農(nóng)作物秸稈炭理化特性分析

2014-10-22 12:07:59鄭文軒楊瑛

湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年17期

鄭文軒+楊瑛

摘要：選取新疆南疆極旱地區(qū)當(dāng)年的3種農(nóng)作物秸稈炭為研究對(duì)象，采用生物質(zhì)原料測(cè)試方法研究了秸稈炭的理化特性。結(jié)果表明，3種秸稈炭的含水率均在10%左右，易于加工成型；稻秸炭的堆積密度最大；3種秸稈炭的堆積角均較大，屬于流動(dòng)性較差的物料；棉稈炭的外摩擦系數(shù)最大；棉稈炭發(fā)熱量和固定炭含量最高；玉米稈炭揮發(fā)分最高。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物；秸稈炭；理化特性

中圖分類(lèi)號(hào)：S5；Q819 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）17-4136-03

Physical and Chemical Characteristics of Crop Straw Charcoal

ZHENG Wen-xuan，YANG Ying

（School of Mechanical Electrization Engineering，Talimu University，Alar 843300，Xinjiang， China）

Abstract： The physical and chemical characteristics of three kinds of crop straw charcoals from extremely drought area in southern Xinjiang region were studied and analyzed according to the biomass standards and methods. The results showed that moisture content of three kinds of straw charcoals were around 10% and easy to process molding. Bulk density of the rice straw charcoal was maximum. The repose angle of the straw charcoals were big， belonging to poor mobility materials. The coefficient of friction of cotton straw charcoal was much higher than that of other straw charcoals. The calorific value and fixed carbon content of corn straw charcoal were much higher than that of other straw charcoals. The volatile matter of cotton straw charcoal was maximal.

Key wods： crop； straw charcoal； physical and chemical characteristic

我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，每年農(nóng)業(yè)收獲后產(chǎn)生的大量農(nóng)作物秸稈廢料被焚燒，不僅污染環(huán)境，而且造成資源浪費(fèi)。若能將農(nóng)作物秸稈回收利用，既保護(hù)了環(huán)境又實(shí)現(xiàn)了資源的有效利用。采用碳化工藝將秸稈制成炭是一種有前景的利用方式，如制活性炭、無(wú)煙燒烤炭等。任何碳含量較高且價(jià)格低廉的材料均可作為生產(chǎn)活性炭的原料，農(nóng)作物秸稈在除灰后可制成高質(zhì)量的活性炭。隨著對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日趨重視和人民生活品質(zhì)的不斷提高，各行業(yè)對(duì)活性炭的需求逐年增加，這也給秸稈炭的利用提供了市場(chǎng)。

目前，對(duì)秸稈物料在化學(xué)、物理特性方面的研究包括：工業(yè)分析、低位發(fā)熱量、元素分析、全水分、堆積密度、外摩擦角、靜態(tài)堆積角等[1，2]。對(duì)麥秸、飼草等軟莖稈秸稈的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、剪切強(qiáng)度等物理特性和松散原料物理特性的研究也較多[3，4]，如小麥、玉米、大豆等作物[5-10]。這些研究為秸稈類(lèi)生物質(zhì)原料的儲(chǔ)存、輸送、加工等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究者大多對(duì)秸稈物料的理化特性進(jìn)行了研究[11-14]，而對(duì)秸稈經(jīng)碳化工藝制成秸稈炭的理化特性參數(shù)進(jìn)行研究，還未見(jiàn)報(bào)道。

本試驗(yàn)選取3種秸稈炭作為研究對(duì)象，分別對(duì)其全水分、堆積密度、堆積角、摩擦系數(shù)、流動(dòng)特性等物理特性和發(fā)熱量、工業(yè)分析等化學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)，旨在為秸稈類(lèi)生物質(zhì)炭的儲(chǔ)存、輸送、加工等系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型提供基礎(chǔ)性參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取新疆南疆極旱地區(qū)當(dāng)年的棉花秸稈、玉米秸稈和水稻秸稈3種生物質(zhì)原料秸稈炭作為研究對(duì)象。

1.2 試驗(yàn)儀器

HLP型粉碎機(jī)（篩孔徑10 mm，北京環(huán)亞天元機(jī)械有限公司）；馬弗爐（上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠）；XP204型分析天平（精度0.01 mg）、JJ200B 型電子天平（精度0.001 g）（瑞士梅特勒-托利多公司）；101-1A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、標(biāo)準(zhǔn)樣品分析篩（河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）；堆積密度測(cè)量?jī)x（自制，容積為3 L，有效直徑125 mm，有效高度200 mm）、堆積角測(cè)量?jī)x（自制）；HZJ型振動(dòng)平臺(tái)（新鄉(xiāng)偉達(dá)振動(dòng)設(shè)備有限公司）；外摩擦系數(shù)測(cè)定儀（自制）；角度尺；游標(biāo)卡尺；ZJ-2型等應(yīng)變直剪儀；計(jì)時(shí)器；托盤(pán)等。

