基于工业分析指标的秸秆生物炭热值预测

为了有效的预测秸秆生物炭热值,选取棉花、小麦、玉米、油菜和水稻5种农作物秸秆,经过粉碎、干燥后进行炭化处理后,获得175个秸秆生物炭试验样品,并按相关标准测定其热值及灰分、挥发分和固定碳含量。在分析炭化工艺、工业组成与高位热值相关性的基础上,采用回归方法建立基于工业组成的秸秆生物炭热值的预测模型。分析结果表明,对比不同炭化条件下制备的秸秆炭样品的热化工特性,炭化温度对热值影响最明显,保温时间与升温速率对热值影响小。通过方差分析检验,基于工业分析组成建立的秸秆热值曲线拟合方程都是显著的,其中基于灰分、灰分和挥发分、挥发分和固定碳、灰分和固定碳的秸秆热值曲线拟合方程达到了较好的预测精度。     

保温时间对不同秸秆生物炭肥料化利用理化特性的影响

试验以水稻、小麦、玉米、油菜和棉花秸秆为研究对象,考察不同保温时间对5种秸秆生物炭的炭产率、组成成分、pH、电导率和孔隙结构的影响,并对不同生物炭理化特性的相关性进行分析。结果表明,保温时间和原料种类对秸秆生物炭肥料化利用的理化特性均有显著性影响(P0.05)。秸秆生物炭产率为41%～61%、碳转化率为53%～65%。保温时间从0 min增加到120 min,炭产率减少而生物炭的固定碳含量增加,pH和电导率增加,孔壁变薄孔径增大。保温时间与秸秆生物炭的炭产率、H、O和挥发分含量呈显著的线性负相关,与固定碳含量呈显著线性正相关。保温时间为60～90 min时,秸秆生物炭的H/C1,芳香化程度较高,性质稳定。生物炭表面光滑,内部具有较大的空腔,且生物炭的pH、电导率较高,挥发分含量低,是一种较好的炭基肥添加剂材料。     

不同动物粪便炭化特性比较

明确动物粪便炭化后物料特性有利于促进农业废弃物多元化利用模式发展。以水稻秸秆(稻秆)为对照物料,初步探讨动物粪便(羊粪、牛粪、兔粪、猪粪)在炭化温度为300、600℃,炭化时间为3、5 h条件下物料的生物炭产率、碳含量、氮含量、pH值以及碳氮比(C/N)。结果表明:羊粪、牛粪、兔粪、猪粪的生物炭产率明显低于稻秆,随着炭化温度提高,各物料生物炭产率下降,在300、600℃分别降低2.64%~9.34%、4.33%~14.7%,且动物粪便生物炭产率的下降比例大于稻秆;同时,提高炭化温度有利于提高动物粪便炭化物料的碳含量、pH值和碳氮比,但物料氮含量降低;对生物炭产率影响不大,能够降低动物粪便物料碳含量,但从整体来看,对氮含量、碳氮比影响不大;改变炭化温度、炭化时间时,羊粪碳氮含量变化幅度最大,pH值变化则最小,而兔粪则正好相反,牛粪、猪粪则介于羊粪、兔粪之间。由结果可知,不同动物粪便特性(碳氮含量、pH值和碳氮比)对炭化温度和时间的响应存在一定差异。     

南疆棉秆生物炭的制备及理化特性分析

以新疆棉花秸秆为原料,研究炭化温度和炭化时间、升温速率对棉秆基生物炭产量和理化性质的影响。选择300℃、400℃、500℃、600℃为最高炭化温度,5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min为升温速率,30 min、60 min、90 min、120min为炭化时间。棉秆生物炭的最高固定碳为63%。原料的热解特性在惰性气体N2保护下进行TG-DTG分析。对棉秆生物炭的元素成分、PH值、固定碳、灰分和碳含量进行研究,同时进行了SEM,FT-IR表征。随着炭化温度的增加,生物炭pH值、灰分含量、碳稳定性及总碳的含量也逐渐增加,而生物炭产量、挥发分、H、O、N、S元素的含量减少。比表面积结果显示高温制备生物炭的孔隙率有所增加,但增加幅度并不大。研究发现加热时间和升温速率对棉秆生物炭性质的影响不显著,炭化温度对棉秆生物炭性质的影响显著。     

