CN104194811B - 一种炭粉制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种炭粉制作方法，具体工艺步骤包括原料→烘干→粉碎→炭化→粉碎→包装，其中炭化步骤采用分段炭化的方式分三段进行炭化，第一段温度为200℃‑250℃，第二段温度为250℃‑300℃，第三段温度为300℃‑400℃，炭化时间为10min～30min；本发明的方法根据不同原料设定每一阶段的炭化温度以及炭化时间，提高炭化均匀度，针对不同原料，能够在最适合的温度时间下达到高出炭粉率，高质量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及炭粉生产领域，特别是涉及一种能够有效提高出炭粉率以及出炭粉质量的炭粉制作方法。
背景技术
我国是一个农业大国，秸秆资源十分丰富，每年产生的农作物秸秆总量超过6亿吨，其中可以作为能源利用的在3亿吨以上。近年来，随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，大部分农村地区把煤炭、液化气等常规能源作为炊事取暖用能的首选，大量的剩余秸秆被遗弃在田间地头付之一炬，既浪费资源又污染环境。根据国家高科技农业循环产业发展中心(简称“CHCF”)提出的生物质综合利用及联合国粮农组织对各国发展生物物质能源提出要求，即能源替代和环境保护，如何有效利用农作物秸秆成为能源与环境领域争论的热点话题。因此，研究农作物秸秆资源化及合理开发利用技术，具有重要的现实意义。
秸秆即农作物的茎杆，在农业生产过程中，收获了农作物的经济产量后，残留下来的不能食用的根、茎、叶等废弃物统称为秸秆。广义上讲农作物秸秆不仅仅是农业生产过程中的废弃物，还包括农产品产加工过程中的副产品，如红麻、苎麻收获韧皮纤维后的茎秆，玉米有秸秆与玉米芯等。秸秆是一种具有多用途的可以再生生物资源，农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中。其化学成分主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成，秸秆以往利用有：秸秆肥料化利用，秸秆饲料化利用，秸秆基料化利用(栽培食用菌)，秸秆原料化利用，秸秆燃料化利用。
据查阅相关资料，利用秸秆可以加工生产炭粉，炭粉用途广泛，应用于工业、农业、医药、家庭等多个领域，如用于烟花鞭炮的火药、炸药、蚊香助燃剂等，其中烟花鞭炮火药的炭粉对炭粉的质量要求较高，因而用途不同而对炭粉的质量要求也不同，销售价格也不同，而且销售价格也相差较大，炭粉质量主要体现在比重、含炭量、目数，炭粉的目数是原料炭化后用粉碎机粉碎就能够达到要求的细度，目前我国利用秸秆生产炭粉极少，也很少见到相关的研究报道，现有亚麻秆炭粉与杉木屑炭粉用于烟花鞭炮的火药、炸药上。
现有炭粉均采用间歇闷烧式炭化工艺生产，具体为从原料到烘干、堆积、闷烧、粉碎，最后包装；这种工艺类似于现在烧木炭方法，即将炭化原料堆积在砖砌炭化炉内，燃烧至一定程度，与空气隔绝，形成缺氧闷烧，这种方法的优点是操作简单，投入少，其缺点是炭化不均匀，有的原料烧过头了就成灰分，有的原料还未炭化好，因而出炭粉率低，并且烧一炉清理一炉，不能连续作业，工效低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效提高出炭粉率以及出炭粉质量的炭粉制作方法。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种炭粉制作方法，其创新点在于：制备步骤如下：
(1)将原料投入烘干机烘干，使原料含水率为8％～12％；
(2)将烘干后的原料切碎至粒径为0.5cm～5cm之间的颗粒；
(3)将粉碎后的原料投入三段式炭化炉内加热10min～30min；三段式炭化炉的第一段温度为200℃～250℃，第二段温度为250℃～300℃，第三段温度为300℃～400℃；
(4)将上步经三段式炭化炉产生的炭粉进行粉碎处理，使其细度达到100～150目。
在此基础上，三段式炭化炉的轴线相对于水平面的倾角为0°～10°，三段式炭化炉的炉壁相对轴线斜率为0.028，且三段式炭化炉由进料口至出料口依次为第一段、第二段和第三段。
在此基础上，三段式炭化炉的第一段、第二段和第三段沿轴线的长度比例为5∶7∶6。
在此基础上，步骤(3)中的原料在三段式炭化炉的三段炉体内停留时间之比为5∶7∶6。
在此基础上，三段式炭化炉的进料口高于排料口。
在此基础上，原料是亚麻秆、杉木屑、红麻秆、苎麻秆、玉米秆、木糖渣、棉花秆、花生壳、甘蔗渣、毛竹屑。
