专利名称：一种机制木炭的制备方法及其机制木炭的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种专用于特殊形式的固态原物料的干馏方法，特别涉及一种用含纤维素物料制备机制木炭的方法和制备的机制木炭。
背景技术：
机制木炭(machine-made charcoal)，又名机制炭，薪棒、人造炭、再生炭、无烟清洁炭，棒炭原料来源广泛，稻壳、花生壳、棉壳、玉米芯、玉米杆、高粱杆等皆可用作原料生产棒炭，以锯末、刨花、竹屑为最佳。由于机制木炭无烟以及无味和无毒，已经被广泛用于家庭取暖，烧烤食品；在工业领域，可作为工业原料，深加工成活性炭等。因机制木炭密度大，热值高，无烟、无味、无污染、不爆炸、易燃，是国际上公认的绿色环保产品。制备机制木炭的方法是以木屑(锯末)等为原料，经烘干炉烘干成干湿度适当的标准原材料，冷却后进入成型机(制棒机)，再经高温，高压塑化后制成薪棒(半成品)，然后再经炭化炉炭化而成。使用挤压成型设备的目的是使含一定水分的原料成型，以利于后期的炭化或直接用于作为薪棒燃料，因此原料的含水量以及原料的组成是决定挤压温度的决定因素。机制木炭的制造主要是利用原料的纤维素和木质素这些含碳的成分制作的，从原料的结构成分看，决定其能否成为理想的机制木炭原料的因素有两个纤维素搭结的好坏和木质素含量的多少。纤维素搭结的好坏直接影响成型棒的密度和机械强度，而木质素含量则确定了成品的最高含碳量。利用的纤维素和木质素化学成分是属于碳水化合物的范畴，分子水平上含很多的亲水基团如构成其基本单位的葡萄糖，含很多的羟基，这些亲水基团亲和很多的水分子，在挤压的过程中，若温度过低，木质素不能有效地软化增加粘度，不利于高压成型，水分不能有效排出，挤压出来的薪棒呈弯曲状，或不成型，影响后续的炭化以及固定碳的得率；若温度过高，木质素软化过快，出棒速度快，薪棒不结实，水分就会快速蒸发变成水蒸气，脱离这些亲水基团，从而使得薪棒爆裂，这是薪棒强烈失水的表示形式， 薪棒爆裂或出现断裂的纹路，不利于后期的炭化，同时挤压温度过高，也影响产品的成本， 以及对成型机的条件要求。因此，挤压塑化成薪棒的过程中，原料的含水量、挤压的温度是机制木炭制作过程中关键的2个参数。原料的组成影响了含水量以及挤压温度的选择。板栗(Castanea mollissima)，又名栗、中国板栗，是壳斗科栗属的植物，是我国特有的优良干果树种，其果实栗子由板栗外蓬和板栗壳包裹。板栗果实在加工和使用时需去除外蓬和内壳，因此产生大量的废弃物一一板栗外蓬和板栗壳。长期以来，板栗外蓬和板栗壳均作为农林废弃物处理，既污染环境又浪费资源。我国板栗资源丰富，栽培历史悠久，约有三千年左右。我国板栗目前栽培面积约 1000万亩，占世界栗子产量的60%，为世界产栗大国。但板栗采收和深加工过程中，产生的大量的板栗外蓬和板栗壳废弃物，目前只有极少量用于农户辅助燃料，其主要的处理方式是焚烧和就地丢弃。因此，利用板栗外蓬和壳做为原料，生产具有高热量值的机制木炭，使副产物得到充分利用，变废为宝，生产高附加值的产品，将资源优势转化成经济优势，既增添了机制木炭原料种类，又缓解了环境净化的压力，具有重大的经济价值和社会价值。
为了保护环境，走可持续发展经济，适应现代绿色经济发展的要求，对板栗苞和板栗壳的研究也日益增多，以含有纤维素和木质素的板栗外蓬和板栗壳为原料制备机制木炭，因为板栗外蓬的纤维素和木质素含量高，而板栗壳除含有纤维素、木质素之外还含有大量的油脂，混合后的板栗外蓬和板栗壳原料在挤压过程中的温度过高，会导致油脂高温降解，同时也由于油脂散热慢，会加速薪棒的爆裂，出现明显的爆裂纹路。目前的研究主要有如下研究杨志斌等人利用板栗苞与木屑和木材加工剩余物制备机制木炭，该研究使用的机制炭原料是碳含量高的板栗外苞、木屑和木材加工剩余物，对碳含量低的板栗内壳没有加以利用，而且该方法制备的机制炭的得率低。该研究利用了含碳量高的板栗外苞和木屑以及其他的木材加工剩余物，其所利用的原料的含碳量高，而对含碳量低、在板栗加工过程中量多、对环境更易造成污染的更为重要的原料板栗壳没有任何利用。申请号为200510018119. 2的发明专利申请公开了一种利用板栗生产加工过程中的废弃物一一板栗苞和板栗壳制作成的固型炭及其制作方法。该方法以板栗苞和板栗壳为原料，经粉碎、干燥、挤压成型和炭化处理后成固型炭，其中板栗壳在原料中所占的配比按重量计为0 20 %，其余原料为板栗苞。