热解工艺对生物炭产量的影响

为了揭示炭化条件与生物炭产率之间的关系,以油菜秸秆为实验材料,通过无氧炭化法来研究炭化温度、炭化时间和炭化时的升温速度对生物炭产率的影响。结果表明:温度从300℃升高至900℃,产率从40.17%降低至19.40%;300℃、600℃和900℃炭化时间从5min增至150min,产率分别为42.58%~48.76%,27.32%~30.15%,18.55%~25.11%;600℃升温速度从50℃/h增至250℃/h,产率从29.00%~28.60%降低至26.04%~26.88%。可见,热解温度是影响油菜秸秆生物炭产率的重要因素,而炭化时间和升温速度对油菜秸秆生物炭的产率影响较小。     

玉米秸秆炭与炭化温度和时间的关系

[目的]筛选出最适宜炭化温度和时间条件下的生物炭。[方法]以玉米秸秆为生物质炭制作原料,对比研究不同炭化温度(350、450、550℃)和时间(1.5、2.0、2.5 h)制备的玉米秸秆炭的p H、电导率等特性及有机质、氮、磷、钾等元素含量及其间的相互关系。[结果]玉米秸秆炭有机质含量随炭化温度的升高和时间的延长而降低[62.23%(350℃)48.52%(450℃)35.78%(550℃)];在350℃炭化温度下p H随着时间的延长而增大,450和550℃炭化温度下p H基本保持在10左右;电导率随炭化温度和炭化温度的变化不明显,炭化温度350℃对玉米秸秆炭电导率的影响相对较大。玉米秸秆炭中速效钾含量随着温度的升高和时间的延长逐渐增加,全氮和碱解氮则相反,速效磷含量较高,表现出574.53 mg/kg(450℃)493.75 mg/kg(350℃)283.98 mg/kg(550℃)的变化趋势。[结论]350℃(2.5 h)和450℃(2.0 h)制备的玉米秸秆炭的农业利用预期效应较好,农业价值较高。     

生物质原料及炭化温度对生物炭产率与性质的影响

本研究以竹片、山核桃壳、水稻及油菜秸秆等4种生物质为原料,通过热重分析研究各生物质材料性质与热解特性及生物炭产率之间的关系;并在300～700 ℃下热解6 h制备生物炭,分析生物炭的元素组成及官能团结构。结果表明,在低温段（300～400 ℃）,生物质材料中的纤维素、木质素等组分对生物炭产率影响较明显,木质素含量高的材料产率较高;而400 ℃以上则是灰分含量对生物炭产率影响较大,水稻及油菜秸秆由于灰分含量高,其400 ℃以上的生物炭产率高于竹片及山核桃壳。随着炭化温度的升高,生物炭灰分含量增加,无灰基的碳含量增大,稳定性增强;仅水稻秸秆炭由于灰分含量较高,在高温（500～700 ℃）条件下仍有部分含氧官能团存在。综上,生物炭在一定温度下的产率取决于生物质材料来源,而生物炭的稳定性则主要由炭化温度决定,且温度越高,性质越稳定。     

金属盐对纤维素类生物质热裂解制炭的影响研究

基于金属盐在生物质热解过程中所起的重要作用,重点研究了金属盐对纤维素类生物质热解生成固定炭产率的影响。采用机械混合法向玉米秸秆中加入金属盐,比较加入不同含量的金属盐对固定炭产率的影响,结果表明,在玉米秸秆中加入20%的氯化钾时固定炭产率可达40%。还对比研究了不同金属盐种类对纤维素类生物质热解生成固定炭产率的影响,结果表明,钾盐的催化效果好于钠盐和镁盐。通过对机械混合和浸泡吸收2种方法进行比较得知,浸泡吸收法加入金属盐对纤维素类生物质热解生成固定炭的催化效果明显好于机械混合法,采用浸泡吸收法在玉米秸秆中加入20%的氯化钾时固定炭产率最高可达47%。     