在此基础上，原料是亚麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是杉木屑时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是红麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是苎麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、270℃和400℃；原料是玉米秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为10min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、270℃和350℃；原料是木糖渣时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是棉花秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是花生壳时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是甘蔗渣时，原料在三段式炭化炉内加热时间为10min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是毛竹屑时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃。
本发明的有益效果是：加工工艺采用了“连续回转式”炭化工艺，改变了以前传统的“间歇式闷烧”炭化工艺，提高了出炭粉率，连续回转式比间歇闷烧式出炭粉率高出6～10个百分点，且由传统手工生产改变为机械化生产炭粉，并明显提高了工作效率，且旋转的三段式炉体的设计以及三段独立加热使得原料炭化均匀，提高产品质量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明：
本发明炭粉制作方法，备步骤如下：
(1)将原料投入烘干机烘干，使原料含水率为8％～12％；
(2)将烘干后的原料切碎至粒径为0.5cm～5cm之间的颗粒；
(3)将粉碎后的原料投入三段式炭化炉内加热10min～30min；三段式炭化炉的第一段温度为200℃～250℃，第二段温度为250℃～300℃，第三段温度为300℃～400℃；
(4)将上步经三段式炭化炉产生的炭粉进行粉碎处理，使其细度达到100～150目。
三段式炭化炉的轴线相对于水平面的倾角为0°～10°，三段式炭化炉的炉壁相对轴线斜率为0.028，且三段式炭化炉由进料口至出料口依次为第一段、第二段和第三段。
三段式炭化炉的第一段、第二段和第三段沿轴线的长度比例为5∶7∶6。
步骤(3)中的原料在三段式炭化炉的三段炉体内停留时间之比为5∶7∶6。
三段式炭化炉的进料口高于排料口。
原料是亚麻秆、杉木屑、红麻秆、苎麻秆、玉米秆、木糖渣、棉花秆、花生壳、甘蔗渣、毛竹屑。
原料是亚麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是杉木屑时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是红麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是苎麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、270℃和400℃；原料是玉米秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为10min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、270℃和350℃；原料是木糖渣时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是棉花秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是花生壳时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是甘蔗渣时，原料在三段式炭化炉内加热时间为10min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是毛竹屑时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃。
烟花爆竹用炭粉的质量标准主要指标为比重(表观密度)、含炭量(固态碳)、细度(目数)及水份、灰份，炭粉的细度是原料炭化后用粉碎机粉碎就能够达到要求的目数，与炭化的原料无关，而炭粉的比重与含炭量则主要取决于炭化原料与炭化过程，原料炭化加工过程中的主要因子为炭化的温度与炭化的时间(转速)，炭化温度过高，则原料炭化过头了，炭粉的含炭量降低，出炭率也低，炭化温度过低，则原料还未完全炭化，同理，炭化时间过长，则原料也炭化过头了，炭化时间过短，则原料也还未完全炭化，同时也影响比重的变化，因此本实验内容有三个方面:炭化原料、两种炭化方式、二个炭化因子。
间歇闷烧式炭化实验采用闷烧炭化实验炉，连续回转式炭化实验采用不等径连续回转式炭化炉；
炭化时间与炭化温度，炭化时间(用“T”表示)设计四个水平，即10分钟、20分钟、30分钟、40分钟，炭化温度(用“C”表示)设计三个水平，即270-320℃、300-350℃、300-400℃。按照炭化技术时间与温度关系，组合成12个实验处理组合。
表1，不同时间与温度实验处理组合
实施例1，亚麻秆炭化实验
