蓝藻与木屑混合炭化制备燃料炭研究

宋城城

摘 要：该研究以蓝藻与木屑压缩混合物为原料，经粉碎干燥处理后，进行热解炭化制备燃料炭，考察了升温速率、炭化时间、炭化温度等因素对炭化实验的影响。结果表明，在不同炭化条件下获得的燃料炭的得率和热值差异较大，且获得燃料炭的燃烧性能较未炭化原料有很大提升；蓝藻与木屑混合物制备燃料炭较为适宜的工艺条件为：升温速率为10℃/min，炭化温度为350℃，炭化时间为40min，在此条件下燃料炭得率可达57.9%，热值可达17.4 MJ/kg，其热值比普通生物质材料（10MJ/kg）提高了0.7倍。

关键词：生物质炭；蓝藻；低温炭化；热解

中图分类号 S141.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）09-0039-03

Abstract：With the addition of blue algae and sawdust mixture as raw material，crushing，drying，and then made fuel charcoal through low temperature pyrolysis. The effects of heating rate，carbonized time and carbonized temperature on the pyrolysis experiment were investigated. The yield and calorific value of fuel charcoal were obtained under different carbonized conditions，and the combustion characteristics of fuel charcoal were greatly improved after pyrolysis. The experimental results showed that the suitable process parameters for the preparation of fuel charcoal from the mixture of blue algae and sawdust were：the heating rate is 10℃/min，the carbonized temperature is 350℃，the carbonized time is 40min. Under these conditions，the yield of biomass charcoal is up to 57.9%，and the calorific value is up to 17.4Mg/kg. The calorific value is 0.7 times higher than that of biomass.

Key words：Biochar；Blue-green algae；Low temperature carbonization；Pyrolysis

巢湖水體富营养化问题由来已久，每到夏季，蓝藻大量繁殖且很难消化，会在水面形成一层蓝绿色而有恶臭味的浮沫，称为“水华”[1]，引起水质恶化，甚至造成鱼类死亡，对人类生活及环境造成了极大的危害[2]。虽说蓝藻污染水体且其造成的危害较大，但作为自然界产物，其也是一种自然资源，可以考虑将其资源化利用，实现蓝藻废弃物处理处置“减量化、无害化、稳定化”的要求，同时达到“资源化”利用为目的的重要原则[3]。因此，可以采用“特种高压钢制板框深度脱水”工艺，将打捞到的含水率85%的蓝藻藻泥按一定比例加入锯木屑等进行混合，然后压缩脱水至含水率40%左右，制成蓝藻木屑混合物压滤饼。本实验使用该藻木屑混合物压滤饼为原料，进行热解炭化制备燃料炭，考察不同炭化因素对炭化实验的影响，考察其是否可以作为一种燃料炭来使用，从而为蓝藻的综合利用和开辟生物质炭原料新来源提供理论指导。

1 实验部分

1.1 实验材料 将经过前处理得来的蓝藻木屑滤饼经干燥，粉碎，备用。万能粉碎机；电热鼓风干燥箱；管式炉；分析天平；石英舟；发热量测定仪。

1.2 热解炭化实验 称量一定量蓝藻木屑滤饼样品置于石英舟中，平稳放于管式炉内，接入保护气管并密封电阻炉，以炭化时间、炭化温度和升温速率为实验因子开展实验[4-5]。设定好各实验因子后，拧开氮气阀门，调节气体流量计至100mL/min，待吹尽炉内空气，开始加热炭化。达到设定炭化温度系统自动停止加热，为防止炉内炭化物燃烧，此时持续通入氮气，直至冷却到100℃，打开炭化炉，取出炭化物，降至室温后进行燃料炭得率（即炭化后固体产物质量占未炭化前固体物质量的百分比）测定，用塑料袋分装、密封，放入有干燥剂的干燥皿中备用。实验装置图如图1所示。

其中M是炭化后生物质炭的质量（g），M0是未炭化前固体物质量（g）。

1.4 热值测定 此次实验热值测定参考氧弹法（GB/T384-1981），使用发热量测定仪测定出样品的弹筒高位发热量，干基高位发热量，干基低位发热量[6]。

2 结果与分析

2.1 生物质炭样品的得率 以炭化时间、炭化温度和升温速率为实验因子，设计正交实验，计算得出的9个实验组合的得率，结果如表1所示。对于试验号1号的得率较高，可能是因为炭化时间太短，炭化温度较低，蓝藻木屑混合物样品炭化不完全，因此炭化后样品较重，得率相对偏高；6号得率较高可能因为炭化温度过低没有炭化完全；9号得率较高可能因为升温速率过快，藻泥样品直接在较高温下炭化，没有炭化充分。由正交实验表计算各因素各水平下每种试验指标的数据和以及平均值，并计算极差R。根据极差大小得出升温速率、炭化温度、炭化时间对得率的影响主次顺序为：时间>温度>升温速率，即影响制备生物质炭的得率的因素最主要的是炭化时间，其次是温度、升温速率。本试验得率指标数值越大越好，对因素B、C及真实的得率数值分析，确定优水平为B3、C2；因素A的水平改变对试验结果几乎无影响，可从经济、操作等角度考虑取值，选A2。优水平组合为A2B3C2。

