农作物秸秆炭理化特性分析

郑文轩+杨瑛

摘要：选取新疆南疆极旱地区当年的3种农作物秸秆炭为研究对象，采用生物质原料测试方法研究了秸秆炭的理化特性。结果表明，3种秸秆炭的含水率均在10%左右，易于加工成型；稻秸炭的堆积密度最大；3种秸秆炭的堆积角均较大，属于流动性较差的物料；棉秆炭的外摩擦系数最大；棉秆炭发热量和固定炭含量最高；玉米秆炭挥发分最高。

关键词：农作物；秸秆炭；理化特性

中图分类号：S5；Q819 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）17-4136-03

Physical and Chemical Characteristics of Crop Straw Charcoal

ZHENG Wen-xuan，YANG Ying

（School of Mechanical Electrization Engineering，Talimu University，Alar 843300，Xinjiang， China）

Abstract： The physical and chemical characteristics of three kinds of crop straw charcoals from extremely drought area in southern Xinjiang region were studied and analyzed according to the biomass standards and methods. The results showed that moisture content of three kinds of straw charcoals were around 10% and easy to process molding. Bulk density of the rice straw charcoal was maximum. The repose angle of the straw charcoals were big， belonging to poor mobility materials. The coefficient of friction of cotton straw charcoal was much higher than that of other straw charcoals. The calorific value and fixed carbon content of corn straw charcoal were much higher than that of other straw charcoals. The volatile matter of cotton straw charcoal was maximal.

Key wods： crop； straw charcoal； physical and chemical characteristic

我国是农业生产大国，每年农业收获后产生的大量农作物秸秆废料被焚烧，不仅污染环境，而且造成资源浪费。若能将农作物秸秆回收利用，既保护了环境又实现了资源的有效利用。采用碳化工艺将秸秆制成炭是一种有前景的利用方式，如制活性炭、无烟烧烤炭等。任何碳含量较高且价格低廉的材料均可作为生产活性炭的原料，农作物秸秆在除灰后可制成高质量的活性炭。随着对环保问题的日趋重视和人民生活品质的不断提高，各行业对活性炭的需求逐年增加，这也给秸秆炭的利用提供了市场。

目前，对秸秆物料在化学、物理特性方面的研究包括：工业分析、低位发热量、元素分析、全水分、堆积密度、外摩擦角、静态堆积角等[1，2]。对麦秸、饲草等软茎秆秸秆的拉伸强度、弹性模量、剪切强度等物理特性和松散原料物理特性的研究也较多[3，4]， 如小麦、玉米、大豆等作物[5-10]。这些研究为秸秆类生物质原料的储存、输送、加工等提供了基础数据。研究者大多对秸秆物料的理化特性进行了研究[11-14]，而对秸秆经碳化工艺制成秸秆炭的理化特性参数进行研究，还未见报道。

本试验选取3种秸秆炭作为研究对象，分别对其全水分、堆积密度、堆积角、摩擦系数、流动特性等物理特性和发热量、工业分析等化学特性进行试验，旨在为秸秆类生物质炭的储存、输送、加工等系统设计和选型提供基础性参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取新疆南疆极旱地区当年的棉花秸秆、玉米秸秆和水稻秸秆3种生物质原料秸秆炭作为研究对象。

1.2 试验仪器

HLP型粉碎机（筛孔径10 mm，北京环亚天元机械有限公司）；马弗炉（上海市实验仪器总厂）；XP204型分析天平（精度0.01 mg）、JJ200B 型电子天平（精度0.001 g）（瑞士梅特勒-托利多公司）；101-1A型电热鼓风干燥箱、标准样品分析筛（河南省鹤壁市天弘仪器有限公司）；堆积密度测量仪（自制，容积为3 L，有效直径125 mm，有效高度200 mm）、堆积角测量仪（自制）；HZJ型振动平台（新乡伟达振动设备有限公司）；外摩擦系数测定仪（自制）；角度尺；游标卡尺；ZJ-2型等应变直剪仪；计时器；托盘等。

