，為3×10-3m；ρ2為碳鋼密度，為7.85×103kg·m-3。

(4)

式中，m3為熱價(jià)[12]，現(xiàn)約為0.16元·kW-1·h-1；s為散熱面積，取保溫層中部面積，單位m2；L為加熱時(shí)長，設(shè)計(jì)壽命為5 a，加熱時(shí)長合計(jì)約9×103h；t1為箱體內(nèi)層內(nèi)壁溫度，即炭化室溫度，取炭化溫度為500 ℃；t2為箱體外層外壁溫度，約為60 ℃；h0、h1、h2分別為保溫層厚度、內(nèi)層鋼板厚度、外層鋼板厚度，單位m，h1為0.002 m，h2為0.003 m；λ0、λ1、λ2分別為膨脹珍珠巖、內(nèi)層鋼板、外層鋼板導(dǎo)熱系數(shù)，分別為0.04、39.4、47.5 W·m-1·K-1。

將公式(2)(3)(4)代入公式(1)中，可得總成本與保溫層厚度的變化關(guān)系，選擇最優(yōu)保溫層厚度為120 mm。

1.3.2進(jìn)風(fēng)量 設(shè)備正常工作時(shí)，風(fēng)機(jī)始終工作，不斷將煙氣、水蒸氣等排出，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量直接影響設(shè)備工作性能。干燥過程中，燃燒室產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵苯舆M(jìn)入炭化室，要求混合煙氣中的氧氣含量較少；炭化過程中，燃料化學(xué)能供應(yīng)炭化反應(yīng)發(fā)生和持續(xù)，要求燃料盡可能充分燃燒，故而不同階段進(jìn)風(fēng)量差異顯著。試驗(yàn)以含水率10%的杉木為燃料，含水率16%的玉米秸稈為原料。

①單位質(zhì)量燃料燃燒理論需要空氣量Ma

干燥的杉木中碳元素為47.95%，氧元素為45.36%，氫元素為6.24%，其他元素含量極低[13]，故忽略不計(jì)，根據(jù)其元素組成可將其寫成CH1.56O0.71。則有1 mol(24.92 g)的干燥杉木完全燃燒，理論需要氧氣量M氧氣為1.035 mol；理論需要空氣量M空氣為4.93 mol。求得Ma為178 mol·L-1。

②單位質(zhì)量燃料燃燒產(chǎn)生煙氣量Mb

M0=M1+M2+M3

(5)

M2=αM空氣-M氧氣

(6)

(7)

式中，M0為總煙氣量，單位mol；M1為燃燒產(chǎn)物的量，為1.78 mol；M2為剩余空氣量，為(4.93α-1.035)mol；M3為燃料中水蒸氣的量，為0.154 mol。α為生物質(zhì)燃燒空氣系數(shù)，是實(shí)際空氣供給量與理論需要空氣量的比值，本炭化設(shè)備需要燃料較充分燃燒，保證α始終大于1。

聯(lián)立公式求得Mb為(32.47+178α)mol·kg-1。

③單位質(zhì)量原料蒸發(fā)出水蒸氣的量Mc

(8)

④單位質(zhì)量原料完全炭化產(chǎn)生可燃?xì)馔耆紵杩諝饬縑a

假設(shè)有1 kg玉米秸稈干物料，則玉米秸稈鮮重為1.19 kg，水分質(zhì)量為0.19 kg。研究表明，1 kg干燥玉米秸稈在接近500 ℃條件下完全炭化，大約可產(chǎn)生生物炭0.33 kg，可燃?xì)鉃?00 L，其中CO2為135 L，CO為90 L，H2為45 L，CH4為30 L[14-15]。1 kg干燥玉米秸稈熱解得到的可燃?xì)馔耆紵碚撔枰鯕饬縑氧氣為127.5 L，理論需要空氣量V空氣為607.1 L。

Va=V空氣×(1-16%)=510 L·kg-1

(9)