该制作方法虽然使用了板栗壳，但是其使用的原料中占板栗废弃物中大部分的板栗壳的使用率低，仅占0-20%，而且薪棒制作步骤中原料含水率高，制成的薪棒不成型，容易弯曲；挤压成型温度高，容易导致薪棒被挤压出挤压成型机后爆裂，或出现爆裂的纹路，影响后续炭化，影响产品成本。专利号为ZL 200510019119. 4的发明专利公开了一种以板栗壳为原料制备活性炭的方法，该方法先将板栗壳清除尘土杂物，在105 140°C烘干，粉碎成粒度为< 0. 053mm 的细粉，与浓度为0. 15 0. 45mol氯化锌水溶液混合均勻，制成直径4 5mm的粒状，或者制成规格的球状粒，干燥脱除水份后，移入炭化炉中，在温度380 680°C且隔氧条件下炭化200 240分钟，然后转入竖式活化炉，在温度550 650°C，压力0. 08 0. 15MPa的气流中活化30-45分钟，活化产物用pH 2 2. 5、温度85 95°C的HCl水溶液洗涤脱锌，再固-液分离，并加水洗净至中性。固体物料干燥脱水，最后粉碎分级，即得到破碎粒活性炭、 粉状活性炭或球状活性炭。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题提供一种新型、简单的机制木炭的制备方法。本发明充分利用农林废弃物----板栗外蓬和内壳为原料，利于环境保护，为制备机制木炭提供了新原料来源，本发明方法制备工艺简单易行，生产成本低，本发明制备的机制木炭产品得率高，固定碳含量高，发热量高，符合国家标准GB/T17664-1999阔叶木炭的标准要求，适宜工业化生产。为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种机制木炭的制备方法，包括如下顺序进行的步骤1)将板栗外蓬和板栗壳干燥至含水率为11-15%后进行粉碎，制成板栗外蓬碎片和板栗壳碎片；2)将板栗外蓬碎片和板栗壳碎片混合均勻后，进行挤压成型处理，制成板栗蓬壳薪棒；
3)将板栗蓬壳薪棒置于炭化炉内进行炭化处理。其中，步骤1)中所述的含水率优选为13-15%。特别是，步骤1)中所述板栗外蓬碎片和板栗壳碎片的长度为10_20mm，优选为 15-20mmo其中，步骤幻中所述板栗外蓬碎片与板栗壳碎片的重量份配比为6-8 2-4，优选为 6-7 3-4。特别是，步骤2)中所述粉碎的板栗外蓬和板栗壳在温度为160-180°C条件下挤压成型，制成所述的板栗蓬壳薪棒。尤其是，板栗蓬壳薪棒的密度为1. 1-1. 4g/cm3，优选为1. 2-1. 3g/cm3。其中，步骤幻中所述炭化反应处理包括如下顺序进行的步骤A)干燥阶段炭化炉内温度以1_3°C /min的升温速率从室温升高到150°C，然后炭化炉内的温度保持为150°C，其中升温和温度保持为150°C的时间为4- ，对炭化炉内的板栗蓬壳薪棒进行干燥；B)预炭化阶段炭化炉内温度以1_3°C /min的升温速率从150°C升高到280°C，然后炭化炉内的温度保持为280°C，其中升温和温度保持为280°C的时间为9-10h，对炭化炉内的板栗蓬壳薪棒进行预炭化；C)炭化烧结阶段炭化炉内温度以1_3°C /min的升温速率从升高到500-600°C，然后炭化炉内的温度保持为500-600°C，其中升温和温度保持为500-600°C的时间为4_8h，对炭化炉内的
板栗蓬壳薪棒进行炭化烧结。特别是，干燥阶段的升温速率优选为1°C /min ；预炭化阶段、炭化烧结阶段的升温速率优选为2-3°C /min。特别是，步骤C)炭化烧结阶段的时间优选为5-他。本发明另一方面提供一种按照上述方法制备而成的机制木炭。本发明制备机制木炭具有的优点在于1、本发明以板栗种植和板栗食品生产加工中的废弃物板栗外蓬和板栗壳为原料， 尤其是充分利用了板栗内壳资源，解决了内壳的环境污染，扩大了制造机制木炭的原料来源。2、本发明方法制备的机制木炭得率高，达到43%以上，充分而且有效的利用了资源，制备的机制木炭密度高，固定碳含量高，达到68%以上，发热量高，达到5720kcal/kg以上，符合国家标准GB/T17664-1999阔叶木炭的标准要求。3、本发明制备的机制木炭具有板栗的香气，广泛应用在烧烤上，制作出来的薪棒外观好，具有板栗的光泽；4、本发明制备方法的挤压成型温度低，制成的薪棒不发生爆裂，板栗内壳中含有的大量油脂不发生油脂热分解反应，使得板栗的香味得以保存。5、本发明制备方法中原料先干燥，然后再粉碎，粉碎后的板栗外蓬和板栗壳颗粒的长度在10-20mm之间，原料颗粒碎片的长度均勻，利于后期的挤压成型和炭化处理，使得制成的机制木炭的质地密集，燃烧时间更长。6、本发明限定了原料挤压成型时的含水量、成型温度，挤压成型处理过程中含水量和挤压成型温度低，制成的板栗蓬壳薪棒形状稳定，无薪棒变形和爆裂现象，提高了机制木炭的产率和品质，更利于机制木炭的实际制作，降低了机制木炭的生产成本，提高了生产效率。
