藍藻與木屑混合炭化制備燃料炭研究

宋城城

摘 要：該研究以藍藻與木屑壓縮混合物為原料，經粉碎干燥處理后，進行熱解炭化制備燃料炭，考察了升溫速率、炭化時間、炭化溫度等因素對炭化實驗的影響。結果表明，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℃，炭化時間為40min，在此條件下燃料炭得率可達57.9%，熱值可達17.4 MJ/kg，其熱值比普通生物質材料（10MJ/kg）提高了0.7倍。

關鍵詞：生物質炭；藍藻；低溫炭化；熱解

中圖分類號 S141.4 文獻標識碼 A 文章編號 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

巢湖水體富營養化問題由來已久，每到夏季，藍藻大量繁殖且很難消化，會在水面形成一層藍綠色而有惡臭味的浮沫，稱為“水華”[1]，引起水質惡化，甚至造成魚類死亡，對人類生活及環境造成了極大的危害[2]。雖說藍藻污染水體且其造成的危害較大，但作為自然界產物，其也是一種自然資源，可以考慮將其資源化利用，實現藍藻廢棄物處理處置“減量化、無害化、穩定化”的要求，同時達到“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%的藍藻藻泥按一定比例加入鋸木屑等進行混合，然后壓縮脫水至含水率40%左右，制成藍藻木屑混合物壓濾餅。本實驗使用該藻木屑混合物壓濾餅為原料，進行熱解炭化制備燃料炭，考察不同炭化因素對炭化實驗的影響，考察其是否可以作為一種燃料炭來使用，從而為藍藻的綜合利用和開辟生物質炭原料新來源提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 實驗材料 將經過前處理得來的藍藻木屑濾餅經干燥，粉碎，備用。萬能粉碎機；電熱鼓風干燥箱；管式爐；分析天平；石英舟；發熱量測定儀。

1.2 熱解炭化實驗 稱量一定量藍藻木屑濾餅樣品置于石英舟中，平穩放于管式爐內，接入保護氣管并密封電阻爐，以炭化時間、炭化溫度和升溫速率為實驗因子開展實驗[4-5]。設定好各實驗因子后，擰開氮氣閥門，調節氣體流量計至100mL/min，待吹盡爐內空氣，開始加熱炭化。達到設定炭化溫度系統自動停止加熱，為防止爐內炭化物燃燒，此時持續通入氮氣，直至冷卻到100℃，打開炭化爐，取出炭化物，降至室溫后進行燃料炭得率（即炭化后固體產物質量占未炭化前固體物質量的百分比）測定，用塑料袋分裝、密封，放入有干燥劑的干燥皿中備用。實驗裝置圖如圖1所示。

其中M是炭化后生物質炭的質量（g），M0是未炭化前固體物質量（g）。

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

2 結果與分析

2.1 生物質炭樣品的得率 以炭化時間、炭化溫度和升溫速率為實驗因子，設計正交實驗，計算得出的9個實驗組合的得率，結果如表1所示。對于試驗號1號的得率較高，可能是因為炭化時間太短，炭化溫度較低，藍藻木屑混合物樣品炭化不完全，因此炭化后樣品較重，得率相對偏高；6號得率較高可能因為炭化溫度過低沒有炭化完全；9號得率較高可能因為升溫速率過快，藻泥樣品直接在較高溫下炭化，沒有炭化充分。由正交實驗表計算各因素各水平下每種試驗指標的數據和以及平均值，并計算極差R。根據極差大小得出升溫速率、炭化溫度、炭化時間對得率的影響主次順序為：時間>溫度>升溫速率，即影響制備生物質炭的得率的因素最主要的是炭化時間，其次是溫度、升溫速率。本試驗得率指標數值越大越好，對因素B、C及真實的得率數值分析，確定優水平為B3、C2；因素A的水平改變對試驗結果幾乎無影響，可從經濟、操作等角度考慮取值，選A2。優水平組合為A2B3C2。

2.2 生物質炭樣品的熱值測定 以炭化時間、炭化溫度和升溫速率為實驗因子設計正交實驗得出樣品的熱值測定參考氧彈法（GB/T384-1981），使用發熱量測定儀測定出樣品的彈筒高位發熱量，干基高位發熱量，干基低位發熱量。熱值結果如表2所示。對比分析生物質炭樣品的彈筒高位發熱量，干基高位發熱量，干基低位發熱量，所得所有樣品熱值均大于15000J/g，即15MJ/kg，最高可達17MJ/kg以上，與生物質（10MJ/kg）相比提高了0.7倍，具有一定的燃料開發價值。由正交實驗表計算各因素各水平下每種試驗指標的數據和以及平均值，并計算極差R。從正交數據表中可以看出因素C的極差R值較大，說明炭化時間對制得的生物質炭的熱值影響較大，其次是升溫速率和炭化溫度。本試驗得率指標數值越大越好。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。

根據上述表格，分析9組實驗條件的得率及熱值情況如圖2所示。從圖2可以看出，4號的對應的彈筒高位發熱量為17720.9J/g，干基高位發熱量為17688.8J/g，干基低位發熱量為17410.9J/g，熱值相對于其他試驗條件較高，得率為該實驗條件為升溫速率為10℃/min，炭化時間為20min，炭化溫度為350℃。

總體看9個試驗，4～6號的熱值均較高，且對比9組試驗條件的得率可見其升溫速率的影響效果為：10℃/min>20℃/min>5℃/min。結合正交實驗數據的極差分析和生物質炭的得率及熱值數值分析，對比試驗號1、2、3，升溫速率同是5℃/min，2號對應的熱值較1、3號高；對比試驗號7、8、9號，升溫速率同是20℃/min，試驗號8對應的熱值較7、9號高；可見當炭化溫度為350℃，炭化時間為40min時炭化效果較好。綜合分析覺得優化水平組合為A2B2C2，即較佳實驗條件因素設定為升溫速率為10℃/min，炭化溫度為350℃，炭化時間為40min。確定了較佳實驗條件時，以升溫速率為10℃/min，炭化溫度為350℃，炭化時間為40min進行了多次炭化實驗，得出其得率均在55%以上，熱值均在17000J/g以上。

3 結論

本研究以藍藻生物質添加鋸木屑壓縮混合物為原料，經粉碎，干燥后進行熱解炭化，考察了升溫速率、炭化時間、炭化溫度對炭化實驗的影響，通過不同炭化條件下得出的生物質炭得率和熱值測定分析炭化后所得生物質炭燃燒特性，表明生物質炭化后燃燒性能得到了很大提升。

藍藻木屑混合物制備生物質炭較為適宜的工藝參數為：升溫速率為10℃/min，炭化溫度為350℃，炭化時間為40min，在此條件下制備的生物質炭得率可達57.9%，熱值可達17.4MJ/kg，其熱值與生物質相比提高了0.7倍，具有一定的燃料開發利用價值。

參考文獻

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

[2]孔繁翔，高光.大型淺水富營養化湖泊中藍藻水華形成機理的思考[J].生態學報，2005，25（3）：589-595.

[3]慈娟，衛新來，王磊，等.巢湖藍藻與農業廢棄物共熱解制取生物質油研究[J].生物學雜志，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研究[J].太陽能學報，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驗研究[J].化工學報，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定的研究[J].科技信息，2010（8）：122-122，124.

（責編：張宏民）