李 勇， 李 健， 劉 鵬， 閆樹軍*， 李 慶， 侯書林,3

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300； 2.西安工程大學(xué) 環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710000； 3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

棉稈炭制備的多目標(biāo)優(yōu)化研究

LI Yong

李 勇1， 李 健1， 劉 鵬1， 閆樹軍1*， 李 慶2， 侯書林1,3

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300； 2.西安工程大學(xué) 環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710000； 3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

為了開發(fā)生物質(zhì)棉稈炭，研究了棉稈炭化期間熱解的失重過程，測試了棉稈炭的力學(xué)和能量指標(biāo)，分析了其變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：隨著炭化溫度和時(shí)間的增加，棉稈炭的制炭率和能量得率均下降，棉稈炭的剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、熱值和相對(duì)能量密度均增加，且炭化參數(shù)與棉稈炭品質(zhì)存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系。利用極小極大法對(duì)棉稈炭各品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得出332 ℃炭化3 h 47 min時(shí)棉稈炭各品質(zhì)指標(biāo)最優(yōu),實(shí)測其制炭率為39.08%，剪切強(qiáng)度為0.61 MPa，壓縮強(qiáng)度為2.22 MPa，熱值為25.62 MJ，能量密度為153.79%，能量得率為59.97%，與預(yù)測值相差不大。

棉稈；炭化；溫度；時(shí)間；品質(zhì)指標(biāo)

隨著人們生活水平的提升，對(duì)化石燃料需求量急劇增長，而化石燃料作為不可再生能源，卻日益枯竭，因此，開發(fā)可再生、潔凈的新型能源引起了世界各國的關(guān)注。以農(nóng)林廢棄物為代表的生物質(zhì)，因資源豐富、可再生、潔凈，其在能源領(lǐng)域的開發(fā)利用已成為熱點(diǎn)。生物質(zhì)作為一種生物資源，有其含水率高、能量密度低、不易于儲(chǔ)存的特點(diǎn)[1]。將生物質(zhì)在低溫環(huán)境下進(jìn)行炭化獲得生物質(zhì)炭[2]，可有效改善其熱化學(xué)性能、能量密度和可儲(chǔ)存性能[3-5]。在我國重要的產(chǎn)棉區(qū)新疆，棉花采摘后會(huì)剩余的大量棉稈(每年約1.8×107t)[6]，棉稈是一種產(chǎn)量極為豐富的生物質(zhì)資源[7]。棉稈是一種較為規(guī)整的木質(zhì)秸稈，通常將棉稈切斷、粉碎制成粉體炭化或再壓制成型炭化，此過程需消耗大量能源。為了節(jié)約加工環(huán)節(jié)能源損耗，本課題組嘗試將棉稈直接低溫?zé)峤馓炕苽涑蓷U狀的棉稈炭材料，通過分析棉稈低溫?zé)峤獾氖е剡^程，及各階段產(chǎn)物的力學(xué)指標(biāo)和能量指標(biāo)等的變化規(guī)律，通過非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化，得出各項(xiàng)指標(biāo)綜合最優(yōu)的炭化工藝，以期為棉稈炭裝備產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

棉花秸稈(棉稈)，新疆阿拉爾市地區(qū)，選取中段直徑為5～7 mm的棉稈(秋季收獲棉稈)，去除枝葉，剪取棉稈中段，經(jīng)干燥備用。棉桿主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，經(jīng)元素分析測得棉桿含C 44.78%，H 6.17%，N 0.81%，O 36.97%。

SX2-10型高溫電阻爐；FRL-2000型發(fā)熱量測定儀，國創(chuàng)分析儀器有限公司；TGA/SDTA851e熱重分析儀，瑞士Metrohm公司；HLA艾森堡拉力計(jì)。

1.2 熱重分析

利用熱重分析儀對(duì)棉稈進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)，采用非等溫法進(jìn)行熱處理，升溫速率為20 ℃/min。熱解實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)通入氮?dú)猓髁繛?0 mL/min，熱解溫度范圍：室溫～900 ℃。

