水热炭化温度和时间对鸡粪生物质炭性质的影响

水热炭化被认为是极具潜力的安全处置与资源化利用鸡粪的技术措施之一。该研究将鸡粪在190和260℃水热炭化处理不同时间(1、6和12 h),收集并测定固体产物生物质炭特性,目的在于了解水热炭化反应温度和时间对鸡粪生物质炭特性的影响。结果表明,鸡粪经过水热炭化处理后,46%~56%的干物质转化为生物质炭,C、P质量分数分别增加了5%和59%以上,而H、O、N、K质量分数则分别降低了9%~18%、26%~65%、19%~37%和92%~97%。表面电荷量降低,p H值依变性也减弱,其中有效阳离子交换量降低了50%~90%。生物质炭中1~5μm孔隙显著减少,主要形成1和100μm左右的孔隙。总体来看,水热炭化反应温度越高,反应时间越长,这些指标提高或降低的幅度越大,生物质炭的炭化程度越高;比起反应时间,反应温度对生物质炭性质的影响更大。该文还讨论了鸡粪生物质炭作为土壤调理剂的应用价值与潜力,研究结果可为鸡粪生物质炭在土壤改良等方面的应用提供基础数据。     

适宜炭化温度及时间改善生物质成型炭品质

为制备品质特性较佳的成型炭块,对螺杆挤出的生物质高密度成型燃料进行炭化,试验研究了炭化温度(400、450、500、550和600℃)、升温速率(2、6和10℃/min)和保持时间(60、120和180 min)对成型炭块的工业分析成分、热值和力学强度等品质指标的影响。随着炭化温度的提高,成型炭块的炭得率、挥发分含量降低,固定碳含量提高,热值增大;炭化温度550℃时热值达到最大值,为31.04 MJ/kg,抗压强度和抗跌碎强度均较好。升温速率对成型炭块的力学性能影响较大,升温速率越小,抗压强度越大;升温速率为2℃/min时,成型炭块表面裂纹少,抗压强度达最大值,为439.8 k Pa;相应地,抗跌碎强度亦较佳,为95.5%。保持时间为120 min时成型炭块具有较高的热值29.63 MJ/kg,较大的抗压强度192.1 k Pa和较好的抗跌碎强度96.7%,过长或过短的保持时间都不利于成型炭块品质的提升。     

热解温度对玉米秸秆炭产率及理化特性的影响

【目的】通过对不同热解温度条件下玉米秸秆炭理化特性的分析,探索玉米秸秆炭具有较高利用价值的炭化温度。【方法】以玉米秸秆为原料,采用低氧升温炭化法,在不同热解温度下 (100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃) 分别炭化2 h,制备生物炭,收集并测定了固体产物生物炭产率及特性。【结果】生物炭的产率随热解温度的升高逐渐降低。生物炭全碳含量和碳氮比随热解温度升高而升高,全氮含量在400℃以后随热解温度升高而降低。阳离子交换量 (CEC) 在400℃～600℃达到较高水平,为70.87～83.48 cmol/kg。随热解温度升高,玉米秸秆炭表面碱性含氧官能团增加、酸性含氧官能团减少,pH随着热解温度的升高逐渐增加,当温度达到400℃及400℃以上时呈碱性甚至强碱性。红外光谱分析表明,热解温度达到500℃时,纤维素和半纤维素已经完全分解;高温热解使玉米秸秆中–CH₃、–CH₂、–OH、–C=O间发生缔合或消除,促进芳香基团的形成。随着热解温度的升高,玉米秸秆炭的比表面积和比孔容均是先变大后变小,孔径先变小后变大,在400℃～600℃条件下,玉米秸秆炭的孔隙相对较为丰富,不同热解温度下玉米秸秆炭的比表面积和比孔容呈极显著正相关关系(P < 0.01)。【结论】综合各项指标,玉米秸秆的最佳热解温度为400℃～500℃,此温度下制备的生物炭产出率相对较高,氮、碳养分损失少,生物炭的理化性能和养分利用均达到最优。     

