溫度對生物質三組分熱解制備生物炭理化特性的影響

楊選民 王雅君 邱 凌,2 趙立欣 孟程琳,2

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.農業部農村可再生能源開發利用西部科學觀測實驗站， 陜西楊凌 712100；3.農業部規劃設計研究院農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

溫度對生物質三組分熱解制備生物炭理化特性的影響

楊選民1王雅君1邱 凌1,2趙立欣3孟程琳1,2

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.農業部農村可再生能源開發利用西部科學觀測實驗站， 陜西楊凌 712100；3.農業部規劃設計研究院農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

以纖維素、木聚糖和木質素為研究對象，利用真空氣氛爐熱解制備生物炭，探究溫度對生物質三組分熱解制備生物炭理化特性的影響規律，為生物炭的性能調控和機理研究提供理論依據。結果表明：纖維素和木聚糖的熱解溫度范圍主要集中在300～500℃，纖維素生物炭產率由35.38%下降至20.93%，木聚糖生物炭產率由46.28%下降至29.40%，木質素熱解溫度范圍主要集中在300～600℃，木質素生物炭產率由81.22%下降至51.53%；熱解溫度對生物質三組分制備生物炭的C、H、O、N元素含量的影響規律基本相同，即C元素含量逐漸升高，H、O、N元素含量逐漸降低，C元素質量分數分別由69.42%、72.92%、54.75%升至96.39%、77.26%、67.97%；熱解溫度對生物質三組分制備生物炭的灰分、揮發分、固定碳和熱值的影響規律基本相同，即揮發分逐漸降低，而灰分、固定碳和熱值均逐漸升高，揮發分分別由50.67%、44.89%、39.99%降至7.63%、5.52%、14.41%，固定碳分別由47.95%、55.03%、35.41%升至90.18%、94.11%、53.70%，熱值分別由25 652.58、26 681.81、21 173.29 kJ/kg升至34 602.52、33 965.15、24 142.62 kJ/kg；熱解溫度對木質素生物炭的比表面積和孔徑分布影響明顯，對纖維素和木聚糖生物炭的影響較小，500℃時纖維素和木聚糖達到最優的比表面積和微孔體積，600℃時木質素達到最優的比表面積和微孔體積；熱解溫度在500℃時，纖維素和木聚糖制備的生物炭達到最大的碘吸附值，纖維素生物炭碘吸附值為422.46 mg/g，木聚糖生物炭碘吸附值為115.06 mg/g，熱解溫度在600℃時，木質素制備的生物炭達到最大的碘吸附值，為460.35 mg/g。

生物炭； 溫度； 理化特性； 熱解

引言

生物質熱解是一種重要的生物質利用技術[1]。生物炭是生物質熱解的主要產物之一[2]，羥基、酚羥基、羧基等芳香結構，以及脂肪族和氧化態碳是生物炭的典型特征[3-4]。生物炭具有諸多的優良特性，如碳含量高、熱值高、孔隙發達、比表面積較大、性質穩定等[5]。生物炭可用于冶金和生產活性炭[6]，也可作為土壤的改良劑，增強土壤的持水性及提高水肥利用效率等[7-8]。

溫度是影響生物質熱解過程和產物的關鍵因素[9-11]。生物質熱解炭化一般分4個階段：第1階段為120～150℃，生物質中所含水分依靠外部供給的熱量進行蒸發；第2階段為150～275℃，不穩定成分分解成CO2、CO及少量乙酸，標志著熱解反應的開始；第3階段為275～450℃，生物質急劇地進行熱分解，生成大量的分解產物，是熱解的主要發生階段；第4階段為450～500℃，這個階段是對木炭進行煅燒，排出殘留在木炭中的揮發物質，提高木炭中的固定碳含量[12]。300℃作為熱解主反應起點、400℃作為熱解反應劇烈點、500℃作為煅燒炭關鍵點、600℃作為常溫熱解炭化終結點，這4個溫度點常被用作研究熱解的關鍵節點。趙世翔等[13]以蘋果枝條為原料在300、400、500、600℃下熱解，發現生物炭的碳含量、比表面積隨著溫度的增加而增大。楊瑛等[14]以棉稈為原料在400、500、600℃下熱解，發現生物炭產率隨著溫度的增加而減小。

