牛文娟，阮 楨，鐘 菲，洪自宇，劉佳政，牛智有

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保溫時間與粒度對稻稈和棉稈熱解產(chǎn)物組成及能量轉(zhuǎn)化影響

牛文娟1，阮 楨1，鐘 菲2，洪自宇1，劉佳政1，牛智有1※

（1.農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070； 2. 湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，孝感 432000）

熱解炭化技術(shù)的開發(fā)對秸稈的能源化利用具有重要意義。試驗研究了保溫時間與粒度對水稻和棉花秸稈熱解產(chǎn)物理化特性及能源轉(zhuǎn)化的影響。結(jié)果表明，保溫時間從0到120 min中，秸稈生物炭產(chǎn)率先降低后略增加，熱解氣中CH4、CnHm和H2百分含量增加，其高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率增加，而生物炭的pH值、電導(dǎo)率、灰分、固定碳、C、高位熱值增加，保溫時間為90min的生物炭的炭化程度最好。秸稈中能量有1.5%～5.4%保留在熱解氣中，有50%～57%保留在生物炭中。不同粒度相比，粗粉秸稈的生物炭的炭產(chǎn)率、揮發(fā)分、H、O、N及碳轉(zhuǎn)化率最高，細(xì)粉秸稈熱解氣中CO和CH4百分含量、高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率最高，而超微秸稈生物炭的pH值、灰分、C最高。棉花秸稈生物炭的揮發(fā)分、固定碳、C、H、碳轉(zhuǎn)化率、高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率高于水稻秸稈生物炭。

秸稈；熱解；生物炭；保溫時間；粒度；能源轉(zhuǎn)化

0 引 言

隨著化石能源的急劇消耗和環(huán)境污染的加劇，開發(fā)秸稈的高效轉(zhuǎn)化利用技術(shù)對緩解能源危機和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。中國秸稈資源豐富，秸稈年產(chǎn)出量為8.42億t，其中，水稻和棉花秸稈的年產(chǎn)出量分別為1.19和0.22億t[1-2]。熱解炭化技術(shù)是一種有效的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，可以獲得生物炭、熱解氣和液體油等高附加值產(chǎn)品[3-4]。秸稈中的碳元素大約占35%～55%，是生產(chǎn)生物炭和清潔能源氣體的理想原料[5-6]。生物炭通常含有較高的固定碳和較強的穩(wěn)定性，高附加值氣體也具有重要的研究價值和應(yīng)用前景[7]。秸稈熱解產(chǎn)物的理化特性和能源轉(zhuǎn)化效率已成為清潔能源領(lǐng)域的研究熱點[8]。

秸稈熱解技術(shù)受反應(yīng)條件和原料特性的影響，保溫時間、顆粒大小和秸稈種類對秸稈熱解產(chǎn)物和能源轉(zhuǎn)化影響較大[9-10]。研究發(fā)現(xiàn)，在低溫下隨著保溫時間的增加，生物炭產(chǎn)量降低[11-12]。不同粒度的秸稈熱解產(chǎn)物的理化性質(zhì)也會產(chǎn)生差異，粒徑和形狀常左右著熱解速率與傳質(zhì)傳熱速率，影響顆粒內(nèi)外加熱速率的不均和溫度的不均衡[9,13]。秸稈種類繁多，其密度、導(dǎo)熱率對熱解的影響十分復(fù)雜，往往與熱解溫度、保溫時間和升溫速率等外部特征產(chǎn)生交互作用[14-15]。碳轉(zhuǎn)化率和能量轉(zhuǎn)化率是秸稈熱解過程中能源轉(zhuǎn)化的主要評價指標(biāo)，反映了秸稈熱解過程中的質(zhì)量平衡和能量平衡。秸稈熱解的氣體產(chǎn)物和生物炭可以帶來實質(zhì)性的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益[8]。因此，研究不同熱解條件和原料屬性的秸稈熱解產(chǎn)物的分布規(guī)律、品質(zhì)特性和能源轉(zhuǎn)化過程，對高效利用秸稈資源具有重要意義。