分析棉稈熱解過程的失重變化情況和失重速率，研究棉稈熱解過程。

1.3 棉稈炭制備

1.3.1 單因素試驗(yàn) 為研究棉稈炭熱轉(zhuǎn)化過程，將棉稈分批置于高溫電阻爐內(nèi)分別在300、400、500、600、650和700 ℃下熱處理1 h，并對(duì)所得產(chǎn)物進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)測算。

1.3.2 雙因素試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選定炭化溫度范圍，稱取一定量棉稈放置于高溫電阻爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?5 ℃/min的升溫速率加熱至預(yù)定炭化溫度，再保溫一定時(shí)間，制得棉稈炭。以炭化溫度和時(shí)間為關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行雙因素試驗(yàn)，即每個(gè)炭化溫度(300、400、500、600 ℃)均炭化不同的時(shí)間(1、2、3、4 h)獲得不同炭化參數(shù)下的棉稈炭,共制得16種試樣，為分析炭化溫度和時(shí)間對(duì)棉稈炭性能的影響，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析，利用origin9.0軟件繪制炭化參數(shù)與棉桿炭指標(biāo)的立體圖。研究炭化過程最佳炭化工藝參數(shù)。

1.4 品質(zhì)指標(biāo)測試

1.4.1 制炭率 棉稈炭的制炭率是棉桿炭化所得棉桿炭的質(zhì)量占棉桿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中：m0—棉稈初始質(zhì)量，g；mc—棉稈熱處理后質(zhì)量，g；η—棉稈制炭率，%。

1.4.2 力學(xué)指標(biāo) 將各類棉稈炭置于艾森堡拉力計(jì)上，進(jìn)行壓縮和剪切試驗(yàn)，取其壓縮破裂和剪切斷裂瞬時(shí)力值作為秸稈炭最大承載能力，計(jì)算其壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，每類測試重復(fù)10次。棉稈炭壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，分別按式(2)和(3)計(jì)算。

(2)

(3)

式中：F壓—壓縮力，N；F剪—剪切力，N；A—棉稈炭的橫斷面積，mm2；σ—棉稈炭壓縮強(qiáng)度，MPa；τ—棉稈炭剪切強(qiáng)度，MPa。

1.4.3 能量指標(biāo) 稱取1 g棉稈炭粉末壓片，利用發(fā)熱量測定儀測得熱值。棉稈炭的相對(duì)能量密度和能量得率分別按式(4)和(5)計(jì)算[8-9]。

(4)

(5)

式中：Yd—棉稈炭相對(duì)能量密度，%；Ye—棉稈炭相對(duì)能量得率，%；Qc—棉稈炭熱值，MJ/kg；Q0—棉稈的熱值，MJ/kg。

1.5 多目標(biāo)優(yōu)化方法

本研究利用極小極大法對(duì)棉稈炭化工藝進(jìn)行多指標(biāo)優(yōu)化，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)權(quán)數(shù)法驗(yàn)證優(yōu)化效果。

假設(shè)有一組n個(gè)目標(biāo)函數(shù)fi(x)，i=1，2，…n，其中的每個(gè)函數(shù)均含最大值，而這組最大值仍屬未知的函數(shù)，現(xiàn)對(duì)這些最大值進(jìn)行最小化探索(公式見式(6))，此類方法稱為極小極大法[10]。極小極大法是在最不利約束條件下尋求最有利的決策方案的方法。

(6)

式中：Rn—n個(gè)決策變量集。

為了降低不同量綱指標(biāo)的數(shù)據(jù)差異，將棉稈炭的制炭率、力學(xué)指標(biāo)和能量指標(biāo)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行歸一化。數(shù)據(jù)歸一化計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Dij—?dú)w一化后數(shù)據(jù)，i為指標(biāo)集種類號(hào)，j為每類指標(biāo)數(shù)據(jù)號(hào)；Nij—?dú)w一化前數(shù)據(jù)；Njmax—每類指標(biāo)數(shù)據(jù)集最大值；Njmin—每類指標(biāo)數(shù)據(jù)集最小值。

標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)權(quán)數(shù)法[11]，計(jì)算公式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2 結(jié)果與分析

