慢速热解条件下生物炭理化特性分析

生物炭可以作为优质燃料、土壤改良剂以及生物有机肥料等,不同用途的生物炭特性差异较大。为此,针对在慢速热解条件下产生的生物炭特性,如固定碳、热值、比表面积、孔隙等进行分析,得出温度是影响生物炭理化特性最重要参数,升温速率、滞留时间等对各特性也有一定影响。同时,结合目前各种类型热解设备综合比较认为:窑式热解设备适合生产质量不高、固定碳含量较高的生物炭;固定床式热解设备根据加热方式不同可以生产各种生物炭,适应范围较广;移动床式热解设备适合生产固定碳、比表面积较高的生物炭。另外,现有各设备在结构参数、自动控制方面、生物炭冷却方面还有待提高,设计出规模化、自动化的成套设备是未来的发展趋势。     

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。     

麦秸与木屑热解制备磁性生物炭基材料理化性质研究

分别以小麦秸秆和杨树木屑为原料,经浸渍-化学沉淀-高温热解制备磁性生物炭基复合材料,考察负载铁处理在不同原料类型、热解温度下对材料理化特性的影响。结果表明:复合材料中铁主要以Fe3O4的形式存在,材料外层含量较内层高。负载铁处理加速了生物质热解脱氢和脱氧进程,对生物炭理化特性的影响效应随温度升高而加剧。在300~600℃的热解温度下,负载铁处理小麦秸秆和木屑热解炭的灰分质量分数均增加,增加范围分别为28.8~34.4个百分点,39.1~47.6个百分点,而固定碳含量、热值均降低;比表面积、总孔容均增大,增大范围分别为:10.67~72.24 m2/g、0.039 8~0.093 1 cm3/g,15.43~105.14 m2/g、0.010 4~0.078 9 cm3/g,而平均孔径减小。负载铁处理对两种生物质挥发分含量和pH值的影响不同,表现为:负载铁秸秆生物炭的挥发分质量分数增加5.2~13.2个百分点,pH值降低0.04~1.49,而负载铁木屑生物炭的挥发分质量分数在300℃降低17.4个百分点,在400~600℃增加8.5~22.2个百分点,pH值则升高0.33~1.93。     

金属盐添加剂对生物质微波热解特性的影响

采用微波热解反应器系统与气相色谱和质谱分析仪以及等温吸附仪等研究了NaCl、K2CO3、MgCl2的添加对农业废弃物棉秆微波热解特性的影响.结果表明,3种金属盐添加剂均使液体产物产率下降,固体产物产率增加,且添加剂的加入对简化生物油组分以及提高生物油品质效果显著,产物中酚类物质含量明显降低,乙酸的相对含量由11.87％提升至37.57％,固体焦炭的表面孔隙结构也得到了明显改善.     

不同炭化温度和时间下牛粪生物炭理化特性分析与评价

高含水率是牛粪现有处理方式的限制性因素之一。水热炭化技术不受牛粪高含水率的限制,是安全处置与资源化利用牛粪的极具潜力的技术措施之一。将新鲜牛粪在190℃和260℃下水热炭化处理不同时间(1、6、12h),收集并测定生物炭性质,并用熵权TOPSIS模型评价其农学应用价值。结果表明,牛粪生物炭理化性质因炭化温度和时间而异。炭化温度从190℃升高到260℃,反应时间由1h延长至12h,牛粪生物炭碳、全磷、全钾含量分别增加17.88%、39.06%和85.19%,而产率、氢与碳原子比、氧与碳原子比、氧氮与碳原子比、铵态氮含量、交换态磷含量和交换态钾含量则分别降低26.65%、24.00%、68.42%、64.29%、98.91%、89.26%和42.30%,炭化程度显著提高。牛粪生物炭红外谱图官能团吸收峰位置变化较小,随着炭化温度升高和时间延长,含氧官能团吸收峰强度降低,金属-卤素化合物吸收峰强度增加。提高炭化温度,延长反应时间,牛粪生物炭表面电荷量及其pH值依变性减弱,比孔容和比表面积也降低。整体而言,炭化温度对牛粪生物炭性质影响大于反应时间。低温短时间处理制备牛粪生物炭的农学应用潜力较大,更适宜作为土壤调理剂。     