本文開展了不同保溫時間下粗粉、細(xì)粉和超微粉碎的水稻和棉花秸稈的熱解試驗，探討了保溫時間與粒度對水稻和棉花秸稈熱解產(chǎn)物理化特性的影響，分析了熱解氣和生物炭的組成成分和能源轉(zhuǎn)化率，為進(jìn)一步優(yōu)化秸稈熱解工藝和熱解產(chǎn)物的能源化利用奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 秸稈的采集與制備

從華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田采集水稻秸稈和棉花秸稈各5 kg，于室外晾曬后，將秸稈切斷至10 cm，樣品混勻后放入45 ℃烘箱中烘36 h，在105 ℃烘箱中烘12 h，直至恒質(zhì)量[16]。1）粗粉秸稈的制備：將干燥的秸稈采用9FQ-320型粉碎機進(jìn)行粗粉，粗粉粒徑至2 cm左右，粗粉樣品混合均勻；2）細(xì)粉秸稈的制備：取2/3的粗粉秸稈，用RT-34研磨粉碎機進(jìn)行細(xì)粉，全部過40目篩，細(xì)粉平均粒徑至0.45 mm左右，細(xì)粉樣品混合均勻；3）超微秸稈的制備：將1/2細(xì)粉秸稈進(jìn)行超微，置于DECO-PBM-V-0.8L行星球磨粉碎機中，超微粉碎6 h，氧化鋯球為磨介，球料比2:1，最后超微粉碎秸稈的平均粒徑為15m左右。

1.2 儀器設(shè)備

9FQ-320型粉碎機（廣州標(biāo)誠機械有限公司）；RT-34研磨粉碎機（臺灣）；DECO-PBM-V-0.8L行星球磨粉碎機（長沙德科儀器有限公司）；SKGL–1200型管式炭化爐（上海矩晶儀器制造有限公司）；Gasboard-3100氣體分析儀（武漢四方科技有限公司）；梅特勒FE28-Standard臺式 pH計；上海雷磁DDS-307A臺式數(shù)顯電導(dǎo)率儀；EA3000型元素分析儀（Euro Vector，意大利）；IKA C2000標(biāo)準(zhǔn)型氧彈量熱儀（德國IKA集團(tuán)）。

1.3 秸稈熱解試驗

稱取秸稈原料20 g，放入120 mm×80 mm×40 mm的長方形剛玉瓷盤中，置于管式爐的加熱區(qū)域。以1 L/min的速率通入氮氣20 min，在管式爐內(nèi)形成氮氣氣氛。管式爐升溫速率設(shè)為10 ℃/min，熱解溫度設(shè)為400 ℃，保溫時間分別設(shè)為0、30、60、90、120 min。管式爐出口端收集的熱解氣由Gasboard-3100氣體分析儀進(jìn)行測定。管式爐冷卻后，取出生物炭進(jìn)行稱質(zhì)量，并裝入塑料管中備用。

1.4 熱解產(chǎn)物的測定分析

1.4.1 熱解產(chǎn)物產(chǎn)率分析

生物炭產(chǎn)率是熱解后生物炭質(zhì)量占熱解前秸稈原料質(zhì)量的百分比，如式（1）所示。氣體的收集采用的是水氣置換法，Gasboard-3100P氣體分析儀測定熱解氣中CO2、CO、CnHm、CH4和H2體積分?jǐn)?shù)（包括保護(hù)氣N2）[8]?？倸怏w質(zhì)量為生成的各氣體組分的質(zhì)量總和，熱解氣產(chǎn)率為總氣體質(zhì)量占熱解前秸稈質(zhì)量的百分比，如式（2）所示。焦油產(chǎn)率tar是由100%減去生物炭產(chǎn)率biochar和熱解氣產(chǎn)率gas，如式（3）所示。

1.4.2 熱解氣組成成分分析

熱解氣體組分CO2、CO、CnHm、CH4和H2的總產(chǎn)量的計算方法如式（4）所示，各氣體組分CO2、CO、CnHm、CH4和H2所占百分比計算方法分別如式（5）－式（9）所示。