生物質主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成的高聚物，它的熱解行為可以認為是這3種主要組分熱解行為的綜合表現[15-16]。從生物質三組分的角度來分析生物質熱解特性，可以從源頭上探究生物質的熱解規律。而溫度對生物質三組分熱解炭化同樣具有重要影響，但目前仍缺乏相關方面的研究報道。因此，本文以生物質三組分為研究對象，測定其在不同溫度下制備生物炭的理化特性，包括產率、元素含量、表面結構、碘吸附值等多項關鍵指標，探究溫度對生物質三組分熱解制備生物炭理化特性的影響規律，以期為生物炭的性能調控和機理研究提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用原料為纖維素、半纖維素和木質素。纖維素由阿拉丁生物科技有限公司提供(CAS號：9004-34-6)，呈粉末狀，顯白色。半纖維素結構成分相對復雜，而木聚糖是半纖維素中最常見且含量最多的結構單體，因此選用木聚糖作為半纖維素的模擬物，對半纖維素進行熱解特性研究[17]。木聚糖由阿拉丁生物科技有限公司提供(CAS號：9014-63-5)，顯白色，為水不溶性木聚糖，純度85%。木質素由Sigma公司提供(CAS號：8068-05-1)，該木質素pH值為10.5，顯棕褐色。本試驗所用原料均為粉末狀且粒徑小于0.1 mm，原料成分分析和熱值如表1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 生物炭的制備

分別取纖維素、木聚糖、木質素40 g，置于105℃電熱恒溫鼓風干燥箱內加熱干燥至質量恒定，隨后放入真空氣氛爐內，用高純氮氣吹掃30 min，確保試驗在絕氧狀態下進行，熱解溫度在5 min內由室溫(20℃)快速升至100℃，然后以1℃/min的升溫速率分別加熱至300、400、500、600℃，保溫2 h后自然冷卻至室溫。纖維素生成的生物炭分別記為C300、C400、C500和C600，木聚糖生成的生物炭分別記為H300、H400、H500和H600，木質素生成的生物炭分別記為L300、L400、L500和L600。

表1 原料成分分析和熱值

1.2.2 分析方法

(1)生物炭的產率計算

生物炭的產率計算公式為

(1)

式中Y——生物炭產率，%M——生物炭質量，gM0——原料質量，g

(2)工業分析

生物炭灰分和揮發分的含量根據GB/T 212—2008中緩慢灰化法進行測定，干燥基固定碳質量分數的計算公式為

Cd=(1-Ad-Vd)×100%

(2)

式中Ad——干燥基灰分質量分數，%Vd——干燥基揮發分質量分數，%Cd——干燥基固定碳質量分數，%

(3)元素分析

生物炭元素含量采用ECS4024型元素分析儀進行測定。

(4)熱值分析

采用ZDHW-5型微機全自動量熱儀對生物炭的熱值進行測定。

(5)傅里葉變換紅外光譜

將制好的樣品研磨均勻后于壓片機制成薄片，采用BRUKER TENSOR 27型傅里葉紅外光譜儀進行測定，測量范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

(6)形貌分析

采用HITACHI TM3030型掃描電子顯微鏡對生物炭進行形貌分析，該掃描電鏡的放大倍率為15～30 000倍。

(7)比表面積及孔徑結構

采用JW-BK132F型比表面積及孔徑分析儀對生物炭的比表面積及孔徑分布進行測定，該儀器是以靜態容量法對樣品進行等溫吸附和脫附測定，通過BET方程計算得到樣品的比表面積，利用BJH模型計算得到孔徑分布。試驗儀器比表面積測試范圍為0.000 5 m2/g以上，孔徑測試范圍為0.35～500 nm。

