南疆棉稈熱解工藝及不同溫度制得棉稈炭發(fā)熱量測(cè)定

劉鵬++侯書林

摘要：為研究不同溫度的南疆棉稈炭發(fā)熱量的變化，以南疆棉稈為研究對(duì)象，對(duì)南疆棉稈進(jìn)行粉碎熱解炭化，熱解炭化溫度分別為300、350、400、450、500 ℃，保溫時(shí)間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h。結(jié)果顯示，在熱解炭化溫度方面，300～500 ℃之間，隨著溫度的升高棉稈得炭率也逐漸提高，到400 ℃達(dá)到峰值。在保溫時(shí)間方面，0.5～2.5 h之間，隨著保溫時(shí)間的加長(zhǎng)，在1 h時(shí)得炭率最高。南疆棉稈在熱解炭化溫度為400 ℃、保溫時(shí)間為1 h時(shí)棉稈得炭率最高，熱解炭化得到的棉稈炭發(fā)熱量也是最高。本研究為今后研究作物秸稈高品質(zhì)能源炭的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：棉稈炭；熱解炭化；得炭率；發(fā)熱量；高品質(zhì)

中圖分類號(hào)： S216.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0514-02

收稿日期：2015-10-10

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201503135-19）；塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金（編號(hào)：TDZKPY201502）。

作者簡(jiǎn)介：劉鵬（1990—），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)資源化利用。E-mail：liupeng603010@163.com。

通信作者：侯書林，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)機(jī)裝備設(shè)計(jì)制造。E-mail：hsl010@126.com。

棉花秸稈（簡(jiǎn)稱棉稈）是棉花收獲之后的副產(chǎn)物，棉稈富含纖維素、木質(zhì)素和多縮戊糖等物質(zhì)，是重要的農(nóng)業(yè)可再生資源，具有很高的開發(fā)利用價(jià)值，目前已被廣泛開發(fā)應(yīng)用于飼料、燃料、肥料、工業(yè)原料、食用菌基料、活性炭等多種用途[1-3]。我國(guó)是世界上最大的棉花生產(chǎn)國(guó)，棉花產(chǎn)量約占年度全球棉花總產(chǎn)量的30%，新疆棉花產(chǎn)量約占全國(guó)總產(chǎn)量的55.84%，南疆棉花產(chǎn)量約占新疆總產(chǎn)量的65%[4]。新疆棉稈資源非常豐富。合理高效開發(fā)利用棉稈資源，對(duì)于促進(jìn)新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境具有積極意義。

2014年全國(guó)棉稈產(chǎn)量3 149.5萬t，新疆棉稈產(chǎn)量 1 758.77 萬t[5]，若按照3 ∶[KG-*3]1的比例將棉稈制成棉稈炭，則會(huì)制成大約527.63萬t棉稈炭，可以減輕中國(guó)煤炭供求的壓力。棉稈炭也是燒烤行業(yè)和鍋爐行業(yè)的主要燃料，它以燃燒時(shí)間長(zhǎng)、熱值高、無煙、不發(fā)爆等優(yōu)點(diǎn)而深受廣大用戶的喜愛。其發(fā)展適合中國(guó)新能源發(fā)展的趨勢(shì)，發(fā)展前景不可估量，市場(chǎng)前景良好。比起國(guó)外較為成熟的生物質(zhì)燃燒技術(shù)[6-8]，中國(guó)在生物質(zhì)燃燒特性方面的研究還較為不足。司耀輝等研究了華中地區(qū)典型農(nóng)業(yè)秸稈的燃燒特性[9]，呂薇等研究了不同升溫速率和不同載氣氣分對(duì)玉米秸稈的燃燒特性的影響[10]。發(fā)熱量是評(píng)定燃料品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一，以棉稈炭發(fā)熱量的研究也就是以棉稈炭作為燃料，以其品質(zhì)進(jìn)行研究。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

