热解温度对稻壳生物炭特性的影响
林贵英;陈伟;刘文质;董安民;邵敬爱;张世红;杨海平;陈汉平
【摘 要】热解技术是稻壳有效利用的重要处理方法,其炭、气和油三态产物均具有较高的利用价值.稻壳炭是稻壳热解后产生的固态产物,对环境、农业和新能源等具有重要的影响作用.稻壳炭的理化特性决定了炭产物的利用方式及效果,不同热解温度条件下制得的稻壳炭的理化特性不同,热解温度对稻壳炭理化特性影响较大.对不同热解温度制得的稻壳炭的理化特性进行系统研究有利于稻壳炭的定向制备及高值化利用.为确定热解温度对稻壳炭理化特性的影响作用,在管式炉固定床上制得不同热解温度的炭产物,对稻壳炭工业分析及元素分析、可溶性物质含量、表面官能团和孔结构等特性进行综合分析,以掌握热解温度对生物炭特性的影响规律.热解温度为350,450,550,650,750,850℃,气体流量600mL·min-1,热解停留时间为40min.分别采用TGA2000型工业分析仪和EL-3型元素分析仪测定稻壳炭的工业分析和元素分析,采用自动量热仪测定其低位发热量.采用pH计、电导率仪和离子谱仪分别测定炭的pH值、总可溶性物质含量和可溶性氮含量.采用VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪测定稻壳炭表面官能团组成,采用物理化学吸附仪测定孔隙结构特性.结果表明:温度越高稻壳炭的产率越低,随着热解温度的增加,
挥发分逐渐析出,含氢和氧官能团及含碳物质逐渐分解,而灰分增加,固定碳和低位热值先增加后降低,分别在550℃和450℃具有最高值.热解温度550～650℃制得的稻壳炭含有较高的可溶性物质含量和发达的孔隙结构特性,该结果对生物炭的制备及应用具有重要的参考意义.%Pyrolysis of rice husk(RK), an effective utilization option, offers different products such as biogas, bio-oil and biochar with higher application value. Rice husk biochar is the solid product of rice husk pyrolysis, which would have important influence on environment, agriculture and new energy. The physicochemical properties characteristics of rice husk biochar determine its utilization ways and effects, and biochar produced under the different pyrolysis temperatures have different physicochemical characteristics. The pyrolysis temperature has a greater influence on the physicochemical properties of rice husk biochar, and the study on the physicochemical properties characteristics of rice husk biochar produced under the different pyrolysis temperatures would be beneficial to the orientation preparation and high value utilization of rice husk biochar. The biochar product of different pyrolysis temperatures was made in a tubular reactor to determine the effect of pyrolysis temperature on the physicochemical properties characteristics of rice husk biocha
r. The proximate analysis, ultimate analysis, lower heating value (LHV), soluble matter content, surface functional group and pore structure and of rice husk biochar were measured to study the influence of pyrolysis temperature on the characteristics of biochar. The pyrolysis temperatures were 350, 450, 550, 650, 750, 850 ℃, the gas flow rate was 600 mL·min-1, and residence time was 40 min. Proximate analysis of rice husk biochar was conducted in an industrial analyzer TGA2000, and elemental analysis was determined using an elementary analyzer EL-3. Low heating value (LHV) of each sample was measured by an automatic calorimeter instrument. The pH, total soluble matter content and soluble nitrogen content were determined by pH meter, conductivity meter and ion chromatograph. The surface organic functional groups of biochar were measured with Fourier Transform Infrared (FTIR) spectra, and the physical pore structure was analyzed by Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area. Results showed that the yield of biochar was low when the pyrolysis temperature was high. The volatile matter gradually released, and surface functional groups with hydrogen and oxygen gradually decomposed. While the ash increased, the fixed carbon and low heat value first increased and then decreased, with the
maximum value at 550 ℃ and 450 ℃. The rice husk biochar produced at and 550-650 ℃ temperature had higher total soluble matter content and developed pore structure characteristics, and the results would be of great significance for the preparation and application of biochar.