1.3 试验方法

将收集的秸秆除去根部、茎秆表面泥土后，用铡草机切成小段，再用粉碎机粉碎过筛。将秸秆粉称重后放入马弗炉内密闭热解。热解工艺参数：升温速率10 ℃/min、热解温度450 ℃和保温时间1 h。热解后残炭用研钵破碎。

采用GB/T 212—2001方法测定工业分析组成，全水分采用《NY/T 1881.2—2010生物质固体成型燃料试验方法全水分》测定，堆积密度采用《NY/T 1881.6—2010生物质固体成型燃料试验方法堆积密度》测定，堆积角采用《JB/T 9014.7—1999连续输送设备散粒物料堆积角的测定》测定，摩擦系数采用《JB/T 9014.9—1999连续输送设备散装物料外摩擦系数的测定》测定，流动特性采用Carr流动性指数法评价流动性能，发热量采用《NY/T 12—1985生物质燃料发热量测试方法》测定。

2 结果与分析

2.1 物理特性

2.1.1 全水分 全水分是生物质原料能源转化利用的重要因素之一，水分在10%～25%的生物质原料易于成型。称取秸秆炭400 g测量全水分，经碳化工艺处理后，3种秸秆炭含水率均在10%左右，棉秆炭为10.125%、玉米秆炭为9.782%、稻秸炭为9.253%，均属于易于加工成型的原料。

2.1.2 堆积密度 不同秸秆炭堆积密度有一定的差异，棉秆炭为421 kg/m3，玉米秆炭为468 kg/m3， 稻秸炭为543 kg/m3。由于秸秆物料成分不同，棉秆中含有的木质素最高，热解成秸秆炭的固体剩余物较高，相对其他两种秸秆挥发分较少，棉秆炭堆积密度较其他两种秸秆炭小。

2.1.3 堆积角 不同秸秆炭静态堆积角有一定的差异。静态堆积角越大，流动性就越差。3种秸秆炭堆积角分别为棉秆炭58.16°、玉米秆炭59.83°、稻秸炭61.45°，都属于流动性较差的物料。

2.1.4 摩擦系数 外摩擦系数对摩擦、磨损机理的研究和秸秆炭加工设备的选用均有参考价值。由表1可知，3种秸秆炭的最大静摩擦系数均大于滑动摩擦系数，与金属的摩擦系数小于与橡胶的摩擦系数。

2.1.5 流动特性 3种秸秆炭的静态堆积角在58.16°～61.45°，均属于流动性较差的原料。采用Carr流动性指数法评价其流动性能。Carr指数法采用堆积角、压缩率、板勺角、均匀度来评价原料的流动性[15]。流动性指数范围在69～76之间，属于流动性一般的材料。结果可知，3种秸秆炭的的流动性指数为棉秆炭69.1、玉米秆炭75.2、稻秸炭71.6。

2.2 化学特性

研究秸秆炭的发热量和工业分析，都以秸秆炭的干燥基为基准。

2.2.1 发热量 生物质原料能源化利用的重要评价指标之一是发热量，3种秸秆炭的发热量分别为棉秆炭26.53 MJ/kg、玉米秆炭24.62 MJ/kg，稻秸炭23.27 MJ/kg。3种秸秆炭的发热量有一定的差异，以棉秆炭的最高，稻秸炭的发热量最低。

2.2.2 工业分析 工业分析包括：水分、灰分、挥发分和固定炭含量。在3种秸秆炭中，稻秸炭的灰分含量最高（12.65%）；玉米秆炭的挥发分最高（31.87%）；棉秆炭的固定炭含量最高（65%），这可能和工艺条件有关。秸秆炭可根据不同秸秆原料，选择合适的碳化工艺，提高固定炭含量。