生物炭对盐渍土理化性质和紫花苜蓿生长的影响

为揭示生物炭对滨海盐渍土理化性质和紫花苜蓿生长的影响规律,采用盆栽试验方法,研究了不同生物炭添加量(炭土质量分数0、0.5%、1%、2%、5%、10%)处理下黄河三角洲盐渍化土壤养分、结构、盐分以及紫花苜蓿产量、品质等变化特征,并采用灰色关联度法评价了生物炭的应用效果。结果表明,添加生物炭后,土壤有机质和全氮含量分别增加了16.27%～246.65%和6.38%～58.51%,全磷、有效磷和全钾含量变化相对较小;土壤容重显著降低,低量生物炭处理显著提高了盐渍化土壤大于0.25 mm团聚体的含量和团聚体稳定性;水溶性盐总量降低了38.90%～46.17%,其中Mg~(2+)、Cl~-和SO_4~(2-)含量降幅较大;紫花苜蓿产量提高了8.19%～43.00%,品质无显著变化。整体而言,随着施炭量的增加,土壤肥力有所提高,团聚体稳定性降低,盐分含量和紫花苜蓿产量呈先降后增的趋势。施用生物炭改善了盐渍化土壤的理化性质,促进了紫花苜蓿生长,生物炭用量0.5%时施用效果最优。     

不同灰分生物质炭对红壤理化特性与微生物特性的影响

为探讨不同灰分含量的生物质炭对酸性红壤特性和微生物特性的协同影响,采用盆栽试验,添加1%~10%土壤质量的高灰分稻壳炭(RHC)和低灰分油茶壳炭(COSC),以无添加为对照,50 d后测定土壤含水率、pH值和土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量,以及土壤微生物群落数量、微生物量碳含量和微生物活性。结果表明,添加1%~10%的RHC和COSC,土壤含水率由15.54%增加至17.47%~28.28%,pH值由5.40提高至7.05~7.75,其中,10%RHC处理土壤的含水率显著(p<0.05)提高81.98%,pH值显著提高43.52%。酸性红壤的营养元素随RHC添加量的增加而提高,10%RHC处理土壤的碱解氮、速效磷、速效钾含量分别显著增加84.83%、70.47%和595.57%,COSC添加对土壤碱解氮含量有负相关影响,使其降低14.65%~29.27%。微生物群落数量随RHC、COSC添加量的增加呈现先增大、后减小的趋势,5%RHC处理对细菌、真菌、放线菌数量影响显著,分别增长了1040.05%、715.00%和713.59%;5%COSC处理对土壤真菌数量影响显著,增长了1265.00%。土壤微生物生物量碳含量和微生物活性均随RHC和COSC添加量的增加呈先升高、后降低的趋势,5%COSC处理对微生物生物量碳含量影响显著,较对照组增长了11倍,5%RHC处理对微生物活性影响显著,较对照组增加了60.50%。因此,适量添加高灰分稻壳炭改良红壤,可协同改良土壤理化特性、增加微生物群落数量和微生物活性。本研究结果可为高灰分生物质炭改良酸性土壤提供科学依据。     

盐酸预处理对生物质热解特性和热力学特性的影响

为深入探讨盐酸预处理对生物质热解特性的影响,采用热重法对比分析了酸洗前后玉米秸秆和银中杨在低升温速率(10、20、30、40、50℃/min)下的热解特性,利用分布活化能模型(DAEM)计算了热解过程的动力学参数和相应的热力学参数,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了酸洗前后生物质化学结构的变化。结果表明:生物质热解过程经历了失水、玻璃化转变、快速热解和碳化4个阶段;酸洗预处理提高了生物质热解的最大失重速率和最终失重率,减少了焦炭的产生。在转化率为20%～70%时,用DAEM模型计算得到酸洗前后玉米秸秆和银中杨热解活化能分别为218.27～340.08 kJ/mol、225.17～291.73 kJ/mol、227.35～254.76 kJ/mol、197.39～235.52 kJ/mol。盐酸酸洗预处理整体上降低了生物质热解过程中的活化能、焓变和熵变,增加了吉布斯自由能(ΔG),促进了热解反应。酸洗前后玉米秸秆和银中杨红外光谱图相似,但在相同吸收峰处存在明显的强度变化,说明酸洗预处理对不同生物质有机官能团的影响程度不同。     