1.4.3 pH值和電導(dǎo)率

取0.4 g樣品，加入8 mL水，在25 ℃下恒溫震蕩24 h，分別用FE28臺式pH計和DDS-307A電導(dǎo)率儀進(jìn)行測定分析[17]。

1.4.4 工業(yè)分析

灰分測定是將樣品在780 ℃馬弗爐中灼燒3 h。揮發(fā)分測定是將樣品在900 ℃隔絕空氣下加熱7 min。固定碳是由100%減去揮發(fā)分和灰分含量[18]。

1.4.5 元素分析

C、H、N、S的測定是將40 mg秸稈置于進(jìn)樣器上，采用Vario Macro Elementar元素分析儀進(jìn)行分析。O是由100%減去C、H、N、S和灰分含量[19]。

1.4.6 碳轉(zhuǎn)化率分析

碳轉(zhuǎn)化率是轉(zhuǎn)化到熱解產(chǎn)物中的碳元素占秸稈原料中總碳元素的百分比[20]。熱解氣和生物炭的碳轉(zhuǎn)化率分別由式（10）和式（11）計算。

式中crop residue和biochar分別是秸稈和生物炭中C元素百分比，%。

1.4.7 能量轉(zhuǎn)化分析

式中GCV是生物炭燃燒時的彈筒發(fā)熱量，MJ/kg；是秸稈S元素的百分含量，%；HHVcrop residue和HHVbiochar分別是秸稈和生物炭高位熱值，MJ/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 保溫時間和粒度對秸稈熱解產(chǎn)物的影響

水稻秸稈和棉花秸稈的組成成分與高位熱值見表1。棉花秸稈的揮發(fā)分、C、H、N、S和高位熱值高于水稻秸稈，而灰分含量低于水稻秸稈。保溫時間和粒度對秸稈熱解產(chǎn)物的影響如圖1所示。隨著保溫時間的增加，秸稈生物炭產(chǎn)率先降低，而保溫90 min后略微增加。隨著保溫時間的增加，熱解氣產(chǎn)率增加，焦油產(chǎn)率先增加，60 min后略微降低。本研究與報道的木材和糞便熱解產(chǎn)物變化趨勢一致[22-23]。當(dāng)保溫時間較短，秸稈有機成分揮發(fā)后沒有聚合，生物炭產(chǎn)量減少；隨著保溫時間的增加，氣相停留時間增加有利于揮發(fā)組分的再聚合，使可冷凝氣（焦油）有足夠時間發(fā)生二次反應(yīng)，有利于制備較多的生物炭，導(dǎo)致焦油產(chǎn)率略微降低[9,17]。

表1 稻稈和棉稈原料的組成成分與高位熱值

注：不同字母表示在不同種類之間存在顯著差異（<0.05）。

Note: Different letters represent significant differences among different crop residues (<0.05).

注：不同字母代表不同粒度秸稈熱解產(chǎn)物具有顯著差異性（P<0.05），下同。

比較不同粒度，粗粉秸稈的生物炭產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率最高，焦油產(chǎn)率最低，而超微秸稈的生物炭產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率最低，焦油產(chǎn)率最高（圖1）。秸稈粒度越大，生物質(zhì)表面與其核心之間的距離增大，阻礙了熱量從熱端到冷端的快速傳遞，升溫速率變慢，有利于生物炭產(chǎn)量的增加[9-10]。秸稈顆粒尺寸大，焦油在顆粒內(nèi)部停留時間長，容易發(fā)生二次分解，進(jìn)一步生成不可冷凝氣體和焦炭。超微秸稈粒度最小，比表面積大，容易進(jìn)行熱量的傳遞，熱解反應(yīng)更快更徹底，生成的不可冷凝氣和可冷凝氣（焦油）能很快被送出管式爐，可冷凝氣（焦油）不易發(fā)生二次分解生成氣體和焦炭，因此，超微秸稈生成的生物炭和氣體少，而焦油多。