图1为本发明机制木炭的制备工艺流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。实施例11、粉碎原料将收获后的板栗外蓬和板栗壳干燥至含水率为14%，然后采用粉碎机将干燥后的板栗外蓬和板栗壳分别粉碎，制成碎片长度为15-20mm的碎片2、挤压成型将粉碎后的板栗外蓬和板栗壳碎片混合均勻，制成机制木炭混合料，其中板栗外蓬与板栗壳的重量之比为7 3；将机制木炭混合料送入挤压成型制棒机(北京北方火车头科技有限公司D型制棒机)内进行挤压处理，制成中空的板栗蓬壳薪棒，其中，挤压成型温度为160°C，薪棒长 50cm，直径6cm，空心内径2cm，薪棒的密度为1. 3g/cm3。3、炭化处理将中空的板栗蓬壳薪棒置于炭化炉内，加热升温，进行炭化处理，炭化处理时间为 21h，其中炭化处理分三个阶段完成，第一阶段(即干燥阶段)的温度为室温(25°C )升温至150°C，即温度从室温以1°C /min的速率升高至150°C，然后在150°C下保持，升温及保持时间为4h ；第二阶段(即预炭化阶段)的温度为150-280°C，时间为10h，即温度从150°C以 3°C min的速率升高至280°C，然后在280°C下保持，升温及保持时间为IOh ；第三阶段(即炭化烧结阶段)的温度为280-500°C，时间为7h，即温度从280°C以2V /min的速率升高至 500°C，然后在500°C下保持，升温及保持时间为几；停止加热，将炭化炉封闭，然后冷却至室温(25°C )，即得，其中机制木炭的得率为 45%。制备的机制木炭按照国家标准(GB/T17664-1999阔叶木炭)规定的方法测定机制木炭的固定碳含量、发热量、灰分和容积重。测定结果见表1所示。实施例2除了粉碎原料步骤板栗外蓬和板栗壳的含水率为15% ；挤压成型步骤板栗外蓬与板栗壳的重量之比为6 4，挤压成型温度为180°C，薪棒的密度为1.2g/cm3;炭化处理步骤中处理时间为19h，第一阶段(即干燥阶段)的温度为室温(20°C )升温至150°C，即温度从室温以1°C /min的速率升高至150°C，升温时间及保持时间为证；第二阶段(即预炭化阶段)的温度为150-280°C，时间为9h，即温度从150°C以3°C /min的速率升高至，升温及保持时间为9h ；炭化处理第三阶段(即炭化烧结阶段)的温度为280-550°C，时间为5h， 即温度从280°C以3°C /min的速率升高至550°C，升温时间及保持时间为证；其余与实施例 1相同。其中机制木炭的得率为43%。制备的机制木炭按照国家标准(GB/T17664-1999阔叶木炭)规定的方法测定机制木炭的固定碳含量、发热量、灰分和容积重。测定结果见表1所示。实施例3除了粉碎原料步骤板栗外蓬和板栗壳的含水率为13%，粉碎的板栗外蓬和板栗壳的碎片的长度为10-20mm;挤压成型步骤板栗外蓬与板栗壳的重量之比为8 2，挤压成型温度为170°C，薪棒的密度为1. 3g/cm3 ；炭化处理步骤中处理时间为22h，第一阶段(即干燥阶段)的温度为室温升温至150°C，即温度从室温以1°C /min的速率升高至150°C，然后在 150°C下，升温及保持时间为4h ；第二阶段(即预炭化阶段)的温度为150-280°C，时间为 IOh,即温度从150°C以2°C /min的速率升高至280°C，然后在280°C下保持，升温及保持时间为IOh ；炭化处理第三阶段(即炭化烧结阶段)的温度为280-600°C，时间为8h，即温度从280°C以；TC /min的速率升高至600°C，然后在600°C下保持，升温及保持时间为他；其余与实施例1相同。其中机制木炭的得率为47%。制备的机制木炭按照国家标准(GB/T17664-1999阔叶木炭)规定的方法测定机制木炭的固定碳含量、发热量、灰分和容积重。测定结果见表1所示。对照例除了粉碎原料步骤板栗外蓬和板栗壳的含水率为18%，粉碎后的板栗外蓬和板栗壳用孔径为Φ 12mm的筛网过筛；挤压成型步骤板栗外蓬与板栗壳的重量之比为8 2， 挤压成型温度为200°C ；炭化处理步骤中炭化烧结阶段温度为280-500°C，炭化处理时间为 22h之外，其余与实施例1相同。其中机制木炭的得率为30%。制备的机制木炭按照国家标准(GB/T17664-1999阔叶木炭)规定的方法测定机制木炭的固定碳含量、发热量、灰分和容积重。测定结果见表1所示。表1机制木炭的检测结果