(8)碘吸附性分析

根據GB/T 12496.8—2015對生物炭的碘吸附值進行測定。

2 結果與分析

2.1 生物炭的產率分析

圖1 生物炭的產率Fig.1 Yield of biochar

生物質三組分熱解制備生物炭的產率隨熱解溫度的變化如圖1所示。熱解溫度由300℃升高至600℃，三組分熱解生物炭的產率均逐漸降低，木質素生物炭產率由81.22%迅速下降至51.53%。熱解溫度由300℃升高至500℃時，纖維素和木聚糖中大量的揮發分和低沸點物質不斷析出，因此生物炭產率快速降低，纖維素生物炭產率由35.38%下降至20.93%，木聚糖生物炭產率由46.28%下降至29.40%。熱解溫度由500℃升高至600℃時，高沸點物質和難揮發性物質緩慢分解，生物炭產率下降趨于緩和，纖維素生物炭產率由20.93%下降至20.67%，木聚糖生物炭產率由29.40%下降至27.12%。這說明纖維素和木聚糖的熱解溫度范圍主要集中在300～500℃，在這個溫度區間內，纖維素和木聚糖釋放大量揮發分，生物炭產率快速下降。而木質素是生物質三組分中熱穩定性最好的組分，其熱解溫度區間相對較寬，集中在300～600℃范圍內。另外，木質素炭產率較高，一方面是因為木質素是一種芳香族高分子化合物，另一方面是因為本試驗所用木質素中灰分的含量較高，灰分中的金屬鹽類成分也會對生物炭的形成產生催化作用[18]。

2.2 生物炭的成分分析和熱值

生物質三組分熱解制備生物炭的成分及熱值變化如表2所示。熱解溫度對生物質三組分制備生物炭的C、H、O、N元素影響規律基本相同，即隨著熱解溫度的升高，C元素含量逐漸升高，H、O、N元素含量逐漸降低。這是由于在高溫熱解反應過程中，C—H和C—O鍵發生斷裂，使得H原子和O原子轉化為揮發性氣體，脫離了碳結構體系[19]；同時，高溫使N原子轉化為氨基或其他含氮有機氣態物質，同樣也脫離了碳結構體系[20]。

表2 生物炭的成分分析和熱值

熱解溫度由300℃升高至600℃，三組分生物炭的揮發分迅速下降，纖維素揮發分下降43.04個百分點，木聚糖揮發分下降39.37個百分點，木質素揮發分下降25.58個百分點，而同時，灰分和固定碳含量則逐漸升高。另外，因為生物炭中固定碳含量的升高對熱值的貢獻高于灰分含量升高和揮發分含量降低所造成的負效應，所以生物炭的熱值也逐漸增大。

2.3 表面特征分析

圖2 纖維素生物炭傅里葉紅外譜圖Fig.2 FTIR of biochar from cellulose

圖3 木聚糖生物炭傅里葉紅外譜圖Fig.3 FTIR of biochar from hemicellulose

木質素生物炭的傅里葉紅外譜圖如圖4所示，木質素是以苯丙烷為基本單位構成的非線形高分子有機化合物，有著豐富的甲氧基和羥基支鏈[22]。由于碳氧鍵的鍵能較小，隨著溫度的升高，1 100～1 160 cm-1處的峰值(C—O鍵)強度大幅度下降；并且1 568 cm-1處的峰值(苯環骨架C—C鍵)隨著溫度的升高也呈逐漸減弱的趨勢，在600℃已非常微弱，說明苯環已大部分被裂解。872～878 cm-1附近的峰值面外彎曲，該峰的強度隨著溫度的升高逐漸變大，單環芳烴逐漸轉變為大分子芳香族分子，這與纖維素和木聚糖熱解生成生物炭是類似的，說明三組分不僅在熱解溫度區間存在交互區，而且具有某些結構相似的熱解產物[23]。