以南疆棉花秸稈為試驗(yàn)原料，對(duì)其進(jìn)行粉碎、烘干。將粉碎后的棉稈加入炭化主反應(yīng)器，進(jìn)行熱解炭化。

1.2試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

1.2.1棉稈炭制備方法

將粉碎后的棉稈放入設(shè)定好的炭化主反應(yīng)器，棉稈熱解的溫度分別為300、350、400、450、500 ℃。熱解保溫時(shí)間為0.5、1、1.5、2、2.5。升溫速率設(shè)定為8、18 ℃/min。在炭化主反應(yīng)器確保每組具有相同質(zhì)量的粉末棉稈（20 g），保證炭化主反應(yīng)器在無氧或少氧的環(huán)境對(duì)粉末棉稈進(jìn)行炭化。

1.2.2棉稈性質(zhì)測(cè)定

分別對(duì)棉稈水分、灰分、揮發(fā)分、有機(jī)炭含量、發(fā)熱量進(jìn)行測(cè)定。

水分的測(cè)定采用空氣干燥法。稱取一定量的空氣干燥粉末棉稈樣品，置于105～110 ℃干燥箱內(nèi)，于空氣流中干燥到質(zhì)量恒定。根據(jù)粉末棉稈樣品的質(zhì)量損失計(jì)算出水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。空氣干燥水分計(jì)算公式為

[JZ（]Mad=m1/m×100%。[JZ）][JY]（1）

式中：Mad為空氣干燥粉末棉稈樣品水分（%）；m1為粉末棉稈樣品干燥后失去的質(zhì)量（g）；m為粉末棉稈樣品的質(zhì)量（g）。

灰分的測(cè)定采用緩慢灰化法。稱取一定量的空氣干燥棉桿樣，放入馬弗爐中，以一定的速度加熱到（815±10） ℃，灰化并灼燒至質(zhì)量恒定。以殘留物的質(zhì)量占粉末棉稈樣品質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)作為棉桿樣的灰分。灰分測(cè)定法計(jì)算公式為

[JZ（]Aad=m2/m×100%。[JZ）][JY]（2）

式中：Aad為空氣干燥粉末棉稈樣品灰分（%）；m2為灼燒后殘留物的質(zhì)量（g）；m為粉末棉稈樣品的質(zhì)量（g）。

揮發(fā)分的測(cè)定是稱取一定量的空氣干燥粉末棉稈樣品，放在帶蓋的瓷坩堝中，在（900±10） ℃下，隔絕空氣加熱 7 min，以減少的質(zhì)量占粉末棉稈樣品質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，減去該棉桿樣的水分含量作為粉末棉稈樣品的揮發(fā)分。揮發(fā)分測(cè)定法計(jì)算公式為

[JZ（]Vad=（m3/m）×100%-Mad。[JZ）][JY]（3）

式中：Vad為空氣干燥粉末棉稈樣品揮發(fā)分（%）；m3為粉末棉稈樣品加熱后減少質(zhì)量（g）；m為粉末棉稈樣品質(zhì)量（g）。

固定炭含量的計(jì)算公式為

[JZ（]FCad=100%-（Mad+Aad+Vad）。[JZ）][JY]（4）

熱容量測(cè)定利用FRL-2000發(fā)熱量測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)量。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

文中所有數(shù)據(jù)采用Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，圖表中的數(shù)據(jù)均采用平均值表示，見表1。

[FK（W6][HT6H][JZ]表1棉花秸稈樣品的工業(yè)分析[HTSS]

[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK4，WK20，WK5W]樣品[ZB（][BHDWG1*2，WK20W]W（%）

[BHDWG1*2，WK5。4W][XXZSX*2-ZSX19*2]MVAFCQgr（MJ/kg）

[BHDG1*2，WK4，WK5。5W]棉稈3.9252.563.8939.6314.98[BG）F]

注：W為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M為棉稈樣品水分；V為棉稈樣品揮發(fā)分；A為棉稈樣品灰分；FC為固定炭；Qgr為高位發(fā)熱量。

2結(jié)果與分析

2.1南疆棉稈樣品的工業(yè)分析

在平均升溫速率8 ℃/min的條件下，熱解溫度分別為300、350、400、450、500 ℃分別對(duì)粉末棉稈進(jìn)行熱解炭化。由圖1可見，300～400 ℃出炭率逐步升高，在400 ℃時(shí)出炭率達(dá)到最高，然后隨著溫度繼續(xù)升高出炭率逐漸降低。Yang等研究表明，生物質(zhì)中半纖維素首先在220～315 ℃分解，而315～400 ℃則為纖維素分解區(qū)，大于400 ℃木質(zhì)素開始大量分解[11]。