从亚麻秆炭化实验表2得出，12个实验处理组合中，出炭粉率闷烧式实验在26.66-32.55％之间，相差5.89个百分点，回转式33.83-40.80％之间，相差6.97个百分点，回转式比闷烧式出炭粉率高出7.17-8.25个百分点，两种碳化方式均表现随着碳化温度升高与碳化时间增加出炭粉率明显逐渐减少；炭粉含炭量闷烧式在76.12-80.50％之间，回转式76.12-80.87％之间，12个实验处理组合中之间比较均表现差异不大，两种碳化方式比较也均表现差异不大，其变化也是随着碳化温度升高与碳化时间增加炭粉含炭量逐渐减少，变化在4个百分点以内；炭粉比重闷烧式在0.1303—0.1512g/cm3之间，其变化幅度为0.0209g/cm3，而回转式为0.1119—0.1562g/cm3之间，其变化幅度0.0443g/cm3，其中碳化时间20分钟为最低，闷烧式炭粉比重在0.1303—0.1314g/cm3之间,回转式炭粉比重在0.1119—0.1210g/cm3之间。
综合出炭粉率、含炭量、比重三个方面实验结果分析，亚麻秆原料12个实验处理组合两种碳化方式比较，回转式比闷烧式出炭粉率高出7-8个百分点，含炭量两种碳化方式比较均表现差异不是很大，回转式比重比闷烧式明显更小。两种炭化方式均以“T2 C2(20分钟+300～350℃)”组合最好。
表2，亚麻秆原料炭化实验
实施例2，杉木屑炭化实验
从杉木屑炭化实验表3可以看出，12个实验处理组合中，出炭粉率闷烧式实验在36.86-39.90％之间，相差3.04个百分点，回转式43.15-45.26％之间，相差1.76个百分点，回转式与闷烧式同比出炭粉率高出5.12-6.14个百分点，两种碳化方式均表现随着碳化温度升高与碳化时间增加，出炭粉率均呈现“中间高两头低”的变化；炭粉含炭量闷烧式在79.81-81.77％之间，回转式79.49-81.92％之间，12个实验处理组合中之间比较均表现差异不大，两种碳化方式比较也均表现差异不大，随着碳化温度升高与碳化时间增加，其变化规律性不是很明显，变化在2个百分点以内；炭粉比重闷烧式在0.2047—0.2382g/cm3之间，其变化幅度为0.0335g/cm3，而回转式为0.1923—0.2186g/cm3之间，其变化幅度0.0246g/cm3，其中碳化时间30分钟为最低，闷烧式炭粉比重在0.2047—0.2062g/cm3之间,回转式炭粉比重在0.1923—0.1960g/cm3之间。
综合出炭粉率、含炭量、比重三个方面实验结果分析，杉木屑原料12个实验处理组合两种碳化方式比较，回转式比闷烧式出炭粉率高出5-6个百分点，含炭量两种碳化方式比较均表现差异不是很大，回转式比重比闷烧式明显更小。两种炭化方式均以“T3 C2(30分钟+300～350℃)”组合最好。
表3，杉木屑原料炭化实验
实施例3，红麻秆炭化实验
从红麻秆炭化实验表4可以看出，12个实验处理组合中，出炭粉率闷烧式实验在24.16-29.10％之间，相差4.94个百分点，回转式33.48-38.60％之间，相差5.12个百分点，回转式与闷烧式同比出炭粉率高出9.32-9.50个百分点，两种碳化方式均表现随着碳化温度升高与碳化时间增加，出炭粉率均呈现“中间高两头低”的变化；炭粉含炭量闷烧式在81.36-85.50％之间，相差4.14个百分点，以20分钟碳化时间最高，其次为10分钟、30分钟、40分钟，回转式81.85-85.49％之间，相差3.64个百分点，以20分钟碳化时间最高，10分钟的略低，其次为30分钟、40分钟，两种碳化方式比较也均表现差异不大；炭粉比重闷烧式在0.1161—0.1490g/cm3之间，其变化幅度为0.0329g/cm3，而回转式为0.1123—0.1412g/cm3之间，其变化幅度0.0289g/cm3，其中碳化时间20分钟为最低，闷烧式炭粉比重在0.1161—0.1185g/cm3之间,回转式炭粉比重在0.1123—0.1192g/cm3之间。
综合出炭粉率、含炭量、比重三个方面实验结果分析，红麻秆原料12个实验处理组合两种碳化方式比较，回转式比闷烧式出炭粉率高出9个百分点，含炭量两种碳化方式比较均表现差异不是很大。两种炭化方式均以“T2C2(20分钟+300～350℃)”组合最好。
表4，红麻秆原料炭化实验
表5，十种炭化原料最佳炭化时间与温度的出炭粉率比重含炭量
十种原料炭化的出炭粉率比较
原料炭化的出炭粉率的高低是一个重要经济指标，直接影响到加工企业的经济效益的高低，从十种原料、两种炭化方式、两个实验因子(时间、温度)比较实验中可以看出，随着碳化温度升高与碳化时间增加，出炭粉率出现规律性变化，将十种原料炭化的出炭粉率汇总成表5，从表5可以看出，十种原料横向比较，闷烧式出炭粉率红麻秆、苎麻秆、亚麻秆、玉米秆、木糖渣五种原料在30％以内，棉花秆、花生壳、甘蔗渣、杉木屑、毛竹屑五种原料在32％以上，明显分为两个区域范围，前者五种原料为“软”质原料则出炭粉率偏低，后者五种原料相对为“硬”质原料则出炭粉率偏高；回转式出炭粉率十种原料均在34％以上，没有呈现原料“软”质与“硬”质之间的变化，但回转式比闷烧式出炭粉率高出6-10个百分点，其原因是由于连续回转式炭化炉在炭化过程中炉身旋转，原料炭化更均匀，而闷烧式炭化过程中原料不能翻动，受热不均匀。因此，实验表明，连续回转式炭化炉可以提高出炭粉率，不同原料选择合适的碳化温度与碳化时间也可以提高出炭粉率，不同原料碳化出炭粉率也不同。另外，据去袁州区原仙台一传统土窑生产杉木屑炭粉调查，其出炭粉率仅有25.0％左右。