圖4 木質素生物炭傅里葉紅外譜圖Fig.4 FTIR of biochar from lignin

2.4 形貌分析

生物炭的SEM掃描圖像隨熱解溫度變化放大1 000倍的情況如圖5所示。熱解溫度由300℃升高至500℃，纖維素生物炭的纖維壁不斷變薄，纖維直徑不斷減小；木聚糖生物炭表面呈現少量的氣孔，而后逐步變得密集且均勻，這些均與揮發分迅速聚集析出和氣體產物不斷釋放相關。而隨著熱解溫度繼續升高至600℃，纖維素生物炭表面開始出現坍塌現象，而木聚糖生物炭表面孔隙結構不斷擴大，且孔的數量較少，生物炭表面逐步出現斷層，這是由氣體產物大量的釋放和過高的熱解溫度使已生成的炭骨架被破壞所致[24]。

熱解溫度由300℃升高至600℃，揮發分迅速聚集析出和氣體產物不斷增多，木質素生物炭的孔隙結構趨于復雜化和均勻化，簡單的孔隙結構變得致密多樣，在較大孔隙的周圍及內部形成大量的小孔。這種豐富的孔隙結構有利于提高木質素生物炭的吸附性能。

圖5 生物炭的形貌特征Fig.5 Morphology of biochar

2.5 比表面積及孔徑結構分析

生物炭的比表面積及孔徑結構如表3所示。熱解溫度由300℃升高至600℃，纖維素生物炭的比表面積提高0.834 4 m2/g，總孔體積提高0.012 8 cm3/g；木聚糖生物炭的比表面積提高0.106 4 m2/g，總孔體積提高0.011 4 cm3/g；木質素生物炭的比表面積提高4.267 2 m2/g，總孔體積提高0.001 4 cm3/g。三組分生物炭孔徑以大孔為主，微孔極少，隨溫度的升高，纖維素和木聚糖微孔體積變化很小，木質素微孔體積由0.001 3 cm3/g升至0.002 2 cm3/g。熱解溫度在500℃時，纖維素生物炭平均孔徑達到最低的14.496 8 nm，木聚糖生物炭平均孔徑達到最低的9.964 9 nm，熱解溫度在600℃時，木質素生物炭平均孔徑達到最低的8.470 9 nm。這表明，熱解溫度對木質素制備生物炭的比表面積及孔徑結構影響明顯，在600℃時達到最優的比表面積和微孔體積，而熱解溫度對纖維素和木聚糖制備生物炭的比表面積及孔徑結構影響較小，在500℃時達到最優的比表面積和微孔體積，這與SEM圖像觀測的結果基本一致。

表3 生物炭的比表面積和孔徑結構

2.6 碘吸附性分析

碘吸附值是表征炭對小分子雜質吸附能力的重要指標。生物炭的碘吸附值隨溫度變化的情況如圖6所示。熱解溫度由300℃升高至600℃，纖維素和木聚糖生物炭的碘吸附值都呈現先升高后下降的趨勢，其中在500℃時，纖維素生物炭碘吸附值達到最大的422.46 mg/g，木聚糖生物炭碘吸附值達到最大的115.06 mg/g，熱解溫度升高至600℃時，纖維素生物炭的碘吸附值降至367.35 mg/g，木聚糖生物炭的碘吸附值降至112.48 mg/g。熱解溫度由300℃升高至600℃過程中，由于木質素生物炭的孔隙結構逐步變得發達，其碘吸附值呈明顯上升趨勢，在600℃時達到最大的460.35 mg/g。生物質三組分熱解制備生物炭的碘吸附性整體變化趨勢與比表面積及孔徑結構的測試結果基本保持一致。

圖6 生物炭的碘吸附值Fig.6 Iodine adsorption value of biochar

3 結論

(1) 纖維素和木聚糖的熱解溫度范圍主要集中在300～500℃，纖維素生物炭產率由35.38%下降至20.93%，木聚糖生物炭產率由46.28%下降至29.40%；木質素熱解溫度范圍主要集中在300～600℃，木質素生物炭產率由81.22%降至51.53%。

