南疆棉秆热解工艺及不同温度制得棉秆炭发热量测定

刘鹏++侯书林

摘要：为研究不同温度的南疆棉秆炭发热量的变化，以南疆棉秆为研究对象，对南疆棉秆进行粉碎热解炭化，热解炭化温度分别为300、350、400、450、500 ℃，保温时间为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h。结果显示，在热解炭化温度方面，300～500 ℃之间，随着温度的升高棉秆得炭率也逐渐提高，到400 ℃达到峰值。在保温时间方面，0.5～2.5 h之间，随着保温时间的加长，在1 h时得炭率最高。南疆棉秆在热解炭化温度为400 ℃、保温时间为1 h时棉秆得炭率最高，热解炭化得到的棉秆炭发热量也是最高。本研究为今后研究作物秸秆高品质能源炭的应用提供参考。

关键词：棉秆炭；热解炭化；得炭率；发热量；高品质

中图分类号： S216.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）12-0514-02

收稿日期：2015-10-10

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（编号：201503135-19）；塔里木大学校长基金（编号：TDZKPY201502）。

作者简介：刘鹏（1990—），男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向为生物质资源化利用。E-mail：liupeng603010@163.com。

通信作者：侯书林，教授，博士生导师，研究方向为农机装备设计制造。E-mail：hsl010@126.com。

棉花秸秆（简称棉秆）是棉花收获之后的副产物，棉秆富含纤维素、木质素和多缩戊糖等物质，是重要的农业可再生资源，具有很高的开发利用价值，目前已被广泛开发应用于饲料、燃料、肥料、工业原料、食用菌基料、活性炭等多种用途[1-3]。我国是世界上最大的棉花生产国，棉花产量约占年度全球棉花总产量的30%，新疆棉花产量约占全国总产量的55.84%，南疆棉花产量约占新疆总产量的65%[4]。新疆棉秆资源非常丰富。合理高效开发利用棉秆资源，对于促进新疆经济发展、改善生态环境具有积极意义。

2014年全国棉秆产量3 149.5万t，新疆棉秆产量 1 758.77 万t[5]，若按照3 ∶[KG-*3]1的比例将棉秆制成棉秆炭，则会制成大约527.63万t棉秆炭，可以减轻中国煤炭供求的压力。棉秆炭也是烧烤行业和锅炉行业的主要燃料，它以燃烧时间长、热值高、无烟、不发爆等优点而深受广大用户的喜爱。其发展适合中国新能源发展的趋势，发展前景不可估量，市场前景良好。比起国外较为成熟的生物质燃烧技术[6-8]，中国在生物质燃烧特性方面的研究还较为不足。司耀辉等研究了华中地区典型农业秸秆的燃烧特性[9]，吕薇等研究了不同升温速率和不同载气气分对玉米秸秆的燃烧特性的影响[10]。发热量是评定燃料品质的标准之一，以棉秆炭发热量的研究也就是以棉秆炭作为燃料，以其品质进行研究。

1材料与方法

1.1试验材料

以南疆棉花秸秆为试验原料，对其进行粉碎、烘干。将粉碎后的棉秆加入炭化主反应器，进行热解炭化。

1.2试验方法设计

1.2.1棉秆炭制备方法

将粉碎后的棉秆放入设定好的炭化主反应器，棉秆热解的温度分别为300、350、400、450、500 ℃。热解保温时间为0.5、1、1.5、2、2.5。升温速率设定为8、18 ℃/min。在炭化主反应器确保每组具有相同质量的粉末棉秆（20 g），保证炭化主反应器在无氧或少氧的环境对粉末棉秆进行炭化。

1.2.2棉秆性质测定

分别对棉秆水分、灰分、挥发分、有机炭含量、发热量进行测定。

水分的测定采用空气干燥法。称取一定量的空气干燥粉末棉秆样品，置于105～110 ℃干燥箱內，于空气流中干燥到质量恒定。根据粉末棉秆样品的质量损失计算出水分的质量分数。空气干燥水分计算公式为

[JZ（]Mad=m1/m×100%。[JZ）][JY]（1）

式中：Mad为空气干燥粉末棉秆样品水分（%）；m1为粉末棉秆样品干燥后失去的质量（g）；m为粉末棉秆样品的质量（g）。

灰分的测定采用缓慢灰化法。称取一定量的空气干燥棉杆样，放入马弗炉中，以一定的速度加热到（815±10） ℃，灰化并灼烧至质量恒定。以残留物的质量占粉末棉秆样品质量的百分数作为棉杆样的灰分。灰分测定法计算公式为

[JZ（]Aad=m2/m×100%。[JZ）][JY]（2）

式中：Aad为空气干燥粉末棉秆样品灰分（%）；m2为灼烧后残留物的质量（g）；m为粉末棉秆样品的质量（g）。

挥发分的测定是称取一定量的空气干燥粉末棉秆样品，放在带盖的瓷坩埚中，在（900±10） ℃下，隔绝空气加热 7 min，以减少的质量占粉末棉秆样品质量的百分数，减去该棉杆样的水分含量作为粉末棉秆样品的挥发分。挥发分测定法计算公式为

