徐　佳，劉榮厚※，王　燕

（1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院生物質(zhì)能工程研究中心，上海 200240； 2.農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)（南方）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

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基于能量得率的棉稈熱裂解炭化工藝優(yōu)化

徐佳1,2，劉榮厚1,2※，王燕1,2

（1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院生物質(zhì)能工程研究中心，上海 200240； 2.農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)（南方）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

摘要：為了從能源利用角度設(shè)計(jì)和優(yōu)化棉花秸稈熱裂解制生物炭的熱解炭化工藝，該文使用了產(chǎn)率、熱值及能量得率

3個(gè)指標(biāo)來衡量工藝的優(yōu)劣。首先，研究了熱解溫度、保留時(shí)間和原料粒徑3個(gè)工藝條件分別對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值的影響。結(jié)果表明，在3個(gè)工藝條件下生物炭產(chǎn)率與熱值均呈負(fù)相關(guān)，即高產(chǎn)率和高熱值目標(biāo)無法同時(shí)滿足。因此，引入能量得率（單位原料所產(chǎn)生物炭的總能量）作為全面評(píng)價(jià)生物炭產(chǎn)率和熱值的綜合指標(biāo)，重點(diǎn)利用響應(yīng)面分析法分析了3個(gè)工藝條件及其交互作用對(duì)能量得率的影響，并經(jīng)過檢驗(yàn)得到優(yōu)化后的能量得率模型。模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在炭化溫度為429℃，保留時(shí)間為1.29 h，原料粒徑為0.32 mm時(shí)，能量得率達(dá)到最大值，為78.95%，通過驗(yàn)證試驗(yàn)證明了模型的有效性。該模型能夠用于指導(dǎo)生產(chǎn)高能量得率的生物炭，為生物炭能源高效利用目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：秸稈；熱解；優(yōu)化；炭化工藝；生物炭；產(chǎn)率；熱值；能量得率

徐佳，劉榮厚，王燕. 基于能量得率的棉稈熱裂解炭化工藝優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（3）：241－246.

Xu Jia, Liu Ronghou, Wang Yan. Optimization of pyrolysis carbonization conditions based on energy efficiency for cotton stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 241－246. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.035http://www.tcsae.org

0　引　言

隨著化石能源的使用及耗盡，環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為制約人類生存和發(fā)展的最大障礙。生物質(zhì)的能源化利用因其原料來源廣泛、清潔、可再生[1-2]，能夠同時(shí)解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的重大問題，成為解決這一世界性問題的重要途徑。其中，生物炭是生物質(zhì)能源化利用的重要方面[3]。生物質(zhì)炭化不僅能夠?qū)U棄秸稈轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)能源，還能夠輔助碳的固定減少溫室效應(yīng)。本課題組致力于生物炭生產(chǎn)工藝、特性及其應(yīng)用的研究[4-5]。還有其他的許多研究[6-8]致力于通過研究炭化工藝提升生物質(zhì)炭的產(chǎn)率及品質(zhì)，均使炭化工藝取得了巨大進(jìn)步。在炭化工藝的研究中，產(chǎn)率是一個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)[9-11]，對(duì)于何種用途的生物炭而言，與用途直接相關(guān)的品質(zhì)指標(biāo)也至關(guān)重要，例如生物炭作吸附劑時(shí)會(huì)重點(diǎn)研究它的比表面積等特性，當(dāng)生物炭作燃料時(shí)，它的熱值就是直接反映品質(zhì)的因素。然而，現(xiàn)有對(duì)生物炭炭化工藝的研究均局限于各類獨(dú)立的指標(biāo)，而往往不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)炭化工藝并不相同。例如，Yu等[6]探究了熱解溫度對(duì)玉米芯生物炭特性的影響，結(jié)果表明，熱解溫度為300℃時(shí)，生物炭產(chǎn)量最高，而熱解溫度為450～600℃時(shí)生物炭比表面積最大。Hanzade等[12]探究了升溫速率對(duì)榛子殼熱解后所得生物炭的結(jié)構(gòu)組織的影響，結(jié)果表明，升溫速率越高，生物炭的產(chǎn)量越低；而升溫速率越高，越有利于孔洞的形成。以上研究均得到了不同指標(biāo)下的最優(yōu)炭化工藝，但各項(xiàng)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工藝條件并不相同，即產(chǎn)生了各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最佳工藝條件之間的矛盾。然而，大多數(shù)研究孤立了各項(xiàng)性質(zhì)指標(biāo)，沒有將不同指標(biāo)聯(lián)合起來得到一個(gè)綜合的最佳工藝條件。而本研究為了將不同指標(biāo)聯(lián)合起來得到一個(gè)綜合最佳工藝，引入了綜合指標(biāo)。本研究探討了熱解溫度、保留時(shí)間、粒徑3個(gè)工藝條件對(duì)棉花秸稈慢速熱裂解制取生物炭的影響。首先，進(jìn)行了不同工藝條件分別對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值影響的單因素分析，然而在研究中發(fā)現(xiàn)了高產(chǎn)率和高熱值之間的矛盾。因此，本研究引入了能源得率（單位原料所產(chǎn)生物炭的總能量），更全面地從能源利用角度優(yōu)化炭化工藝。

