木屑负载乙醇环保型固体燃料块的配方优化

赵艳红， 竺柏康， 周立娇， 孙勇， 何倩

（1. 浙江海洋学院石化与能源工程学院， 浙江舟山 316022；2. 中国石油天然气管道工程有限公司， 河北廊坊 065000； 3. 中国石油管道公司，河北廊坊 065000 ）

木屑负载乙醇环保型固体燃料块的配方优化

赵艳红1， 竺柏康1， 周立娇2， 孙勇3， 何倩1

（1. 浙江海洋学院石化与能源工程学院， 浙江舟山 316022；2. 中国石油天然气管道工程有限公司， 河北廊坊 065000； 3. 中国石油管道公司，河北廊坊 065000 ）

本实验研究将废弃的木屑回收并制造成燃料块，使木屑成为一种原料资源，从而创造出新的经济价值。燃料块由废弃木屑、乙醇、硝酸钾、二氧化锰、棕榈蜡组成，通过分别对木屑、乙醇、二氧化锰进行单因素试验，确定最佳用量范围，再对其设计正交实验确定固体燃料块的最佳配方。实验表明：制备燃料块的最佳配方为二氧化锰量0.001 80 g、乙醇量1.5 mL、木屑量1.6 g、硝酸钾量0.01 g、石蜡量3 g。且该配方下制备的固体燃料块具有质轻、易燃、燃烧热值高、燃烧充分等优点，可用于室外、野外，非常适合于突发事件的应急救援、取暖、炊事之用，具有良好的应用前景。

木屑；乙醇； 燃料块； 燃烧性能

随着国民经济的发展和汽车数量的增多，能源短缺问题日益突出，开发新能源，实现能源多元化的举措得到世界各国的普遍关注。日益紧张的化石能源与环境问题使得新能源的研究和应用越来越受到各国的高度重视，大量的资金和科研人员投入到这些项目的研究中［1-2］。固体燃料是一种常规燃料的代用品或补充品，是一种新型燃料，是随着人们对燃料的使用方便性及其它特殊要求应运而生的［3］。近年来，国内科研单位及各大院校都已经开始了对化学固体燃料块的研究，并制备出多种产品，这些产品配方独特、性能优异。如：2010年，郑文林研制出了一种焦炭性生物质燃料块。该燃料块就具有了易燃，热值高，燃烧时间长，灰分少，燃烧性能与使用性能好的优点［4］。木屑负载乙醇燃料块是利用废弃木屑为载体，吸附一定量的乙醇，同时添加氧化剂硝酸钾和催化剂二氧化锰助燃。该燃料块的燃烧效率高，燃烧排放物完全符合环保标准，且燃烧后残余灰分可出回收做钾肥，可实现“废弃木屑—燃料—肥料”的有效循环。因此，通过实验对该种燃料块配方进行优化设计，得出最佳的原料组合方式，即可出实现资源的高效循环利用又具有一定的环保意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验中，将农林废弃物—木屑用粉碎机粉碎成颗粒粉末，然后用目筛筛选出80～100目的颗粒粉末。得到的颗粒粉末与一定量乙醇、二氧化锰、硝酸钾混合，搅拌均匀后将得到的混合料放入铝壳中，且在铝壳的正中放进一根蜡烛芯。称取定量的棕榈蜡放入内径10 mm长度100 mm的试管中，将试管放置在温度为80～90℃的恒温水浴箱中，当棕榈蜡完全融化后，将其倒入混合料上，待液体石蜡凝固后即制得圆柱形固型燃料块。

通过固定硝酸钾和棕榈蜡用量（硝酸钾量0.01 g、石蜡量3 g），变化木屑、乙醇、二氧化锰用量，通过实验综合分析三者对燃料块燃烧热及燃烧时间的影响。

实验中所需的实验材料和主要试剂如表1所示。

表1 实验材料和主要试剂Tab.1 Main experimental materials and reagents

1.2 单因素实验

1.2.1 木屑用量的确定

实验所用木屑用量从1～2g，分为5组，固定其它材料用量，制备实验所用燃料块。在相同室温下，点燃所制备燃料块加热相同体积，加热圆底烧瓶里相同温度的500 mL水，用秒表计时，直至燃料块燃尽，记录燃烧时间及烧杯中水的温度（忽略玻璃吸收的热量和损失的热量），并通过公式，计算燃烧热。

