木炭的性能分析与优化

1.元素组成

木炭的元素组成主要是碳、氢、氧,另外还有微量的硅、磷和重金属元素,结构简式表示为C12H4O2。

木炭含碳量的高低与木材炭化的温度、时间有关。木材炭化时的温度越高、时间越长,则木炭的含碳量就越高,而其他元素含量就随之减少,木炭的得率也就降低,这由表2-7中可以看出。制造黑火药所用的木炭,其含碳量要求控制在79%±4%范围内,其炭化时的温度在400℃左右。

表2-7　不同温度下木炭的得率和成分

2.挥发分

木炭在干馏时所生成的具有反应能力的化合物的含量,从GC/MS分析可知,主要以烷烃的形式存在。挥发分对氧有很强的反应能力,极易点燃,是衡量其反应活性的物理量。

3.灰分

木炭的灰分主要是无机盐类,木炭燃烧时这些灰分可产生白色或淡红色的火焰。木炭中灰分含量及组成随着树木的种类、树木生长条件、木材的质量、砍伐木材的季节、烧制方法及炭化温度的不同而不同:阔叶树木烧制的木炭比针叶树木烧制的木炭的灰分含量大；树皮的灰分含量比木材的灰分含量大；木材在炭化时的温度越高,则所得的木炭的灰分含量就越大。灰分主要由溶于水和不溶于水的两种盐类组成。其中,溶于水的盐类主要是有碳酸钾,钾、钠的硫酸盐和盐酸盐等,不溶于水的盐类主要有磷酸盐和硅酸盐等。木炭中的灰分含量小,黑火药的吸湿性小,燃烧性能稳定,燃烧后的残渣少。因此应尽量选用灰分含量小的木材烧制木炭。

4.水分

刚出炉的木炭,水分含量为2%～4%,放置一段时间后,水分含量可达到6%左右,如果时间再长,可达到12%左右。木炭若在无防雨雪设施的露天存放,几年后水分含量高达70%左右。因此,木炭必须在室内干燥的地方进行妥善储存。

5.密度

木炭的密度随木材的种类、木材的质量、炭化时的温度、温升速度的不同而有所不同,但相差很小。一般用密度较大的木材所烧制的木炭,其密度较大,反之较小。黑火药生产所用的杨木炭的密度大约为0.26g/cm3。

6.发火点

木炭的发火点是在外界热能的作用下,木炭发生燃烧的最低温度。试验结果表明,含碳量为75%～83%的木炭的发火点为180℃左右。木炭中含20%～40%的挥发分时,其发火点最低(详见表2-8)。

当木炭的含碳量在70%～85%范围内时,其挥发分含量在20%～40%之间,此时发火点最低,最易点燃。木炭含碳量过高和过低时,它们的发火点都很高。

表2-8　炭化温度与发火点的关系

大量试验结果表明:木炭的发火点与木炭的含碳量之间成U形曲线关系,如图2-18所示。(www.xing528.com)

图2-18　木炭发火点与含碳量的关系

7.燃烧热

木炭的燃烧热随含碳量变化,木材炭化温度越高,则木炭的含碳量就越高,其燃烧热值(发热量)也越高(见表2-9)。

表2-9　木炭的发热量

8.导热性

木炭的导热性小,且具有各向异性,沿纤维方向(纵向)较大,而垂直于纤维方向(横向)较小,这从表2-10中可以看出。

表2-10　木材和木炭导热性的比较

9.吸附能力

木炭具有很强的吸附气体和水分的能力。木炭的吸附包括物理吸附和化学吸附两个过程。当木炭进行物理吸附时,被吸附的气体(包括氧)和碳不发生化学反应,真空中可将气体分离,气体的组成不会改变。

木炭进行化学吸附时,被吸附的氧和碳发生化学反应,生成一氧化碳和二氧化碳,并放出热量。常温下,氧化反应速度慢,当温度升高时,氧化过程加速进行。反应式如下:

木炭吸附气体的体积可比自身的体积增大很多倍。在常温下,木炭吸附空气中氧气需要很长时间(两年左右)才能达到饱和状态,但在最初的30天内,其吸附氧气的量将占吸附总量的50%,而在第二个30天内,其吸附氧气的量占吸附总量的40%,而剩下的时间只吸附10%的氧气。

木炭吸附空气中氧气的能力大小与木材炭化的最终温度有关。在400～425℃下制得的木炭,其吸附氧气的能力最大；在350℃下制得的木炭,其吸附氧气的能力要比上述木炭吸附氧气的能力小39%；而在500℃下制得的木炭吸附氧气的能力比上述的要小16%；在700℃下制得的木炭吸附氧气的能力要比上述的小70%。

10.机械强度

它是表示木炭对于压碎和研磨的抵抗能力。木炭的机械强度较低,易压碎,不耐磨。木炭的机械强度随树木种类、炭化温度、受压方向等不同而有所不同。密度大且含碳量低的木炭,其机械强度高些。炭化时温度越高,所制得的木炭的含碳量就越高,而它的机械强度就越低。