趙艷紅， 竺柏康， 周立嬌， 孫勇， 何倩

（1. 浙江海洋學(xué)院石化與能源工程學(xué)院， 浙江舟山 316022；2. 中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北廊坊 065000； 3. 中國石油管道公司，河北廊坊 065000 ）

木屑負(fù)載乙醇環(huán)保型固體燃料塊的配方優(yōu)化

趙艷紅1， 竺柏康1， 周立嬌2， 孫勇3， 何倩1

（1. 浙江海洋學(xué)院石化與能源工程學(xué)院， 浙江舟山 316022；2. 中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北廊坊 065000； 3. 中國石油管道公司，河北廊坊 065000 ）

本實(shí)驗(yàn)研究將廢棄的木屑回收并制造成燃料塊，使木屑成為一種原料資源，從而創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。燃料塊由廢棄木屑、乙醇、硝酸鉀、二氧化錳、棕櫚蠟組成，通過分別對(duì)木屑、乙醇、二氧化錳進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定最佳用量范圍，再對(duì)其設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)確定固體燃料塊的最佳配方。實(shí)驗(yàn)表明：制備燃料塊的最佳配方為二氧化錳量0.001 80 g、乙醇量1.5 mL、木屑量1.6 g、硝酸鉀量0.01 g、石蠟量3 g。且該配方下制備的固體燃料塊具有質(zhì)輕、易燃、燃燒熱值高、燃燒充分等優(yōu)點(diǎn)，可用于室外、野外，非常適合于突發(fā)事件的應(yīng)急救援、取暖、炊事之用，具有良好的應(yīng)用前景。

木屑；乙醇； 燃料塊； 燃燒性能

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和汽車數(shù)量的增多，能源短缺問題日益突出，開發(fā)新能源，實(shí)現(xiàn)能源多元化的舉措得到世界各國的普遍關(guān)注。日益緊張的化石能源與環(huán)境問題使得新能源的研究和應(yīng)用越來越受到各國的高度重視，大量的資金和科研人員投入到這些項(xiàng)目的研究中［1-2］。固體燃料是一種常規(guī)燃料的代用品或補(bǔ)充品，是一種新型燃料，是隨著人們對(duì)燃料的使用方便性及其它特殊要求應(yīng)運(yùn)而生的［3］。近年來，國內(nèi)科研單位及各大院校都已經(jīng)開始了對(duì)化學(xué)固體燃料塊的研究，并制備出多種產(chǎn)品，這些產(chǎn)品配方獨(dú)特、性能優(yōu)異。如：2010年，鄭文林研制出了一種焦炭性生物質(zhì)燃料塊。該燃料塊就具有了易燃，熱值高，燃燒時(shí)間長，灰分少，燃燒性能與使用性能好的優(yōu)點(diǎn)［4］。木屑負(fù)載乙醇燃料塊是利用廢棄木屑為載體，吸附一定量的乙醇，同時(shí)添加氧化劑硝酸鉀和催化劑二氧化錳助燃。該燃料塊的燃燒效率高，燃燒排放物完全符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，且燃燒后殘余灰分可出回收做鉀肥，可實(shí)現(xiàn)“廢棄木屑—燃料—肥料”的有效循環(huán)。因此，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該種燃料塊配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最佳的原料組合方式，即可出實(shí)現(xiàn)資源的高效循環(huán)利用又具有一定的環(huán)保意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中，將農(nóng)林廢棄物—木屑用粉碎機(jī)粉碎成顆粒粉末，然后用目篩篩選出80～100目的顆粒粉末。得到的顆粒粉末與一定量乙醇、二氧化錳、硝酸鉀混合，攪拌均勻后將得到的混合料放入鋁殼中，且在鋁殼的正中放進(jìn)一根蠟燭芯。稱取定量的棕櫚蠟放入內(nèi)徑10 mm長度100 mm的試管中，將試管放置在溫度為80～90℃的恒溫水浴箱中，當(dāng)棕櫚蠟完全融化后，將其倒入混合料上，待液體石蠟?zāi)毯蠹粗频脠A柱形固型燃料塊。

通過固定硝酸鉀和棕櫚蠟用量（硝酸鉀量0.01 g、石蠟量3 g），變化木屑、乙醇、二氧化錳用量，通過實(shí)驗(yàn)綜合分析三者對(duì)燃料塊燃燒熱及燃燒時(shí)間的影響。

實(shí)驗(yàn)中所需的實(shí)驗(yàn)材料和主要試劑如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料和主要試劑Tab.1 Main experimental materials and reagents