3 小结

本试验结果表明，棉秆炭、玉米秆炭和稻秸炭的物理特性和化学特性各有差异，含水率均在10%左右，易于加工成型；堆积密度以稻秸炭最大，玉米秆炭次之，棉秆炭最小；3种秸秆炭的堆积角较大，属于流动性较差的物料；不同种类的秸秆炭最大静摩擦系数均大于滑动摩擦系数，与金属的摩擦系数小于与橡胶的摩擦系数，外摩擦系数以棉秆炭最大，玉米秆炭次之，稻秸炭最小；发热量以棉秆炭最高，稻秸炭最低；灰分以稻秸炭最高；挥发分以玉米秆炭最高；棉秆炭中的固定炭含量最高。

在加工生产过程中，建议针对不同秸秆炭要充分考虑原料自身特点，优化碳化工艺参数，设计合理的碳化、加工秸秆炭设备。本研究仅选择了3种秸秆炭进行研究，材料较少。在今后的研究中，要选择更多的秸秆炭种类进行分析，从而为大规模工业化生产的秸秆炭提供理论依据。

参考文献：

[1] 田宜水，姚宗路，欧阳双平，等.切碎农作物秸秆理化特性试验[J].农业机械学报，2011，42（9）：124-128，145.

[2] 姚宗路，赵立欣，RONNBACK M，等.生物质颗粒燃料特性及其对燃烧的影响分析[J].农业机械学报，2010，41（10）：97-102.

[3] 张桂花，汤楚宙，熊远福，等.包衣稻种物理特性的测量及其应用[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2004，30（1）：68-70.

[4] 郭 胜，赵淑红，杨悦乾，等.除芒稻种摩擦特性测量[J].东北农业大学学报，2010，41（7）：118-121.

[5] 谢晓旭.煤粉流动特性试验研究[D].南京：东南大学，2007.

[6] MOLENDA M， THOMPSON S A， ROSS L J. Friction of wheat on corrugated and smooth galvanized steel surfaces[J]. Journal of Agricultural Engineering Research， 2000， 77（2）： 209-219.

[7] SUBRAMANIAN S， VISWANATHAN R. Bulk density and friction coefficients of selected minor millet grains and flours[J]. Journal of Food Engineering， 2007， 81（1）： 118-126.

[8] SINGH K K， GOSWAMI T K. Mechanical properties of cumin seed （Cuminum cyminum Linn.） under compressive loading[J]. Journal of Food Engineering， 1998，36（3）：311-321.

[9] ROSENTRATER K A， RICHARD T L， BERN C J， et al. Economic simulation modeling of reprocessing alternatives for cornmesa byproducts[J]. Resources， Conservation and Recycling， 2003， 39（4）： 341-367.

[10] 孟海波，韩鲁佳.秸秆物料的特性及其加工利用研究现状与应用前景[J].中国农业大学学报，2003，8（6）：38-41.

[11] 霍丽丽，田宜水，赵立欣，等.农作物秸秆原料物理特性及测试方法研究[J].可再生能源，2011，29（6）：86-92.

[12] 田宜水，赵立欣，孙丽英，等.农业生物质能资源分析与评价[J]. 中国工程科学，2011，13（2）：24-28.

[13] 李永军，何 芳，柏雪源，等.颗粒和粉体混合物沿斜滑道的滑动摩擦系数[J].山东理工大学学报（自然科学版），2003，17（4）：10-12.

[14] 盛奎川，吴 杰.生物质成型燃料的物理品质和成型机理的研究进展[J].农业工程学报，2004，20（2）：242-245.

[15] 张 鹏.卡尔指数法在评价煤粉粉体特征中的应用[J].中国粉体技术，2000，6（5）：33-36.