2.2熱解溫度對(duì)出炭率的影響

在平均升溫速率18 ℃/min的條件下，熱解溫度為300、350、400、450、500 ℃分別對(duì)粉末棉稈進(jìn)行熱解炭化。由圖2可見，在平均升溫速率18 ℃/min的條件下，300～400 ℃出炭率逐步升高，在400 ℃時(shí)出炭率達(dá)到最高，然后隨著溫度繼續(xù)升[CM（25]高出炭率逐漸降低。這與平均升溫速率8 ℃/min的條件[CM）]

[TPLP11.tif]

下得出的結(jié)論一致。

綜上所述，在平均升溫速率和保溫時(shí)間一定的情況下，在400 ℃時(shí)出炭率最高。

2.3保溫時(shí)間對(duì)出炭率的影響

在平均升溫速率8 ℃/min的條件下，熱解保溫時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h分別對(duì)粉末棉稈進(jìn)行熱解炭化。由圖3可見，在平均升溫速率和熱解溫度一定的情況下，保溫時(shí)間為1 h時(shí)出炭率達(dá)到最高，然后隨著時(shí)間的推移出炭率逐漸降低。

在平均升溫速率18 ℃/min的條件下，熱解保溫時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h分別對(duì)粉末棉稈進(jìn)行熱解炭化。由圖4可見，在平均升溫速率和熱解溫度一定的情況下，保溫時(shí)間為 1 h 時(shí)出炭率達(dá)到最高，然后隨著時(shí)間的推移出炭率逐漸降低。

綜上所述，在平均升溫速率和熱解溫度一定的情況下，保溫時(shí)間為1 h時(shí)出炭率最高。

2.4棉稈炭發(fā)熱量分析

發(fā)熱量是評(píng)定燃料品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一，利用FRL-2000發(fā)熱量測(cè)定儀對(duì)不同熱解炭化溫度產(chǎn)生的棉稈炭進(jìn)行測(cè)定其熱容量。由圖5可見，由熱解溫度300 ℃產(chǎn)生的棉稈炭到 400 ℃產(chǎn)生的棉稈炭，其發(fā)熱量逐漸升高。但熱解溫度 400 ℃以后產(chǎn)生的棉稈炭發(fā)熱量逐漸降低。說明在熱解炭化溫度為400 ℃的情況下，產(chǎn)生的棉稈炭發(fā)熱量最高。

3結(jié)論

新疆南疆棉稈全水分含量比普通內(nèi)地棉稈含量低。內(nèi)地棉稈的Mad為6.38%，而南疆棉稈只有3.92%。

[JP3]在熱解炭化溫度方面，300～500[KG*3]℃之間，隨著溫度的升高棉稈得炭率也逐漸提高，到400[KG*3]℃達(dá)到峰值。在保溫時(shí)間方面，05～2.5 h之間，隨著保溫時(shí)間的加長(zhǎng)，在1 h時(shí)得炭率最高。

[TPLP55.tif]

發(fā)熱量是評(píng)定燃料品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一，不同熱解溫度下得到的棉稈炭發(fā)熱量也是不同的，相同質(zhì)量下棉稈炭發(fā)熱量越大[CM（25]，它的品質(zhì)越高，越適合做生物質(zhì)能源燃料。由熱解溫度300 ℃產(chǎn)生的棉稈炭到400 ℃產(chǎn)生的棉稈炭，其發(fā)熱量逐漸升高。但熱解溫度在400 ℃以后產(chǎn)生的棉稈炭發(fā)熱量逐漸降低。說明在熱解炭化溫度為400 ℃的情況下，產(chǎn)生的棉稈炭發(fā)熱量最高。因此，南疆棉稈在熱解炭化溫度為400 ℃、保溫時(shí)間為1 h時(shí)棉稈得炭率最高，熱解炭化得到的棉稈炭發(fā)熱量也是最高。

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