2.2 生物质炭样品的热值测定 以炭化时间、炭化温度和升温速率为实验因子设计正交实验得出样品的热值测定参考氧弹法（GB/T384-1981），使用发热量测定仪测定出样品的弹筒高位发热量，干基高位发热量，干基低位发热量。热值结果如表2所示。对比分析生物质炭样品的弹筒高位发热量，干基高位发热量，干基低位发热量，所得所有样品热值均大于15000J/g，即15MJ/kg，最高可达17MJ/kg以上，与生物质（10MJ/kg）相比提高了0.7倍，具有一定的燃料开发价值。由正交实验表计算各因素各水平下每种试验指标的数据和以及平均值，并计算极差R。从正交数据表中可以看出因素C的极差R值较大，说明炭化时间对制得的生物质炭的热值影响较大，其次是升温速率和炭化温度。本试验得率指标数值越大越好。从因素A列表中可以看出，K2较大，B因素中K2较大，C因素中K2较大，故知A2、B2、C2是各因素中影响最大的水平。

根据上述表格，分析9组实验条件的得率及热值情况如图2所示。从图2可以看出，4号的对应的弹筒高位发热量为17720.9J/g，干基高位发热量为17688.8J/g，干基低位发热量为17410.9J/g，热值相对于其他试验条件较高，得率为该实验条件为升温速率为10℃/min，炭化时间为20min，炭化温度为350℃。

总体看9个试验，4～6号的热值均较高，且对比9组试验条件的得率可见其升温速率的影响效果为：10℃/min>20℃/min>5℃/min。结合正交实验数据的极差分析和生物质炭的得率及热值数值分析，对比试验号1、2、3，升温速率同是5℃/min，2号对应的热值较1、3号高；对比试验号7、8、9号，升温速率同是20℃/min，试验号8对应的热值较7、9号高；可见当炭化温度为350℃，炭化时间为40min时炭化效果较好。综合分析觉得优化水平组合为A2B2C2，即较佳实验条件因素设定为升温速率为10℃/min，炭化温度为350℃，炭化时间为40min。确定了较佳实验条件时，以升温速率为10℃/min，炭化温度为350℃，炭化时间为40min进行了多次炭化实验，得出其得率均在55%以上，热值均在17000J/g以上。

3 结论

本研究以蓝藻生物质添加锯木屑压缩混合物为原料，经粉碎，干燥后进行热解炭化，考察了升温速率、炭化时间、炭化温度对炭化实验的影响，通过不同炭化条件下得出的生物质炭得率和热值测定分析炭化后所得生物质炭燃烧特性，表明生物质炭化后燃烧性能得到了很大提升。

蓝藻木屑混合物制备生物质炭较为适宜的工艺参数为：升温速率为10℃/min，炭化温度为350℃，炭化时间为40min，在此条件下制备的生物质炭得率可达57.9%，热值可达17.4MJ/kg，其热值与生物质相比提高了0.7倍，具有一定的燃料开发利用价值。

参考文献

[1]缪灿，李堃，余冠军.巢湖夏、秋季浮游植物叶绿素a及蓝藻水华影响因素分析[J].生物学杂志，2011，28（2）：54-57.

[2]孔繁翔，高光.大型浅水富营养化湖泊中蓝藻水华形成机理的思考[J].生态学报，2005，25（3）：589-595.

[3]慈娟，卫新来，王磊，等.巢湖蓝藻与农业废弃物共热解制取生物质油研究[J].生物学杂志，2015（2）：61-64.

[4]朱金陵，何晓峰，志伟，等.玉米秸秆颗粒热解制炭的试验研究[J].太阳能学报，2010，31（7）.

[5]袁浩然，鲁涛，黄宏宇，等.市政污泥热解制备生物炭实验研究[J].化工学报，2012，63（10）：3310-3315.

[6]張秋云，任霁晴，申晨伟，等.常州市城市生活垃圾热值测定的研究[J].科技信息，2010（8）：122-122，124.

（责编：张宏民）