(2) 熱解溫度對生物質三組分制備生物炭的C、H、O、N元素的影響規律基本相同，即C元素含量逐漸升高，H、O、N元素含量逐漸降低。

(3) 熱解溫度對生物質三組分制備生物炭灰分、揮發分、固定碳和熱值的影響規律基本相同，即揮發分逐漸降低，而灰分、固定碳和熱值均逐漸升高。由300℃升至600℃，纖維素生物炭揮發分由50.67%降至7.63%，固定碳由47.95%升至90.18%，熱值由25 652.58 kJ/kg升至34 602.52 kJ/kg；木聚糖生物炭揮發分由44.89%降至5.52%，固定碳由55.03%升至94.11%，熱值由26 681.81 kJ/kg升至33 965.15 kJ/kg；木質素生物炭揮發分由39.99%降至14.41%，固定碳由35.41%升至53.70%，熱值由21 173.29 kJ/kg升至24 142.62 kJ/kg。

(4) 熱解溫度對木質素生物炭的比表面積和孔徑分布影響最大，對纖維素和木聚糖生物炭的影響較小。在500℃時，纖維素和木聚糖達到最優比表面積和微孔體積，纖維素比表面積為3.720 9 m2/g，微孔體積為0.001 5 cm3/g，木聚糖的比表面積為3.449 3 m2/g，微孔體積為0.001 4 cm3/g；在600℃時，木質素達到最優的比表面積和微孔體積，木質素的比表面積為8.162 4 m2/g，微孔體積為0.002 2 cm3/g。

(5) 熱解溫度在500℃時，纖維素和木聚糖制備的生物炭達到最大的碘吸附值，纖維素生物炭碘吸附值為422.46 mg/g，木聚糖生物炭碘吸附值為115.06 mg/g；熱解溫度在600℃時，木質素制備的生物炭達到最大的碘吸附值為460.35 mg/g。

1 陳文偉, 高蔭榆, 劉玉環, 等. 生物質的轉化與利用[J].可再生能源, 2003, 2(6): 48-49. CHEN Wenwei, GAO Yinyu, LIU Yuhuan, et al. The progress of biomass conversion and application [J].Renewable Energy Resources, 2003, 2(6): 48-49. (in Chinese)

2 JAHIRUL M I, RASUL M G, CHOWDHURY A A, et al. Biofuels production through biomass pyrolysis—a technological review[J]. Energies, 2012, 5(12): 4952-5001.

3 SCHMIDT M I, NOACK A G. Black carbon in soils and sediments: analysis, distribution, implications, and current challenges[J].Global Biogeochemical Cycles, 2000, 14(1): 777-794.

4 TITIRICI M M, THOMAS A, YU S H, et al. A direct synthesis of mesoporous carbons with bicontinuous pore morphology from crude plant material by hydrothermal carbonization[J]. Chemistry of Materials, 2007, 19(4) : 4205-4212.

5 李麗潔, 趙立欣, 孟海波, 等.生物質熱解炭化實驗平臺設計與實驗[J].可再生能源, 2016, 34(2): 305-310. LI Lijie, ZHAO Lixin, MENG Haibo, et al. Design and experiment biomass pyrolysis carbonization experiment setup[J].Renewable Energy Resources, 2016, 34(2): 305-310. (in Chinese)

6 張書雅, 丁玉. 生物活性炭技術的應用及發展趨勢[J].遼寧化工, 2007, 36(11): 781-784.

7 勾芒芒, 屈忠義, 楊曉, 等. 生物炭對砂壤土節水保肥及番茄產量的影響研究[J/OL].農業機械學報,2014, 45(1):137-142. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140122&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.01.022. GOU Mangmang, QU Zhongyi, YANG Xiao, et al. Study on the effects of biochar on saving water, preserving fertility and tomato yield[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(1):137-142. (in Chinese)

8 張阿鳳, 潘根興, 李戀卿. 生物黑炭及其增匯減排與改良土壤意義[J].農業環境科學學報,2009, 28(12):2459-2463. ZHANG Afeng, PAN Genxing, LI Lianqing. Biochar and the effect on C stock enhancement, emission reduction of greenhouse gases and soil reclaimation[J].Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(12):2459-2463. (in Chinese)

9 BECIDAN M, SKREIBERG, HUSTAD J. Products distribution and gas release in pyrolysis of thermally thick biomass residues samples[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2007, 78(1): 207-213.