比較不同種類，無灰基棉花秸稈的生物炭產(chǎn)率高于水稻秸稈的生物炭產(chǎn)率（圖1b），可能是由于水稻秸稈的灰分含量高，而棉花秸稈的有機成分含量高（表1），生成焦炭多[2]。干基下水稻秸稈的氣體產(chǎn)率略高于棉花秸稈（圖1c），可能由于水稻秸稈灰分含量高，具有一定的催化作用，產(chǎn)氣多。

2.2 保溫時間和粒度對秸稈熱解氣成分的影響

保溫時間和粒度對秸稈熱解氣總產(chǎn)量、各組分產(chǎn)率和碳轉(zhuǎn)化率的影響如圖2和圖3所示。隨著保溫時間的增加，秸稈熱解氣的總產(chǎn)量剛開始迅速增加，保溫60 min后增加緩慢（圖2）。隨著保溫時間的增加，秸稈化學(xué)鍵進(jìn)一步斷裂，從而使不可冷凝氣體的釋放增加[9]。秸稈熱解釋放最多的是CO2（50%～70%），其次是CO（20%～40%），產(chǎn)生較少的CH4、CnHm和H2。隨著保溫時間的增加，秸稈熱解氣的碳轉(zhuǎn)化率開始迅速增加（圖3f），保溫60 min后緩慢增加。這可能是由于保溫時間越長，秸稈的含碳有機物分解的越徹底。

由圖3可以看出，隨著保溫時間的增加，CO、CO2的百分含量降低，而CH4、CnHm和H2百分含量不斷增加。這可能是由于長時間保溫導(dǎo)致生物炭和焦油發(fā)生二次反應(yīng)，產(chǎn)生更多的不可冷凝氣CH4、CnHm和H2等[9]。H2是一種清潔綠色能源，秸稈中H2百分含量較少的原因是熱解的溫度（400 ℃）較低，高溫可以提高生物質(zhì)產(chǎn)H2量[20,23]。本研究與報道的柳枝稷和玉米秸稈熱解氣變化趨勢一致[24]。

圖2 保溫時間和粒度對秸稈熱解氣總產(chǎn)量的影響

圖3 保溫時間和粒度對秸稈熱解氣組分產(chǎn)率和碳轉(zhuǎn)化率的影響

比較不同粒度，粗粉秸稈熱解產(chǎn)生的CO2和H2百分含量最高（圖3），可能由于顆粒尺寸大，氣體在顆粒內(nèi)部停留時間長，穿過路徑長，反應(yīng)充分。細(xì)粉秸稈熱解產(chǎn)生的CO、CH4百分含量最高，而超微秸稈不利于氣體生成（圖3）。比較不同種類，水稻秸稈的熱解氣總產(chǎn)量較高，且水稻秸稈熱解氣的碳轉(zhuǎn)化率也高于棉花秸稈。棉花秸稈熱解產(chǎn)生的CO2、CH4、CnHm和H2百分含量高于水稻秸稈，而水稻秸稈熱解產(chǎn)生的CO百分含量高于棉花秸稈。

2.3 保溫時間和粒度對生物炭pH值和電導(dǎo)率的影響

保溫時間和粒度對生物炭pH值和電導(dǎo)率的影響如表2所示。隨著保溫時間的增加，秸稈生物炭的pH值和電導(dǎo)率開始迅速增加，保溫60 min后緩慢增加。秸稈生物炭的pH值為7.0～9.0，呈偏堿性，可用來改良酸性土壤。電導(dǎo)率反映了生物炭中可溶于水的總鹽分，生物炭含有一定的灰分，生物炭中的K、Na、Ca、Mg等主要以碳酸鹽或氧化物形式存在于灰分中，而碳酸鹽是生物炭中堿性物質(zhì)的主要存在形態(tài)，主要以碳酸鹽陰離子形式存在，是生物炭中堿性物質(zhì)存在的一種形態(tài)[18]，因此，秸稈生物炭呈堿性。

表2 保溫時間和粒度對秸稈生物炭pH值和電導(dǎo)率的影響

注：不同字母表示不同粒度生物炭的pH值和電導(dǎo)率間差異性顯著（<0.05）。

Note: Different letters represent significant differences among the pH value and electrical conductivity with different particle sizes of biochars (< 0.05).