2.1 熱解溫度對(duì)棉桿炭化的影響

2.1.1 TG分析 熱解溫度是棉稈炭化過程中最重要的影響因素，直接影響著秸稈炭轉(zhuǎn)化進(jìn)程、產(chǎn)率、性能等研究炭化過程最佳炭化工藝參數(shù)。

棉稈是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3大類有機(jī)質(zhì)組成，其熱解過程伴有大量揮發(fā)分析出，其熱重分析如圖1。分析圖1可知，棉稈熱解過程主要包括吸附水揮發(fā)(20～184 ℃)和有機(jī)質(zhì)熱解析出(184～624 ℃)兩個(gè)階段組成。棉稈熱解的第二階段為熱失重主要環(huán)節(jié)，在290和340 ℃處形成失重峰，這是棉稈所含的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素大分子熱分解速率最大導(dǎo)致。由文獻(xiàn)可知，半纖維素?zé)峤鉁囟?00～260 ℃，熱反應(yīng)溫度約為220 ℃；纖維素?zé)峤鉁囟?40～350 ℃，熱反應(yīng)溫度為275 ℃；木質(zhì)素?zé)峤鉁囟?50～500 ℃[12-13]，熱反應(yīng)溫度為310 ℃。而棉稈固定炭主要源于木質(zhì)素?zé)峤?，結(jié)合文獻(xiàn)可認(rèn)定棉稈炭化溫度達(dá)300 ℃才可轉(zhuǎn)為初炭，故棉稈制炭溫度多選用300 ℃以上的。

2.1.2 棉桿炭性能 不同熱解溫度下，棉稈熱解1 h所制得棉稈炭的制炭率、力學(xué)指標(biāo)和能量指標(biāo)，如圖2～圖4所示。

圖1 棉稈熱重分析

Fig.1 Thermogravimetricanalysis of cotton stalk

圖2 棉稈炭化過程制炭率

Fig.2 The sample conversionrate from cotton stalk to carbon

圖3 棉稈炭化過程力學(xué)指標(biāo)

Fig.3 The sample mechanicalindex from cotton stalk to carbon

由圖2可知，隨著炭化溫度的增加，棉稈炭的制炭率逐漸下降，表明炭化溫度越高，棉稈的有機(jī)質(zhì)熱解越劇烈。由圖3可知，棉稈炭化過程的剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均增加，此歸因于棉稈炭內(nèi)殘余有機(jī)成分逐步炭化轉(zhuǎn)變所致[14]，促使棉稈炭強(qiáng)度緩慢增強(qiáng)。由圖4可知，在300～700 ℃范圍內(nèi)棉稈炭的熱值和能量密度先緩慢增加而后下降，能量得率緩慢下降。此階段棉稈炭內(nèi)部的可揮發(fā)生物油和燃?xì)獾葥]發(fā)分逐步析出，固定炭逐步增加，棉稈炭品質(zhì)逐步提升。棉稈經(jīng)650 ℃炭化1 h所制得棉稈炭，其熱值和相對(duì)能量密度均達(dá)到峰值，分別為26.61 MJ/kg(高熱值煤為25.51～29.60 MJ/kg[15])和159.78%，其能量得率僅為37.8%，此歸因于棉桿炭化溫度升高有機(jī)質(zhì)分解析出量增多所致。因此，棉稈炭化過程選定300～600 ℃為炭化溫度范圍。

圖4 棉稈炭化過程能量指標(biāo)

2.2 棉稈炭制備工藝的優(yōu)化

2.2.1 不同炭化條件對(duì)棉桿炭性能的影響 相關(guān)研究表明生物質(zhì)制炭的炭化時(shí)間也是至關(guān)重要的因素[16]。因此，從各項(xiàng)指標(biāo)綜合最優(yōu)角度，對(duì)不同炭化溫度和時(shí)間的棉稈炭從制炭率、力學(xué)指標(biāo)和能量指標(biāo)展開多目標(biāo)綜合優(yōu)化。不同炭化溫度和時(shí)間參數(shù)下，棉稈炭的制炭率、剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、熱值、能量密度和能量得率如圖5所示。在圖5中，利用顏色代表數(shù)值，每個(gè)圖中均附顏色與數(shù)值對(duì)應(yīng)條。對(duì)比圖5，發(fā)現(xiàn)圖5(a)和圖5(f)較為相似，隨著炭化溫度和時(shí)間的增加，棉稈炭的制炭率和能量得率均呈下降趨勢；圖5(b)、(c)、(d)和(e)較為相似，隨著炭化溫度和時(shí)間的增加，棉稈炭的剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、熱值和相對(duì)能量密度均呈增長趨勢。