1.3 試驗(yàn)方法

將收集的秸稈除去根部、莖稈表面泥土后，用鍘草機(jī)切成小段，再用粉碎機(jī)粉碎過(guò)篩。將秸稈粉稱(chēng)重后放入馬弗爐內(nèi)密閉熱解。熱解工藝參數(shù)：升溫速率10 ℃/min、熱解溫度450 ℃和保溫時(shí)間1 h。熱解后殘?zhí)坑醚欣徠扑椤?/p>

采用GB/T 212—2001方法測(cè)定工業(yè)分析組成，全水分采用《NY/T 1881.2—2010生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法全水分》測(cè)定，堆積密度采用《NY/T 1881.6—2010生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法堆積密度》測(cè)定，堆積角采用《JB/T 9014.7—1999連續(xù)輸送設(shè)備散粒物料堆積角的測(cè)定》測(cè)定，摩擦系數(shù)采用《JB/T 9014.9—1999連續(xù)輸送設(shè)備散裝物料外摩擦系數(shù)的測(cè)定》測(cè)定，流動(dòng)特性采用Carr流動(dòng)性指數(shù)法評(píng)價(jià)流動(dòng)性能，發(fā)熱量采用《NY/T 12—1985生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測(cè)試方法》測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理特性

2.1.1 全水分全水分是生物質(zhì)原料能源轉(zhuǎn)化利用的重要因素之一，水分在10%～25%的生物質(zhì)原料易于成型。稱(chēng)取秸稈炭400 g測(cè)量全水分，經(jīng)碳化工藝處理后，3種秸稈炭含水率均在10%左右，棉稈炭為10.125%、玉米稈炭為9.782%、稻秸炭為9.253%，均屬于易于加工成型的原料。

2.1.2 堆積密度不同秸稈炭堆積密度有一定的差異，棉稈炭為421 kg/m3，玉米稈炭為468 kg/m3，稻秸炭為543 kg/m3。由于秸稈物料成分不同，棉稈中含有的木質(zhì)素最高，熱解成秸稈炭的固體剩余物較高，相對(duì)其他兩種秸稈揮發(fā)分較少，棉稈炭堆積密度較其他兩種秸稈炭小。

2.1.3 堆積角不同秸稈炭靜態(tài)堆積角有一定的差異。靜態(tài)堆積角越大，流動(dòng)性就越差。3種秸稈炭堆積角分別為棉稈炭58.16°、玉米稈炭59.83°、稻秸炭61.45°，都屬于流動(dòng)性較差的物料。

2.1.4 摩擦系數(shù) 外摩擦系數(shù)對(duì)摩擦、磨損機(jī)理的研究和秸稈炭加工設(shè)備的選用均有參考價(jià)值。由表1可知，3種秸稈炭的最大靜摩擦系數(shù)均大于滑動(dòng)摩擦系數(shù)，與金屬的摩擦系數(shù)小于與橡膠的摩擦系數(shù)。

2.1.5 流動(dòng)特性 3種秸稈炭的靜態(tài)堆積角在58.16°～61.45°，均屬于流動(dòng)性較差的原料。采用Carr流動(dòng)性指數(shù)法評(píng)價(jià)其流動(dòng)性能。Carr指數(shù)法采用堆積角、壓縮率、板勺角、均勻度來(lái)評(píng)價(jià)原料的流動(dòng)性[15]。流動(dòng)性指數(shù)范圍在69～76之間，屬于流動(dòng)性一般的材料。結(jié)果可知，3種秸稈炭的的流動(dòng)性指數(shù)為棉稈炭69.1、玉米稈炭75.2、稻秸炭71.6。

2.2 化學(xué)特性

研究秸稈炭的發(fā)熱量和工業(yè)分析，都以秸稈炭的干燥基為基準(zhǔn)。

2.2.1 發(fā)熱量生物質(zhì)原料能源化利用的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一是發(fā)熱量，3種秸稈炭的發(fā)熱量分別為棉稈炭26.53 MJ/kg、玉米稈炭24.62 MJ/kg，稻秸炭23.27 MJ/kg。3種秸稈炭的發(fā)熱量有一定的差異，以棉稈炭的最高，稻秸炭的發(fā)熱量最低。