比較不同粒度，除pH值的保溫時間為0外，超微秸稈生物炭的pH值和電導(dǎo)率最大，其次是細(xì)粉秸稈，粗粉秸稈生物炭的pH值和電導(dǎo)率最低（表2）。比較不同種類，水稻秸稈生物炭的pH值和電導(dǎo)率大于棉花秸稈生物炭，這可能是由于水稻秸稈及其生物炭的堿金屬K的碳酸鹽或氧化物以及灰分含量高造成的[2,8]。

2.4 保溫時間和粒度對生物炭工業(yè)組成的影響

保溫時間和粒度對生物炭工業(yè)組成的影響如圖4所示。隨著保溫時間增加，秸稈生物炭的灰分和固定碳含量增加，揮發(fā)分含量降低，且90 min后均趨于穩(wěn)定，表明90 min是秸稈炭化的較優(yōu)保溫時間。隨著保溫時間增加，秸稈生物炭的炭化程度加強。本研究結(jié)果與其他生物質(zhì)如畜禽糞便、木材和紅花籽生物炭的工業(yè)組成變化趨勢相一致[3,20,23]。

不同粒度秸稈生物炭的灰分、揮發(fā)分和固定碳含量存在顯著性差異（<0.05）（圖4）。比較不同粒度，超微秸稈生物炭中灰分含量最高，粗粉秸稈生物炭的揮發(fā)分含量最高，細(xì)粉秸稈生物炭的固定碳含量最高。在同一保溫時間下，水稻秸稈生物炭的灰分含量最高，而棉花秸稈生物炭揮發(fā)分和固定碳含量最高。因此，棉花秸稈生物炭由于灰分含量低更適合用作燃料，而水稻秸稈生物炭由于含有更多的無機礦物質(zhì)成分可作為生物炭基肥料。

圖4 保溫時間和粒度對生物炭工業(yè)組成的影響

2.5 保溫時間和粒度對生物炭元素組成的影響

保溫時間和粒度對生物炭元素組成的影響如圖5所示。隨著保溫時間的增加，秸稈生物炭中C元素含量增加，生物炭的H、O和N元素含量減少，這與報道的棉花秸稈和紅花籽生物炭的研究結(jié)果相一致[25-26]。在保溫時間為0～120 min內(nèi)，C元素占生物炭總元素組成的50%～64%。隨著保溫時間的增加，秸稈生物炭中的碳轉(zhuǎn)化率先降低，60 min后略有增加（圖5f），這可能是由于可凝氣體（焦油）發(fā)生二次反應(yīng)生成了焦炭[23,27]。揮發(fā)性物質(zhì)（氣體和焦油）的產(chǎn)生可以消耗秸稈中的一定量的H和O元素，H和O元素主要由于化學(xué)鍵斷裂而分離。此外，秸稈中-OH、-CH3、-CH2和-C=O基團(tuán)的締合或消除將促進(jìn)芳香烴炭化程度，并降低H含量[26]。

隨著保溫時間的增加，生物炭中C元素含量增加，H元素和O元素含量減少，因此，H/C和O/C的摩爾比降低，表明生物炭的炭化度和芳香度逐漸升高。秸稈中的N可在低溫炭化過程中形成一個穩(wěn)定的C-N雜環(huán)，隨著保溫時間的增加，C-N雜環(huán)可能發(fā)生了斷裂[28]，因此，秸稈生物炭的N元素減少。隨著保溫時間的增加，水稻秸稈生物炭中S元素含量略有下降（圖5e），熱解過程中有機硫的損失主要表現(xiàn)為硫化羰[29]。

