木質(zhì)成型機(jī)制炭的制備工藝及性能表征

王亮才;章一蒙;馬歡歡;周建斌;陳登宇【摘要】以木塊氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)工藝的固體產(chǎn)物木塊炭為原料，采用單因素試驗(yàn)方法，考察了膠黏劑添加量、原料炭粒徑,對成型機(jī)制炭的理化特性、抗壓強(qiáng)度、抗跌落強(qiáng)度的影響規(guī)律，以優(yōu)化成型機(jī)制炭工業(yè)生產(chǎn)工藝.結(jié)果表明:隨著膠黏劑添加量的增加、原料炭粒度的降低,成型炭的抗壓強(qiáng)度、抗跌落強(qiáng)度增加，當(dāng)膠黏劑添加量為4%,原料炭粒度在10~20目之間時(shí)，成型炭的抗壓強(qiáng)度和抗跌落強(qiáng)度略高于對比樣，且成本較低、夕卜觀良好.本研究為成型機(jī)制炭的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ).％Thesolidproductbiocharofwoodgasificationpolyco-productionwasusedastheformedrawmaterial.Theindustrialprocessofformingmechanismcarbonwasoptimized.Thesinglefactortestmethodwasadoptedtoinvestigatetheinfluencesoftheadditiveamountofadhesiveandtheparticlesizeoftherawmaterialsonthephysicalandchemicalproperties,thecompressivestrengthandtheresistancetofallstrengthoftheformingmechanism.Resultsshowedthatthecompressivestrengthandanti-dropstrengthoftheformingcarbonwereincreasedwiththeincreaseoftheadditionofadhesiveandtheparticlesizeoftherawmaterials.Whentheamountofadhesivewas4%,thestrengthoftheformingcarbonwasslightlyhigherthanthatofthecomparisonsample.Thecostwaslowandtheappearancewasgood.Thisstudyprovidedatheoreticalbasisfortheindustrializationofformingmechanismbiochar.【期刊名稱】《廣州化工》【年（卷），期】2018（046）010【總頁數(shù)】3頁（P66-68）【關(guān)鍵詞】機(jī)制炭;成型;性能表征;氣化聯(lián)產(chǎn)【作者】王亮才;章一蒙;馬歡歡;周建斌;陳登宇【作者單位】南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210037;南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210037;南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210037;江蘇竹溪活性炭有限公司，江蘇常州213351;南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210037;南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210037;江蘇竹溪活性炭有限公司，江蘇常州213351【正文語種】中文【中圖分類】TQ519木質(zhì)機(jī)制炭在生活和工業(yè)上有廣闊的應(yīng)用空間，如用作餐飲（燒烤、火鍋等）行業(yè)、生活取暖、工業(yè)燃料、鋼鐵冶金、二硫化碳生產(chǎn)等，具有密度大、熱值高、無煙無味、無污染、易燃等優(yōu)點(diǎn)，是國際上公認(rèn)的綠色環(huán)保產(chǎn)品［1-2］。機(jī)制炭的制備工藝主要有兩種，一是先成型后炭化，以生物質(zhì)為原料（如秸稈、鋸末等），經(jīng)高壓、高溫（200~300°C）塑化后擠壓成型為薪棒（半成品），再經(jīng)炭化爐（500~800。0炭化即成成品。二是先炭化后成型，以木質(zhì)炭粉為原料（竹炭、木炭等），添加一定量的膠黏劑和水，經(jīng)高壓擠壓成型后干燥即成成品［3-4］。傳統(tǒng)的先成型后炭化的機(jī)制炭生產(chǎn)工藝中，成型壓力較大，機(jī)械磨損嚴(yán)重，在炭化過程中存在環(huán)境污染嚴(yán)重、能量消耗大、生產(chǎn)耗時(shí)長等問題［5-6］。周建斌等［7］提出生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，氣化可燃?xì)庥糜诎l(fā)電或供熱，解決炭化工藝中能源利用率低、環(huán)境污染等問題，同時(shí)聯(lián)產(chǎn)生物炭，以其為原料制備成型機(jī)制炭，縮短加工時(shí)間，降低機(jī)器損耗，是機(jī)制炭的發(fā)展方向。