棉秆炭吸附糠醛机理研究

以不同热解温度(400℃、600℃、800℃)制得棉秆炭(棉-400、棉-600、棉-800),研究热解温度对棉秆炭孔隙特征与表面性质的影响,以及棉秆炭对糠醛的吸附特性。结果表明:棉-400表面含有大量有机基团,孔隙结构较差;随着热解温度的提高,含氧有机成分进一步分解,棉秆炭表面酸性官能团逐渐减少,而类吡喃酮结构的碱性官能团不断增加,孔结构得到改善;棉秆炭中氢碳摩尔比、表面酸碱官能团含量是影响其对糠醛吸附的主要因素;随着炭化程度的提高,酸性官能团含量减少,碱性官能团含量增加,使得棉秆炭表面石墨层与糠醛分子间的π-π色散力作用增强,所以棉-800对糠醛脱除率最高。     

玉米秸秆与小麦秸秆共热解特性试验研究

针对当前多原料混合共热解特性研究不清的问题,采用量大面广的玉米秸秆与小麦秸秆进行共热解试验。通过设定不同的炭化温度、升温速率、保温时间以及原料掺混比进行四因素三水平试验,分析不同工艺条件下的生物炭比表面积、固定碳含量、生物炭得率、热值和SEM等指标。结果表明:在炭化温度为550℃、升温速率为2℃/min、保温时间为45min、玉米秸秆与小麦秸秆掺混比为3∶7时,比表面积、固定碳含量、生物炭得率、热值四项指标综合较优。该研究可为生物质共热解工艺优化和设备开发提供参考。     

生物质连续式分段热解炭化设备研究

针对目前连续式炭化设备的热解温度场难以梯级调控,不能满足多种热解温度工艺试验要求,采用分段式加热技术,设计了5段独立热解炭化炉,并结合连续式输送原理,集成生物炭循环水冷技术、热解气二次催化裂解技术和油气二级冷凝分离技术等,研发了连续式分段热解炭化设备。以粉碎的玉米秸秆为原料开展了热解炭化试验,结果表明,本炭化设备实现了连续炭化和分段加热,当5段炉温设为550℃、600℃、600℃、600℃、550℃时,生物炭得率29.97%,低位热值26.21 MJ/kg,固定碳含量55.63%,热解后的油气能较好地实现分离,达到了设计要求,实现了生物质的分段控温加热和连续热解。     

基于扫描图像RGB分析的生物质炭吸附特性研究

以花生壳和玉米秸秆为原料,利用自主研发的无轴螺旋连续热解装置在300、400、500℃的热解温度下反应10 min制备生物质炭,对生物质炭进行工业分析和热值测量,分析其组成成分和热值;开展了生物质炭亚甲基蓝吸附与碘吸附特性研究,结合扫描仪和取色软件获取生物质炭的RGB数据并进行灰度转化,探究生物质炭的吸附特性与RGB值、灰度的相关关系。结果表明:随着热解温度的升高,生物质炭中挥发分的含量降低,固定碳和灰分的含量升高,热值升高;较低热解温度的生物质炭的吸附效果优于较高温度热解的生物质炭;生物质炭的吸附值与R、G、B值均随着热解温度的升高而降低,两者之间存在强正相关关系,相关系数r为0.582~0.944;生物质炭的灰度与吸附值存在强正相关关系,相关系数r为0.685~0.977。     

移动式玉米秸秆热解炭化原位还田设备研究

针对目前秸秆炭化还田主要以异位为主,移动式热解设备结构复杂,难以实现秸秆田间炭化还田等问题,基于秸秆内热式低氧炭化原理,建立自供热反应系统,研制热解炭化反应器和热解气清洁燃烧室等关键部件,集成秸秆捡拾收集、粉碎输送、烟气回用烘焙、生物炭原位还田技术,研发移动式热解炭化原位还田设备。样机试制后,进行了静态调试试验,结果表明：该设备原料处理量为50 kg/h,炭得率为21%,系统能量利用率74.6%;排放烟气中NO_x质量浓度为184 mg/m³,SO₂质量浓度为26 mg/m³,颗粒物质量浓度为17.8 mg/m³,达到烟气排放要求;生物炭中总碳、固定碳及金属元素含量符合DB21/T 3314—2020《生物炭直接还田技术规程》中的Ⅰ级生物炭要求。该设备能够实现低碳排放、炭化能源自给、田间作业等功能,为秸秆还田提供支撑平台。     