⑤單位質(zhì)量原料完全炭化的可燃?xì)猱a(chǎn)生煙氣量Vb

同上述Mb計(jì)算相同，該處煙氣量包括炭化產(chǎn)生CO2的量，可燃?xì)馔耆紵a(chǎn)生的CO2和H2O的量，未燃燒的空氣量。

Vb=(195.3+510α)L·kg-1

(10)

⑥進(jìn)風(fēng)總量V與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速r

當(dāng)原料處于干燥階段時(shí)，煙氣包括燃料燃燒產(chǎn)生煙氣以及原料水蒸氣；當(dāng)原料處于炭化階段時(shí)，煙氣包括燃料燃燒產(chǎn)生煙氣以及可燃?xì)猱a(chǎn)生煙氣量。在一定程度上，杉木燃料燃燒速率可以看做恒定，故干燥、炭化兩階段燃料消耗與時(shí)間相關(guān)。

V1=(m1×Mb+n×Mc)×c1

(11)

V2=m2×Mb×c2+n×Vb

(12)

(13)

(14)

式中，V1、V2分別為干燥階段、炭化階段煙氣總量，單位m3；m1、m2分別為干燥階段、炭化階段消耗的燃料量，單位kg；n為炭化室原料的總質(zhì)量，單位kg；t1、t2分別為干燥階段時(shí)間、炭化階段時(shí)間，單位min；c1、c2分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下干燥階段、炭化階段所處溫度對(duì)應(yīng)的氣體摩爾體積，干燥階段取均溫為100 ℃，炭化均溫為500 ℃[16]，c1為30.6 L·mol-1，c2為63.4 L·mol-1；取干燥階段生物質(zhì)燃燒空氣系數(shù)α1為1.05，炭化階段α2為1.4[17]；r1、r2分別為干燥階段、炭化階段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r ·min-1。

最后聯(lián)立公式，得到干燥階段和炭化階段風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比。

(15)

1.4 試驗(yàn)材料和設(shè)備

為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確，從農(nóng)戶手中購買足量同一批剛收獲的玉米秸稈，露天風(fēng)干5 d。為驗(yàn)證設(shè)備成捆炭化的效果，探究不同捆徑對(duì)成炭造成的影響，將玉米秸稈用鐵絲收緊扎成不同直徑的小捆，模擬生物質(zhì)成捆炭化。為方便進(jìn)出料以及成捆原料和成炭產(chǎn)物的質(zhì)量稱量、取樣作業(yè)，用鐵絲網(wǎng)和薄鋼板制作了12個(gè)相同大小的圓筒狀物料籠，長度為1 m，直徑為0.35 m。由于炭化室大小為1.2 m×1.2 m×1.2 m，故單側(cè)箱體可以放置3層物料籠，每層2個(gè)。試驗(yàn)同時(shí)也探究進(jìn)風(fēng)量對(duì)成炭品質(zhì)影響，由前期設(shè)備測試得到原料、燃料消耗質(zhì)量，可得進(jìn)風(fēng)總量，求出炭化階段與干燥階段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速比約為1.58。選擇德東電機(jī)廠DE 230低噪音多翼式離心風(fēng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速2 800 r·min-1，炭化階段最優(yōu)轉(zhuǎn)速為1 900 r·min-1，干燥階段轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1。試驗(yàn)中利用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制進(jìn)風(fēng)量，風(fēng)機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速成正比，最優(yōu)轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)炭化階段、干燥階段變頻器的調(diào)節(jié)頻率分別為34、21.4 Hz。炭化溫度是影響原料炭化最重要的因素之一，試驗(yàn)中使用探針式測溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測炭化室內(nèi)部溫度變化，將探針插入測溫孔中，每隔5～10 min讀取一次測溫儀示數(shù)。

1.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本設(shè)備是針對(duì)小型農(nóng)戶的外加熱固定床炭化設(shè)備，在實(shí)際使用工作中，無法直接有效控制炭化溫度、升溫速率等因素。針對(duì)設(shè)備實(shí)際使用情況，選取了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱時(shí)間、原料扎捆直徑3個(gè)因素進(jìn)行探究。