10 趙立欣, 賈吉秀, 姚宗路, 等. 生物質連續式分段熱解炭化設備研究[J/OL].農業機械學報,2016, 47(8):221-226,220. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160828&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.08.028. ZHAO Lixin, JIA Jixiu, YAO Zonglu, et al. Equipment for biomass continuous grading pyrolysis[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(8):221-226,220. (in Chinese)

11 邱澤晶, 陰秀麗, 馬隆龍, 等. 玉米芯水解殘渣木質素的熱解特性實驗[J].農業機械學報,2010, 41(12):111-115,142. QIU Zejing, YIN Xiuli, MA Longlong, et al. Pyrolytic characteristics of lignin derived from corncob hydrolysis residues[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(12):111-115,142. (in Chinese)

12 高爾頓. 木材干餾學[M]. 北京: 中國林業出版社, 1957: 22-23.

13 趙世翔, 姬強, 李忠徽, 等. 熱解溫度對生物質炭性質及其在土壤中礦化的影響[J/OL].農業機械學報，2015, 46(6):183-200. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150626&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.026. ZHAO Shixiang, JI Qiang, LI Zhonghui, et al. Characteristics and mineralization in soil of apple-derived biochar producecd at different temperatures[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6):183-200. (in Chinese)

14 楊瑛, 張衍林, 鄭文軒, 等. 棉稈熱裂解工藝參數優化與固體產物性質分析[J/OL].農業機械學報, 2013,44(12): 160-164. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20131226&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.12.026. YANG Ying, ZHANG Yanlin, ZHENG Wenxuan, et al. Optimizing technological parameters of cotton stalk and pyrolysis products[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(12):160-164. (in Chinese)

15 RAVEENDRAN K, GANESH A, KHILAR K C. Pyrolysis characteristics of biomass and biomass components[J]. Fuel, 1996, 75(8):987-998.

16 YANG H P, YAN R, CHEN H P, et al. In-depth investigation of biomass pyrolysis based on three major components: hemicellulose, cellulose and lignin[J]. Energy & Fuels, 2006, 20(1):388-393.

17 王樹榮, 鄭贊, 文麗華, 等. 半纖維素模化物熱裂解動力學研究[J].燃燒科學與技術, 2006, 12(2):105-109.

18 RAVEENDRAN K, GANESH A, KHILAR K C. Influence of mineral matter on biomass pyrolysis characteristics[J]. Fuel, 2005,74(12): 1812-1822.

19 李水清, 李愛民, 任遠, 等.生物質廢棄物在回轉窯內熱解研究-II.熱解終溫對產物性質的影響[J].太陽能學報, 2000, 21(4)：341-348. LI Shuiqing, LI Aimin, REN Yuan, et al. Pyrolysis of the biomass waste in a rotary kinⅡ: impacts of final pyrolysis temperature on products properties[J].Acta Energiae Solaris Sinica, 2000, 21(4):341-348. (in Chinese)

20 CAO X, HARRIS W. Properties of dairy-manure-derived biochar pertinent to its potential use in remediation [J]. Bioresource Technology, 2010,101(14):5222-5228.

21 胡億明, 蔣劍春, 孫云娟, 等. 纖維素與半纖維素熱解過程的相互影響[J]. 林產化學與工業, 2014, 34(4): 1-8.

22 AMEN-CHEN C, PAKDEL H, ROY C. Product of monomeric phenols by thermochemical conversion of biomass: a review[J].Bioresource Technology, 2001, 79(3):27-29.