十种原料炭化的炭粉比重比较
原料炭化的炭粉比重的大小是一个最重要的经济指标，直接影响到炭粉的销售价格的高低，炭粉比重不同其用途也不一样。从十种原料、两种炭化方式、两个实验因子(时间、温度)比较实验中可以看出，随着炭化温度升高与炭化时间增加，炭粉比重也出现规律性变化，十种原料炭化的炭粉比重汇总成表5，从表5可以看出，不同原料炭化的比重明显不同，十种原料横向比较，闷烧式炭粉比重红麻秆、苎麻秆、亚麻秆、玉米秆、甘蔗渣五种原料在0.09-0.14g/cm3之间，棉花秆、花生壳、木糖渣、杉木屑、毛竹屑五种原料在0.20-0.23g/cm3之间，也明显分为两个区域范围，前者五种原料为“软”质原料则炭粉比重明显偏低，后者五种原料相对为“硬”质原料则炭粉比重明显偏高；回转式炭粉比重十种原料也表现为红麻秆、苎麻秆、亚麻秆、玉米秆、甘蔗渣五种原料在0.08-0.13g/cm3之间，棉花秆、花生壳、木糖渣、杉木屑、毛竹屑五种原料在0.19-0.21g/cm3之间，也明显分为两个区域范围。因此，实验表明，不同炭化原料决定了炭粉比重的大小，但炭化温度与炭化时间的变化也可以适当调节炭粉比重的大小，两种炭化方式对炭粉比重影响不是很大。
十种原料炭化的炭粉含炭量比较
原料炭化的炭粉含炭量是一个较重要的经济指标，从烟花鞭炮加工企业对炭粉取样检测得知，要求含炭量在80％以上。从十种原料、两种炭化方式、两个实验因子(时间、温度)比较实验中可以看出，炭粉含炭量也出现规律性变化，十种原料炭化的炭粉含炭量汇总成表15，从表15可以看出，不同原料炭粉含炭量不一样，应与原料中的纤维素、半纤维素、木质素含量有关，仅苎麻秆、亚麻秆、玉米秆、杉木屑、甘蔗渣五种原料含炭量在78.3-81.8％之间，红麻秆、棉花秆、花生壳、木糖渣、毛竹屑五种原料在85.0％以上，看不出“软”质原料与“硬”质原料之间差异性，两种炭化方式均差异不明显。实验表明，不同炭化原料、不同炭化方式，以及炭化温度与炭化时间的变化也对炭粉含炭量有影响。
Claims (7)
1.一种炭粉制作方法，其特征在于：制备步骤如下：
(1)将原料投入烘干机烘干，使原料含水率为8％～12％；
(2)将烘干后的原料切碎至粒径为0.5cm～5cm之间的颗粒；
(3)将粉碎后的原料投入三段式炭化炉内加热10min～30min；三段式炭化炉的第一段温度为200℃～250℃，第二段温度为250℃～300℃，第三段温度为300℃～400℃；
(4)将上步经三段式炭化炉产生的炭粉进行粉碎处理，使其细度达到100～150目。
2.根据权利要求1所述的炭粉制作方法，其特征在于：三段式炭化炉的轴线相对于水平面的倾角为0°～10°，三段式炭化炉的炉壁相对轴线斜率为0.028，且三段式炭化炉由进料口至出料口依次为第一段、第二段和第三段。
3.根据权利要求2所述的炭粉制作方法，其特征在于：三段式炭化炉的第一段、第二段和第三段沿轴线的长度比例为5∶7∶6。
4.根据权利要求1所述的炭粉制作方法，其特征在于：步骤(3)中的原料在三段式炭化炉的三段炉体内停留时间之比为5∶7∶6。
5.根据权利要求1所述的炭粉制作方法，其特征在于：三段式炭化炉的进料口高于排料口。
6.根据权利要求1所述的炭粉制作方法，其特征在于：所述原料是亚麻秆、杉木屑、红麻秆、苎麻秆、玉米秆、木糖渣、棉花秆、花生壳、甘蔗渣或毛竹屑。
7.根据权利要求6所述的炭粉制作方法，其特征在于：原料是亚麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是杉木屑时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是红麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是苎麻秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为20min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、270℃和400℃；原料是玉米秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为10min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、270℃和350℃；原料是木糖渣时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是棉花秆时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和400℃；原料是花生壳时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是甘蔗渣时，原料在三段式炭化炉内加热时间为10min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃；原料是毛竹屑时，原料在三段式炭化炉内加热时间为30min，三段式炭化炉各段温度依次为250℃、300℃和350℃。
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