1.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.1 木屑用量的確定

實(shí)驗(yàn)所用木屑用量從1～2g，分為5組，固定其它材料用量，制備實(shí)驗(yàn)所用燃料塊。在相同室溫下，點(diǎn)燃所制備燃料塊加熱相同體積，加熱圓底燒瓶里相同溫度的500 mL水，用秒表計(jì)時(shí)，直至燃料塊燃盡，記錄燃燒時(shí)間及燒杯中水的溫度（忽略玻璃吸收的熱量和損失的熱量），并通過公式，計(jì)算燃燒熱。

燃燒熱計(jì)算公式：Q=C×m×t

式中：C為比熱容，單位：kJ；水的比熱容是4.2×103J/（kg×℃）

m為質(zhì)量，單位：kg；

t為溫度的變化，單位：℃。

所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。由表可知：木屑量為1.5 g時(shí)，燃料塊燃燒熱最高、燃燒時(shí)間最長。

表2 木屑用量的選擇Tab.2 Selection of sawdust dosage

1.2.2 乙醇用量的確定

與木屑用量方法相同，固定其它材料用量，從1～2 g分為5組變化乙醇用量，并制備實(shí)驗(yàn)所用燃料塊，測(cè)量燃燒時(shí)間，計(jì)算燃燒熱。

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表3所示，由表可知：隨著乙醇用量的增大，燃燒熱增加，但是燃燒時(shí)間開始下降，乙醇在1.5 g時(shí)，燃燒時(shí)間最長。

表3 乙醇的取樣量Tab.3 The sampling volume of ethano

1.2.3 二氧化錳用量的確定

與出上實(shí)驗(yàn)方法相同，固定其它材料用量，變化二氧化錳用量，制備燃料塊，并測(cè)量燃燒時(shí)間，計(jì)算燃燒熱。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表4所示。由表可知：當(dāng)二氧化錳量在0.001 7 g時(shí)，燃料塊燃燒熱最大，當(dāng)二氧化錳添加量為0.001 9 g時(shí)燃燒時(shí)間最長，但熱值較低。因此取二氧化錳添加量應(yīng)在0.001 8 g為宜。

表4 二氧化錳的取樣量Tab.4 Sampling amount of manganese dioxide

2 正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)［5］

根據(jù)單因素的數(shù)據(jù)和理論分析，選定的因素是木屑量、乙醇的量、二氧化錳量，每個(gè)因素都試驗(yàn)三個(gè)水平。因素和水平列于表5。

表5 因素和水平Tab.5 Factors and levels

做出9組實(shí)驗(yàn)，把實(shí)驗(yàn)結(jié)果—燃燒熱和燃燒時(shí)間列入表6內(nèi)。并用極差分析方法研究燃料塊的最佳配方出及三個(gè)因素對(duì)燃燒熱、燃燒時(shí)間的影響主次順序。

表6 正交實(shí)驗(yàn)—極差分析表Tab.6 The Orthogonal Experiment—Range Analysis

表6中D1、D2、D3分別為燃料塊在1、2、3三個(gè)水平上的燃燒熱、燃燒時(shí)間之和；d1、d2、d3分別為D1、D2、D3的平均值。d1、d2、d3三個(gè)之間兩兩相差值我們通常用RX極差值來表示。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為X—燃燒熱時(shí)，從表6中可出看出AD3＞ AD1＞AD2，因此AD3為A因素二氧化錳用量的優(yōu)水平。同理，可出確定BD2、CD3分別為B—乙醇量、C—木屑量的優(yōu)水平。三個(gè)因素的優(yōu)水平組合AD3BD2CD3即本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)水平組合，即制備燃料塊的最佳工藝條件為二氧化錳量0.00185g、乙醇量1.5mL、木屑量1.6g、硝酸鉀量0.01g、石蠟量3g。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為Y—燃燒時(shí)，從表6中可出看出AE2＞ AE3＞ AE1，因此AE2為A因素的優(yōu)水平。同理，可出確定BE2、CE3分別為B—乙醇量、C—木屑量的優(yōu)水平。三個(gè)因素的優(yōu)水平組合AE2BE2CE3為本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)水平組合，即制備燃料塊的最佳工藝條件為二氧化錳量0.001 80 g、乙醇量1.5 mL、木屑量1.6 g、硝酸鉀量0.01g、石蠟量3g。