温度梯度对秸秆炭化物质产率及特性的影响

在300～700℃温度区间,玉米秸秆、水稻秸秆以每100℃为间隔,大豆秸秆以200℃为间隔,研究炭化热解,量化对比产物。结果表明,秸秆热解炭比表面积、总孔容积、pH和碱式官能团随温度升高而增加,孔径和酸式官能团随温度升高而降低;热解液随热解温度升高,酸度降低;热解气中氢气和甲烷含量随温度升高而增加。热解温度平均每升高100℃,热解炭产率平均减少9.31%,热解液产率平均增加4.55%,热解气产率平均增加4.35%。玉米秸秆热解炭、热解液和热解气产率拐点分别为600、611和666℃,水稻秸秆热解炭、热解液和热解气产率拐点分别为666、600和666℃。量化参数可为优化秸秆炭化工艺提供技术支持。     

不同炭化时间对五节芒生物炭理化特征和微观结构表征的影响

【目的】研究不同炭化时间对五节芒生物炭制备过程中理化特征及其微观结构表征的影响,探求其作为生物质能源的潜在应用价值。【方法】以五节芒为原材料,利用高温高压反应釜,在200℃下,水热炭化停留0、1.5、3.0、6.0、9.0 h制备生物炭,研究不同炭化时间对五节芒水热炭的有机碳、总氮、总磷、C/N、灰分、pH值、产率、元素损失率等的影响,并利用扫描电镜对其微观结构表征进行研究。【结果】在本试验条件下,五节芒生物炭有机碳含量为39.90%～54.82%,C/N为57.90～81.22,生物炭产率为57.3%～67.1%。五节芒生物炭中有机碳含量、总氮含量、C/N、碳损失率、磷损失率及灰分损失率随炭化时间的延长而增加,总磷含量、灰分含量、pH值及炭产率随炭化时间的延长而降低,氮损失率则在炭化达6 h时明显高于其他处理,9 h明显低于其他处理。扫描电镜观察结果显示五节芒生物炭富含淀粉颗粒,随炭化时间的延长,表面炭化现象比较明显,基本组织表面因增厚堆叠而开始变得杂乱,维管束大部分遭到破坏,薄壁细胞堵塞,薄壁细胞的边缘变厚但轮廓开始变得清晰,生物炭表面淀粉颗粒发生糊化,之后观察到了更多的形状不规则球体或椭球体的微球聚集融合,五节芒生物炭表面出现大量的微球结构。【结论】水热炭化改变了五节芒生物炭的理化特性和微观结构,且随炭化时间延长生物炭产率和pH值降低,碳、磷元素损失率增加;本试验条件下炭化3 h以上可显著改善生物炭的理化特性。     

典型农作物秸秆组成及燃烧动力学分析

为了探讨我国典型区域典型农作物秸秆的组成及燃烧特性,在典型农作物种植区(河北省和吉林省)选择了三种典型秸秆(小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆),对其进行组分分析(工业分析、元素分析、纤维组成),借助差热-热重仪对其燃烧动力学特性进行研究。结果表明:三种秸秆中水稻秸秆灰分和综纤维素含量最高,小麦秸秆中S、Hg含量最高,其他工业分析(水分、挥发分、固定碳)和元素(C、H、O、N)组成均无明显差异。不同升温速率下,三种秸秆的TG和DTG曲线总体趋势相似,两个明显的失重峰分别对应挥发分的析出和燃烧阶段、固定碳燃烧阶段,且前者的失重率远高于后者;同一升温速率下,三种秸秆在低温燃烧区(挥发分析出和燃烧)的最大失重率由高到低依次为小麦秸秆水稻秸秆玉米秸秆,而高温燃烧区(固定碳的燃烧)玉米和水稻秸秆的最大失重率没有明显差别,均高于小麦秸秆。秸秆低温区燃烧和高温区燃烧动力学过程均符合二级燃烧动力学方程。研究表明,三种秸秆具有高挥发分、低灰分(水稻秸秆除外)、低硫的特点;秸秆的燃烧失重主要是挥发分的析出和燃烧,其次是固定碳的燃烧,而水分蒸发贡献量最少;快速失重峰形不仅与秸秆的组成有关,还与挥发分初析温度高低有关;双组分分阶段反应模型能够科学地描述农作物秸秆的燃烧动力学过程。     