燃烧热计算公式：Q=C×m×t

式中：C为比热容，单位：kJ；水的比热容是4.2×103J/（kg×℃）

m为质量，单位：kg；

t为温度的变化，单位：℃。

所得实验数据，如表2所示。由表可知：木屑量为1.5 g时，燃料块燃烧热最高、燃烧时间最长。

表2 木屑用量的选择Tab.2 Selection of sawdust dosage

1.2.2 乙醇用量的确定

与木屑用量方法相同，固定其它材料用量，从1～2 g分为5组变化乙醇用量，并制备实验所用燃料块，测量燃烧时间，计算燃烧热。

实验所得数据如表3所示，由表可知：随着乙醇用量的增大，燃烧热增加，但是燃烧时间开始下降，乙醇在1.5 g时，燃烧时间最长。

表3 乙醇的取样量Tab.3 The sampling volume of ethano

1.2.3 二氧化锰用量的确定

与出上实验方法相同，固定其它材料用量，变化二氧化锰用量，制备燃料块，并测量燃烧时间，计算燃烧热。实验所得数据如表4所示。由表可知：当二氧化锰量在0.001 7 g时，燃料块燃烧热最大，当二氧化锰添加量为0.001 9 g时燃烧时间最长，但热值较低。因此取二氧化锰添加量应在0.001 8 g为宜。

表4 二氧化锰的取样量Tab.4 Sampling amount of manganese dioxide

2 正交优化实验［5］

根据单因素的数据和理论分析，选定的因素是木屑量、乙醇的量、二氧化锰量，每个因素都试验三个水平。因素和水平列于表5。

表5 因素和水平Tab.5 Factors and levels

做出9组实验，把实验结果—燃烧热和燃烧时间列入表6内。并用极差分析方法研究燃料块的最佳配方出及三个因素对燃烧热、燃烧时间的影响主次顺序。

表6 正交实验—极差分析表Tab.6 The Orthogonal Experiment—Range Analysis

表6中D1、D2、D3分别为燃料块在1、2、3三个水平上的燃烧热、燃烧时间之和；d1、d2、d3分别为D1、D2、D3的平均值。d1、d2、d3三个之间两两相差值我们通常用RX极差值来表示。

当实验指标为X—燃烧热时，从表6中可出看出AD3＞ AD1＞AD2，因此AD3为A因素二氧化锰用量的优水平。同理，可出确定BD2、CD3分别为B—乙醇量、C—木屑量的优水平。三个因素的优水平组合AD3BD2CD3即本实验的最优水平组合，即制备燃料块的最佳工艺条件为二氧化锰量0.00185g、乙醇量1.5mL、木屑量1.6g、硝酸钾量0.01g、石蜡量3g。

当实验指标为Y—燃烧时，从表6中可出看出AE2＞ AE3＞ AE1，因此AE2为A因素的优水平。同理，可出确定BE2、CE3分别为B—乙醇量、C—木屑量的优水平。三个因素的优水平组合AE2BE2CE3为本实验的最优水平组合，即制备燃料块的最佳工艺条件为二氧化锰量0.001 80 g、乙醇量1.5 mL、木屑量1.6 g、硝酸钾量0.01g、石蜡量3g。

根据燃烧热、燃烧时间两个实验指标单独分析出的优化条件在二氧化锰用量出现不一致，必须根据因素的影响主次顺序进行综合考虑，确定固体燃料块的最佳配方。对比各极差R的大小，可出判断各因素对实验指标的影响主次顺序。极差R值越大的表示因素对实验指标的影响大，因素越重要；R值越小，因素的影响越小。本实验极差R计算结果见表2-2，当实验指标为燃烧热时，比较各RX值大小，可见RXC＞RXB＞RXA，因此三因素对实验燃烧热影响的主次顺序为CBA。即木屑量对燃烧热的影响最大，其次为乙醇量，而二氧化锰量的影响较小。当实验指标为燃烧时间时，对比各RY值大小，可见RYA＞RYC＞RYB，因此三因素对实验燃烧时间影响的主到次顺序为ACB。即二氧化锰量对燃烧时间的影响最大，其次是木屑量，而乙醇量的影响较小。