生物炭与凹凸棒对土壤水力特性的影响

选取生物炭、凹凸棒两种土壤改良剂,以纯土为CK,设置3种生物炭质量比(0%、2%、4%)与3种凹凸棒质量比(0%、2%、4%),通过测定土壤水分特征曲线,并结合电镜试验,分析不同生物炭与凹凸棒添加比例下土壤当量孔隙分布、比水容量、水分常数及土壤微观结构变化,研究生物炭与凹凸棒对土壤水力特性的影响。结果表明：与CK相比,生物炭与凹凸棒均能增强土壤持水能力。不添加凹凸棒时,土壤持水能力随着生物炭的添加而增强;添加2%凹凸棒时,土壤持水能力随着生物炭的添加而减弱;添加4%凹凸棒时,土壤持水能力随着生物炭的添加而增强。单独添加生物炭可以增大土壤比水容量,单独添加凹凸棒会减小土壤比水容量。添加凹凸棒后,施加2%生物炭可以明显增大土壤比水容量。施加生物炭与凹凸棒的土壤残余含水率较CK增大15.6%～103.1%;重力水较CK降低0%～7.1%。不添加凹凸棒时,极微孔隙随着生物炭的添加而增加;添加2%凹凸棒时,极微孔隙随着生物炭的添加而减少;添加4%凹凸棒时,极微孔隙随着生物炭的添加而增加。通过微观结构分析得出生物炭与凹凸棒会使得土壤颗粒接触紧密,出现桥接状垒结。以期为西北旱区土壤环境改善提供一定的...     

猪粪沼渣生物炭制备及其植物毒性评价

沼渣量大面广,具有环境污染与资源能源双重属性,研发以热解气化技术处置棘手的沼渣,是实现废弃生物质资源高效利用的重要途径。利用猪粪沼渣通过热解技术制备生物炭,表征了550℃和700℃条件下制备的生物炭的物理和化学结构特征,结果表明550℃条件下碳产率更低,表面孔隙结构更好,孔隙更加均匀,并且官能团更多。植物生态毒理评价结果表明,植物长势随着生物炭的添加量先降低再增加,550℃热解生物炭(BC550)添加量为8 g和16 g的生物炭悬浮液(生物炭∶超纯水=1∶3),对石英砂组的西红柿生长促进最大;700℃热解生物炭(BC700)添加量为1 g,有利于大棚土壤组的西红柿生长。以上结果对沼渣减量、高附加值利用和大中型沼气工程的可持续发展具有重大价值和现实意义。     

不同添加剂油茶壳炭粉成型性能与燃烧特性研究

以油茶壳炭粉为原料,纤维素和氧化淀粉为添加剂,采用万能试验机研究成型温度、成型压力、原料含水率对燃料成型品质的影响。研究发现,成型温度在60~100℃时成型燃料的品质较好,提高成型温度对燃料的松弛密度影响不明显,但比能耗增加,对径向抗压强度影响与添加剂种类有关。提高成型压力,成型燃料的松弛密度、比能耗和径向抗压强度都随之增大,成型压力在6~8 k N时成型燃料品质较好。提高原料含水率对降低能耗有显著作用,但原料含水率过大不利于成型,原料含水率在15%~20%时成型燃料品质较好。对成型燃料燃烧特性研究发现,纤维素和氧化淀粉的加入,着火温度能分别降低至362.5℃和324.5℃,添加氧化淀粉后燃料品质和燃烧特性最好;添加纤维素的混合成型燃料热值降低更少,且品质受成型因素影响较小。     

煤与生物质恒温热解比较研究

在实验室自制固定床热解反应器中,选择了两种煤(神华煤和灵武煤)和3种生物质(花生壳、核桃壳和木屑)作为实验材料,定量化分析比较了恒温热解和同温热解停留时间对煤与生物质热解产氢及热解油、热解焦产率的影响.研究认为:实验用煤与生物质催化热解表现出基本相同的热解趋势,即提高热解温度和延长热解时间(对生物质添加合适催化剂)都有利于产氢;对煤而言,提高热解温度和延长热解时间还利于热解油生成,但对生物质而言,效果不很明显.     