馬歡歡等［8］以活性炭為原料，選擇有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠黏劑，通過擠壓成型工藝，成型效果較好。ZhouBL等［9］利用生物炭為原料、焦油作為膠黏劑制備成型炭，低位熱值達(dá)到25.89MJ-kg-1，強(qiáng)度超過95%。筆者以木塊氣化多聯(lián)產(chǎn)固體產(chǎn)物木塊炭為原料，經(jīng)粉碎后選取合適粒度炭樣及環(huán)保膠黏劑，考察膠黏劑用量、炭粒度大小對成型機(jī)制炭的理化性質(zhì)、抗壓強(qiáng)度、抗跌摔強(qiáng)度的影響。1實(shí)驗(yàn)1.1原料及儀器木塊炭由浙江某采用生物質(zhì)氣化聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)提供，膠黏劑選用市場銷售的環(huán)保型改性淀粉膠，成型設(shè)備采用泰州榮美液壓機(jī)械制造有限公司SFLS-50T液壓機(jī)，成型模具由自主設(shè)計(jì)。選購浙江某企業(yè)銷售的以木屑擠壓成型后炭化的燒烤炭作對比。1.2制備工藝木塊炭經(jīng)粉碎后，篩取合適顆粒度大小，添加一定比例的膠黏劑和水，充分混合后轉(zhuǎn)入成型模具，在40MPa壓力下擠壓成型后脫模，在105°C下干燥3h，冷卻至室溫封裝待測。1.3性能檢測1.3.1工業(yè)分析、元素分析與熱值分析參考GB/T17664-1999《木炭和木炭試驗(yàn)方法》對木質(zhì)成型機(jī)制炭進(jìn)行工業(yè)分析。CHNSO按照VarioMACROcube元素分析儀測定，熱值分析按照ZDHW-6型微機(jī)全自動量熱儀測定。1.3.2抗壓強(qiáng)度分析采用深圳市新三思材料檢測有限公司生產(chǎn)的4303型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，通過施加均布載荷的方式來計(jì)算其單位面積所能承受的最大載荷，即稱為抗壓強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度的檢測可按照式(1)計(jì)算：式中：?！箟簭?qiáng)度，MPaF 最大載荷，kNS——受力面積，cm21.3.3抗跌摔強(qiáng)度分析抗跌摔強(qiáng)度是指成型炭在承受一定高度跌落作用時(shí)抵抗破碎的能力，一般通過跌落試驗(yàn)的失重率來表征。取長度5cm的炭塊，然后將其從1m高的地方自由跌落至鋼板表面，重復(fù)4次，檢測每次剩余炭塊質(zhì)量占初始質(zhì)量的百分比，即為抗跌落強(qiáng)度［10-11］。2結(jié)果與討論2.1膠黏劑用量對成型炭樣理化性質(zhì)的影響篩取10~20目木炭粉，考察膠黏劑添加量質(zhì)量比分別為2%、3%、4%、5%對成型炭樣理化性質(zhì)影響。表1膠黏劑添加量對成型炭樣理化性質(zhì)影響Table1Effectofadhesiveadditiononphysicalandchemicalpropertiesofformingbiochar用量/%工業(yè)分析/%灰分揮發(fā)分固定碳元素分析/%CHSNO熱值/(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市場炭9.566.1484.3084.860.570.540.164.8729.75由表1可知，逐漸增加膠黏劑量，會使成型炭的灰分降低、揮發(fā)分升高，固定碳和熱值整體是逐漸降低的。所以在保證成型強(qiáng)度的同時(shí)，增加膠黏劑的添加量不利于成型炭的性能。從表1中還可以看出，木塊氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的炭S、N元素含量較低，成型炭在燃燒過程中不會產(chǎn)生大量的氮氧化物、硫氧化物等污染物［12-13］。2.2膠黏劑添加量對成型炭抗壓強(qiáng)度的影響篩取10~20目木炭粉，考察膠黏劑添加量質(zhì)量比分別為2%、3%、4%、5%對成型炭樣抗壓強(qiáng)度的影響。圖1不同膠黏劑添加量對成型炭的抗壓強(qiáng)度影響Fig.1Effectoftheamountofdifferentadhesivesonthecompressivestrengthofformingbiochar由圖1可知，成型炭樣的抗壓強(qiáng)度隨著膠黏劑添加量的增加而增加，添加量在2%~4%時(shí)增幅較大，大于4%時(shí)雖然還在增加，但增幅減小。添加量達(dá)到4%時(shí)的成型炭樣的抗壓強(qiáng)度為2.06MPa，大于市場炭樣的1.80MPa。2.3膠黏劑添加量對成型炭抗跌摔度的影響篩取10~20目木炭粉，考察膠黏劑添加量質(zhì)量比分別為2%、3%、4%、5%對成型炭樣抗跌摔強(qiáng)度的影響。圖2不同膠黏劑添加量對成型炭的抗跌摔強(qiáng)度影響Fig.2Effectofdifferentamountofadhesiveontheimpactstrengthofformingbiochar從圖2中可以看出，隨著跌落次數(shù)的增加，成型炭的最大炭塊質(zhì)量百分比逐漸減小，不同膠黏劑添加量的成型炭的最大炭塊質(zhì)量百分比由小到大的順序始終不變，當(dāng)添加量為2%時(shí)，成型炭的強(qiáng)度非常低，當(dāng)用膠量為4%時(shí)，抗跌摔強(qiáng)度便大于市場炭樣的強(qiáng)度滿足要求［14-15］。