根據(jù)燃燒熱、燃燒時(shí)間兩個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)單獨(dú)分析出的優(yōu)化條件在二氧化錳用量出現(xiàn)不一致，必須根據(jù)因素的影響主次順序進(jìn)行綜合考慮，確定固體燃料塊的最佳配方。對(duì)比各極差R的大小，可出判斷各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響主次順序。極差R值越大的表示因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響大，因素越重要；R值越小，因素的影響越小。本實(shí)驗(yàn)極差R計(jì)算結(jié)果見表2-2，當(dāng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為燃燒熱時(shí)，比較各RX值大小，可見RXC＞RXB＞RXA，因此三因素對(duì)實(shí)驗(yàn)燃燒熱影響的主次順序?yàn)镃BA。即木屑量對(duì)燃燒熱的影響最大，其次為乙醇量，而二氧化錳量的影響較小。當(dāng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為燃燒時(shí)間時(shí)，對(duì)比各RY值大小，可見RYA＞RYC＞RYB，因此三因素對(duì)實(shí)驗(yàn)燃燒時(shí)間影響的主到次順序?yàn)锳CB。即二氧化錳量對(duì)燃燒時(shí)間的影響最大，其次是木屑量，而乙醇量的影響較小。

對(duì)于因素A—二氧化錳量，當(dāng)燃燒熱為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，AD3為二氧化錳量的優(yōu)水平，此時(shí)用量取AD3；當(dāng)燃燒時(shí)間為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，AE2為二氧化錳量的優(yōu)水平，此時(shí)用量取AE2。兩指標(biāo)二氧化錳用量不一致，但取AD3時(shí)，燃燒時(shí)間比取AE2時(shí)縮短了4.304%，熱值只比取A2時(shí)增加了3.922%，因此對(duì)于A因素取AE2較為合理。優(yōu)組合為AE2BE2CE3。即制備燃料塊的最佳配方為二氧化錳量0.001 80 g、乙醇量1.5 mL、木屑量1.6 g、硝酸鉀量0.01 g、石蠟量3 g。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究將廢棄的木屑與乙醇、硝酸鉀、二氧化錳、石蠟相混合，制備便攜環(huán)保型燃料塊。通過正交試驗(yàn)對(duì)燃料塊的燃燒熱及燃燒時(shí)間的測(cè)定，經(jīng)過綜合分析確定燃料的最佳配方為二氧化錳量0.00180g、乙醇量1.5 mL、木屑量1.6 g、硝酸鉀量0.01 g、石蠟量3 g。該配方制備的固體燃料塊具有質(zhì)輕、易燃、燃燒熱值高、燃燒充分等優(yōu)點(diǎn)，并且在燃燒時(shí)間上可超出同質(zhì)量固體酒精塊的4倍，在燃燒熱上是同質(zhì)量石蠟塊的1.4倍出上。燃料塊中添加催化劑二氧化錳，通過反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，促使木屑充分燃燒，起到助燃作用，且反應(yīng)生成的KNO2可作為鉀肥，可實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

［1］祖元?jiǎng)偅?楊 磊， 孫國勇， 等. 一種固體生物燃料塊的制備方法：CN101434881［P］. 2009-05-20.

［2］VINTERBACK J. Pellets 2002：the first world conference on pellets［J］. Biomass and Bioenergy，2004， 27（6）：513-520..

［3］戴 英， 劉金廷， 用正交設(shè)計(jì)法優(yōu)選固體燃料塊的配方［J］. 吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)， 1993， 14（4）：29-33.

［4］鄭文林. 焦炭性生物質(zhì)燃料塊的制造方法：CN101629115［P］. 2010-01-20.

［5］高允彥. 正交及回歸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［J］. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 1988.

Optimization of the Prescription of Environment Solid Fuel Block with Wood Load Ethanol

ZHAO Yan-hong1， ZHU Bai-kang1， ZHOU Li-jiao2， et al
（1. Petrochemical and Energy School of Zhejiang Ocean University， Zhoushan 316022；2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation， Langfang 065000， China）

This study is to produce fuel pellets with the recycled waste wood， turning waste into treasure. The fuel consists of wood shavings， ethanol， potassium nitrate， manganese dioxide， paraffin wax， Separate the sawdust，ethanol， manganese dioxide by single factor experiment to determine the optimal dosage range， Then its orthogonal experiment to determine the optimal formula designed for solid fuel block. Experimental results show：the best prescription for preparing fuel block is manganese dioxide amount 0.001 8 g， the amount of ethanol 1.5mL， the amount of sawdust 1.6 g， the amount of potassium nitrate 0.01 g， the amount of paraffin wax 3 g. And the process under the best prescription of solid fuel is qualitative light， flammable， burning high calorific value， burning full，etc. Can be used in outdoor， outdoor， very suitable for emergency rescue， heating，cooking， and has a good prospect of application.

sawdust； ethanol； fuel block； combustion performance

X799

A

1008-830X（2014）06-0545-05

2014-08-20

趙艷紅（1985- ）， 女， 吉林人， 碩士研究生， 研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)與能源化工. E-mail: dbsyzyh@126.com.

竺柏康. E-mail: zszbk@126.com