【期刊名称】《沈阳农业大学学报》
【年(卷),期】2017(048)004
【总页数】6页(P456-461)
【关键词】生物炭;稻壳;热解温度;理化特性
【作 者】林贵英;陈伟;刘文质;董安民;邵敬爱;张世红;杨海平;陈汉平reactor的特点
【作者单位】华中科技大学能源与动力工程学院/煤燃烧国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学能源与动力工程学院/煤燃烧国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学能源与动力工程学院/煤燃烧国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学能源与动力工程学院/煤燃烧国家
重点实验室,武汉430074;华中科技大学能源与动力工程学院/煤燃烧国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学能源与动力工程学院/煤燃烧国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学能源与动力工程学院/煤燃烧国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学能源与动力工程学院/煤燃烧国家重点实验室,武汉430074
【正文语种】中 文
【中图分类】TK6
生物炭是生物质热解后产生的富含碳固体，其具有较强的吸附能力、抗氧化能力和抗生物分解能力等特点，广泛应用于环境、农业和新能源等领域[1-3]。我国拥有丰富的生物质资源，可为生物炭提供源源不断的原材料。稻壳是稻谷加工过程中的主要副产品，其具有产量大和资源丰富等优点，易于收集且成本低，具有其他生物质原料无法比拟的巨大优势，但同时也有表面坚硬及粗糙、不易被细菌分解和易污染环境等缺点[4-5]。同时稻壳不仅是一种潜在的能源，也是一种高附加值的副产品[6-8]。因此通过热解技术制得稻壳炭以有效利用稻壳并提高其利用价值已成为国内外研究的重要内容[9-11]。热解温度对稻壳热解过程及产物具有重要影响[12-13]，TSAI等[14]研究发现随着热解温度（400～800℃）的增加稻壳炭产率下降，
热解温度高于600℃时，炭产率变化不明显。HEO等[15]研究发现随着热解温度（400～550℃）的增加，稻壳炭产率下降。PAETHANOM等[16]通过热重实验研究了热解温度（600～1000℃）对稻壳炭理化特性的影响，发现随着热解温度的增加，挥发分和比表面积降低，固定碳和灰分含量增加。PHUONG等[17]研究热解温度（350～550℃）对稻壳炭理化特性的影响，发现随着热解温度的增加，稻壳炭灰分、固定碳、碳含量和pH增加，而挥发分、氢元素和氧元素含量降低。不同热解温度条件下制得的稻壳炭的产率及理化特性不同，从而决定了稻壳炭的利用方式及效果。目前已有研究中有关热解温度对稻壳炭理化特性的影响不全面，热解温度范围相对较小，且稻壳炭理化特性主要是常规分析。因此对不同热解温度制得的稻壳炭的理化特性及变化规律进行系统研究有利于稻壳炭的定向制备及高值化利用。因此，本研究分析了热解温度对稻壳炭理化特性的影响，重点考察了稻壳炭理化特性随热解温度的变化规律，对比分析不同热解温度制得的稻壳炭的理化特性差异，揭示了优质稻壳生物炭适宜的制备温度，为稻壳炭的制备和利用提供一定的理论基础和参考依据。
1.1 材料
本研究所用稻壳（RK）取自湖北省武汉郊区，对稻壳进行风干并粉碎，筛选出粒径小于0.25mm的颗粒，稻壳的工业分析及元素分析见表1。
1.2 热解过程
稻壳炭样品是利用管式炉固定床在无氧条件下制得，气体流量600mL·min-1，热解温度为350，450，…，850℃，热解停留时间为40min。具体热解方法为，首先将管式炉温度升到目标温度并通氮气5min使管式炉内为惰性气氛，然后将稻壳样品迅速推入到管式炉反应器中，使样品发生热解反应，待反应器冷却至室温，取出固体产物称重，计算得到生物炭产量，收集到的生物炭进行后续结构分析。不同温度下制得稻壳炭样品依次命名为RK350，RK450，…，RK850。