2.4顆粒度大小對成型炭樣抗壓強(qiáng)度的影響選擇膠黏劑添加量為4%，分別篩取5~10目、10~20目、20-30目、30目以上的木炭粉，考察其對成型炭樣抗壓強(qiáng)度的影響。圖3顆粒度大小對成型炭樣抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3Effectofparticlesizeoncompressivestrengthofformingbiochar由圖3可知，成型炭的抗壓強(qiáng)度隨著炭粉目數(shù)增加而增加，在20-30目之間時(shí)，抗壓強(qiáng)度為1.88MPa,大于市場炭樣的1.80MPa，考慮生產(chǎn)成本選擇破碎達(dá)到20目以下［16］。2.5顆粒度大小對成型炭樣抗跌摔強(qiáng)度的影響選擇膠黏劑添加量為4%，分別篩取5-10目、10-20目、20-30目、30目以上的木炭粉，考察其對成型炭樣抗跌摔強(qiáng)度的影響。圖4燒烤炭塊跌落次數(shù)與最大炭塊質(zhì)量百分比關(guān)系Fig.4Relationbetweenthenumberoffallingbarbecuecharcoalandthemasspercentageofthelargestbiocharblock從圖4可以看出，隨著跌落次數(shù)的增加，成型炭剩余的最大炭塊質(zhì)量逐漸減少，經(jīng)過4次跌落試驗(yàn)以后，10目及以上的顆粒度成型的炭樣抗跌摔強(qiáng)度優(yōu)于市場炭樣，同時(shí)可根據(jù)市場對抗跌摔強(qiáng)度的要求，調(diào)整炭粉破碎程度。2.6成型炭樣與市場炭樣外觀對比圖5a、圖5b中，左側(cè)為對比炭樣，右側(cè)為成型炭樣。由圖5可看出，市場炭是先成型后炭化的樣品，炭化時(shí)生物質(zhì)原料熱分解，表面易形成斷裂，影響其強(qiáng)度。本工藝制備的成型炭樣外觀較佳，且規(guī)?；a(chǎn)工藝簡單，有利于推廣。圖5成型炭樣與市場炭樣外觀對比Fig.5Comparisonofappearanceofformingbiocharandmarketcarbonsamples3結(jié)論膠黏劑添加量的增加，成型炭的固定碳和熱值整體會降低。膠黏劑添加量為4%、炭破碎至粒度20目以下，抗壓強(qiáng)度為2.02MPa以上，抗破碎強(qiáng)度高于市場對比炭樣。⑶成型炭的夕卜觀良好，生產(chǎn)工藝簡單，適宜規(guī)?；a(chǎn)。參考文獻(xiàn)盧辛成，蔣劍春,孟中磊，等.生物質(zhì)成型炭的制備及其性能研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2013,33(2):81-84.傅庚福.成型生物質(zhì)炭化及成型炭特性研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2009.劉石彩，蔣劍春，陶淵博，等.生物質(zhì)固化制造成型炭技術(shù)研究[J].生物質(zhì)化學(xué)工程2002,36(2):3-5.張文標(biāo)，王偉龍,趙麗華，等.機(jī)制炭理化性能的研究[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào),2003,20(2):215-218.侯寶鑫，張守玉，茆青，等.生物質(zhì)炭化成型燃料燃燒性能的試驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2017,38(4):885-891.馬培勇，虞浸，蔣峰，等.棉花秸稈成型顆粒炭化特性實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2016,37(3):546-552.周建斌，周秉亮,馬歡歡，等.生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的集成創(chuàng)新與應(yīng)用[J]林業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,1(2):1-8.馬歡歡，周秉亮,邢美騰，等.木糖脫色用活性炭的成型工藝[J]林業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,1(5):65-70.ZhouBL,ZhouJB,ZhangQS,etal.Propertiesandcombustioncharacteristicsofmoldedsolidfuelparticlespreparedbypyrolyticgasificationorsawdustcarbonizedcarbon[J].Bioresources,2015,10(4):7795-7807.劉石彩，邊軼，童婭娟，等.生物質(zhì)炭粉成型工藝及燃燒性能[J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2011,45(1):10-14..劉