山核桃果蓬添加量对机制炭燃烧性能影响分析

陈顺伟，庄晓伟，潘 炘，朱杭瑞，章江丽

(浙江省林业科学研究院；浙江省森林资源与生物质化学利用重点实验室，浙江 杭州 310023)

·研究报告——生物质能源·

山核桃果蓬添加量对机制炭燃烧性能影响分析

陈顺伟，庄晓伟，潘 炘，朱杭瑞，章江丽

(浙江省林业科学研究院；浙江省森林资源与生物质化学利用重点实验室，浙江 杭州 310023)

以木屑机制炭为对照，对山核桃果蓬添加量为10%、 20%、 30%和50%共4个添加山核桃的木屑机制炭试样的理化特征分析结果表明，山核桃果蓬添加量低于30%时，机制炭外形和理化性能较佳，其固定碳含量和燃烧热值分别高于80%和30 MJ/kg；利用TG-DTG-DSC热分析联用技术对果蓬炭燃烧性能测试结果则表明，随山核桃果蓬添加量由10%增至50%，燃烧失重开始的温度逐渐降低；燃烧速率峰值和放热曲线峰值及其相对应温度则随山核桃果蓬添加量的增加而减小和降低，分别从1.0 mg/min降至0.7 mg/min、 95.12 W/g降至82.18 W/g、 580 ℃降至462.5 ℃。此外，试验也证实了随着山核桃果蓬添加量的增加，机制炭着火温度、最大燃烧速率和着火后最大失重速率、及其相应温度、最大释热量等5个参数均呈逐渐变小趋势；其中木屑机制炭着火温度比50%山核桃果蓬木屑机制炭高105.6 ℃；木屑机制炭和20%山核桃果蓬木屑机制炭的可燃性指数相对较小，相应的前期燃烧反应能力相对较弱。

山核桃；果蓬；机制炭；燃烧性能

机制炭作为木炭的理想替代品，是冶金、化工、医药、环保、服装等工业领域不可缺少的原料和添加剂，同时，广泛应用于食品烧烤、涮锅、取暖等民用领域[1-2]。据联合国粮农组织(FAO)预测[3]，到2025年和2050年世界木炭消费量分别将增长到31.3亿m3和39.3亿m3，市场发展前景广泛。本实验在前期果蓬类原料理化性质、成型和炭化工艺及其燃烧性能等方面研究的基础上[4-7]，就山核桃果蓬添加量对机制炭燃烧性能影响作分析，为果蓬类资源的能源化高效利用及其精深加工产品开发提供基础依据。

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料 杉木(Cunninghamialanceolat(Lamb.)Hook.)屑、马尾松(PinusmassonianaLamb.)木屑和山核桃(CaryacathayensisSarg.)果蓬均取自杭州临安市天目香山炭业有限公司。

1.1.2 仪器和设备 德国NETZSCH 公司STA409型热综合分析仪，上海欧锐WELL8000型多用量热仪；机制炭中试生产示范线包括滚筒筛、搅拌机、气流式连续烘干机、螺旋式成型机和炭化窑等主要设备。

1.2 生产工艺

1.2.1 致密成型 包括备料、配料、干燥、成型等主要工序。备料：将经15～30 d堆放软化预处理后的山核桃果蓬和松木屑、杉木屑经粉碎或过筛至颗粒粒径0.25～0.83 mm。配料：先将过筛后松木屑和杉木屑按质量比1 ∶1混合备用(下称木屑)，并以山核桃果蓬添加量(果蓬占木屑和果蓬混合物料质量分数)10%、 20%、 30%、 50%及全果蓬物料(100%)进行混合配料，以全木屑物料为对照。干燥：物料经气流式连续烘干机处理，烘干机炉膛出口温度130～140 ℃，经烘干后原料含水率控制在10%以内。成型：干燥后物料在温度340±10 ℃、压力约10×103kg/cm2条件下经螺旋式成型机致密成型制得机制棒，成型棒外径50 mm、内孔径15 mm。

1.2.2 炭化 采用“机制棒自燃式炭化方法及其炭化窑”(CN 00710067312.4)专利技术实施炭化，炭化总时间126 h，其中精炼时间6 h，初炭化温度290～300 ℃，精炼温度690～700 ℃，外置式绝氧冷却 1～2 d，制得机制炭。

1.3 分析方法

1.3.1 理化指标分析 机制炭的固定碳、挥发分、灰分指标按GB/T 17664—1999《木炭和木炭的试验方法》测定，热值指标按GB 14402—1993《建筑材料燃烧热值试验方法》测定。

1.3.2 燃烧特性分析 采用热综合分析仪对机制炭样品作燃烧性能分析，每份样品量约10 mg，氧气流量8 mL/min、氮气流量32 mL/min，测试温度为室温～1 000 ℃，升温速率20 ℃/min。