不同热解温度制备的水稻秸秆生物炭理化特性分析

以不同热解温度(100～800℃)制备的水稻秸秆生物炭为研究对象,研究在不同热解温度下制成的生物炭的理化特性。结果表明,热解温度为100～300℃制成的水稻秸秆生物炭呈弱酸性,400℃以上时呈碱性;水稻秸秆生物炭表面碱性含氧官能团数量随着热解温度的升高而增加、酸性含氧官能团则减少;水稻秸秆生物炭中的官能团C=C、C-O-C、-OH和-C=O在较高的热解温度下发生缔合或消除,促进了芳香基团的形成;随着热解温度的升高,水稻秸秆生物炭的阳离子交换量(CEC)、比表面积、孔径、比孔容、氮气吸附量和颗粒表面的分型维数(D1)均先增加后降低,阳离子交换量(CEC)在300～500℃时、其它性状在400～600℃之间达到最大值;以不同热解温度制成的水稻秸秆生物炭颗粒的孔隙结构均以孔隙宽度2～50 nm的中孔为主。随热解温度的升高,水稻秸秆生物炭的产率逐渐降低;400～500℃炭化2 h,生物炭产率最高,其孔隙结构最为复杂,所以可以认为400～500℃是水稻秸秆炭化的最佳温度。     

生物质炭热解炭化条件及其性质的文献分析

【目的】因生物炭具有对土壤固碳减排和作物增产以及环境修复的作用,已受到国内外学者的广泛关注。本文回顾近年来生物质炭性质的相关研究,分析农业应用中生物质炭性质问题,阐述未来生物质炭性质研究发展趋势。【方法】收集了截至2015年12月文献出版物中402篇文献,对数据按生物质炭来源地区、生产 (制备) 条件和性质类别进行分类评价。【结果】1) 目前研究中应用的生物质炭68.2%为实验室制备,商业化生产比例只有22.9%;2) 生物质炭原料以林木为主,占44.3%,其次是农作物剩余物,占38.6%。作物秸秆制备的生物质炭以中国研究最多;3) 制备生物质炭的炭化温度范围在300～700℃ (91.4%),400～600℃的温度范围以商业化生产中较常用;4) 生物质炭性质测定除总 (有机) 碳外,常测指标还包括pH、电导率、总氮、灰分和比表面积等,潜在污染物指标测定较少,而污泥炭中的重金属及植物源炭的多环芳烃潜在风险仍需研究;5) 生物质炭的研究制备原料基本上取决于该区域内可收集的废弃物,欧美地区主要关注林木生物质炭,亚洲等的发展中国家则着重研究秸秆生物质炭。【结论】与欧美国家相比,发展中国家的生物质炭商品化生产仍较薄弱。不同原料和温度生产的生物质炭性质和功能差别很大,以秸秆为原料、中温炭化的生物质炭各方面性质较为平衡,具备生物质炭大规模产业化的条件。此外,生物质炭性质的测试注重理化性状,对潜在风险污染物的分析普遍不足,亟需开发一个标准来规范生物质炭最小测试指标集和合适的测试方法选择。     

不同炭化温度下玉米秸秆和沙蒿生物炭的结构特征及化学特性

掌握不同生物炭材料的结构特征和化学特性是合理利用生物炭的基础。通过无氧炭化法制备了不同炭化温度下的玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭,对比了不同材料和不同炭化温度下生物炭性质的差异。结果表明:炭化温度低于400℃时,两种材料生物炭的孔隙结构保存完整,600℃以上时,两种材料生物炭的蜂窝状结构均遭到破坏,玉米秸秆生物炭被破坏得更严重;同一炭化温度下,玉米秸秆生物炭的比表面积及总孔容和平均孔径均大于沙蒿生物炭,两种生物炭的比表面积随炭化温度的升高均增大,总孔容呈"V"形变化;两种材料的生物炭均呈碱性,炭化温度越高,pH越大,400℃~800℃,每升高10℃,玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭的pH均以0.02的幅度增加,同一温度下,玉米秸秆生物炭的pH大于沙蒿生物炭,在400℃、600℃和800℃下分别比沙蒿生物炭高0.31、0.35和0.29单位;随炭化温度的升高,玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭的C、P、K和灰分含量增加,400℃~800℃,玉米秸秆生物炭的C、P、K含量以炭化温度每升高10℃分别增加2.94、0.11、0.20 g/kg的幅度变化,沙蒿生物炭也以4.35、0.07、0.24 g/kg的幅度增加,与此同时,玉米秸秆生物炭的N、H含量以每升高10℃分别以0.13 g/kg和0.86 g/kg的幅度降低,沙蒿生物炭的N、H含量分别以0.04 g/kg和0.82 g/kg的幅度下降,S含量无明显变化,C/N和C/H增大,且不同材料生物炭的元素含量差异显著;两种材料生物炭的N、P、K有效性随炭化温度的升高均下降,400℃~600℃,玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭的速效N含量分别下降了57.89%和19.05%,800℃时两种生物炭的速效N均接近0 mg/kg,400℃~800℃玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭的速效P含量分别降低了67.41%和52.36%,此时速效K含量也分别降低了45.62%和90.16%。总之,不同材料和炭化温度对生物炭的物理特征和化学特性都有较大影响。     

