熱解工藝對生物炭產量的影響

侯建偉 邢存芳 何曉明 陳芬 余高 徐東 劉澤秀 譚杰斌

摘 要：為了揭示炭化條件與生物炭產率之間的關系，以油菜秸稈為實驗材料，通過無氧炭化法來研究炭化溫度、炭化時間和炭化時的升溫速度對生物炭產率的影響。結果表明：溫度從300℃升高至900℃，產率從40.17%降低至19.40%；300℃、600℃和900℃炭化時間從5min增至150min，產率分別為42.58%～48.76%，27.32%～30.15%，18.55%～25.11%；600℃升溫速度從50℃/h增至250℃/h，產率從29.00%～28.60%降低至26.04%～26.88%。可見，熱解溫度是影響油菜秸稈生物炭產率的重要因素，而炭化時間和升溫速度對油菜秸稈生物炭的產率影響較小。

關鍵詞：油菜秸稈；無氧炭化；生物炭；生物炭產率

中圖分類號 X705 文獻標識碼 A 文章編號 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

據統計，貴州省油菜秸稈產量為200萬～260萬t，如何處理數量龐大的作物秸稈，使之在農業生產應用中發揮最大化功效，是目前面臨的一個重大問題。若將其就地轉化為生物炭（生物炭是作物秸稈等有機物質及其衍生物在無氧條件下炭化的產物[1-4]），以其具有的改善土壤質量[5-7]、緩釋肥效等作用[8，9]，可充分發揮環境和農業效益。生物炭在滿足其用途的前提下，應該實現產率最大化，而熱解工藝是影響生物炭產率[10]的關鍵因素。為此，本實驗選用油菜秸稈研究了制備條件與生物炭產量之間的關系和規律，為生物炭的推廣應用提供基本依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料 供試原料為油菜秸稈，取自銅仁學院周邊農田（N28.24°、S108.14°），將取回的秸稈平鋪于室外陽光下曬干，粉碎后放入烘箱中65℃烘至恒重（約24h），然后放入干燥器中以備制取生物炭炭化設備選用洛陽市西格馬儀器制造有限公司生產的人工智能箱式電阻爐（SGM.VB8/10）。炭化條件設置為：炭化溫度450℃、升溫速率150℃/h，炭化時間6h。稱取烘干秸稈25.0g，在實驗設計的條件下通過抽真空創造無氧環境制備生物炭，每個處理均設3次重復。炭化結束后使其自然降溫，備用。

1.2 實驗設計 炭化溫度試驗設300℃、600℃、900℃ 3個溫度梯度，油菜秸稈放入炭化爐后，以150℃/h的升溫速度加熱，在達到設定的溫度炭化1h后開始降溫；然后在3個炭化溫度下，設置炭化時間5min、15min、30min、60min、90min、150min6個梯度，將油菜秸稈放入炭化爐，以150℃/h的升溫速度加熱，制備生物炭；選定中間溫度（600℃），炭化時間1h，升溫速率設置50℃/h、100℃/h、150℃/h、200℃/h、250℃/h 5個梯度，制備生物炭。

1.3 測試項目與方法 油菜秸稈在不同炭化溫度、炭化時間和升溫速度條件下無氧炭化，得到生物炭的產率，其計算公式如下：

生物炭產率（%）=生物炭質量/油菜秸稈干重×100

2 結果與分析

2.1 炭化溫度對油菜秸稈生物炭產率的影響 炭化時間和升溫速度一定，生物炭的產率隨著熱解溫度的升高而降低（圖1）。生物炭的產率保持在19.40%～40.17%，當溫度升至900℃時，產率降至19.40%。由方差分析可知，熱解溫度和生物炭產率呈極顯著性差異（p<0.01），相關性分析可得，相關系數為-0.9375，說明二者之間存在極顯著性負相關。這是因為在炭化過程中隨著溫度的升高，生物炭中所含的有機官能團（C=O，C=C，C-H，C-OH等）逐漸斷裂[12]，揮發分逐漸增多所致。另外，生物質中含纖維素和木質素等，當達到一定溫度時，各自的結構熱解也導至生物炭的產率降低。

