南疆棉稈熱解工藝及不同溫度制得棉稈炭發(fā)熱量測定

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象，對南疆棉稈進行粉碎熱解炭化，熱解炭化溫度分別為300、350、400、450、500 ℃，保溫時間為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 ℃達到峰值。在保溫時間方面，0.5～2.5 h之間，隨著保溫時間的加長，在1 h時得炭率最高。南疆棉稈在熱解炭化溫度為400 ℃、保溫時間為1 h時棉稈得炭率最高，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： S216.2文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0514-02

收稿日期：2015-10-10

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

作者簡介：劉鵬（1990—），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向為生物質(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，研究方向為農(nóng)機裝備設(shè)計制造。E-mail：hsl010@126.com。

棉花秸稈（簡稱棉稈）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]。我國是世界上最大的棉花生產(chǎn)國，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，對于促進新疆經(jīng)濟發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境具有積極意義。

2014年全國棉稈產(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，則會制成大約527.63萬t棉稈炭，可以減輕中國煤炭供求的壓力。棉稈炭也是燒烤行業(yè)和鍋爐行業(yè)的主要燃料，它以燃燒時間長、熱值高、無煙、不發(fā)爆等優(yōu)點而深受廣大用戶的喜愛。其發(fā)展適合中國新能源發(fā)展的趨勢，發(fā)展前景不可估量，市場前景良好。比起國外較為成熟的生物質(zhì)燃燒技術(shù)[6-8]，中國在生物質(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玉米秸稈的燃燒特性的影響[10]。發(fā)熱量是評定燃料品質(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)進行研究。

1材料與方法

1.1試驗材料

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

1.2試驗方法設(shè)計

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)境對粉末棉稈進行炭化。

1.2.2棉稈性質(zhì)測定

分別對棉稈水分、灰分、揮發(fā)分、有機炭含量、發(fā)熱量進行測定。

水分的測定采用空氣干燥法。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)量損失計算出水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。空氣干燥水分計算公式為

[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?；曳譁y定法計算公式為

[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)分測定法計算公式為

[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）。

固定炭含量的計算公式為

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

熱容量測定利用FRL-2000發(fā)熱量測定儀進行測量。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

文中所有數(shù)據(jù)采用Origin 9.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，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 ℃分別對粉末棉稈進行熱解炭化。由圖1可見，300～400 ℃出炭率逐步升高，在400 ℃時出炭率達到最高，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 ℃分別對粉末棉稈進行熱解炭化。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 ℃時出炭率達到最高，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間一定的情況下，在400 ℃時出炭率最高。

2.3保溫時間對出炭率的影響

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

在平均升溫速率18 ℃/min的條件下，熱解保溫時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h分別對粉末棉稈進行熱解炭化。由圖4可見，在平均升溫速率和熱解溫度一定的情況下，保溫時間為 1 h 時出炭率達到最高，然后隨著時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，保溫時間為1 h時出炭率最高。

2.4棉稈炭發(fā)熱量分析

發(fā)熱量是評定燃料品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一，利用FRL-2000發(fā)熱量測定儀對不同熱解炭化溫度產(chǎn)生的棉稈炭進行測定其熱容量。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]℃達到峰值。在保溫時間方面，05～2.5 h之間，隨著保溫時間的加長，在1 h時得炭率最高。

[TPLP55.tif]

發(fā)熱量是評定燃料品質(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 ℃、保溫時間為1 h時棉稈得炭率最高，熱解炭化得到的棉稈炭發(fā)熱量也是最高。

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