不同秸稈生物炭中的元素組成含量大小如下：C>O> H>N>S（圖5）。對比不同粒度，超微秸稈生物炭的C元素含量最高，粗粉秸稈生物炭的H、O、N元素含量以及碳轉(zhuǎn)化率均最高。對比不同種類秸稈，棉花秸稈生物炭中的C、H、N、S元素含量和碳轉(zhuǎn)化率均高于水稻秸稈生物炭，2種秸稈生物炭的O元素含量相似。秸稈生物炭的碳轉(zhuǎn)化率（50%～66%）顯著高于氣體的碳轉(zhuǎn)化率（8%～13%），這是因為本研究中的400 ℃的低溫更適合熱解炭化。

2.6 保溫時間和粒度對生物炭能量轉(zhuǎn)化的影響

保溫時間和粒度對生物炭高位熱值和能量轉(zhuǎn)化的影響如圖6所示。隨著保溫時間增加，秸稈熱解氣的高位熱值逐漸增大，水稻和棉花秸稈熱解氣的高位熱值最高值在120 min時，分別為7.33和6.62 MJ/m3（圖6a）。熱解氣的高位熱值與CO、CH4、CnHm、H2等可燃成分含量密切相關(guān)，因此，在熱解中應(yīng)盡可能減少不可燃成分比例。熱解中的載氣會影響熱值和可燃性氣體質(zhì)量，本研究的載氣N2是惰性氣體，不會促使熱解氣的高位熱值增加。

隨著保溫時間的增加，秸稈生物炭的高位熱值先迅速增加，60 min后緩慢增加。水稻秸稈和棉花秸稈生物炭高位熱值的最高值出現(xiàn)在90 min，分別為20.22和23.58 MJ/kg（圖6c）。隨著保溫時間的增加，揮發(fā)分的釋放和固定碳的累積提高了生物炭的炭化程度，且生物炭中C元素含量增加，O元素含量下降，因此，生物炭的高位熱值升高。

隨著保溫時間的增加，秸稈熱解氣體的能量轉(zhuǎn)化率增加，而生物炭中的能量轉(zhuǎn)化率逐漸下降，且保溫60 min后保持相對穩(wěn)定（圖6b）。秸稈的熱解反應(yīng)是靠外部加熱的能量和秸稈自身氧化反應(yīng)釋放的能量進(jìn)行的[24]，大部分能量最終儲存在熱解產(chǎn)物中，其他能量被消耗和損失掉了。僅考慮秸稈自身的能量，在保溫時間為0到120 min內(nèi)，秸稈的能量有50%～57%保留在生物炭中，秸稈的能量有1.5%～5.4%保留在熱解氣體，表明本試驗中采用的400 ℃低溫?zé)峤飧m合炭化過程，而較長保溫時間和高溫?zé)峤飧m合秸稈熱解氣化[20]。

圖5 保溫時間和粒度對生物炭元素組成和碳轉(zhuǎn)化率的影響

圖6 保溫時間和粒度對生物炭高位熱值和能量轉(zhuǎn)化影響

對比不同粒度，細(xì)粉秸稈熱解氣的高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率最高，細(xì)粉和超微秸稈生物炭的高位熱值較高，細(xì)粉秸稈生物炭的能量轉(zhuǎn)化率最高，粗粉秸稈生物炭的高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率最低（圖6）。對比不同種類，水稻秸稈熱解氣的高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率高于棉花秸稈熱解氣。棉花秸稈生物炭的高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率高于水稻秸稈生物炭（圖6），與標(biāo)準(zhǔn)煤接近，說明棉花秸稈生物炭更適合用作固體燃料[30-31]。生物質(zhì)中C元素完全燃燒產(chǎn)生的熱量約為400 kJ/mol，H元素完全燃燒產(chǎn)生的熱量約為290.5 kJ/mol，因此，棉花秸稈生物炭的高位熱值較高的原因可能是由于其C元素和H元素含量高[32]，燃燒釋放的能量大。