实施例1实施例2实施例3对照例机制木炭得率(％)45434730灰分(％)18. 919. 418. 122. 3固定碳含量(％)70. 668. 274. 15权利要求
1.一种机制木炭的制备方法，包括如下顺序进行的步骤1)将板栗外蓬和板栗壳干燥至含水率为11-15%后进行粉碎，制成板栗外蓬碎片和板栗壳碎片；2)将板栗外蓬碎片和板栗壳碎片混合均勻后，进行挤压成型处理，制成板栗蓬壳薪棒；3)将板栗蓬壳薪棒送入炭化炉内进行炭化处理。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤1)中所述的含水率为13-15%。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤1)中所述板栗外蓬碎片和板栗壳碎片的长度为10-20mm。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征是所述板栗外蓬碎片和板栗壳碎片的碎片的长度为15-20mm。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤幻中所述板栗外蓬碎片与板栗壳碎片的重量份配比为6-8 2-4。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征是所述板栗外蓬碎片与板栗壳碎片的重量份配比为6-7 3-4。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤幻中所述粉碎的板栗外蓬和板栗壳在温度为160-180°C条件下挤压成型，制成所述的板栗蓬壳薪棒。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤幻中所述炭化处理包括如下顺序进行的步骤A)干燥阶段炭化炉内温度以1_3°C /min的升温速率从室温升高到150°C，然后炭化炉内的温度保持为150°C，其中升温和温度保持为150°C的时间为4- ，对炭化炉内的板栗蓬壳薪棒进行干燥；B)预炭化阶段炭化炉内温度以1_3°C /min的升温速率从150°C升高到280°C，然后炭化炉内的温度保持为280°C，其中升温和温度保持为280°C的时间为9-10h，对炭化炉内的板栗蓬壳薪棒进行预炭化；C)炭化烧结阶段炭化炉内温度以1-3°C /min的升温速率从280°C升高到500-600°C，然后炭化炉内的温度保持为500-600°C，其中升温和温度保持为500-600°C的时间为4_8h，对炭化炉内的板栗蓬壳薪棒进行炭化烧结。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征是预炭化阶段、炭化烧结阶段的升温速率为 2-3°C /min。
10.一种机制木炭，其特征是按照如权利要求1-9任一方法制备而成。
全文摘要
本发明公开了一种机制木炭的制备方法和机制木炭，该方法包括首先对农林废弃物板栗外蓬和板栗壳干燥、粉碎，接着对粉碎后的板栗外蓬、板栗内壳进行挤压成型处理，制成薪棒，然后对薪棒进行炭化反应而成，本发明以农林废弃物----板栗外蓬和内壳为原料，制备固定碳含量高，发热量高的机制木炭，利于环境保护，为制备机制木炭提供了新原料来源，本发明方法制备工艺简单易行，生产成本低，机制木炭燃烧散发出板栗特有的香味，适于烧烤用木炭使用，机制木炭的质地密集，燃烧时间长，而且产品得率高，符合国家标准GB/T17664-1999阔叶木炭的标准要求，适宜工业化生产。
文档编号C10B53/08GK102212375SQ20101029566
公开日2011年10月12日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者庞美霞, 张志勇, 王芳, 綦菁华, 黄漫青 申请人:北京农学院