炭化秸秆对水体中氨氮和磷的吸附性能及其与粉煤灰和炉渣的对比

采用恒温振荡吸附试验方法,研究了炭化秸秆对水体中氨氮和磷的吸附,并与粉煤灰和炉渣两种物料的吸附性能进行了对比。结果表明,炭化秸秆对氨氮和磷的吸附容量和吸附率小于粉煤灰、但大于炉渣,且3种物料对氨氮和磷的吸附容量,都随着吸附剂投加量的增加而减小;炭化秸秆和粉煤灰的吸附率随着吸附剂投加量的增加而增大,炉渣则减小;炭化秸秆和炉渣对氨氮和磷的吸附率随着pH值的增大而呈现不规则的增大趋势。3种物料对氨氮和磷的吸附容量受pH的影响很小,粉煤灰对氨氮的吸附容量在pH为6时最高,但在pH为4时炭化秸秆对氨氮的吸附容量最低。     

温度及过筛方式对猪粪和稻秆炭理化特性和镉吸附的影响

该文以猪粪、水稻秸秆为原料,采用2种过筛处理(热解前、后过筛),于300~700℃下制备生物炭,通过电镜扫描(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)对其进行表征并分析其理化性质,探讨不同处理生物炭理化性质及镉吸附能力之间的相关关系,并优选出以修复土壤镉污染为目标的生物炭处理。结果表明:1)稻秆生物炭的镉吸附能力(最大吸附量为69.2 mg/g)显著高于猪粪生物炭(最大吸附量为36.4 mg/g)。制备温度为300℃时,前、后过筛处理的稻秆生物炭对镉的吸附能力分别为10.6和11.5 mg/g;制备温度为700℃时分别增加至61.4和69.2 mg/g。前后过筛方式对稻秆和猪粪生物炭镉吸附的影响规律不明显。2)生物炭的产率与灰分含量显著负相关,与H/C极显著正相关。3)前、后过筛处理的稻秆生物炭以及前过筛处理的猪粪生物炭的镉吸附能力均与产率和H/C呈显著负相关。后过筛处理猪粪生物炭的镉吸附能力与所有理化性质均不显著相关。     

秸秆热解工艺优化与生物炭理化特性分析

以肥料化利用为目标,优化秸秆热解工艺,实现秸秆生物炭的高值化利用。该研究以水稻、小麦、玉米、油菜和棉花秸秆为原料,以炭化温度、保温时间和升温速率为因素进行正交试验,采用综合评分法优化热解工艺,并分析最优工艺条件下生物炭的理化特性。结果表明,影响秸秆生物炭品质因素的主次顺序为炭化温度、保温时间、升温速率。以生物炭的肥料化利用为目标,5种秸秆炭化的最优工艺参数组合是炭化温度500℃、保温时间30 min、升温速率10℃/min。在最优工艺条件下,5种秸秆生物炭的炭产率约为32%~38%,固定碳的质量分数大于45%,C元素的质量分数大于53%,N元素的质量分数为0.7%~2.5%,K元素的质量分数为3.41%~6.81%。生物炭表面有含氧官能团且内部有丰富的介孔结构。该研究为秸秆生物炭的肥料化利用提供数据支撑。     

罐头食品杀菌温度和时间的研究

用加热法对罐头食品进行杀菌，应使罐中心区达到微生物的热死温度。采用图解法和数值法解差分方程计算温度和时间，并比较两种解法的优劣，找出最佳方法     

基于能量得率的棉秆热裂解炭化工艺优化

为了从能源利用角度设计和优化棉花秸秆热裂解制生物炭的热解炭化工艺,该文使用了产率、热值及能量得率3个指标来衡量工艺的优劣。首先,研究了热解温度、保留时间和原料粒径3个工艺条件分别对生物炭产率和热值的影响。结果表明,在3个工艺条件下生物炭产率与热值均呈负相关,即高产率和高热值目标无法同时满足。因此,引入能量得率(单位原料所产生物炭的总能量)作为全面评价生物炭产率和热值的综合指标,重点利用响应面分析法分析了3个工艺条件及其交互作用对能量得率的影响,并经过检验得到优化后的能量得率模型。模型预测结果表明,在炭化温度为429℃,保留时间为1.29 h,原料粒径为0.32 mm时,能量得率达到最大值,为78.95%,通过验证试验证明了模型的有效性。该模型能够用于指导生产高能量得率的生物炭,为生物炭能源高效利用目标的实现提供参考。     