棉秆生物炭去除水中Zn(Ⅱ)的试验研究

为探究棉秆生物炭(棉秆炭)对重金属Zn(Ⅱ)的去除作用,利用水平管式炉分别在400℃、500℃、600℃热解温度下制备棉秆炭,进行Zn(Ⅱ)的吸附试验。对比棉秆炭、木质和煤质活性炭对不同浓度溶液中Zn(Ⅱ)的去除效果。分析棉秆炭的元素含量和官能团变化等性质,以揭示吸附机理。结果表明,棉秆的DTG曲线在327℃出现最大值,温度高于600℃时,DTG曲线趋于稳定,棉秆的热解基本完成。随热解温度的升高,炭产率、H/C和O/C元素比均下降,说明棉秆炭芳香化程度和碱性增强,含氧极性官能团数量减少,红外分析印证了以上结论。去除率上,棉秆炭与Zn(Ⅱ)初始浓度和热解温度负相关,木质活性炭与Zn(Ⅱ)初始浓度正相关;吸附量上,棉秆炭、木质和煤质活性炭与Zn(Ⅱ)初始浓度正相关,棉秆炭与热解温度负相关。当Zn(Ⅱ)溶液浓度为2 mg/L时,棉秆炭的吸附性能优于木质和煤质活性炭,当Zn(Ⅱ)溶液浓度为10 mg/L、50 mg/L时,木质活性炭的吸附性能优于棉秆炭和煤质活性炭。棉秆炭吸附Zn(Ⅱ)的机理包含配位反应和离子交换。     

棉秸秆二次炭化实验分析

针对新疆大量的生物质秸秆资源,尤其是棉花秸秆,在外热式炭化炉中炭化后比表面积不高、利用率低的问题,利用二次炭化的方法提高炭的比表面积。将干燥的棉秸秆在外热式炭化炉中以500℃炭化,再将炭化产物粉碎后分别在800℃和900℃的高温下,进行二次炭化,制得高活性生物质炭。同时,比较一次炭化产物、二次炭化不同温度产物的比表面积和吸附能力得出:温度越高,保温时间越长,制得炭的比表面积越大,吸附效果越好。实验结果表明:二次炭化有利于制得活性炭,提高生物质炭的经济价值。     

热解温度对生物质炭性质及其在土壤中矿化的影响

以苹果树修剪的枝条为原料,分别在300、400、500、600℃条件下热解制备生物质炭,在采用扫描电镜、红外光谱、物理化学吸附仪等手段研究其性质、结构差异的基础上,通过培养试验研究不同温度制备生物质炭的矿化特征及其对土壤有机碳组分的影响。结果表明,随着热解温度的升高,生物质炭的碳含量、比表面积及碱性官能团的含量增加,O、H及H/C、O/C和酸性官能团、总官能团的含量则降低,生物质炭的芳香族结构加强,稳定性升高。添加生物质炭可以增加土壤呼吸速率、微生物量碳(MBC)及可溶性有机碳(DOC)的含量,且随着添加比例的增加而增加,但随着热解温度的升高而降低。生物质炭的矿化率随着热解温度升高和添加比例增加而降低。利用双库模型揭示了生物质炭对土壤活性碳库、惰性碳库及其分解速率的影响。施用生物质炭后土壤有机碳的半衰期在24.09~44.76 a之间,且随生物质炭制备温度升高而增大。考虑到生物质炭制备过程中有机碳的损失,且从提升土壤有机碳含量方面考虑,500℃为制备苹果枝条生物质炭的最佳温度。     

响应面法优化水稻秸秆炭化工艺参数

采用响应面法优化水稻秸秆炭化工艺条件。在单因素实验基础上,选择热解温度、升温速率和保温时间为随机因子,进行3因素3水平的Box-Behnken中心组合设计,采用响应面法分析3个因素对水稻秸秆产炭率的影响,并建立产炭率的二次多项式数学模型。结果表明:水稻秸秆炭化时,最佳产炭条件为热解温度300℃、升温速率7.56℃/min、保温时间0.98h,在此条件下的产炭率为44.49%。随机选择水稻秸秆炭化条件,所得实验值与理论值的偏差为4.3%左右,理论值与实验值较接近,说明回归方程拟合度较高,该优化方法可行。     

甘蔗渣两级快速热解特性研究

利用Py-GC/MS(快速热解-气相色谱/质谱联用)装置进行了甘蔗渣的两级快速热解实验,考察了甘蔗渣一级快速热解的产物分布特性以及一级热解温度对后续二级热解产物分布的影响。实验结果表明,甘蔗渣低温一级热解产物富含4-乙烯基苯酚(4-VP),在250℃热解时4-VP的选择性最高(相对峰面积百分比高达48.11%),而在300℃热解时4-VP的产率最大。一级热解温度对后续二级热解产物分布有着较大的影响,随着一级热解温度的升高,二级热解产物中左旋葡聚糖(LG)含量显著增加,而多数其他产物的含量则显著降低;根据产物组成可以判断,300℃下的一级热解固体产物进行二级热解所获得的生物油,与甘蔗渣直接在500℃快速热解获得的生物油相比,具有更高的燃料品位。由此可确定甘蔗渣两级快速热解的应用方式应为:首先在300℃下进行一级快速热解制备4-VP,随后对固体残渣在500℃进行二级热解获得高品位生物油。