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速直接決定進(jìn)風(fēng)量，根據(jù)上述計(jì)算得到的理論最優(yōu)轉(zhuǎn)速，等梯度選取其他水平，最終選定1 000、1 900、2 800 r·min-1；根據(jù)前人相關(guān)研究，設(shè)計(jì)加熱時(shí)間為4、5、6 h三個(gè)水平，實(shí)際工作中，設(shè)備停止加熱后，成炭反應(yīng)放熱以及炭化室內(nèi)余熱使得原料仍在較長一段時(shí)間維持高溫，故原料炭化反應(yīng)實(shí)際持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于設(shè)備處于炭化階段加熱時(shí)間；模擬成捆炭化設(shè)計(jì)扎捆直徑水平分別為15、25、35 cm物料籠便于放置在物料籠中。

由于單側(cè)箱體有多個(gè)物料籠，考慮到箱體內(nèi)部熱分布仍存在不均勻性，以及每次試驗(yàn)不同質(zhì)量原料造成的系統(tǒng)誤差，本試驗(yàn)中單側(cè)箱體均裝填6個(gè)物料籠，裝入直徑15、25、35 cm各兩個(gè)，保證原料總質(zhì)量相同，將所檢測的兩個(gè)物料籠始終置于中間一層，便于因素水平試驗(yàn)比較分析。根據(jù)因素水平設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)[18]，方案如表2所示。

表2 玉米秸稈炭化正交試驗(yàn)方案Table 2 Orthogonal experiment of corn straw carbonization

2 結(jié)果與分析

2.1 成炭樣本工業(yè)分析

試驗(yàn)結(jié)束直接測得炭產(chǎn)率(成炭質(zhì)量與原料量的比值)和炭化終溫(炭化過程各類成捆物料中所測得最高溫度)，取兩側(cè)箱體中層各物料籠中成炭樣本完成工業(yè)分析，左箱檢測結(jié)果如表3所示。可以看出，玉米秸稈的炭產(chǎn)率約為原料量的1/5～1/3，最高不超過原料量的34%；炭化終溫在不同條件下波動(dòng)極大；玉米秸稈成炭的工業(yè)分析顯示，固定碳含量一般均高于60%，其次含量較高依次為揮發(fā)分、灰分、水分。

表3 檢查結(jié)果Table 3 Test result

2.2 指標(biāo)變化趨勢分析

根據(jù)正交試驗(yàn)參數(shù)繪制固定碳含量與炭產(chǎn)率的曲線，兩個(gè)指標(biāo)波動(dòng)趨勢如圖3所示。

圖3 指標(biāo)變化趨勢Fig.3 Trend diagram of indicators

玉米秸稈試驗(yàn)樣本中，固定碳含量分布在64%～76%之間，均值為68.79%，炭產(chǎn)率分布在21%～33%之間，均值為28.4%。從圖3可以看出，兩者波動(dòng)趨勢相反，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 900 r·min-1、加熱4 h、扎捆直徑35 cm和轉(zhuǎn)速2 800 r·min-1、加熱5 h、扎捆直徑35 cm時(shí)，固定碳含量達(dá)到峰值，相反炭產(chǎn)率也較低，此時(shí)炭化終溫也是達(dá)到峰值，為550 ℃；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1、加熱5 h、扎捆直徑25 cm和轉(zhuǎn)速1 900 r·min-1、加熱6 h、扎捆直徑25 cm時(shí)，固定碳含量處于低谷，相反炭產(chǎn)率達(dá)到峰值，炭化終溫也處于低谷，為400 ℃。可見，箱體內(nèi)在500 ℃以上高溫狀態(tài)下炭品質(zhì)會(huì)上升，炭產(chǎn)率會(huì)下降；在400 ℃時(shí)，炭品質(zhì)相對(duì)較差，炭產(chǎn)率會(huì)上升[19]。由表4可以看出，成炭的工業(yè)分析中各成分變化最大的為揮發(fā)分，表明炭化室溫度由400 ℃上升到500 ℃過程中，原料極有可能發(fā)生二次裂解，表現(xiàn)為成炭揮發(fā)分含量大幅下降。