2 结果与分析

2.1 物理特性

2.1.1 全水分 全水分是生物质原料能源转化利用的重要因素之一，水分在10%～25%的生物质原料易于成型。称取秸秆炭400 g测量全水分，经碳化工艺处理后，3种秸秆炭含水率均在10%左右，棉秆炭为10.125%、玉米秆炭为9.782%、稻秸炭为9.253%，均属于易于加工成型的原料。

2.1.2 堆积密度 不同秸秆炭堆积密度有一定的差异，棉秆炭为421 kg/m3，玉米秆炭为468 kg/m3， 稻秸炭为543 kg/m3。由于秸秆物料成分不同，棉秆中含有的木质素最高，热解成秸秆炭的固体剩余物较高，相对其他两种秸秆挥发分较少，棉秆炭堆积密度较其他两种秸秆炭小。

2.1.3 堆积角 不同秸秆炭静态堆积角有一定的差异。静态堆积角越大，流动性就越差。3种秸秆炭堆积角分别为棉秆炭58.16°、玉米秆炭59.83°、稻秸炭61.45°，都属于流动性较差的物料。

2.1.4 摩擦系数 外摩擦系数对摩擦、磨损机理的研究和秸秆炭加工设备的选用均有参考价值。由表1可知，3种秸秆炭的最大静摩擦系数均大于滑动摩擦系数，与金属的摩擦系数小于与橡胶的摩擦系数。

2.1.5 流动特性 3种秸秆炭的静态堆积角在58.16°～61.45°，均属于流动性较差的原料。采用Carr流动性指数法评价其流动性能。Carr指数法采用堆积角、压缩率、板勺角、均匀度来评价原料的流动性[15]。流动性指数范围在69～76之间，属于流动性一般的材料。结果可知，3种秸秆炭的的流动性指数为棉秆炭69.1、玉米秆炭75.2、稻秸炭71.6。

2.2 化学特性

研究秸秆炭的发热量和工业分析，都以秸秆炭的干燥基为基准。

2.2.1 发热量 生物质原料能源化利用的重要评价指标之一是发热量，3种秸秆炭的发热量分别为棉秆炭26.53 MJ/kg、玉米秆炭24.62 MJ/kg，稻秸炭23.27 MJ/kg。3种秸秆炭的发热量有一定的差异，以棉秆炭的最高，稻秸炭的发热量最低。

2.2.2 工业分析 工业分析包括：水分、灰分、挥发分和固定炭含量。在3种秸秆炭中，稻秸炭的灰分含量最高（12.65%）；玉米秆炭的挥发分最高（31.87%）；棉秆炭的固定炭含量最高（65%），这可能和工艺条件有关。秸秆炭可根据不同秸秆原料，选择合适的碳化工艺，提高固定炭含量。

3 小结

本试验结果表明，棉秆炭、玉米秆炭和稻秸炭的物理特性和化学特性各有差异，含水率均在10%左右，易于加工成型；堆积密度以稻秸炭最大，玉米秆炭次之，棉秆炭最小；3种秸秆炭的堆积角较大，属于流动性较差的物料；不同种类的秸秆炭最大静摩擦系数均大于滑动摩擦系数，与金属的摩擦系数小于与橡胶的摩擦系数，外摩擦系数以棉秆炭最大，玉米秆炭次之，稻秸炭最小；发热量以棉秆炭最高，稻秸炭最低；灰分以稻秸炭最高；挥发分以玉米秆炭最高；棉秆炭中的固定炭含量最高。

在加工生产过程中，建议针对不同秸秆炭要充分考虑原料自身特点，优化碳化工艺参数，设计合理的碳化、加工秸秆炭设备。本研究仅选择了3种秸秆炭进行研究，材料较少。在今后的研究中，要选择更多的秸秆炭种类进行分析，从而为大规模工业化生产的秸秆炭提供理论依据。

参考文献：

[1] 田宜水，姚宗路，欧阳双平，等.切碎农作物秸秆理化特性试验[J].农业机械学报，2011，42（9）：124-128，145.