1　材料與方法

1.1原材料預(yù)處理

本研究采用棉花秸稈作為制備生物炭的原材料，棉花秸稈采自浙江省嘉興市海鹽縣。在制備生物炭之前，對(duì)棉花秸稈進(jìn)行了預(yù)處理，粉碎包括初粉和細(xì)粉，過不同目數(shù)篩進(jìn)行不同粒徑分級(jí)（分別為10目、20目、30目、40目、80目），在105℃干燥箱（HH-BH-500型，德國納博熱工業(yè)爐有限公司）中干燥24 h備用。

1.2生物炭制備

單因素研究中生物炭制備方法如下：選取不同炭化條件：熱解溫度A/℃（A1：300，A2：400，A3：500，A4：600，A5：700），保留時(shí)間B/h（B1：1，B2：2，B3：3，B4：4，B5：5）、粒徑C/目（C1：10，C2：20，C3：30，C4：40，C5：80）。取一定量的預(yù)處理后的棉花秸稈于坩堝中，置于管式爐反應(yīng)器（HTL1100-100，上海皓越電爐技術(shù)有限公司）中，在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行熱解炭化（氮?dú)饬魉贋?0 m3/h，升溫速率為5℃/min）。其中，在考察熱解溫度因素時(shí)，保留時(shí)間均為2 h，粒徑均為40目；在考察保留時(shí)間因素時(shí)，溫度均為500℃、粒徑均為40目；在考察粒徑因素時(shí)，溫度均為500℃，保留時(shí)間均為2 h。在炭化結(jié)束后的降溫過程中，依然保持氮?dú)鈿夥?，直至自然冷卻至室溫。隨后收集生物質(zhì)炭，分別標(biāo)記為A1B2C4、A2B2C4、A3B2C4、A4B2C4、A5B2C4；A3B1C4、A3B2C4、A3B3C4、A3B4C4、A3B5C4；A3B2C1、A3B2C2、A3B2C3、A3B2C4、A3B2C5，每種條件均制備3組平行樣。

響應(yīng)面分析研究中生物炭制備方法同上，其中因素水平為，X1熱解溫度/℃（400、450、500）、X2保留時(shí)間/h（1、2、3）、X3粒徑/mm（0.25、0.55、0.85）。

1.3分析方法

1.3.1生物炭產(chǎn)率[13]

利用分析天平（BS224S，德國賽多利斯公司）稱取原料炭化前后的質(zhì)量，取3次重復(fù)后的平均值，計(jì)算不同炭化工藝條件下的生物炭產(chǎn)率，按公式（1）計(jì)算。

1.3.2熱值

本試驗(yàn)的棉花秸稈、生物炭熱值均采用氧彈熱值測(cè)定儀（XRY-1A，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）測(cè)定，按照儀器分析要求，稱取1.0 g樣品測(cè)定熱值。

