炭粉压缩成型

生物质炭粉成型工艺及燃烧性能研究(中国林业科学研究院林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业局林产化学工程重点开发实验室，江苏南京210042) 摘要：研究了炭粉压缩成型的工艺方法。

通过选择合适的粘结剂使炭粉（木炭粉、竹炭粉、稻壳炭粉）压缩成型，试验分析得到适合的粘结剂B配比，即粘结剂与木炭粉之比为0.06、竹炭粉为0.05、稻壳炭粉为0.04。

对制得的成型炭进行了真空高温热处理，显著提高了成型炭产品的固定炭含量，试验研究的三种成型炭固定炭含量平均提高10%以上。

研究了成型炭的燃烧特性，考察了三种成型炭的热效率，结果表明：在密实度接近的情况下，成型炭的固定炭含量是影响其热效率的关键因素。

关键词：木炭粉；竹炭粉；稻壳炭粉；压缩成型；燃烧性能；粘结剂Experimental Study on Technology and Combustion Properties forCharcoal Molding(Institute of Chemical Industry of Forest Products, CAF; NationalEngineering Lab. For BiomassChemical Utilization; Key and Open Lab. On Forest Chemical Engineering, SFA, Nanjing 210042, China) Abstract: Technology on compression molding process of carbon powder was studied. Carbon powder was compressed by the appropriate adhesive. The mass ratio of adhesive B-charcoalpowder, adhesive B-bamboo charcoal powders, adhesive B-rice husk toner, were 0.06, 0.05, 0.04, respectively, by experiment. After three kinds of molding charcoals were treated by vacuum heating, the content of charcoal contained has risen over 10% on the average. And the thermal properties of molding charcoal were investigated. The results showed that with closing density, the content of charcoal contained was the key factor of influence to the thermal efficiency.Key words: charcoal powder; bamboo charcoal powder; rice husk toner; compression molding; Combustion Properties; adhesive 在我国，有许多的果壳、果核农业秸杆等农林副产品的废弃物，竹木采运，加工过程也伴生着大量的枝丫、梢头、锯末、板皮、截头等剩余物，如何充分利用这些天然可再生资源，是科技工作者关注的一个十分重要的研究领域，生物质成型炭的制备就是其中一个重要研究方向。

生物质成型炭具有热值高，燃烧时无二氧化硫产生的特点，属可再生的清洁能源，可替代传统木炭，更可替代煤、油、气等化石能源，广泛应用于工业、生活领域。

生物质成型炭的制备方法一般分为二条途径，比较常见的方法使将农业废弃物及农村加工剩余物粉碎成屑，用螺旋机高温、高压挤压成型后，再炭化制成生物质成型炭[1]，但该法生产设备投入费用高，磨损大，能源消耗强度大，工艺缺陷明显。

生物质成型炭制备的另一个方法是先将生物质材料热解制成炭，粉碎后与一定比例的粘结剂捏合，成型制成具有一定强度、燃烧无烟、无味、安全卫生的成型燃烧炭，可供烧烤、餐饮、供暖等生产生活使用，该制备工艺生产具有设备投入费用较低、设备磨损小、生产过程能源消耗强度低等优点。

本文利用生物质发电过程中产生的各种炭粉（包括木炭粉、竹炭粉、稻壳炭粉），研究了成型炭的成型工艺，探讨了提高成型炭固定炭含量和热值的工艺方法，并对成型同产品的燃烧特性进行了研究。

1 实验原料与方法1．1 主要原料及设备1.1.1回收炭粉：某生物质气化发电厂提供，性质如下：表1 炭粉性质Table 1 Properties of carbon powder项目Items 木炭粉charcoalpowder 竹炭粉bamboocharcoalpowder稻壳炭粉rice husktoner灰分Ash/% 3.03 3.15 16.89 含水率MoistureContent/%6.027.12 6.46挥发份Volatility/% 10.56 10.72 9.47 热值Hot value/ (kJ/g) 30.441 29.887 26.456 固定碳CharcoalContained/%86.41 86.13 73.641.1.2粘结剂脲醛树脂（UF）、水玻璃、糠醛废渣、粘结剂A、粘结剂B。

1.1.3仪器设备表面皿、带瓷盖坩锅、挥发分特制坩锅、坩锅架和干燥皿、电光分析天平、捏合机、成型机、马弗炉、氧弹式量热计、移动层热解燃烧炉。

1.2 成型炭高温真空热处理工艺将成型炭半成品放入真空炉中，炉内气压经0.8小时抽到1-2 Pa的真空度，并以5℃/min的速度将炉内温升到850 ℃，在该温度下保温保压2小时，然后以5℃/min的速度降压至常温，再将炉内气压在30分钟内升至常压取出。

1.3 性能检测1.3.1含水率、灰分、挥发分和固定炭含量测试参照GB／T 17664—1999木炭和木炭试验方法，测定炭粉含水率、灰分含量、挥发分含量、固定炭含量（多次测定取平均值）。

