炭粉壓縮成型工藝研究

在中國(guó)，有許多農(nóng)業(yè)廢物，如地殼、果核、農(nóng)作物秸稈和其他廢棄物。在竹子的收獲、運(yùn)輸和加工過程中，也有大量的樹枝、樹枝、鋸末、板皮、刺頭和其他廢物。如何充分利用這些天然可再生資源是科學(xué)家特別感興趣的研究領(lǐng)域。生物碳形成的準(zhǔn)備是利用這些廢物和廢物開發(fā)的一個(gè)重要研究方向。生物質(zhì)成型炭具有熱值高,燃燒時(shí)無二氧化硫產(chǎn)生的特點(diǎn),屬可再生的清潔能源,可替代傳統(tǒng)木炭,更可替代煤、油、氣等化石能源,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活領(lǐng)域。生物質(zhì)成型炭的制備方法一般分為兩條途徑,比較常見的方法是將農(nóng)業(yè)廢棄物及農(nóng)林加工剩余物粉碎成屑,用螺旋機(jī)在高溫、高壓下擠壓成型后,再炭化制成生物質(zhì)成型炭,但該法生產(chǎn)設(shè)備投入費(fèi)用高,磨損大,能源消耗強(qiáng)度大,工藝缺陷明顯。生物質(zhì)成型炭制備的另一個(gè)方法是先將生物質(zhì)材料熱解制成炭,粉碎后與一定比例的粘結(jié)劑捏合成型,制成具有一定強(qiáng)度、燃燒無煙、無味、安全衛(wèi)生的成型燃燒炭,可供燒烤、餐飲、供暖等生產(chǎn)生活使用,該制備工藝生產(chǎn)具有設(shè)備投入費(fèi)用較低、設(shè)備磨損小、生產(chǎn)過程能源消耗強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。本文作者利用生物質(zhì)發(fā)電過程中產(chǎn)生的各種炭粉(包括木炭粉、竹炭粉、稻殼炭粉),研究了炭粉壓縮成型炭的生產(chǎn)工藝,探討了提高成型炭固定碳含量和熱值的方法,并研究了成型炭產(chǎn)品的燃燒特性。1實(shí)驗(yàn)1.1樹脂、水玻璃、糠醛廢水、粘結(jié)劑a、b回收炭粉,某生物質(zhì)氣化發(fā)電廠提供;粘結(jié)劑:脲醛樹脂(UF)、水玻璃、糠醛廢渣、粘結(jié)劑A、粘結(jié)劑B;儀器設(shè)備:捏合機(jī)、成型機(jī)、馬弗爐、氧彈式量熱計(jì)、移動(dòng)層熱解燃燒爐。1.2稻殼炭粉的制備生物質(zhì)氣化發(fā)電回收的木炭粉、竹炭粉、稻殼炭粉經(jīng)除雜、磨粉過96μm篩后添加適當(dāng)比例的粘結(jié)劑,混合均勻后送入成型設(shè)備中捏合成型。確定的成型工藝如圖所示:1.3成型炭在真空高溫?zé)崽幚砬昂蟮睦砘阅軐⒊尚吞堪氤善贩湃胝婵諣t中,爐內(nèi)氣壓經(jīng)48min抽真空到1~2Pa,并以5℃/min的速度將爐內(nèi)溫升到850℃,在該溫度下保溫保壓2h,然后以5℃/min的速度降壓至常溫,再將爐內(nèi)氣壓在30min內(nèi)升至常壓取出,測(cè)定3種成型炭在真空高溫?zé)崽幚砬昂蟮睦砘阅堋?.4性能試驗(yàn)1.4.1含水量、養(yǎng)分、發(fā)芽點(diǎn)和固定碳含量1.4.2抗墜落強(qiáng)度1.4.3關(guān)于燃燒性能的研究1.4.3.1.燃料效率炭棒置于紅熱的電爐上燃燒,記錄發(fā)煙、氣味產(chǎn)生情況和撥動(dòng)炭棒時(shí)是否呈粉狀散開或散發(fā)火星。1.4.3.燃燒特性實(shí)驗(yàn)生物質(zhì)成型炭在小型的移動(dòng)層上吸式熱解燃燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒特性試驗(yàn),見圖1。