1.3.3能量得率

計(jì)算生物炭轉(zhuǎn)化前后的能量，計(jì)算不同炭化工藝條件下的能量得率[14]，按公式（2）計(jì)算。

1.3.4工業(yè)分析和元素分析

工業(yè)分析依據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)：木炭化學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法（D1762–84）[15]。元素分析采用元素分析儀（Vario EL Cube，德國Elementar公司）進(jìn)行測(cè)定。

1.3.5響應(yīng)面分析

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用響應(yīng)面分析方法（response surface methodology），根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理[16-17]設(shè)計(jì)了以熱解溫度（X1/℃）、保留時(shí)間（X2/h）、粒徑（X3/mm）為自變量，每個(gè)因素取3個(gè)水平，分別是400、450、500 ℃，1、2、3 h和0.25、0.55、0.85 mm，以（?1、0、1）編碼。試驗(yàn)用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，對(duì)17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值進(jìn)行分析，以能量得率為響應(yīng)值，響應(yīng)面分析方法試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　響應(yīng)面分析方法試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1　Test level of response surface methodology

2　結(jié)果與分析

2.1原料及不同熱解溫度條件下的生物炭的工業(yè)分析和元素分析

對(duì)棉花秸稈原料和5種不同熱解溫度條件下的生物炭做工業(yè)分析和元素分析，分析結(jié)果如表2所示。由表2可見，溫度對(duì)生物炭的炭化程度起著決定性作用，隨著熱解溫度的升高，炭化程度明顯上升，表現(xiàn)為揮發(fā)分含量逐漸變少，固定碳含量逐漸升高。另外，隨著熱解溫度的升高，C/O比明顯增大，其原因是棉花秸稈原料中復(fù)雜的有機(jī)物隨著溫度的上升逐步發(fā)生裂解，由于炭化試驗(yàn)在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行，故O元素不斷被消耗，C元素逐步積累，因此導(dǎo)致了C/O比明顯上升。隨著熱解溫度的升高，棉花秸稈中的-OH，-CH3，-CH2-，C=O基團(tuán)間發(fā)生締合或消除，促進(jìn)了芳香基團(tuán)的形成，原料芳香化程度升高[18]。推測(cè)H元素的逐步減少正是因?yàn)榉枷慊潭鹊纳撸枷泐愇镔|(zhì)的H含量較低[19]。

表2　工業(yè)分析和元素分析Table 2　Industrial analysis and elemental analysis

2.2生物炭產(chǎn)率和熱值的單因素分析

2.2.1不同熱解溫度對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值的影響

選取30～40目之間的棉花秸稈樣品，在氮?dú)鈿夥?，保持升溫速? ℃/h，保留時(shí)間2 h的條件下，選擇熱解溫度300、400、500、600、700 ℃，通過管式爐進(jìn)行棉花秸稈的熱解炭化試驗(yàn)。熱解工藝條件對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值的影響如圖1所示。由圖1a可以看到，300 ℃時(shí)產(chǎn)率最高，約為65%，熱值最低，約為15 kJ/g，700 ℃時(shí)產(chǎn)率最低，約為30%，熱值最高，約為34 kJ/g，產(chǎn)率隨著溫度的上升有明顯的下降，在600 ℃之后下降速度減慢，熱值隨著溫度的上升顯著上升，在500℃之后上升速度減慢。Yang等研究表表明，生物質(zhì)中半纖維素首先在 220～315 ℃分解，而315～400 ℃則為纖維素分解區(qū)，大于400 ℃木質(zhì)素開始大量分解[20]，這解釋了在300 ℃時(shí)，產(chǎn)率大大高于其他溫度下的現(xiàn)象。隨著溫度的上升，半纖維素、纖維素和木質(zhì)素分解越來越完全，炭化程度越來越高，生物炭的熱值逐漸變大。另外，明顯可以看出生物炭產(chǎn)率和熱值明顯的呈負(fù)相關(guān)，隨著溫度的升高生物炭產(chǎn)率逐漸降低，而熱值逐漸上升。

圖1　熱解工藝條件對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值的影響Fig.1　Effect of pyrolysis conditions on yield and calorific value of biochar