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[3] 张桂花，汤楚宙，熊远福，等.包衣稻种物理特性的测量及其应用[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2004，30（1）：68-70.

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[7] SUBRAMANIAN S， VISWANATHAN R. Bulk density and friction coefficients of selected minor millet grains and flours[J]. Journal of Food Engineering， 2007， 81（1）： 118-126.

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[9] ROSENTRATER K A， RICHARD T L， BERN C J， et al. Economic simulation modeling of reprocessing alternatives for cornmesa byproducts[J]. Resources， Conservation and Recycling， 2003， 39（4）： 341-367.

[10] 孟海波，韩鲁佳.秸秆物料的特性及其加工利用研究现状与应用前景[J].中国农业大学学报，2003，8（6）：38-41.

[11] 霍丽丽，田宜水，赵立欣，等.农作物秸秆原料物理特性及测试方法研究[J].可再生能源，2011，29（6）：86-92.

[12] 田宜水，赵立欣，孙丽英，等.农业生物质能资源分析与评价[J]. 中国工程科学，2011，13（2）：24-28.

[13] 李永军，何 芳，柏雪源，等.颗粒和粉体混合物沿斜滑道的滑动摩擦系数[J].山东理工大学学报（自然科学版），2003，17（4）：10-12.

[14] 盛奎川，吴 杰.生物质成型燃料的物理品质和成型机理的研究进展[J].农业工程学报，2004，20（2）：242-245.

[15] 张 鹏.卡尔指数法在评价煤粉粉体特征中的应用[J].中国粉体技术，2000，6（5）：33-36.

2 结果与分析

2.1 物理特性

2.1.1 全水分 全水分是生物质原料能源转化利用的重要因素之一，水分在10%～25%的生物质原料易于成型。称取秸秆炭400 g测量全水分，经碳化工艺处理后，3种秸秆炭含水率均在10%左右，棉秆炭为10.125%、玉米秆炭为9.782%、稻秸炭为9.253%，均属于易于加工成型的原料。

2.1.2 堆积密度 不同秸秆炭堆积密度有一定的差异，棉秆炭为421 kg/m3，玉米秆炭为468 kg/m3， 稻秸炭为543 kg/m3。由于秸秆物料成分不同，棉秆中含有的木质素最高，热解成秸秆炭的固体剩余物较高，相对其他两种秸秆挥发分较少，棉秆炭堆积密度较其他两种秸秆炭小。

2.1.3 堆积角 不同秸秆炭静态堆积角有一定的差异。静态堆积角越大，流动性就越差。3种秸秆炭堆积角分别为棉秆炭58.16°、玉米秆炭59.83°、稻秸炭61.45°，都属于流动性较差的物料。

2.1.4 摩擦系数 外摩擦系数对摩擦、磨损机理的研究和秸秆炭加工设备的选用均有参考价值。由表1可知，3种秸秆炭的最大静摩擦系数均大于滑动摩擦系数，与金属的摩擦系数小于与橡胶的摩擦系数。

2.1.5 流动特性 3种秸秆炭的静态堆积角在58.16°～61.45°，均属于流动性较差的原料。采用Carr流动性指数法评价其流动性能。Carr指数法采用堆积角、压缩率、板勺角、均匀度来评价原料的流动性[15]。流动性指数范围在69～76之间，属于流动性一般的材料。结果可知，3种秸秆炭的的流动性指数为棉秆炭69.1、玉米秆炭75.2、稻秸炭71.6。

2.2 化学特性

研究秸秆炭的发热量和工业分析，都以秸秆炭的干燥基为基准。

2.2.1 发热量 生物质原料能源化利用的重要评价指标之一是发热量，3种秸秆炭的发热量分别为棉秆炭26.53 MJ/kg、玉米秆炭24.62 MJ/kg，稻秸炭23.27 MJ/kg。3种秸秆炭的发热量有一定的差异，以棉秆炭的最高，稻秸炭的发热量最低。