爐子由圓柱狀爐體(內(nèi)膽直徑100mm)、爐柵、一次進(jìn)風(fēng)口(直徑30mm)、二次進(jìn)風(fēng)口(直徑30mm)和出風(fēng)口(燃料腔)等組成,見圖1。燃料從上部加入并充填到爐膽內(nèi);試驗(yàn)時(shí)首先將上部燃料引燃,熱解及氣化反應(yīng)自上而下進(jìn)行,固體物料層逐漸下移減少。一次進(jìn)風(fēng)口吸入的空氣自下而上流動(dòng),使上層部分燃料氧化燃燒,為固體物料的熱解氣化提供熱量。二次進(jìn)風(fēng)口吸入的空氣從爐膽上部均布的小孔(直徑3~4mm)流出,與自下而上(上吸式)可燃?xì)怏w混合燃燒。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的灰分靠自重通過燃料之間的間隙和爐柵落入底部灰腔內(nèi)。熱電偶用于測(cè)定爐子的火焰溫度和鍋內(nèi)水溫,由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)并顯示。本實(shí)驗(yàn)在相同的運(yùn)行參數(shù)和試驗(yàn)條件下,測(cè)定不同種類炭粉成型塊燃料加熱鍋中相同質(zhì)量水的熱性能。鍋內(nèi)水質(zhì)量為17.5kg,燃料的質(zhì)量為500g。在燃燒特性實(shí)驗(yàn)中,成型塊截面尺寸55mm×55mm,內(nèi)孔直徑15mm。且有效熱能為:有效熱能=水質(zhì)量×水比熱×水的增溫+水蒸發(fā)量×水汽化潛熱。鍋水升溫時(shí)吸收的熱量(顯熱)同蒸發(fā)的水吸收的熱量(潛熱)之和與加入爐膽內(nèi)的燃料熱量之比,即為熱效率。重復(fù)測(cè)量5次取平均值。2結(jié)果與討論2.1原料碳粉的性質(zhì)某生物質(zhì)氣化發(fā)電廠的回收炭粉,性質(zhì)見表1。2.2成型炭的制備在成型過程中,由于發(fā)電回收的炭粉灰分含量較高及其成型困難的特點(diǎn),粘結(jié)劑的選擇及用量是炭粉成型的關(guān)鍵因素。選取了幾種常見的粘結(jié)劑進(jìn)行木炭粉壓縮成型,測(cè)定燃燒特性以確定較好的粘結(jié)劑。而壓制時(shí)間為3~4min,且壓制過程中加水以保證炭粉的濕含量控制在30%左右。結(jié)果見表2。粘結(jié)劑A:將1.2gNaOH和0.5g硼砂分別溶解于70℃的水中配制10%的溶液,然后將20g淀粉加入100mL水中配制成懸浮液,放在80℃的電熱恒溫油浴鍋中不斷攪拌,加入NaOH溶液,當(dāng)懸浮液呈糊狀粘稠體時(shí)倒入硼砂溶液進(jìn)行交聯(lián),獲得凝膠狀物體。粘結(jié)劑B:在反應(yīng)釜中將聚乙烯醇(PVA-1799)加熱溶解,然后加入淀粉糊,加熱攪拌下加入另一組JTJ(代號(hào))。80℃左右反應(yīng)30min得棕色黏稠液體,均勻無明顯顆粒。炭燃燒時(shí)是無煙、無味的,因此成型炭燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙和氣味與所用的粘結(jié)劑有關(guān)。燃燒時(shí)散開與否(穩(wěn)定性),則與粘結(jié)劑在受熱時(shí)是否脆化和熔融有關(guān)。成型炭的抗跌落性能與高分子復(fù)合材料的斷裂機(jī)制相關(guān)。