不同水热条件对秸秆微波水热碳化产物组成和结构特性影响

为了解秸秆微波水热碳化过程中产物形成机制及其理化结构演变规律,该文采用控制变量法进行了单因素试验设计,研究了水热温度、停留时间、催化剂和原料种类对秸秆微波水热产物组成和结构特性的影响。结果表明,随着水热温度升高和停留时间延长,液相产物的pH值先降低后增加,最低值为3.13,电导率和PO_4~(3-)–P质量浓度先增加后下降,最大值分别为9.38 mS/cm和308 mg/L,NH_4~+–N质量浓度增加,260℃最大值为155 mg/L,而水热焦的产率、H/C和O/C下降,固定碳、C、高位热值增加。高温和长停留时间使水热焦生成较多纳米碳微球结构,且使其O-H键先增多后减少。高温和K_2CO_3使水热焦的芳香烃结构和C=O、C–O含氧官能团增强,而长停留时间使其先增强后减弱。高温和长停留时间使水热焦的比表面积、孔体积和孔径均先增加后降低,而K_2CO_3使水热焦的纳米碳微球和比表面积增加,最大比表面积为10.975 9 m~2/g。玉米秆、水稻秆和油菜秆水热焦的纳米碳微球结构最明显,棉花秆水热焦的比表面积和孔体积最大。     

碳化温度对畜禽粪便水热炭燃烧特性的影响

大量、集中的畜禽粪便,若不加以合理处理利用极易引发严重的环境污染问题。该文选择了集约化程度较高的生猪、奶牛、肉牛、肉鸡和蛋鸡5种畜禽的粪便作为样本,研究了水热碳化温度对畜禽粪便水热处理的影响,通过元素分析、工业分析和热重试验,分析了水热炭的燃烧特性,并比较了不同畜禽粪便水热炭之间的差异。研究发现,水热碳化能够提高水热炭的碳元素、固定碳含量,提高高位热值,降低氢碳比、氧碳比和挥发分固定碳比的值,得到的水热炭类似于褐煤。热重试验发现,水热碳化能够减小不同畜禽粪便样品之间的性质差异。水热碳化温度为180和210℃时,除肉鸡粪便水热炭外,其他畜禽粪便水热炭的综合燃烧特性指数均得到提高,5种畜禽粪便中,奶牛和肉牛粪便水热炭具有更好的燃烧特性。     

Effects of pyrolysis temperature and residence time on physicochemical properties of different biochar types

Here we selected eight types of feedstocks to assess the effects of pyrolysis temperature (300°C, 400°C, 500°C and 600°C) and residence time (0.5, 1, 2, 4, 8 and 24 h), respectively, on the physicochemical properties. The fixed-carbon content, pH value and amount of basic functional groups in biochars increased as the pyrolysis temperature increased from 300°C to 600°C; the opposite trend was found in the biochar yield, adsorption capacity and amount of acidic functional groups. Increasing the residence time at low pyrolysis temperature (300°C) resulted in a gradual reduction in the biochar yield and progressive increase in the pH and iodine adsorption number of biochars. However, increasing the residence time at high pyrolysis temperature (600°C) had little effect on the biochar yield or pH, while it decreased the iodine adsorption number of biochars. Given the effects of pyrolysis conditions on the pH and iodine adsorption number of biochars, low-ash agricultural wastes (e.g. wheat straw) can be pyrolysed at 300°C, 2 h to produce biochar for improving alkaline soils; high-ash agricultural wastes (e.g. sweet potato vine) and forest litter (e.g. fresh leaves of apricot tree) are preferably pyrolysed at 300°C, 4 h to produce biochar for use in acidic soils.     