2.2.2不同保留時(shí)間對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值的影響

選取30～40目之間的棉花秸稈樣品，在氮?dú)鈿夥?，保持升溫速? ℃/h，熱解溫度500 ℃的條件下，選擇保留時(shí)間1、2、3、4、5 h，通過管式爐進(jìn)行棉花秸稈的熱解炭化試驗(yàn)。由圖1b可以發(fā)現(xiàn)，1 h時(shí)生物炭產(chǎn)率最高，約為32%，熱值最低，約為30 kJ/g，5 h時(shí)生物炭產(chǎn)率最低，約為30%，熱值最高，約為33 kJ/g，隨著保留時(shí)間的增加，生物炭產(chǎn)率有小幅的下降，熱值有小幅的上升，說明隨著保溫時(shí)間的增加，熱解反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，炭化更加完全，產(chǎn)率下降，熱值上升，但是保留時(shí)間對(duì)于它們的影響很小，從側(cè)面反映出在500 ℃的熱解溫度下，炭化已經(jīng)相對(duì)完全[20]。另外，可以看出生物炭產(chǎn)率和熱值呈負(fù)相關(guān)，隨著保留時(shí)間的延長生物炭產(chǎn)率逐漸降低，而熱值逐漸上升。

2.2.3不同原料尺寸對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值的影響

在氮?dú)鈿夥眨３稚郎厮俾? ℃/h，熱解溫度500 ℃，保留時(shí)間2 h的條件下，選擇不同的粒徑10～20目、20～30目、30～40目、40～80目、過80目，通過管式爐進(jìn)行棉花秸稈的熱解炭化試驗(yàn)。由圖1c可以發(fā)現(xiàn)，20目時(shí)產(chǎn)率最低，約為30%，80目時(shí)產(chǎn)率最高，約為32%，10目時(shí)熱值最高，約為32 kJ/g，相比于之前的2個(gè)因素，隨著粒徑的增加，生物炭產(chǎn)率小幅下降，商輝等研究了3種粒徑對(duì)木屑熱解的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明粒徑越大產(chǎn)率越小[21]，這也與本試驗(yàn)結(jié)果相一致。但生物炭產(chǎn)率和熱值均相對(duì)于前2種條件下沒有顯著的變化，說明粒徑對(duì)于產(chǎn)率和熱值的影響比較小。另外，根據(jù)大致趨勢(shì)，依然可以看出熱值和產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)。

2.3能量得率的模型分析及優(yōu)化

從單因素試驗(yàn)可以看到，熱解溫度、保留時(shí)間和粒徑均對(duì)棉花秸稈制生物炭的產(chǎn)率和生物炭的熱值有影響。對(duì)生物炭產(chǎn)率和熱值的作用大小為熱解溫度>保留時(shí)間>粒徑。單因素研究（圖1）發(fā)現(xiàn)，生物炭產(chǎn)率及其單位熱值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但從能源利用角度來說，生物炭產(chǎn)率和熱值均為越高越好。當(dāng)生物炭產(chǎn)量和熱值的提高相互矛盾時(shí)，需要一種新的評(píng)價(jià)指標(biāo)去衡量生物炭產(chǎn)率和熱值的綜合性能。能源得率，反映了產(chǎn)率和熱值的綜合效應(yīng)，同時(shí)反應(yīng)了生物炭的能量轉(zhuǎn)化水平。為優(yōu)化生物炭的能源得率工藝，本文從能源得率的角度，對(duì)不同工藝條件下的生物炭的能源得率進(jìn)行了響應(yīng)面分析。

2.3.1生物炭能量得率模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert軟件對(duì)17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值進(jìn)行分析，以能量得率為響應(yīng)值得到響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示。

表3　響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3　Design and results of response surface methodology experiment

對(duì)表3中的試驗(yàn)組進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到生物炭的能量得率二次回歸全模型方程，如式（3）所示。