以UF和水玻璃為粘結(jié)劑時(shí),成型炭成為類玻璃態(tài)固體,受應(yīng)力作用時(shí)通過斷鍵的方式分散能量。但由于炭粒的影響使交聯(lián)度很低,因此強(qiáng)度很差。優(yōu)選出的粘結(jié)劑B可以和炭的羥基、羰基等極性基團(tuán)產(chǎn)生價(jià)鍵作用,用其制得的成型炭具有高強(qiáng)度。由于木炭粉和竹炭粉、稻殼炭粉在性質(zhì)和組成上相似,在以下實(shí)驗(yàn)中亦使用該粘結(jié)劑。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)炭粉與粘結(jié)劑必須混合均勻,再經(jīng)處理,否則炭粉制品容易產(chǎn)生裂紋,濕強(qiáng)度低。2.3成型炭制品強(qiáng)度粘結(jié)劑用量對(duì)制品強(qiáng)度的影響見表3。由表3可知,隨粘結(jié)劑B用量的增加成型炭制品強(qiáng)度增大,在相同粘結(jié)劑用量的條件下,木炭粉和竹炭粉制備的成型炭強(qiáng)度相當(dāng),而稻殼炭粉制備的成型炭強(qiáng)度最好?？紤]到生產(chǎn)成本,對(duì)于木炭粉、竹炭粉和稻殼炭粉的粘結(jié)劑B的用量分別為6%、5%和4%。2.4高溫?zé)崽幚硐到y(tǒng)根據(jù)上述試驗(yàn)及確定的粘結(jié)劑使用量,制得的成型炭理化性能見表4。從表4、表5中可以看出:對(duì)成型炭進(jìn)行真空高溫?zé)崽幚?能顯著提高其固定碳含量和強(qiáng)度。這是因?yàn)橥ㄟ^真空高溫處理,使成型炭中殘留的揮發(fā)分進(jìn)一步逸出,從而相應(yīng)的提高了成型炭的固定碳含量,同時(shí)高溫處理使成型炭進(jìn)一步收縮,質(zhì)地更致密,從而提高了成型炭的強(qiáng)度。2.5成型炭原料的成碳性能稱取相同質(zhì)量的成型炭測(cè)定其燃燒特性,結(jié)果見表6。表6結(jié)果表明,相同質(zhì)量的成型炭燃燒所能達(dá)到的最高溫度、最大保留時(shí)間以及熱效率與成型炭原料種類密切相關(guān),其中以固定碳含量最高的木炭成型炭熱效率最高,為35.2%;竹炭粉成型炭次之,為34.1%;固定碳含量最低的稻殼炭粉成型炭熱效率最低,為26.3%。成型炭相對(duì)密度對(duì)燃燒熱效率也有影響,這是由于成型炭相對(duì)密度大,燃料變得致密,限制了揮發(fā)分的逸出速度,熱解過程及揮發(fā)分的逸出時(shí)間增加,因此,爐子和鍋水的升溫時(shí)間明顯延長(zhǎng),有利于提高成型炭的熱效率。3不同炭粉對(duì)成型炭、炭粉、稻殼炭粉的覆蓋對(duì)樣品平均碳含量和強(qiáng)度的影響3.1粘結(jié)劑的選擇對(duì)生物質(zhì)炭粉(木炭粉、竹炭粉、稻殼炭粉)成型品質(zhì)的好壞有非常關(guān)鍵的影響。在相同粘結(jié)劑用量的條件下,木炭粉和竹炭粉制備的成型炭強(qiáng)度相當(dāng),而稻殼炭粉制備的成型炭強(qiáng)度最好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粘結(jié)劑B的用量分別為:木炭粉為6%、竹炭粉為5%、稻殼炭粉為4%時(shí)具有較好的粘結(jié)效果。3.2對(duì)成型炭進(jìn)行真空高溫?zé)崽幚砟茱@著提高成型炭的固定碳含量和強(qiáng)度。3.3在密實(shí)度接近的情況下,成型炭的燃燒熱效率與成型炭的固定碳含量成正比。以固定碳含量最高的木炭成型炭熱效率最高,為35.2%;竹炭粉