热解工艺对生物炭产量的影响

侯建伟 邢存芳 何晓明 陈芬 余高 徐东 刘泽秀 谭杰斌

摘 要：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。

关键词：油菜秸秆；无氧炭化；生物炭；生物炭产率

中图分类号 X705 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）15-0136-03

Abstract：In order to reveal regular pattern between the carbonization temperature， carbonization time and carbonization heating rate and the carbon yield ， studied to effect the carbonization temperature， carbonization time and carbonization time of heating rate on the biochar production rate， Using anaerobic carbonization method.Results showed that temperature from 300℃ to 900℃， the yield of biochar was reduced from 40.17% to 19.40%；300℃，600℃ and 900℃ carbonization time from 5 min to 150 min the yield of biochar was 42.58%～48.76%，27.32%～30.15%，18.55%～25.11%，respectively；600℃ Heating up speed from50℃/ h to 250℃/h，the yield was reduced from 29.00%～28.60% to 26.04%～26.88%.Therefore，it was important factors that pyrolysis temperature affected the yield of rape straw biochar，but carbonization time and heating rate hardly affected on the yield of biochar in this study.

Key words：Rape straw；Anaerobic carbonization；Biochar；Yield of biochar

据统计，贵州省油菜秸秆产量为200万～260万t，如何处理数量庞大的作物秸秆，使之在农业生产应用中发挥最大化功效，是目前面临的一个重大问题。若将其就地转化为生物炭（生物炭是作物秸秆等有机物质及其衍生物在无氧条件下炭化的产物[1-4]），以其具有的改善土壤质量[5-7]、缓释肥效等作用[8，9]，可充分发挥环境和农业效益。生物炭在满足其用途的前提下，应该实现产率最大化，而热解工艺是影响生物炭产率[10]的关键因素。为此，本实验选用油菜秸秆研究了制备条件与生物炭产量之间的关系和规律，为生物炭的推广应用提供基本依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料 供试原料为油菜秸秆，取自铜仁学院周边农田（N28.24°、S108.14°），将取回的秸秆平铺于室外阳光下晒干，粉碎后放入烘箱中65℃烘至恒重（约24h），然后放入干燥器中以备制取生物炭炭化设备选用洛阳市西格马仪器制造有限公司生产的人工智能箱式电阻炉（SGM.VB8/10）。炭化条件设置為：炭化温度450℃、升温速率150℃/h，炭化时间6h。称取烘干秸秆25.0g，在实验设计的条件下通过抽真空创造无氧环境制备生物炭，每个处理均设3次重复。炭化结束后使其自然降温，备用。

1.2 实验设计 炭化温度试验设300℃、600℃、900℃ 3个温度梯度，油菜秸秆放入炭化炉后，以150℃/h的升温速度加热，在达到设定的温度炭化1h后开始降温；然后在3个炭化温度下，设置炭化时间5min、15min、30min、60min、90min、150min6个梯度，将油菜秸秆放入炭化炉，以150℃/h的升温速度加热，制备生物炭；选定中间温度（600℃），炭化时间1h，升温速率设置50℃/h、100℃/h、150℃/h、200℃/h、250℃/h 5个梯度，制备生物炭。

1.3 测试项目与方法 油菜秸秆在不同炭化温度、炭化时间和升温速度条件下无氧炭化，得到生物炭的产率，其计算公式如下：

生物炭产率（%）=生物炭质量/油菜秸秆干重×100

2 结果与分析

2.1 炭化温度对油菜秸秆生物炭产率的影响 炭化时间和升温速度一定，生物炭的产率随着热解温度的升高而降低（图1）。生物炭的产率保持在19.40%～40.17%，当温度升至900℃时，产率降至19.40%。由方差分析可知，热解温度和生物炭产率呈极显著性差异（p<0.01），相关性分析可得，相关系数为-0.9375，说明二者之间存在极显著性负相关。这是因为在炭化过程中随着温度的升高，生物炭中所含的有机官能团（C=O，C=C，C-H，C-OH等）逐渐断裂[12]，挥发分逐渐增多所致。另外，生物质中含纤维素和木质素等，当达到一定温度时，各自的结构热解也导至生物炭的产率降低。

2.2 炭化时间对油菜秸秆生物炭产率的影响 炭化时间和炭化时升温速度相同的情况下，300℃，600℃，900℃ 3个炭化温度中，生物炭产率均随着炭化时间的延长而降低（图2），但炭化温度300℃时，生物炭产率变化较不明显。方差分析表明：此温度下产率和时间之间无显著性差异（p>0.05），而600℃和900℃下均表现了二者的极显著差异（p<0.01）。相关性分析表明，二者之间分别存在高度负相关和显著性负相关。在这3个温度的对比图中还可得知：300℃炭化温度下的生物炭产率明显高于600℃和900℃条件下的产率。

2.3 炭化时升温速度对油菜秸秆生物炭产率的影响 在生物炭制取的过程中升温速度也是热解工艺的重要参数，在温度为600℃，炭化时间为1h的条件下，表现为生物炭产率与升温速度（50～250℃/h）负相关（图3），相关性分析也表明二者高度负相关，相关系数达-0.9140。升温速率一般对热解有正反2个方面的影响，升温速率增加，物料颗粒达到热解所需温度的响应时间变短，有利于热解；但同时颗粒内外的温差变大，由于传热滞后效应会影响内部热解的进行。随着升温速度的增大，物料失重和失重速率曲线均向高温区移动。热解速率将随升温速率的提高呈线性增长。在一定的热解时间内慢加热速率会延长热解物料在低温区的滞留时间，促进纤维素和木质素的脱水和炭化反应，导致生物炭产率增加[13]。

3 讨论

生物炭的产率均受炭化温度、炭化时间、炭化时的升温速度的影响，当炭化时间、炭化时的升温速度一定时，产率随炭化温度的升高而降低，变化范围为19.40%～40.17%，与一些研究结果[10-12]一致；另外，叶丽丽在黑炭的性质试验中也论证随温度升高（250～450℃）、时间延长（2～8h），黑炭的回收率降低[13]，变化范围为26.0%～63.2%，王震宇等采用限氧升温炭化法，研究了不同热解温度和恒温时间对生物炭的产率、元素组成、原子比值、表面官能团结构和pH的影响，试验中温度从200℃升高至500℃时，产率从75.19%～50.50%降低至31.17%～34.61%，与本实验结果相比，在相近温度下产率略高。这可能是因为在热解过程，纤维素主要生成挥发分；而木质素热解主要生成焦炭，因此生物质中纤维素、木质素含量对生物炭产率影响较大[14]。可以认为，木质素含量较高、纤维素含量较低的原料能得到较高的生物炭产率[15]。

300℃，600℃，900℃条件下，当炭化温度、炭化时升温速度一定时，其产率随炭化时间的延长而降低，产率的变化范围分别为42.58%～48.76%，27.32%～30.15%，18.55%～25.11%。由此可见，当温度一定时，时间的变化对生物炭的产率影响不大，这与王振宇[16]的研究结果一致；当炭化温度、炭化时间一定时，产率随炭化时升温速度的增加而降低，这与叶丽丽[13]、BirdMl[17]等有类似的结论。

4 结论

生物炭的产率受炭化温度的影响较大，炭化时间与炭化时升温速度对生物炭产率的影响具有相似的作用。随温度升高、时间延长，生物炭的回收率降低，但温度一定时其产率随炭化时间和升温速度的变化规律不够明显。因此低温、长时间滞留的慢速热解可以最大限度地增加生物炭产率。

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（责编：张宏民）