圖5 不同炭化條件下棉稈炭指標(biāo)

2.2.2 炭化參數(shù)與棉桿炭指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系 采用Matlab軟件對(duì)棉稈炭品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出炭化溫度、時(shí)間與棉稈炭的制炭率、力學(xué)指標(biāo)和能量指標(biāo)的關(guān)系，見表1。由表1可知，炭化溫度、時(shí)間與棉稈炭的制炭率、力學(xué)指標(biāo)和能量指標(biāo)之間均存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)F檢驗(yàn)判定，棉稈炭各指標(biāo)之間存在顯著差異性，二階非線性方程中炭化參數(shù)對(duì)棉稈炭各指標(biāo)的影響顯著，炭化參數(shù)對(duì)棉稈炭各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均大于0.85，可建立炭化參數(shù)與棉稈炭指標(biāo)之間關(guān)系式。

表1 炭化溫度、時(shí)間與棉稈炭各指標(biāo)的關(guān)系1)

1)x1：時(shí)間indicate time(h)；x2：溫度indicate temp.(℃)；下表同same as the following table

2.2.3 棉稈炭工藝參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證 棉稈炭的制炭率、力學(xué)指標(biāo)和能量指標(biāo)進(jìn)行多指標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化，此屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題。加權(quán)求和法[17]、ε-約束法[18]和極小極大法[19]是多目標(biāo)優(yōu)化較為常用的方法，加權(quán)求和法和ε-約束法存在誤差大、摻入主觀因素等不足。極小極大法源于博弈論，通過最小化各個(gè)目標(biāo)函數(shù)值的最大偏移量來尋求最優(yōu)解，其具有易建立模型、計(jì)算速度快和設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

將不同炭化參數(shù)下棉稈炭各指標(biāo)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化，對(duì)所得新數(shù)據(jù)集再次進(jìn)行非線性擬合，其二次擬合方程見表2。二次擬合方程利用極小極大法進(jìn)行最小化探索，探索范圍限定條件：1≤x1≤4，300≤x2≤600。在Mtalab中調(diào)用fminimax函數(shù)求極小極大問題，經(jīng)計(jì)算得出變量x1為3.78 h，x2為332 ℃時(shí)，制炭率為40.27%，剪切強(qiáng)度為0.58 MPa，壓縮強(qiáng)度為2.36 MPa，熱值為25.53 MJ，能量密度為149.64%，能量得率為59.37%，多指標(biāo)尋優(yōu)效果最佳。

表2 各指標(biāo)二次擬合方程1)

1)X1：時(shí)間歸一化值indicate normalized value of time(%)；X2：指溫度歸一化值indicate normalized value of temperature(%)

為了驗(yàn)證極小極大法分析所得多目標(biāo)最優(yōu)效果，利用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)權(quán)數(shù)法比較最優(yōu)條件下制得的棉

表3 多目標(biāo)優(yōu)化效果驗(yàn)證

稈炭與其他類型棉稈炭的品質(zhì)指標(biāo)。棉稈炭各指標(biāo)均為正向指標(biāo)(正向指標(biāo)是代表向上、增長的指標(biāo)、增長的指標(biāo)，指標(biāo)值越大評(píng)價(jià)越好)，χi值越大越好，υi值越小越好，不同制備條件棉稈炭的各指標(biāo)的χi和υi結(jié)果見表3。