保护性耕作对土壤理化性质和作物产量的影响

应用定位田间试验的方法，研究了不同耕作方式和秸秆还田方式对作物产量和土壤理化性质的影响。研究结果表明，传统翻耕的土壤容重大于进行保护性耕作的土壤容重；随着免耕年限的增加，土壤团聚体不断增大，进行5年保护性耕作的土壤团聚体比进行2年、3年保护性耕作的土壤团聚体有明显增加：进行免耕秸秆覆盖处理的土壤养分除碱解氮外．有机质、全氮、全钾、全磷及速效磷、速效钾均高于免耕无秸秆覆盖和传统翻耕的土壤：在施肥量相同的情况下。进行保护性耕作处理的小麦和水稻产量均比传统翻耕高，其中以半量秸秆还田免耕增产幅度最高，分别达小麦14．45％，水稻6．47％。     

典型废弃生物质的热解特性研究

对6种典型废弃生物质(锯末、稻壳、纸屑、橱芥、废塑料、废橡胶)进行热重实验分析及热解动力学分析;同时,利用TG/DTG曲线分析了它们的基本热解特性,包括热解区间、最大热解速率的温度、不同加热速度等对热解进程的影响等;通过热解动力学分析,给出了基本的热解动力学方程,研究了各种原料在不同升温速率下的热解动力学参数,为废弃生物质制取生物质能源技术提供基础数据.     

复合吸波剂TiC/SiC诱导微波热解生物质试验研究

采用复合吸波剂TiC/SiC进行了生物质微波热解制备生物油有机相的研究。采用响应面法分析了TiC与SiC质量百分比、吸波剂与生物质质量百分比和微波功率与生物质质量比对有机相产率的影响;在最优工艺条件下,对比分析了采用纯SiC和复合吸波剂对有机相产率及化学组成的影响,并对固体产物生物焦进行了表征,分析了有机相和生物焦的性能及潜力。结果表明,各因素对有机相产率影响显著,且相互间存在交互影响;当TiC与SiC质量百分比为20%、吸波剂与生物质质量百分比为53%和微波功率与生物质质量比为9.5 W/g时,有机相产率达到28.60%,与预测值28.69%较为接近。使用纯SiC作为吸波剂时,有机相产率降至23.35%,说明引入适量TiC可以使生物质热解更多地保留来自纤维素和半纤维素的产物,在增加有机相产率的同时,降低酸类、酮类和酚类相对含量;相对较多的呋喃类、醇类和酚类及其相对集中的碳原子数分布,使所得有机相产物可用作精细化工原料;核磁共振分析表明,使用复合吸波剂所得有机相中脂肪氢/碳比与芳香氢/碳比明显升高,验证了分析的准确性;复合吸波剂使生物焦具有更高的碳化程度和吸附性能,比表面积和孔容达360 m^2/g和0.22 cm^3/g,可制成活性材料。     

均质/加热条件下组分缺失型原料豆乳理化特性研究

为探究脂氧酶缺失型大豆品种东富3、7S球蛋白缺失型大豆品种东富2为原料生产的豆乳理化性质,以普通大豆品种黑农64为对照,分别探究均质(80 MPa)、加热工艺(95℃、25 min)对3种原料豆乳理化性质的影响.结果显示未均质加热前,东富3生豆乳的蛋白溶解度、游离巯基含量在3种豆乳中最高,平均粒径、浊度、粘度、离心沉淀...     

生物质热解利用系统的实验研究

根据产气量为20m3/h的热解炉,以玉米秸秆颗粒为生物质原料,对额定功率为10kW的燃气发电系统及其相关的焦油裂解装置进行了研究,得出玉米秸秆颗粒在热解温度为470℃左右时,燃气的热值最高,以煅烧的白云石和镍基催化剂组成的焦油裂解装置,在催化裂解温度为850℃时,可达97%以上的焦油裂解率.结合对热解气副产物生物质炭的分析,得出了生物质热解利用系统的产出能量大概分布,为生物质能源的高效综合利用提供一定的参考.