外源纤维素酶在秸秆还田上的应用研究

为探求提高土壤中秸秆发酵效率的新途径,采用室内培养和盆栽土培方式研究了秸秆配施外源纤维素酶对秸秆分解速率及后季作物生长的影响。结果表明,小麦秸秆、玉米秸秆加酶处理与不加酶处理的降解率存在极显著差异(p<0.01),到培养结束时,小麦秸秆加酶处理降解率高出不加酶处理7.10~11.86个百分点,玉米秸秆处理高出8.01~14.04个百分点;秸秆配施纤维素酶还可以促进后季作物生长,盆栽小麦籽粒产量比对照提高17.52%~29.61%,叶绿素含量、根系活力、株高和干物质含量比对照也有所提高。     

吉林省主要农作物秸秆空间分布特征及沼气潜力分析

基于吉林省主要农作物水稻、玉米、薯类、大豆、油料作物的产量，本文利用草谷比系数和可收集系数分区域估算不同种类的农作物秸秆资源量，以未被利用的秸秆资源量为原料，计算秸秆资源的沼气利用潜力。结果表明，2020年吉林省主要农作物秸秆理论资源量为6 522.51万t，可收集资源量为5 393.73万t，中部地区秸秆资源较多，东南地区较少，其中长春市秸秆资源最多。吉林省未被利用的玉米、水稻秸秆资源为1 291.29万t，折合标煤667.30万t，通过沼气工程处置，产沼气潜力为40.16亿～58.67亿m³，折合标煤343.52万～502.00万t，可以减排二氧化碳913.76万～1 335.32万t，能源转化率可达51.48%～75.24%；如果全部用于发电，发电潜力为72.27亿～129.08亿kW·h。产沼气潜力最大的地区是松原市，为8.83亿～12.96亿m³，发电潜力为15.89亿～28.51亿kW·h。通过分析农作物秸秆资源量及空间特征，估算不同地区农作物秸秆的沼气潜力，对吉林省农作物秸秆的合理利用及沼气工程建设发展具有非常重要而深远的意义。     

作物秸秆剪切力与其饲料营养特性的关系

【目的】研究玉米秸、小麦秸和稻草剪切力与其形态学指标、营养成分和瘤胃降解率之间的关系。【方法】选用成熟期收获的玉米秸、小麦秸和稻草,分别测定其秸秆的剪切力,同时测定秸秆的直径、茎厚与线性密度（单位长度重量）及其营养成分含量,采用尼龙袋法测定秸秆干物质（dry matter,DM）、中性洗涤纤维素（neutral detergent fiber,NDF）和酸性洗涤纤维素（acid detergent fiber,ADF）的瘤胃降解率。【结果】试验中3种秸秆收获时的剪切力、形态学指标（线性密度、直径和茎厚）及剪切力/线性密度均差异显著（P＜0.05）。玉米秸、小麦秸和稻草的剪切力与其线性密度、直径和茎厚均呈高度正相关（P＜0.001）。3种秸秆的线性密度与剪切力的相关性最高（P＜0.05）,且以剪切力反映玉米秸线性密度的灵敏程度最高。3种秸秆中的营养成分含量及其营养成分（DM和 NDF）瘤胃降解率与剪切力均有不同程度的相关性,且剪切力预测秸秆型粗饲料NDF瘤胃降解率最精准。剪切力较适于预测玉米秸和稻草的营养成分含量及其瘤胃降解率。【结论】作物秸秆剪切力与其饲料营养特性存在相关性。剪切力可不同程度地预测玉米秸、小麦秸和稻草的营养物质含量、物理性状及养分（DM、NDF和ADF）瘤胃降解率的大小,且3种秸秆中剪切力较适于预测玉米秸和稻草的营养价值评定。选用剪切力评定作物秸秆的营养价值,其灵敏程度不同,需根据秸秆种类确定预测模型。     

成型参数对有粘结剂成型玉米秸秆燃料密度与强度的影响

为探讨高钙粉煤灰复合粘结剂对玉米秸秆原料成型密度和强度的影响,采用闭式冲压成型装置对添加高钙粉煤灰复合粘结剂的玉米秸秆进行成型实验研究,分别考察压力、温度、粒度和含水率对成型燃料的影响,并给出了最佳的成型压力范围。结果表明:玉米秸秆在压力为32～50MPa的范围内,加热温度85℃,物料含水率在12%以下,平均粒度为2mm的颗粒,能实现较好的有粘结剂成型,密度和强度基本符合工业要求。     