對(duì)模擬的二次回歸模型進(jìn)行方差檢驗(yàn), 分析結(jié)果如表4所示。

表4　二次回歸模型的方差分析Table 4　ANOVA for response surface quadratic model

從表4中的二次回歸模型的方差分析結(jié)果可以看出，模型的P值小于0.0001，說明該模型能夠很好的擬合響應(yīng)值的方程[22]。熱解溫度、保留時(shí)間對(duì)于生物炭的能量得率的影響顯著，而粒徑的影響不顯著，二次項(xiàng)中只有熱解溫度的平方項(xiàng)對(duì)能量得率的影響顯著。模型的調(diào)整確定系數(shù)R2=0.9497?？梢缘玫?，該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，該二次回歸模型能夠?qū)γ藁ń斩捴粕锾康哪芰康寐蔬M(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。失擬項(xiàng)P=0.4793>0.05，表明失擬不顯著，對(duì)模型是有利的，無失擬因素存在，因此可用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。去除回歸方程中的不顯著項(xiàng)，得到能量得率的優(yōu)化回歸方程，如式（4）所示。

2.3.2能量得率的響應(yīng)面分析

熱解溫度X1，保留時(shí)間X2，粒徑X3對(duì)能量得率P的交互作用如圖2所示。從圖2a中可以看出，在保留時(shí)間保持不變的條件下，隨著熱解溫度的上升，能量得率呈現(xiàn)出先變大再減小的規(guī)律，最高的時(shí)候，能量得率達(dá)75.12%；當(dāng)熱解溫度保持不變時(shí)，隨著保留時(shí)間的增加，能量得率呈小幅的遞減狀。

從圖2b中可以看出，在粒徑保持不變的條件下，隨著熱解溫度的上升，能量得率依然呈現(xiàn)出先變大再減小的規(guī)律，最高的時(shí)候，能量得率達(dá)76.40%；當(dāng)熱解溫度保持不變時(shí)，隨著粒徑的增加，能量得率先減小后上升，但是變化幅度非常小。

從圖2c中可以看出，在保留時(shí)間保持不變的條件下，隨著粒徑的增大，能量得率呈現(xiàn)出先減小再變大的規(guī)律；當(dāng)粒徑保持不變時(shí)，隨著保留時(shí)間的增加，能量得率呈小幅的下降。

從響應(yīng)面分析結(jié)果可以得到能量得率的最大值，當(dāng)反應(yīng)條件控制在429 ℃，保留時(shí)間1.29 h，粒徑0.32 mm的時(shí)候能量得率最高，為78.95%。

圖2　熱解工藝條件對(duì)能量得率影響的響應(yīng)面曲線Fig.2　Response surface of pyrolysis conditions on energy efficiency

2.3.3最佳熱解條件的驗(yàn)證

根據(jù)以上分析得到利用棉花秸稈制備高能量得率的生物炭的最佳熱解條件（熱解溫度429 ℃，保留時(shí)間1.29 h，粒徑0.32 mm），為了檢驗(yàn)優(yōu)化模型P=?233.95080+1.43592X1?0.99600X2?0.00164X12所預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，利用管式爐反應(yīng)器進(jìn)行棉花秸稈制生物炭的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為熱解溫度429 ℃，保留時(shí)間1.29 h，粒徑0.300～0.355 mm（45～50目），取3次重復(fù)，3次試驗(yàn)所得生物炭的能量得率分別為：78.48%、77.98%、80.00%，3次重復(fù)的平均值為78.82%，與模型預(yù)測(cè)值非常接近，可見模型對(duì)于能量得率的預(yù)測(cè)是比較穩(wěn)定一致的。因此，棉花秸稈制備高能量得率的生物炭的響應(yīng)面模型有效，最佳熱解條件可信。