1.3.2抗跌落强度[2]将炭粉压制成20×20tm 炭棒样品，将一批5个样品从1．5 m自由落下至钢板上，测定产生明显裂纹时的跌落次数，结果取平均值。

1.3.3燃烧特性研究1）燃烧舒适性炭棒置于红热的电炉上燃烧,记录发烟、气味产生情况和拨动炭棒时是否呈粉状散开或散发火星2）相同重量的炭粉成型块燃料的燃烧特性测定在相同的运行参数和试验条件下，测定不同种类生物质燃料加热锅中相同重量水的热性能．锅内水重量为17．5 kg 。

燃料的重量为500g 。

在燃烧特性实验中，成型块截面尺寸55 mm ×55 mm ，内孔直径15 mm [3]。

且有效热能为：有效热能=水重量×水比热×水的增温+水蒸发量× 水汽化潜热。

锅水升温时吸收的热量(显热)同蒸发的锅水吸收的热量(潜热)之和与加入炉胆内的燃料热量之比，即为热效率。

测量重复5次取平均值。

2 结果与讨论2.1炭粉成型工艺本实验所用原料为生物质气化发电后回收的炭粉，采用常规成型工艺以制取合格产品。

通过几次试验确定了其工艺如图1所示：生物质气化发电回收的炭粉经除杂、磨粉过160目筛后送入成型设备中。

在成型过程中成型压制时间以及粘结剂的选择及用量是炭粉成型的关键因素。

在这我们主要研究粘结剂的选择及用量，而压制时间为3-4min ，且压制过程中加水以保证炭粉的湿含量控制在30%左右。

在成型后经过晾干、真空热处理后得到成型炭产品。

2.2粘结剂的优选 炭粉水 粘结剂 成型 晾干 真空热处理 包装 成品 图1 炭粉压缩成型工艺图 Fig. 1 Compression molding process of carbon powder由于发电回收的炭粉灰分含量较高及其成型困难的特点，选择合适的成型用粘结剂成分该实验的关键。

这里作者考虑到各种因素选取了几种常见的成型剂进行木炭粉实验测定（表2）以确定较好的粘结剂。

表2 不同粘结剂的使用效果Table 2 Effects of different adhesion agents on quality of formedcharcoal粘结剂Adhesion agents 强度Strength燃烧性质burningproperties综合评价Comprehensiveevaluation气味Smell稳定性Stability脲醛树脂UF<1 甲醛味差差水玻璃Sodiumsilicate1 无味差差糠醛废渣 1.6 刺激特殊合格差Furfural气味residue粘结剂A1 焦糊味良合格Adhesionagents A4 微焦味良良粘结剂BAdhesionagents B粘结剂A为，将1.2g NaOH和0.5 g硼砂分别溶解于70℃的水中配制10％的溶液，然后将20 g淀粉加入100 mL水中配制成悬浮液，放在80~C的电热恒温油浴锅中不断搅拌，加人NaOH溶液，当悬浮液呈糊状粘稠体时倒入硼砂溶液进行交联，获得凝胶状物体。

粘结剂B为在反应釜中将聚乙烯醇（PVA一1799）加热溶解，然后加人淀粉糊，加热搅拌下加人另一组JTJ(代号)。

80℃左右反应30 min得粽色粘稠液体，均匀无明显颗粒，即为粘结剂成品。

炭燃烧时是无烟、无味的,因此成型炭燃烧时产生的烟和气味与所用的粘结剂有关。

燃烧时散开与否（稳定性）,则与粘结剂在受热时是否脆化和熔融有关。

成型炭的抗跌落性能与高分子复合材料的断裂机制相关。

以UF和水玻璃为粘结剂时,成型炭成为类玻璃态固体,受应力作用时通过断键的方式分散能量[4]。

但由于炭粒的影响使交联度很低,因此强度很差。

以粘弹性胶为粘结剂时,成型炭在受应力后,聚合物分子链先从炭表面上滑落产生银纹化,使能量分散[4]。

优选出的粘结剂B可以和炭的羟基、羰基等极性基团产生价键作用，则其制的成型炭具有高强度性。

由于木炭粉和竹炭粉、稻壳炭粉在性质和组成上相似，则在以下实验中亦使用该粘结剂。

2.3粘结剂B用量炭粉粘结剂是影响炭粉制品性能的主要因素。

实验发现炭粉与粘结剂必须混合均匀，再经处理，否则炭粉制品容易产生裂纹，湿强度低。

粘结剂用量对制品强度影响见表3表3 粘结剂用量对制品强度影响(次)Table 3 Effects of dosage of adhesion agent B on falling strength(times)B用量/% dosage ofB1 2 3 4 5 6 7 8木炭粉强度strength of charcoalpowder 1.33.24.66.7.48.59.29.8竹炭粉强度strength of bamboo charcoal powder 3.44.75.86.88.39.19.89.6稻壳炭粉强度strength of rice husktoner 5.6.37.79.510.010.410.610.7由表可知，随粘结剂用量的增加制品强度增大，考虑到生产成本：对于木炭粉为0.06，即每吨制品加60千克粘结剂；对于竹炭粉取为0.05即每吨制品加入粘结剂50千克；由于稻壳炭粉中硅含量较高则粘结剂对它的影响，相比于其他两种就小得多了，在这取为0.04即每吨用粘结剂40千克。