对于因素A—二氧化锰量，当燃烧热为实验指标时，AD3为二氧化锰量的优水平，此时用量取AD3；当燃烧时间为实验指标时，AE2为二氧化锰量的优水平，此时用量取AE2。两指标二氧化锰用量不一致，但取AD3时，燃烧时间比取AE2时缩短了4.304%，热值只比取A2时增加了3.922%，因此对于A因素取AE2较为合理。优组合为AE2BE2CE3。即制备燃料块的最佳配方为二氧化锰量0.001 80 g、乙醇量1.5 mL、木屑量1.6 g、硝酸钾量0.01 g、石蜡量3 g。

3 结论

本实验研究将废弃的木屑与乙醇、硝酸钾、二氧化锰、石蜡相混合，制备便携环保型燃料块。通过正交试验对燃料块的燃烧热及燃烧时间的测定，经过综合分析确定燃料的最佳配方为二氧化锰量0.00180g、乙醇量1.5 mL、木屑量1.6 g、硝酸钾量0.01 g、石蜡量3 g。该配方制备的固体燃料块具有质轻、易燃、燃烧热值高、燃烧充分等优点，并且在燃烧时间上可超出同质量固体酒精块的4倍，在燃烧热上是同质量石蜡块的1.4倍出上。燃料块中添加催化剂二氧化锰，通过反应产生氧气，促使木屑充分燃烧，起到助燃作用，且反应生成的KNO2可作为钾肥，可实现资源的循环利用。

［1］祖元刚， 杨 磊， 孙国勇， 等. 一种固体生物燃料块的制备方法：CN101434881［P］. 2009-05-20.

［2］VINTERBACK J. Pellets 2002：the first world conference on pellets［J］. Biomass and Bioenergy，2004， 27（6）：513-520..

［3］戴 英， 刘金廷， 用正交设计法优选固体燃料块的配方［J］. 吉林工学院学报， 1993， 14（4）：29-33.

［4］郑文林. 焦炭性生物质燃料块的制造方法：CN101629115［P］. 2010-01-20.

［5］高允彦. 正交及回归实验设计方法［J］. 北京： 冶金工业出版社， 1988.

Optimization of the Prescription of Environment Solid Fuel Block with Wood Load Ethanol

ZHAO Yan-hong1， ZHU Bai-kang1， ZHOU Li-jiao2， et al
（1. Petrochemical and Energy School of Zhejiang Ocean University， Zhoushan 316022；2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation， Langfang 065000， China）

This study is to produce fuel pellets with the recycled waste wood， turning waste into treasure. The fuel consists of wood shavings， ethanol， potassium nitrate， manganese dioxide， paraffin wax， Separate the sawdust，ethanol， manganese dioxide by single factor experiment to determine the optimal dosage range， Then its orthogonal experiment to determine the optimal formula designed for solid fuel block. Experimental results show：the best prescription for preparing fuel block is manganese dioxide amount 0.001 8 g， the amount of ethanol 1.5mL， the amount of sawdust 1.6 g， the amount of potassium nitrate 0.01 g， the amount of paraffin wax 3 g. And the process under the best prescription of solid fuel is qualitative light， flammable， burning high calorific value， burning full，etc. Can be used in outdoor， outdoor， very suitable for emergency rescue， heating，cooking， and has a good prospect of application.

sawdust； ethanol； fuel block； combustion performance

X799

A

1008-830X（2014）06-0545-05

2014-08-20

赵艳红（1985- ）， 女， 吉林人， 硕士研究生， 研究方向：油气储运技术与能源化工. E-mail: dbsyzyh@126.com.

竺柏康. E-mail: zszbk@126.com