2.2 炭化時間對油菜秸稈生物炭產率的影響 炭化時間和炭化時升溫速度相同的情況下，300℃，600℃，900℃ 3個炭化溫度中，生物炭產率均隨著炭化時間的延長而降低（圖2），但炭化溫度300℃時，生物炭產率變化較不明顯。方差分析表明：此溫度下產率和時間之間無顯著性差異（p>0.05），而600℃和900℃下均表現了二者的極顯著差異（p<0.01）。相關性分析表明，二者之間分別存在高度負相關和顯著性負相關。在這3個溫度的對比圖中還可得知：300℃炭化溫度下的生物炭產率明顯高于600℃和900℃條件下的產率。

2.3 炭化時升溫速度對油菜秸稈生物炭產率的影響 在生物炭制取的過程中升溫速度也是熱解工藝的重要參數，在溫度為600℃，炭化時間為1h的條件下，表現為生物炭產率與升溫速度（50～250℃/h）負相關（圖3），相關性分析也表明二者高度負相關，相關系數達-0.9140。升溫速率一般對熱解有正反2個方面的影響，升溫速率增加，物料顆粒達到熱解所需溫度的響應時間變短，有利于熱解；但同時顆粒內外的溫差變大，由于傳熱滯后效應會影響內部熱解的進行。隨著升溫速度的增大，物料失重和失重速率曲線均向高溫區移動。熱解速率將隨升溫速率的提高呈線性增長。在一定的熱解時間內慢加熱速率會延長熱解物料在低溫區的滯留時間，促進纖維素和木質素的脫水和炭化反應，導致生物炭產率增加[13]。

3 討論

生物炭的產率均受炭化溫度、炭化時間、炭化時的升溫速度的影響，當炭化時間、炭化時的升溫速度一定時，產率隨炭化溫度的升高而降低，變化范圍為19.40%～40.17%，與一些研究結果[10-12]一致；另外，葉麗麗在黑炭的性質試驗中也論證隨溫度升高（250～450℃）、時間延長（2～8h），黑炭的回收率降低[13]，變化范圍為26.0%～63.2%，王震宇等采用限氧升溫炭化法，研究了不同熱解溫度和恒溫時間對生物炭的產率、元素組成、原子比值、表面官能團結構和pH的影響，試驗中溫度從200℃升高至500℃時，產率從75.19%～50.50%降低至31.17%～34.61%，與本實驗結果相比，在相近溫度下產率略高。這可能是因為在熱解過程，纖維素主要生成揮發分；而木質素熱解主要生成焦炭，因此生物質中纖維素、木質素含量對生物炭產率影響較大[14]。可以認為，木質素含量較高、纖維素含量較低的原料能得到較高的生物炭產率[15]。

300℃，600℃，900℃條件下，當炭化溫度、炭化時升溫速度一定時，其產率隨炭化時間的延長而降低，產率的變化范圍分別為42.58%～48.76%，27.32%～30.15%，18.55%～25.11%。由此可見，當溫度一定時，時間的變化對生物炭的產率影響不大，這與王振宇[16]的研究結果一致；當炭化溫度、炭化時間一定時，產率隨炭化時升溫速度的增加而降低，這與葉麗麗[13]、BirdMl[17]等有類似的結論。

4 結論

生物炭的產率受炭化溫度的影響較大，炭化時間與炭化時升溫速度對生物炭產率的影響具有相似的作用。隨溫度升高、時間延長，生物炭的回收率降低，但溫度一定時其產率隨炭化時間和升溫速度的變化規律不夠明顯。因此低溫、長時間滯留的慢速熱解可以最大限度地增加生物炭產率。

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（責編：張宏民）