多腔室秸秆原位炭化还田设备设计

原位炭化还田技术可将田间秸秆就地直接转化为生物炭,改善土壤结构,解决秸秆直接还田腐解慢、出苗率低、病虫害严重等问题。但目前炭化还田设备仍存在炭化不均匀,运行稳定性差,生产效率低等问题。该研究基于精准控氧控温炭化要求,在前期样机基础上,创新研发了立式多腔限域式炭化反应器,研制强化物料定向流动的多翅片型扰动部件,并运用ANSYS Workbench进行仿真模拟和结构优化,研制热解气清洁燃烧及高温烟气换热回用系统,集成秸秆捡拾粉碎系统及田间作业机具,研制立式多腔室秸秆原位炭化还田设备。以玉米秸秆为原料进行炭化试验,设备秸秆处理量为500 kg/h,生物炭产率为125 kg/h,固定碳含量为50.30%,系统能量利用率为70.66%,产出的炭达到Ⅰ级生物炭还田标准,燃烧烟气中颗粒物、NO_x、SO_x等排放均满足国标要求,整机系统运行稳定,满足设计标准。为秸秆直接炭化还田提供了技术及装备支撑。     

污泥水热炭化中碳氮固定率的影响因素分析

为探究污泥水热炭化工艺中碳和氮固定率与影响因素间的关系,采用三因素三水平Box-Behnken试验设计,拟合响应面模型,研究了水热温度(150～250℃)、含固率(5%～15%)、反应时间(2～6 h)与污泥水热炭化工艺中碳氮固定率的关系。结果表明,多元二次方程可用于描述碳和氮的固定率与上述影响因素间的定量关系(R2分别为0.9925和0.9903)。污泥水热炭化中碳与氮固定率分别为36.6%～52.9%和20.4%～42.5%。水热温度与反应时间对碳和氮固定率均呈负相关,含固率则呈正相关。3个因素对碳固定率的显著影响(p0.05)大小依次为:水热温度含固率反应时间,而氮固定率仅受水热温度的显著影响(p0.05)。水热温度(≤169℃)与含固率(≥7%)的交互耦合可维持较高的碳固定水平(≥50%),而降低水热温度是获得较高氮固定率的关键。该研究结果可为水热炭化技术应用于污泥处理领域提供参考。     

棉花秸秆炭微波裂解生产设备研制

为了提高棉花秸秆的循环利用效率,分析不同参数对微波裂解棉花秸秆生产秸秆炭的产炭率的影响,该文研制了一套微波裂解设备。微波裂解设备主要由气液处理系统、裂解腔、惰性气体供应系统、恒温控制等组成,工作时微波裂解腔中的磁控管对棉花秸秆的裂解过程提供能量,使棉花秸秆达到炭化的效果。以棉花秸秆的炭产率为指标,以棉花秸秆含水率、炭化时间、微波功率为影响因素,通过Box-Behnken中心组合试验方法对微波裂解设备在裂解棉花秸秆过程中的试验因素进行三因素三水平二次回归试验。分析各因素对产炭率的影响,同时对影响因素进行综合优化。结果表明,棉花秸秆含水率和微波功率对棉花秆秸产炭率影响显著(P<0.01),最优参数组合为含水率11%、炭化时间6min、微波功率1.8 kW。验证试验结果表明,在最优参数条件下,棉花秸秆产炭率为30.9%,与理论值的相对误差为0.71%。研究结果可为棉花秸秆炭微波裂解生产设备的设计和作业参数优化提供参考。     

秸秆炭化热解气旋风分离器-指杆轮两级净化装置研制

为提高秸秆热解气的净化率,防止装置堵塞,该研究设计了旋风分离器与回转指杆轮相结合的两级净化装置,I级旋风分离器主要分离热解气中大粒径杂质,II级指杆轮使小粒径灰尘、焦油等杂质与锥形指杆碰撞、聚集、并在高速回转作用下离心分离,实现热解气高效净化。研究确定了I级净化装置的结构参数,设计了II级净化装置,确定了指杆轮与锥形指杆的参数及排列方式。以指杆轮转速、热解气的进口速度和芯筒入筒体深度为影响因素,以热解气的净化率和压力损失为指标,进行了二次通用旋转组合样机性能试验。利用Design-Expert8.0.6软件对试验数据进行方差和响应面分析,建立了影响因素与指标之间的数学模型,采用多指标优化法确定最优组合并进行了试验验证。试验得到最优组合参数:指杆轮转速为3 030 r/min,进口速度为19.5 m/s,芯筒入筒体深度为210 mm,此时的压力损失为1 971.73 Pa,热解气总净化率为84.2%,达到了净化要求。研究结果可为秸秆热解气净化装置研究提供理论依据。