2.3 試驗(yàn)因素的極差分析

按照表3測得的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱時(shí)間、扎捆直徑三個(gè)因素作極差分析，分別求得固定碳含量、炭產(chǎn)率、炭化終溫三個(gè)指標(biāo)的極差值，如表4所示。

表4數(shù)據(jù)表明，對(duì)成炭固定碳而言，加熱時(shí)間的極差最大，其次是扎捆直徑，最小則是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。各因素對(duì)固定碳含量影響的強(qiáng)弱依次為：加熱時(shí)間>扎捆直徑>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，選擇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 800 r·min-1、加熱4 h、扎捆直徑35 cm時(shí)，成炭中固定碳含量最高。綜合三個(gè)因素來看，三者極差值差異并不大，推測這三個(gè)因素對(duì)固定碳含量均有重要影響。

表4 影響玉米秸稈成炭質(zhì)量性能各因素極差Table 4 Range of various factors affecting the quality of the corn straw charcoal performance

對(duì)炭產(chǎn)率而言，扎捆直徑極差最大，其次是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最小則是加熱時(shí)間，甚至極差小于空白列，各因素對(duì)炭產(chǎn)率影響強(qiáng)弱依次為：扎捆直徑>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速>>加熱時(shí)間。炭化設(shè)備工作時(shí)，炭化室內(nèi)部熱傳遞主要依賴于熱空氣，過大的扎捆直徑不利于內(nèi)部空氣熱對(duì)流以及與原料間熱傳導(dǎo)，風(fēng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速給與燃燒室過量氧氣，讓燃料燃燒更充分，設(shè)備參數(shù)選擇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 800 r·min-1、加熱5 h、扎捆直徑25 cm時(shí)，總體炭產(chǎn)率最高。

各因素對(duì)炭化終溫影響的強(qiáng)弱依次為：扎捆直徑>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速>加熱時(shí)間，選擇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 800 r·min-1、加熱4 h、扎捆直徑35 cm時(shí)，炭化終溫最高。綜上觀察到，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大時(shí)對(duì)三個(gè)指標(biāo)均有利，可能在于炭化設(shè)備管道系統(tǒng)較長，即使在過量空氣和較大風(fēng)速下，煙氣與管道換熱同樣較充分，反而是大進(jìn)風(fēng)量使得燃燒室燃燒更充分和劇烈，提高了升溫速率，對(duì)設(shè)備總體而言煙氣的熱損失影響遠(yuǎn)小于升溫速率的影響。

2.4 試驗(yàn)因素的顯著性分析

為進(jìn)一步分析三個(gè)因素對(duì)設(shè)備炭化性能指標(biāo)的影響，對(duì)各因素進(jìn)行方差分析。分析結(jié)果表明，對(duì)固定碳而言，在P<0.01時(shí)，固定碳含量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱時(shí)間、扎捆直徑的影響均表現(xiàn)為極顯著；對(duì)炭產(chǎn)率而言，其余三個(gè)因素影響均不顯著；對(duì)于炭化終溫而言，其與扎捆直徑在P<0.05的置信度下顯著，與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加熱時(shí)間均不顯著。方差分析進(jìn)一步印證了極差分析所得結(jié)論，三個(gè)因素的變化對(duì)固定碳均有顯著影響，而三個(gè)因素對(duì)炭產(chǎn)率影響相對(duì)不明顯，炭化終溫的最優(yōu)選擇上與固定碳具有一致性。綜合表3～5可見，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高時(shí)，燃料燃燒充分而劇烈，供熱充足，提高炭化室和原料溫度，對(duì)固定碳含量增加、炭產(chǎn)率增加、炭化終溫升高均有積極影響，因此轉(zhuǎn)速取 2 800 r·min-1；加熱時(shí)間對(duì)固定碳和炭化終溫影響遠(yuǎn)大于炭產(chǎn)率，設(shè)備總體炭化時(shí)間更短更節(jié)省成本，故而采用4 h；扎捆直徑最大時(shí)成炭固定碳含量更高、炭產(chǎn)率相對(duì)下降，對(duì)本試驗(yàn)的成捆炭化而言，扎捆直徑更大時(shí)設(shè)備能容納更大質(zhì)量的原料，一定程度可以彌補(bǔ)單次工作產(chǎn)炭總量下降，因此扎捆直徑取35 cm時(shí)更合適。該兩箱式設(shè)備在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 800 r·min-1、加熱時(shí)間4 h、扎捆直徑35 cm時(shí)，總體成本最低、產(chǎn)炭收益最高。