基于理論計(jì)算，332 ℃炭化3 h 47 min棉稈炭的χi值為0.546 9，為數(shù)據(jù)組內(nèi)最大值；υi值為0.1639，為數(shù)據(jù)組內(nèi)次小值，綜合效果屬最優(yōu)。因此，驗(yàn)證了極小極大法對(duì)限定區(qū)域內(nèi)棉稈炭的多指標(biāo)綜合優(yōu)化效果極佳。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果的可靠性，反復(fù)測試 332 ℃ 炭化3 h 47 min所制得棉桿炭。該類棉桿炭擬合回歸方程計(jì)算制炭率為40.27%、剪切強(qiáng)度為0.58 MPa，壓縮強(qiáng)度為2.39 MPa,熱值為26.09 MJ,能量密度為233.74%，能量得率為59.28%；該類棉桿炭實(shí)測制炭率為39.08%，剪切強(qiáng)度為0.61 MPa，壓縮強(qiáng)度為2.22 MPa，熱值為25.62 MJ，能量密度為153.79%，能量得率為59.97%，與理論分析值較為接近。

2.3 討論

目前，國內(nèi)研究者對(duì)生物質(zhì)炭的品質(zhì)指標(biāo)研究，多為不同參數(shù)下制炭率的工藝優(yōu)化，對(duì)制炭率、力學(xué)指標(biāo)和能量指標(biāo)等多指標(biāo)綜合研究較少。嚴(yán)偉等[20]從單因素角度分析了杉木屑成型炭品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)杉木屑經(jīng)550 ℃炭化2 h時(shí)杉木炭的熱值、強(qiáng)度相對(duì)較高；徐佳等[21]采用響應(yīng)面法優(yōu)化研究了炭化溫度、時(shí)間和原料粒徑3個(gè)參數(shù)分別對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值的影響，得到棉花秸稈炭能量得率的最佳炭化條件：炭化溫度429 ℃，炭化時(shí)間1.29 h，粒徑0.32 mm；叢宏斌等[22]設(shè)計(jì)了內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化技術(shù)工藝，并對(duì)生物質(zhì)炭化品質(zhì)多指標(biāo)(生物炭熱值、固定碳含量、比表面積、生物炭得率和生產(chǎn)率等)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，表明玉米秸稈、玉米芯和花生殼的最佳炭化溫度為 550～650 ℃?？梢?，因物料類型、制備方法和炭品質(zhì)指標(biāo)等差異，生物質(zhì)秸稈炭化最優(yōu)工藝尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。從棉稈多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)角度出發(fā)，探索棉稈制炭率。棉稈炭力學(xué)強(qiáng)度和能量指標(biāo)的較優(yōu)制備工藝，具有重要的生產(chǎn)實(shí)踐意義。

3 結(jié) 論

3.1 利用熱重分析棉稈的熱解過程，發(fā)現(xiàn)棉稈炭化過程分兩個(gè)階段，20～184 ℃吸附水揮發(fā)和184～624 ℃有機(jī)質(zhì)熱解析出，引起棉稈內(nèi)結(jié)構(gòu)與成分變化。棉稈炭化過程中，隨著溫度的升高，棉稈轉(zhuǎn)化率下降，力學(xué)指標(biāo)增加，能量得率下降，熱值和能量密度先增后降。

3.2 隨著炭化溫度和時(shí)間的增加，棉稈炭的制炭率和棉稈炭能量得率均下降，棉稈炭的剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、熱值和相對(duì)能量密度均增加；數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)炭化參數(shù)與其品質(zhì)存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系；經(jīng)多元非線性擬合統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)炭化溫度、時(shí)間對(duì)制炭率、壓縮強(qiáng)度、能量得率的影響極顯著，對(duì)熱值和能量密度的影響顯著，對(duì)剪切強(qiáng)度的影響不顯著。

3.3 利用極小極大法對(duì)不同炭化參數(shù)的棉稈炭各品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得出332 ℃炭化 3 h 47 min 時(shí)棉稈炭各品質(zhì)指標(biāo)綜合最優(yōu)，實(shí)測該類棉稈炭制炭率為39.08%，剪切強(qiáng)度為0.61 MPa，壓縮強(qiáng)度為2.22 MPa，熱值為25.62 MJ，能量密度為153.79%，能量得率為59.97%,與理論分析值較為接近。

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本刊信息

《林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)》繼續(xù)被Scopus數(shù)據(jù)庫收錄