[JZ（]Vad=（m3/m）×100%-Mad。[JZ）][JY]（3）

式中：Vad为空气干燥粉末棉秆样品挥发分（%）；m3为粉末棉秆样品加热后减少质量（g）；m为粉末棉秆样品质量（g）。

固定炭含量的计算公式为

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

热容量测定利用FRL-2000发热量测定仪进行测量。

1.2.3数据分析

文中所有数据采用Origin 9.0软件进行数据统计与分析，图表中的数据均采用平均值表示，见表1。

[FK（W6][HT6H][JZ]表1棉花秸秆样品的工业分析[HTSS]

[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK4，WK20，WK5W]样品[ZB（][BHDWG1*2，WK20W]W（%）

[BHDWG1*2，WK5。4W][XXZSX*2-ZSX19*2]MVAFCQgr（MJ/kg）

[BHDG1*2，WK4，WK5。5W]棉秆3.9252.563.8939.6314.98[BG）F]

注：W为质量分数；M为棉秆样品水分；V为棉秆样品挥发分；A为棉秆样品灰分；FC为固定炭；Qgr为高位发热量。

2结果与分析

2.1南疆棉秆样品的工业分析

在平均升温速率8 ℃/min的条件下，热解温度分别为300、350、400、450、500 ℃分别对粉末棉秆进行热解炭化。由图1可见，300～400 ℃出炭率逐步升高，在400 ℃时出炭率达到最高，然后随着温度继续升高出炭率逐渐降低。Yang等研究表明，生物质中半纤维素首先在220～315 ℃分解，而315～400 ℃则为纤维素分解区，大于400 ℃木质素开始大量分解[11]。

2.2热解温度对出炭率的影响

在平均升温速率18 ℃/min的条件下，热解温度为300、350、400、450、500 ℃分别对粉末棉秆进行热解炭化。由图2可见，在平均升温速率18 ℃/min的条件下，300～400 ℃出炭率逐步升高，在400 ℃时出炭率达到最高，然后随着温度继续升[CM（25]高出炭率逐渐降低。这与平均升温速率8 ℃/min的条件[CM）]

[TPLP11.tif]

下得出的结论一致。

综上所述，在平均升温速率和保温时间一定的情况下，在400 ℃时出炭率最高。

2.3保温时间对出炭率的影响

在平均升温速率8 ℃/min的条件下，热解保温时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h分别对粉末棉秆进行热解炭化。由图3可见，在平均升温速率和热解温度一定的情况下，保温时间为1 h时出炭率达到最高，然后随着时间的推移出炭率逐渐降低。

在平均升温速率18 ℃/min的条件下，热解保温时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h分别对粉末棉秆进行热解炭化。由图4可见，在平均升温速率和热解温度一定的情况下，保温时间为 1 h 时出炭率达到最高，然后随着时间的推移出炭率逐渐降低。

综上所述，在平均升温速率和热解温度一定的情况下，保温时间为1 h时出炭率最高。

2.4棉秆炭发热量分析

发热量是评定燃料品质的标准之一，利用FRL-2000发热量测定仪对不同热解炭化温度产生的棉秆炭进行测定其热容量。由图5可见，由热解温度300 ℃产生的棉秆炭到 400 ℃产生的棉秆炭，其发热量逐渐升高。但热解温度 400 ℃以后产生的棉秆炭发热量逐渐降低。说明在热解炭化温度为400 ℃的情况下，产生的棉秆炭发热量最高。

3结论

新疆南疆棉秆全水分含量比普通内地棉秆含量低。内地棉秆的Mad为6.38%，而南疆棉秆只有3.92%。

[JP3]在热解炭化温度方面，300～500[KG*3]℃之间，随着温度的升高棉秆得炭率也逐渐提高，到400[KG*3]℃达到峰值。在保温时间方面，05～2.5 h之间，随着保温时间的加长，在1 h时得炭率最高。

[TPLP55.tif]

发热量是评定燃料品质的标准之一，不同热解温度下得到的棉秆炭发热量也是不同的，相同质量下棉秆炭发热量越大[CM（25]，它的品质越高，越适合做生物质能源燃料。由热解温度300 ℃产生的棉秆炭到400 ℃产生的棉秆炭，其发热量逐渐升高。但热解温度在400 ℃以后产生的棉秆炭发热量逐渐降低。说明在热解炭化温度为400 ℃的情况下，产生的棉秆炭发热量最高。因此，南疆棉秆在热解炭化温度为400 ℃、保温时间为1 h时棉秆得炭率最高，热解炭化得到的棉秆炭发热量也是最高。

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