1.3.3 着火温度的测定方法 采用适合燃烧曲线规整生物质炭燃烧试验的TG-DTG切线法[8]。

2 结果与讨论

2.1 机制炭基本理化特征

机制棒为成型情况对机制炭的外形开裂有直接影响作用。对山核桃果蓬添加量为10%、 20%、 30%、 50%和100%的机制棒成型和炭化棒外形观测结果表明，山核桃果蓬添加量为10%、 20%和30%时，制备的机制棒及其机制炭棒形完整、无明显开裂现象；山核桃果蓬添加量为50%时，机制棒出现中间直裂的概率为30%以上，机制炭则均出现中间直裂；而山核桃果蓬含量为100%时，机制棒出现中间直裂的概率为80%以上，且裂缝较大，机制炭则出现严重的开裂或横断散裂，炭化物表面和裂缝处存在过度灰化现象。

表1对不同山核桃果蓬添加量制备的机制炭样品理化特征分析结果表明，机制炭灰分含量随山核桃果蓬所占比例的增加而上升，其中果蓬添加量30%～100%制备的机制炭灰分含量达13.09%～17.75%；相反地，固定碳含量和燃烧热值则随山核桃果蓬含量的增加而呈下降趋势。其中，山核桃果蓬添加量≥30%时，机制炭固定碳含量低于80%，燃烧热值低于29 MJ/kg;而添加量10%～20%时，固定碳含量和热值分别大于85.09%和30.39 MJ/kg。此外，挥发分含量与果蓬添加量未呈现规律性相关。

2.2 机制炭燃烧性能分析

基于山核桃机制炭外形观测和理化性能分析结果，以木屑机制炭(山核桃果蓬添加量为0，下同)为对照，选择除100%山核桃果蓬添加量制备机制炭外的果蓬添加量为10%、 20%、 30%和50%共4个山核桃机制炭样品在等速升温条件下测定燃烧失重(TG)、燃烧失重速率(DTG)以及燃烧过程中释放热量(DSC)等燃烧性能，并分析了着火温度θi、着火后最大燃烧速率 (dG/dt)max、着火后最大失重速率Vmax及其相应温度θmax、最大释热量Qmax以及可燃性指数(dG/dt)max/θi2等燃烧特性。

表1 山核桃果蓬机制炭理化性能1)

1) 机制炭以干基计dry basis charcoal briquettes。

2.2.1 燃烧失重曲线分析 山核桃果蓬机制炭和木屑机制炭样品的燃烧失重结果见图1(a)，结果表明随山核桃果蓬添加量的增加，燃烧失重开始的温度逐渐降低，表明山核桃果蓬在机制炭中添加量影响机制炭的着火温度。在燃烧阶段，5类机制炭样品所处的温度区间可分成3组，温度区间最高的为对照木屑机制炭； 10%和20%山核桃果蓬制备的机制炭所处温度区间次之，两者在燃烧阶段的曲线非常接近；温度区间最低的为30%和50%山核桃果蓬机制炭。在燃尽阶段，其剩余物质量的大小与其本身的灰分含量高低呈正相关，体现了山核桃果蓬的灰分含量高于木屑。

2.2.2 燃烧速率曲线分析 各样品燃烧过程燃烧速率DTG随温度升降变化关系分析见图1(b)，结果表明,燃烧速率曲线峰值所对应的温度随果蓬添加量的增加而下降，曲线峰值大小则随果蓬在机制炭中添加量的增加而降低。其中，果蓬添加量10%和20%机制炭、果蓬添加30%和50%机制炭曲线峰值及其峰值出现的温度均较接近，而木屑机制炭则呈现为曲线峰值最大、相应温度最高，分别为19.45%/min、 585 ℃。

2.2.3 燃烧放热曲线分析 各样品燃烧过程中放热速率随温度升降的DSC曲线分析见图1(c)。

图1 山核桃果蓬添加量对机制炭燃烧性能的影响

结果表明燃烧放热峰值以木屑机制炭最大，山核桃机制炭放热峰值随山核桃果蓬添加量的增加而降低，其中山核桃果蓬添加量10%和20%、 30%和50%时的曲线峰值相对接近，各样品间峰值差异较小，说明在试验范围内，山核桃果蓬添加量对机制炭热值影响不明显。此外，放热曲线的峰值出现所对应的温度则随山核桃果蓬添加量的增加而呈下降趋势，果蓬添加促进了机制炭燃烧放热过程。

2.2.4 燃烧特性分析 各样品的燃烧特性见表2，结果表明着火温度θi、最大燃烧速率(dG/dt)max和着火后最大失重速率Vmax及其相应温度θmax、最大释热量Qmax等5个参数均随山核桃果蓬添加量的增加而逐渐变小，按5个参数值的相近度可将各样品分成3组，即木屑机制炭、 10%和20%果蓬机制炭、 30%和50%果蓬机制炭，组间参数存在较大差异，组内参数值差异较小。其中，在着火温度方面，以木屑机制炭最高，为504.5 ℃，其它机制炭则随果蓬添加量增加，着火温度相应降低，最大差值达105.6 ℃。在最大燃烧速率方面，3组间差值不大，其燃烧稳定性好。在最大失重速率和最大释热量方面，其变化趋势与着火温度基本一致，其中山核桃果蓬添加量达到30%及以上时最大失重速率和最大释热量下降较明显，分别与木屑机制炭差值达6.74%/min和12.94 W/g。