2017年，《林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)》被全球著名學(xué)術(shù)出版商愛思唯爾出版集團(tuán)(Elsevier)旗下的Scopus數(shù)據(jù)庫收錄，并將追溯2016年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

Scopus數(shù)據(jù)庫與EI數(shù)據(jù)庫一樣，同屬全球著名學(xué)術(shù)出版商Elsevier公司旗下，是目前世界上最大的文摘及引文數(shù)據(jù)庫。Scopus收錄了5000余家出版社發(fā)行的科技、醫(yī)學(xué)和社會(huì)科學(xué)方面的22 000多種期刊。相較于其他的數(shù)據(jù)庫，Scopus的內(nèi)容更加全面，學(xué)科更加廣泛，特別是在獲取歐洲及亞太地區(qū)的文獻(xiàn)方面，Scopus更具優(yōu)勢。通過Scopus，用戶可以檢索到1823年以來的近4 000萬條摘要和題錄信息，以及1996年以來所引用的參考文獻(xiàn)。目前，Scopus數(shù)據(jù)庫只收錄了約600種中國期刊。在Elsevier中國二次文獻(xiàn)中心老師們盡心的協(xié)調(diào)和溝通下，Scopus數(shù)據(jù)庫將繼續(xù)收錄《林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)》，并將追溯2016年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，從而保證了《林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)》Scopus中數(shù)據(jù)的完整性。

《林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)》編輯部將以此為契機(jī)和動(dòng)力，再接再厲，在主管主辦單位的關(guān)心與支持下，在編委會(huì)、同行專家和廣大作者的支持下，不斷提高期刊質(zhì)量與水平，充分發(fā)揮期刊在林產(chǎn)化工和生物質(zhì)化工研究中的橋梁與紐帶作用，為科研成果的廣泛傳播做好服務(wù)。

Multi-objective Optimization of Preparation of Cotton Stalk-char

LI Yong1， LI Jian1， LIU Peng1， YAN Shujun1， LI Qing2， HOU Shulin1,3

(1.The Mechanical Engineering College, Tarim University, Alar 843300, China; 2.School of Environmental andChemical Engineering,Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710000, China; 3.China AgriculturalUniversity College of Engineering， Beijing 100083， China)

Cotton stalk-charcoal was produced from cotton stalk by single step carbonization. According to the analysis of pyroysis reaction of cotton staw in the low temperature, moisture and volatile were released from cotton stalk.During the thermal decomposition reaction, conversion rate decreased with the increment of temperature. The mechanics index decreased at first, then increased with the temperature increase. Different cotton stalk charcoal were synthesized at the temperature range of 300-600 ℃.Cotton stalk were carbonized at the temperature of 300,400,500,and 600 ℃,and residence time of 60,120,180,240 min,respectively.The effects of temperature and residence time on the conversion rate,shear strength,compressive strength,calorific value,relatively energy density and energy conversion rate from cotton stalk to carbon were investigated.Results showed that cotton stalk-charcoal of conversion rate and energy conversion rate were investigated. It was found that a nonlinear relationship between all kinds of index and its affected factors.Dynamic performance multiple objective optimization of cotton stalk-charcoal indexs was successful based on the min-max method. Under the optimum performance such as 332 ℃, residence time 3 h 47 min, the conversion rate of cotton stalk charcoal is 39.08%,shear strength is 0.61MPa,compressive strength is 2.22MPa,calorific value is 25.62 MJ,relatively energy density is 153.79%,energy conversion rate is 59.97%.

cotton stalk; carbonization; temperature; time; quality index

2016- 12- 01

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503135-19)；塔里木大學(xué)校長基金項(xiàng)目(TDZKPY201502)；塔里木大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合基金(ZNTDLH1504)

李 勇(1986— )，男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，副教授，碩士，主要從事功能材料研究與應(yīng)用

*通訊作者：閆樹軍，講師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與資源利用的研究；E-mail: deyuzhijia@163.com。

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.04.012

TQ35；S216

A

0253-2417(2017)04-0081-08

李勇，李健，劉鵬，等.棉稈炭制備的多目標(biāo)優(yōu)化研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(4)：81-88.