23 曹俊, 肖剛, 許嘯, 等. 木質素熱解/炭化官能團演變與焦炭形成[J]. 東南大學學報:自然科學版, 2012, 42(1)：83-87. CAO Jun, XIAO Gang, XU Xiao, et al. Functional groups evolvement and charcoal formation during lignin pyrolysis/carbonization[J].Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2012, 42(1):83-87. (in Chinese)

24 陳應泉, 朱波, 王賢華, 等. 生物質熱解過程中焦炭物化結構演變特性[J]. 太陽能學報, 2012, 33(8):1267-1272. CHEN Yingquan, ZHU Bo, WANG Xianhua, et al. Evolution of char’s physical and chemical structure during biomass pyrolysis [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(8):1267-1272. (in Chinese)

Effect of Temperature on Physicochemical Properties of Biochar Prepared by Pyrolysis of Three Components of Biomass

YANG Xuanmin1WANG Yajun1QIU Ling1,2ZHAO Lixin3MENG Chenglin1,2

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.TheWestScientificObservingandExperimentalStationofRuralRenewableEnergyExploitationandUtilization,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China3.KeyLaboratoryofEnergyResourceUtilizationfromAgricultureResidue,MinistryofAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalEngineering,Beijing100125,China)

With the aim to study the performance regulation and mechanism of different biochar-based biomasses, cellulose, hemicellulose and lignin were used as the raw materials to prepare biochar by pyrolysis in vacuum atmosphere furnace. The results manifested that the pyrolysis temperature of cellulose and hemicellulose ranged from 300℃ to 500℃, and the yields of biochar decreased from 35.38% (cellulose), 46.28% (hemicellulose) to 20.93%, 29.40%, respectively. Meanwhile, the pyrolysis temperature range of lignin was 300～600℃, and the yields of biochar decreased from 81.22% to 51.53%. Moreover, the effect of pyrolysis temperature on C, H, O and N contents of prepared biochar were similar in the three feedstocks. The content of C raised up gradually according to the temperature increase, while the contents of H, O, N decreased gradually. Detailly, the content of C increased from 69.42%, 72.92%, 54.75% to 96.39%, 77.26%, 67.97% for cellulose, hemicellulose and lignin, respectively. The effect of pyrolysis temperature on the content of ash, volatile, fixed carbon and the calorific value was basically the same in the three feedstocks. The volatile relatively decreased, and the ash, fixed carbon and calorific value increased gradually. Specifically, the volatile from the cellulose, hemicellulose and lignin fell to 7.63%, 5.52%, 14.41% from 50.67%, 44.89%, 39.99%, respectively. The fixed carbon increased from 47.95%, 55.03%, 35.41% to 90.18%, 94.11%, 53.70%, respectively. The calorific value rose to 34 602.52 kJ/kg, 33 965.15 kJ/kg, 24 142.62 kJ/kg from 25 652.58 kJ/kg, 26 681.81 kJ/kg, 21 173.29 kJ/kg, respectively. The significant effect of pyrolysis temperature on the specific surface area and pore size distribution of the prepared biochar was observed for lignin, however, insignificant effect was shown for cellulose and hemicellulose. The optimal surface area and pore volume of the biochar produced from cellulose and hemicellulose was obtained at 500℃, and the lignin was at 600℃. Besides, when the pyrolysis temperature was at 500℃, the iodine adsorption value of the biochar from cellulose and hemicellulose reached their respective maximum values at 422.46 mg/g and 115.06 mg/g. Meanwhile, at the pyrolysis temperature of 600℃, the iodine adsorption value of the biochar from lignin reached the maximum point of 460.35 mg/g.

biochar; temperature; physicochemical properties; pyrolysis

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.037

2016-07-20

2016-11-02

農業部重點實驗室開放項目(KLERUAR2015-01)、公益性行業(農業)科研專項(201503135-18)和陜西省農業專項(2015-136)

楊選民(1979—)，男，實驗師，主要從事生物質能源研究，E-mail： tzgkyxm@163.com

邱凌(1957—)，男，教授，博士生導師，主要從事生物能源與環境工程研究，E-mail： ql2871@126.com

S216

A

1000-1298(2017)04-0284-07