2.2.2 工业分析 工业分析包括：水分、灰分、挥发分和固定炭含量。在3种秸秆炭中，稻秸炭的灰分含量最高（12.65%）；玉米秆炭的挥发分最高（31.87%）；棉秆炭的固定炭含量最高（65%），这可能和工艺条件有关。秸秆炭可根据不同秸秆原料，选择合适的碳化工艺，提高固定炭含量。

3 小结

本试验结果表明，棉秆炭、玉米秆炭和稻秸炭的物理特性和化学特性各有差异，含水率均在10%左右，易于加工成型；堆积密度以稻秸炭最大，玉米秆炭次之，棉秆炭最小；3种秸秆炭的堆积角较大，属于流动性较差的物料；不同种类的秸秆炭最大静摩擦系数均大于滑动摩擦系数，与金属的摩擦系数小于与橡胶的摩擦系数，外摩擦系数以棉秆炭最大，玉米秆炭次之，稻秸炭最小；发热量以棉秆炭最高，稻秸炭最低；灰分以稻秸炭最高；挥发分以玉米秆炭最高；棉秆炭中的固定炭含量最高。

在加工生产过程中，建议针对不同秸秆炭要充分考虑原料自身特点，优化碳化工艺参数，设计合理的碳化、加工秸秆炭设备。本研究仅选择了3种秸秆炭进行研究，材料较少。在今后的研究中，要选择更多的秸秆炭种类进行分析，从而为大规模工业化生产的秸秆炭提供理论依据。

参考文献：

[1] 田宜水，姚宗路，欧阳双平，等.切碎农作物秸秆理化特性试验[J].农业机械学报，2011，42（9）：124-128，145.

[2] 姚宗路，赵立欣，RONNBACK M，等.生物质颗粒燃料特性及其对燃烧的影响分析[J].农业机械学报，2010，41（10）：97-102.

[3] 张桂花，汤楚宙，熊远福，等.包衣稻种物理特性的测量及其应用[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2004，30（1）：68-70.

[4] 郭 胜，赵淑红，杨悦乾，等.除芒稻种摩擦特性测量[J].东北农业大学学报，2010，41（7）：118-121.

[5] 谢晓旭.煤粉流动特性试验研究[D].南京：东南大学，2007.

[6] MOLENDA M， THOMPSON S A， ROSS L J. Friction of wheat on corrugated and smooth galvanized steel surfaces[J]. Journal of Agricultural Engineering Research， 2000， 77（2）： 209-219.

[7] SUBRAMANIAN S， VISWANATHAN R. Bulk density and friction coefficients of selected minor millet grains and flours[J]. Journal of Food Engineering， 2007， 81（1）： 118-126.

[8] SINGH K K， GOSWAMI T K. Mechanical properties of cumin seed （Cuminum cyminum Linn.） under compressive loading[J]. Journal of Food Engineering， 1998，36（3）：311-321.

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[10] 孟海波，韩鲁佳.秸秆物料的特性及其加工利用研究现状与应用前景[J].中国农业大学学报，2003，8（6）：38-41.

[11] 霍丽丽，田宜水，赵立欣，等.农作物秸秆原料物理特性及测试方法研究[J].可再生能源，2011，29（6）：86-92.

[12] 田宜水，赵立欣，孙丽英，等.农业生物质能资源分析与评价[J]. 中国工程科学，2011，13（2）：24-28.

[13] 李永军，何 芳，柏雪源，等.颗粒和粉体混合物沿斜滑道的滑动摩擦系数[J].山东理工大学学报（自然科学版），2003，17（4）：10-12.

[14] 盛奎川，吴 杰.生物质成型燃料的物理品质和成型机理的研究进展[J].农业工程学报，2004，20（2）：242-245.

[15] 张 鹏.卡尔指数法在评价煤粉粉体特征中的应用[J].中国粉体技术，2000，6（5）：33-36.