此外，通过计算得到各样品的可燃性指数[7，9](dG/dt)max/θi2，结果表明木屑机制炭和山核桃果蓬10%～50%机制炭的可燃性指数数值较小，且相互间差异也较小，表明各样品前期燃烧反应能力相对较弱、着火后的燃烧前期较接近。

表2 山核桃果蓬机制炭燃烧特性

3 结 论

3.1 对不同山核桃果蓬添加量制备的机制炭样品理化特征分析结果表明，以杉木和马尾松木屑为主的机制炭，其灰分含量随山核桃果蓬所占比例的增加而上升，固定碳含量和燃烧热值则随山核桃果蓬添加量的增加而下降，其中，山核桃果蓬添加量高于30%时，机制炭固定碳含量低于80%，燃烧热值低于29 MJ/kg；此外，挥发分含量与果蓬添加量未呈现规律性相关。从机制棒及其机制炭外形和理化性能综合来看，山核桃果蓬添加量为10%和20%时制备的机制炭性能较佳。

3.2 以木屑机制炭为对照，对果蓬添加量10%、 20%、 30%和50%共4个山核桃机制炭进行TG-DTG-DSC对比分析，证实了机制炭的着火温度随山核桃果蓬在机制炭中添加量的增加逐渐降低。在燃烧阶段，机制炭所处的温度区间木屑机制炭高于山核桃果蓬机制炭，且以30%和50%山核桃果蓬机制炭温度区间较低。在燃尽阶段，其剩余物质量的大小与其本身的灰分含量高低呈正相关，体现了山核桃果蓬的灰分含量高于木屑。燃烧速率峰值和放热曲线的峰值及其对应温度以木屑机制炭呈现为曲线峰值最大1.0 mg/min和95.12 W/g、对应温度最高580.0 ℃，而果蓬机制炭则随山核桃果蓬添加量的增加而减小和降低，果蓬添加量为50%时，燃烧速率降值和放热曲线峰值及其对应温度分别为0.7 mg/min、82.18 W/g、462.5 ℃。样品着火温度、燃烧速率和燃烧放热的对比结果也证实了添加果蓬原料对机制炭的燃烧性具一定的促进作用。

3.3 对果蓬类机制炭燃烧特性分析结果表明，着火温度、最大燃烧速率和着火后最大失重速率及其相应温度、最大释热量等5个参数均随山核桃果蓬添加量的增加而逐渐变小。着火温度以木屑机制炭最高，为504.4 ℃，与果蓬机制炭最大差值达105.6 ℃；在最大失重速率、最大燃烧速率和最大释热量方面，山核桃果蓬添加量达到30%及以上时相应的机制炭最大失重速率和最大释热量下降较明显，分别与木屑机制炭差值达6.74 mg/min和12.94 W/g。

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Effects ofCaryacathayensisEpiear’s Addition on Combustion Performance of Charcoal Briquettes

CHEN Shun-wei，ZHUANG Xiao-wei，PAN Xin，ZHU Hang-rui，ZHANG Jiang-li

(Zhejiang Forestry Academy，Zhejiang Provincial Key Laboratory of Biological and Chemical Utilization of Forest Resource， Hangzhou 310023， China)

The physical and chemical characteristics of sawdust charcoal briquettes(as control)and charcoal briquettes with 10%,20%,30%,50%Caryacathayensisepiea were analyzed in this paper,respectively.The results showed that when the content ofCaryacathayensisepiear was under 30%,the shape and physicochemical properties of charcoal briquettes were better.The fixed carbon content of this charcoal briquette was more than 80% and calorific value was over 30 MJ/kg.TG-DTG-DSC thermal analysis technology was used to analyze the combustion performances of charcoal briquettes.Results showed that with the increase ofCaryacathayensisepiea’s addition in charcoal briquettes,the initial temperature of mass loss in combustion decreased,the peak value for the combustion rate curve decreased,and the time required to get the peak value for the combustion rate curve became shorter,1.0 mg/min to 0.7 mg/min,95.12 W/g to 82.18 W/g,580.0 ℃ to 462.5 ℃.In addition,five parameters of charcoal briquettes,i.e.,ignition temperature,maximal combustion rate,maximum weight loss rate,temperature of the maximum weight loss rate,and maximal heat-release,declined with the increase ofCaryacathayensisepiea in charcoal briquettes.The ignition temperature of sawdust charcoal briquettes was 105.6 ℃ higher than that of charcoal briquettes contained 50%Caryacathayensisepiea.Flammability indexes of sawdust charcoal briquettes and charcoal briquettes contained 20%Caryacathayensisepiea were small,corresponding,their pre-combustion reaction capabilities were relatively weak.

Caryacathayensis;epiear;charcoal briquettes;combustion character

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.01.007

2014- 08- 14

浙江省院所专项( 2012F20048)；中央财政林业科技推广示范资金项目(2013TS01)

陈顺伟(1962—)，男，浙江瑞安人，研究员，从事林产化工研究；E-mail:chensw1962@sina.com。

TQ35

A

1673-5854(2015)01- 0039- 04