我国农作物秸秆转化生物能源潜力评估

农作物秸秆是一种价格低廉的可再生资源,燃料化是其资源化利用的重要途径。以农作物经济产量为依据,对我国各类农作物秸秆的产量和可收集利用量进行估算,进而评估其生物转化甲烷和燃料乙醇的潜力。2014年我国农作物秸秆产量达72 836.9万t,其中可收集利用量达60 986.1万t。玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆为前三大秸秆资源。河南省、黑龙江省和山东省的秸秆资源是最为丰富。以热值估算,仅玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆三大秸秆可折合标准煤量20 177.5万t。基于微生物发酵工艺估算,我国主要农作物秸秆可生产甲烷1 286.8亿m~3,或可生产燃料乙醇1 823.5亿升。我国农作物秸秆的可收集利用量巨大,以其为原料生产生物燃料具有广泛的开发前景。     

秸秆燃烧PM2.5及其碳组分排放特征研究

采用自主设计的民用炉灶燃烧-烟气稀释采样装置,获得安徽淮南和湖北武汉的小麦、玉米、水稻、花生、大豆5类典型农作物秸秆燃烧排放PM_(2.5)及其碳组分的排放因子,分析了排放因子的差异,筛选了碳组分的标识组分。结果表明,秸秆燃烧PM_(2.5)的排放因子随秸秆种类和地区的不同而呈现明显差异,淮南的秸秆燃烧烟气PM_(2.5)排放因子在0.56～7.67 g·kg~(-1),武汉的秸秆燃烧烟气PM_(2.5)排放因子在3.53～7.91 g·kg~(-1);不同种类秸秆烟气PM_(2.5)排放因子有明显差异,花生秸秆燃烧烟气PM_(2.5)的排放因子最高(均值5.98 g·kg~(-1)),是大豆秸秆燃烧烟气PM_(2.5)排放因子(均值2.04 g·kg~(-1))的2.93倍。秸秆燃烧PM_(2.5)的排放因子随秸秆含水率的增加而明显增大。碳组分是5种秸秆燃烧PM_(2.5)的主要成分碳,总碳(TC)占PM_(2.5)的36.40%～65.84%,其中花生秸秆TC排放因子最高(均值2.58 g·kg~(-1)),是小麦秸秆的TC排放因子(均值1.07 g·kg~(-1))的2.41倍;秸秆燃烧PM_(2.5)中的有机碳(OC)浓度远高于元素碳(EC),OC/EC值为2.36～13.73,表明秸秆燃烧对二次气溶胶的形成具有重要影响。淮南及武汉的秸秆燃烧烟气PM_(2.5)中char-EC/soot-EC值为17.20～64.16,char-EC显著高于soot-EC,可作为判断秸秆燃烧源的一个重要指标。主成分分析结果表明,秸秆燃烧PM_(2.5)中的OC1、OC2和EC1在碳组分中贡献较大,因此,OC1、OC2和EC1可作为秸秆燃烧PM_(2.5)的标识性组分。     

玉米秸秆制备活性炭的吸附性能研究

[目的]研究玉米秸秆制备活性炭的吸附性能。[方法]以玉米秸秆制备的粒状活性炭为研究对象,搭建了吸附性能模拟试验装置,采用静态重量法测试制备的活性炭对甲醇的吸附能力,并研究吸附床结构、吸附床内盛装粒径不同炭粒、活性炭中添加不同量的石墨粉以及改性活性炭等对系统吸附性能的影响。[结果]床内盛装同种试样炭料在同一吸附温度下,新型吸附床A(内置膜片式刺孔吸附质管)的吸附性能明显优于未进行结构改进的吸附床B,达到相同吸附量0.22 g/g时,A床吸附提前5 min;床内盛装不同粒径与同一粒径活性炭的对比试验,在同一吸附温度下,其吸附性能明显优于盛装同一粒径的,达到同一吸附量0.22 g/g时,吸附提前16 min;床内活性炭添加适量石墨粉可增强导热、强化吸附性能,最佳添加量为活性炭总量的20%;改性活性炭试验中,相比对照组经弱酸性溶液浸泡后活性炭可增强吸附性能,达到平衡吸附量87.1%时,吸附提前了3 min。[结论]该研究可为优化吸附床的结构设计和吸附式制冷系统提供参考。