3　結(jié)　論

生物質(zhì)的熱解炭化是一個(gè)復(fù)雜的過程，不同的工藝會(huì)對(duì)生物炭的物理化學(xué)性質(zhì)有明顯的影響，而生物炭的產(chǎn)率和品質(zhì)都是重要指標(biāo)。本試驗(yàn)研究成果表明，熱解溫度、保留時(shí)間和粒徑均對(duì)棉花秸稈制生物炭的產(chǎn)率和生物炭的熱值有影響，影響程度大小均為熱解溫度＞保留時(shí)間＞粒徑，并且在不同條件下生物炭產(chǎn)率和熱值均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。同時(shí)對(duì)能量得率的響應(yīng)面分析表明，熱解溫度和保留時(shí)間對(duì)于能量得率的影響比較顯著，并且得到了優(yōu)化的能量得率模型的R2為0.9497，在429℃，保留時(shí)間1.29 h，粒徑0.32 mm的時(shí)候能量得率最高為78.95%，通過驗(yàn)證證明該模型預(yù)測(cè)的最佳工藝穩(wěn)定可靠，該模型能夠用于指導(dǎo)生產(chǎn)高能量得率的生物炭，為生物炭能源高效利用目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供參考。

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Optimization of pyrolysis carbonization conditions based on energy efficiency for cotton stalk

Xu Jia1,2, Liu Ronghou1,2※, Wang Yan1,2
(1. Biomass Energy Engineering Research Centre, School of Agriculture and Biology, Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China; 2.Key Laboratory of Urban Agriculture (South), Ministry of Agriculture, Shanghai 200240, China)

Abstract:With the use and depletion of fossil fuels, environmental pollution and energy crisis have become the biggest obstacles to the survival and development of human beings. Biomass energy utilization is an important way to solve this problem as it has wide source of raw material, and is clean and renewable. Biochar is an important form of biomass energy utilization, and it can not only change the waste straw into biomass energy, but also help reduce the greenhouse effect. The yield is a basic index in the study of pyrolysis technology; while the biochar is used as fuel, its calorific value is the factor directly reflecting the quality. These 2 indices are both necessary during the research. However, the existing research on the pyrolysis process of biochar is limited to all kinds of independent indices, and the optimal pyrolysis process is always not the same. In this paper, the advantages and disadvantages of pyrolysis process for biochar production were evaluated by the yield, calorific value and energy efficiency in order to design and optimize the process of carbonization of cotton stalk. The effects of the temperature, retention time and particle size on the yield and heating value of the biomass were studied; and the typical cotton stalk was taken as raw material to produce biochar under nitrogen gas atmosphere by slow pyrolysis. The results showed that: 1) The effects of pyrolysis temperature on the yield and heating value of the biomass were significant; the biochar yield was negatively correlated with heating value, and with the increase of the temperature, the yield of biochar decreased gradually, while the calorific value increased gradually. 2) The effect of retention time on the yield and heating value of the biochar was obvious, but it was not as obvious as the pyrolysis temperature; at the same time, it could be seen that the yield and heating value were negatively correlated, and with the increase of the retention time, the biochar yield decreased, while the calorific value increased. 3) Compared with the first 2 conditions, there was no significant change in the yield and heating value when the raw material particle size changed, which showed that the effects of particle size on the yield and calorific value were small. In addition, according to the general trend, we could still see a negative correlation between heating value and yield. Energy efficiency (ratio of total energy yield of biochar to energy yield of raw material) was proposed to coordinate the yield and calorific value, and the response surface analysis of the energy efficiency was carried out, from which the energy efficiency model was got. The results showed that when the temperature was 429℃, the retention time was 1.29 h, and the particle size was 0.32 mm, the predicted energy efficiency from the model reached the highest value, which was 78.95%. The model is validated by the experiment. The model can be used to guide the production of biochar with high energy efficiency, and provide the reference for energy efficient utilization.

Keywords:straw; pyrolysis; optimization; carbonization conditions; biochar; yield; calorific value; energy efficiency

作者簡介：徐佳，男，主要從事可再生能源與環(huán)境工程方面的研究。上海上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院生物質(zhì)能工程研究中心，200240。Email：gmy11521@sjtu.edu.cn※通信作者：劉榮厚，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事可再生能源與環(huán)境工程方面的研究與教學(xué)工作。上海上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院生物質(zhì)能工程研究中心，200240。Email：liurhou@sjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家863計(jì)劃課題（2012AA101808）

收稿日期：2015-10-20

修訂日期：2015-12-29

中圖分類號(hào)：S21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6819(2016)-03-0241-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.035 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.035http://www.tcsae.org