1.3 方法
生物炭的工业分析和元素分析分别采用TGA2000（Las Navas，西班牙）和EL-3型元素分析仪测定（Verio，德国），低位发热量采用自动量热仪（Parr 6300，美国）分析。可溶性物质含量测定方法：称取一定质量的样品，按照一定的固液比（1∶20，w/v）加入超纯水，密封，室温下振荡24h，过滤，测试滤液中的pH值、总可溶性物质含量和可溶性氮含量。pH值采用pH计测定，总可溶性物质含量采用电导率仪测定，可溶性氮含量采用离子谱仪（881 Compact IC pro，瑞士）测定。
稻壳炭表面官能团组成采用VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪测定（Bruker，德国）。具体测试方法为：称取0.7mg干燥的样品和70mg KBr混合均匀，在玛瑙研钵中磨成细小粉末，将粉末放入压片模具内，压制成薄片，在红外扫描范围4000～400cm-1，分辨率4cm-1条件下进行红外测试。
孔隙特性及比表面积采用物理化学吸附仪(Autosorb-1，Quantachrome，美国)分析，在液氮温度（77K）下测定样品对高纯液氮的吸附作用，样品在测定之前于105℃下脱气24h。比表面积采用多点Brunauer-Emmett-Teller（BET）模型计算，微孔孔容及总孔孔容采用Dubinin-Radushkevich（DR）模型计算，平均孔径采用Dubinin-Astakhov（DA）模型计算。
2.1 稻壳炭的工业分析及元素分析
由表1可知，稻壳炭的产率随热解温度的升高而降低，特别是热解温度由350℃升高到550℃时，而当热解温度高于550℃时，炭产率的减少逐渐减缓。而随着热解温度的升高，焦炭的组成也发生了很大的变化，主要表现在焦炭中挥发分的量逐渐降低，而固定碳和灰的量逐渐增加。这是因为稻壳中易分解的碳氢化合物在热解过程中裂解，难分解的化合物在温度较高时也逐步分解，进而使得稻壳炭中H和O含量均低于稻壳。与稻壳原样相比，稻壳炭的低位
发热量随热解温度的增加先增加后降低，在450～550℃下制得的稻壳炭具有较高的发热量，可用作燃料。选取适当的热解温度有利于改善稻壳的组成成分和能源特性，进而提高生物质的利用价值。
2.2 稻壳炭可溶性物质含量
由图1可知，稻壳为酸性，稻壳炭为碱性，稻壳炭的pH随热解温度的增加呈增加趋势，在热解温度高于650℃时保持稳定。热解温度高于550℃制得的稻壳炭中总可溶性物质含量均高于稻壳。稻壳炭的总可溶性物质含量随热解温度的增加先增加后降低，在750℃热解温度下具有最高值，为10.94mg·g-1。热解过程使难分解物质逐渐裂解为可溶性物质，而过高的热解温度使总可溶性物质转换为稳定物质。
由图2可知，稻壳中铵态氮和无机氮含量明显低于稻壳炭，稻壳中无机氮占总氮的百分比为1.08%，这表明热解过程使生物质中的难分解性含氮物质转化为可溶性氮。铵态氮随热解温度增加呈现降低趋势，650～850℃高温制得稻壳炭的铵态氮明显低于低温生物炭（350～550℃）；低温下（＜650℃）稻壳炭中基本没有硝态氮，而较高的温度（＞650℃）制得稻壳炭都有一定的硝态氮，特别是650℃时的含量较高。铵态氮是生物炭中无机氮的主要存在
形式而稻壳中含有较高的硝态氮，这可能因为热解处理使生物质中的硝态氮转化为铵态氮。750～850℃高温制得稻壳炭的无机氮明显较低，稻壳炭中无机氮占总氮的百分比随热解温度增加先增加后降低，650℃制得稻壳炭中无机氮占总氮的百分比最高为18.41%，而850℃制得稻壳炭中无机氮占总氮的百分比最低为14.36%。在热解过程中，难分解含氮物质逐渐分解为可溶性含氮物质，可溶性含氮物质之间发生相互转换过程受热解温度的影响。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。