表5 影響玉米秸稈成炭因素方差分析Table 5 Summary of variance analysis of factors affecting the formation of corn straw

3 討論

針對(duì)小型農(nóng)戶農(nóng)作物秸稈處理難的問題設(shè)計(jì)了兩箱式炭化設(shè)備，在試驗(yàn)操作過程中炭化效果良好，具有方便使用、加熱時(shí)間短、成捆炭化等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控炭化室內(nèi)原料溫度，精確反映了外加熱狀態(tài)下炭化室溫度情況。通過對(duì)設(shè)備的正交試驗(yàn)顯示，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱時(shí)間、扎捆直徑對(duì)成炭固定碳含量有極顯著影響，炭化室內(nèi)部炭化溫度升高過程中成炭二次裂解，成炭揮發(fā)分含量大幅降低，從而升華炭品質(zhì)。玉米秸稈由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成，纖維素和半纖維在350 ℃下就能完成熱解，木質(zhì)素分解溫度為280～500 ℃，設(shè)備炭化室溫度由400 ℃上升到500 ℃的過程中，原料中未分解完全的含氧官能團(tuán)如羧基等繼續(xù)分解[19-20]，炭化反應(yīng)由原料表層向內(nèi)層發(fā)展，逸出氣體使得成炭孔隙和表面積增大，成炭品質(zhì)更佳。燃燒室進(jìn)風(fēng)量的增加對(duì)固定碳、炭產(chǎn)率、炭化終溫都有積極影響。對(duì)比其他研究人員的成果[6,19]，本研究所得在相關(guān)溫度區(qū)間成炭變化具有一致性，表明試驗(yàn)結(jié)果具有可靠性。

對(duì)設(shè)備的總體分析表明，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 800 r·min-1、 加熱時(shí)間4 h、扎捆直徑35 cm時(shí)，總體成本最低、產(chǎn)炭收益最高。根據(jù)方差分析可知，影響固定碳含量、炭產(chǎn)率、炭化終溫最大的影響因素分別為加熱時(shí)間、扎捆直徑、扎捆直徑。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響燃燒室熱供應(yīng)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1 900 r·min-1時(shí)，原料在達(dá)到溫度峰值前升溫速率最快，由于傳熱的滯后效應(yīng)，升溫速率過快會(huì)造成原料表層和內(nèi)層溫差變大，抑制原料中纖維素和半纖維素成炭，造成炭產(chǎn)率下降[21]；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 2 800 r·min-1時(shí)，過量空氣造成大量煙氣熱損失，炭化室內(nèi)升溫慢，但原料最終能達(dá)到更高的炭化終溫，炭產(chǎn)率和成炭品質(zhì)有一定程度增長。加熱時(shí)間實(shí)際上影響了炭化反應(yīng)的時(shí)長，加熱時(shí)間越長，理論上炭化室能夠維持原料炭化反應(yīng)溫度的時(shí)間就更長；扎捆直徑影響炭化室和原料間熱傳遞。試驗(yàn)選取的三個(gè)因素只是設(shè)備實(shí)際工作中能夠控制的因素，它們改變了炭化反應(yīng)發(fā)生的條件，進(jìn)而改變成炭情況，最直接、最有效的能夠影響三個(gè)指標(biāo)的試驗(yàn)條件仍需要進(jìn)一步探究。