2.2.2 工業(yè)分析工業(yè)分析包括：水分、灰分、揮發(fā)分和固定炭含量。在3種秸稈炭中，稻秸炭的灰分含量最高（12.65%）；玉米稈炭的揮發(fā)分最高（31.87%）；棉稈炭的固定炭含量最高（65%），這可能和工藝條件有關(guān)。秸稈炭可根據(jù)不同秸稈原料，選擇合適的碳化工藝，提高固定炭含量。

3 小結(jié)

本試驗(yàn)結(jié)果表明，棉稈炭、玉米稈炭和稻秸炭的物理特性和化學(xué)特性各有差異，含水率均在10%左右，易于加工成型；堆積密度以稻秸炭最大，玉米稈炭次之，棉稈炭最小；3種秸稈炭的堆積角較大，屬于流動(dòng)性較差的物料；不同種類(lèi)的秸稈炭最大靜摩擦系數(shù)均大于滑動(dòng)摩擦系數(shù)，與金屬的摩擦系數(shù)小于與橡膠的摩擦系數(shù)，外摩擦系數(shù)以棉稈炭最大，玉米稈炭次之，稻秸炭最小；發(fā)熱量以棉稈炭最高，稻秸炭最低；灰分以稻秸炭最高；揮發(fā)分以玉米稈炭最高；棉稈炭中的固定炭含量最高。

在加工生產(chǎn)過(guò)程中，建議針對(duì)不同秸稈炭要充分考慮原料自身特點(diǎn)，優(yōu)化碳化工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)合理的碳化、加工秸稈炭設(shè)備。本研究?jī)H選擇了3種秸稈炭進(jìn)行研究，材料較少。在今后的研究中，要選擇更多的秸稈炭種類(lèi)進(jìn)行分析，從而為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的秸稈炭提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田宜水，姚宗路，歐陽(yáng)雙平，等.切碎農(nóng)作物秸稈理化特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（9）：124-128，145.

[2] 姚宗路，趙立欣，RONNBACK M，等.生物質(zhì)顆粒燃料特性及其對(duì)燃燒的影響分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（10）：97-102.

[3] 張桂花，湯楚宙，熊遠(yuǎn)福，等.包衣稻種物理特性的測(cè)量及其應(yīng)用[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，30（1）：68-70.

[4] 郭勝，趙淑紅，楊?lèi)偳?除芒稻種摩擦特性測(cè)量[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41（7）：118-121.

[5] 謝曉旭.煤粉流動(dòng)特性試驗(yàn)研究[D].南京：東南大學(xué)，2007.

[6] MOLENDA M， THOMPSON S A， ROSS L J. Friction of wheat on corrugated and smooth galvanized steel surfaces[J]. Journal of Agricultural Engineering Research， 2000， 77（2）： 209-219.

[7] SUBRAMANIAN S， VISWANATHAN R. Bulk density and friction coefficients of selected minor millet grains and flours[J]. Journal of Food Engineering， 2007， 81（1）： 118-126.

[8] SINGH K K， GOSWAMI T K. Mechanical properties of cumin seed （Cuminum cyminum Linn.） under compressive loading[J]. Journal of Food Engineering， 1998，36（3）：311-321.

[9] ROSENTRATER K A， RICHARD T L， BERN C J， et al. Economic simulation modeling of reprocessing alternatives for cornmesa byproducts[J]. Resources， Conservation and Recycling， 2003， 39（4）： 341-367.

[10] 孟海波，韓魯佳.秸稈物料的特性及其加工利用研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，8（6）：38-41.

[11] 霍麗麗，田宜水，趙立欣，等.農(nóng)作物秸稈原料物理特性及測(cè)試方法研究[J].可再生能源，2011，29（6）：86-92.

[12] 田宜水，趙立欣，孫麗英，等.農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源分析與評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)工程科學(xué)，2011，13（2）：24-28.

[13] 李永軍，何芳，柏雪源，等.顆粒和粉體混合物沿斜滑道的滑動(dòng)摩擦系數(shù)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，17（4）：10-12.

[14] 盛奎川，吳杰.生物質(zhì)成型燃料的物理品質(zhì)和成型機(jī)理的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（2）：242-245.

[15] 張鵬.卡爾指數(shù)法在評(píng)價(jià)煤粉粉體特征中的應(yīng)用[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2000，6（5）：33-36.