3 結(jié) 論

1）保溫時間從0到120 min中，熱解氣中的CnHm、CH4和H2百分含量增加，其高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率增加，而生物炭的固定碳、C、高位熱值增加，其揮發(fā)分、H、O、能量轉(zhuǎn)化率降低。秸稈中能量有1.5%～5.4%保留在熱解氣中，有50%～57%保留在生物炭中。保溫90min的生物炭的炭化程度最好。

2）對比不同粒度，粗粉秸稈生物炭的炭產(chǎn)率、揮發(fā)分、H、O、N及碳轉(zhuǎn)化率最高，細(xì)粉秸稈熱解氣中CO和CH4百分含量、高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率最高。而超微秸稈生物炭產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率最低，焦油產(chǎn)率最高，超微生物炭的pH值、灰分、C最高。

3）對比不同種類，水稻秸稈熱解氣的產(chǎn)率、碳轉(zhuǎn)化率、高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率高于棉花秸稈，而棉花秸稈生物炭的揮發(fā)分、固定碳、pH值、C、H、N、S、碳轉(zhuǎn)化率、高位熱值和能量轉(zhuǎn)化率均高于水稻秸稈生物炭。水稻和棉花秸稈熱解氣和生物炭的高位熱值最大值分別為7.33、6.62 MJ/m3和20.22、23.58 MJ/kg，棉花秸稈更適合熱解炭化。

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Effects of holding time and particle size on physicochemical properties and energy conversion of pyrolysis product conponent of rice straw and cotton stalk

Niu Wenjuan1, Ruan Zhen1, Zhong Fei2, Hong Ziyu1, Liu Jiazheng1, Niu Zhiyou1※

(1.-,,430070; 2.,,432000)

The development of pyrolysis technology has great significances for using crop residue resources and relieving energy crisis. Physicochemical properties and energy conversion of gases and biochar obtained from the pyrolysis with different particle sizes of rice straw and cotton stalk were investigated under different holding time. The results showed that the biochar yields firstly decreased from 0 to 90 min and then slightly increased, and the gas yields gradually increased. With the increase of holding time, the proportions of CO2and CO in bio-gas decreased, while the proportions of CH4, CnHmand H2in bio-gas increased. With the increase of holding time, the contents of the ash, fixed carbon, C, pH value and electrical conductivity with different particle sizes of biochar increased from 0 to 120 min, while the contents of volatile matter, H, O and N of the biochar decreased. The higher heating values of gases and biochar with different particle sizes of crop residues gradually increased with the increasing holding time, and the energy conversion efficiency in the gas increased, however, the energy conversion efficiency in the biochar decreased. The carbon conversion efficiency in the biochar was significantly higher than that in gas (<0.05). 1.5%-5.4% energy of crop residue was remained in the bio-gas, and 50%-57% energy of crop residue was remained in the biochar. The biochar produced at the holding time of 90 min had good carbonization degree and can be used as fuels. Different crop residues and different particle sizes had great significant influences on the physicochemical properties of pyrolysis gases and biochar (<0.05). Comparing the three different particle sizes of crop residues, the biochar yield of the coarse grinding crop residue was the highest and the tar yield was the lowest, while the biochar yield and gas yield of the ultrafine grinding crop residue were the lowest and the tar yield was the highest. The proportions of CO and CH4, higher heating value and the energy conversion efficiency of the pyrolysis gases of the fine grinding crop residue were the highest. The contents of volatile matter, H, O, N and the carbon conversion efficiency of the coarse grinding crop residue biochar were the highest, and the contents of S, electrical conductivity and energy conversion efficiency of the fine grinding crop residue biochar were the highest, while the contents of ash, C, pH value of the ultrafine power crop residue biochar were the highest. Comparing the different types of crop residues, the gas yield, carbon conversion efficiency, higher heating value and energy conversion efficiency of the pyrolysis gases of rice straw were higher than those of cotton stalk, while the proportions of CO2, CH4, CnHmand H2produced by the pyrolysis of cotton stalk were higher than those of rice straw. The ash content and electrical conductivity of rice straw biochar were higher than those of cotton stalk biochar, while the volatile matter, fixed carbon, pH value, C, H, N, S, carbon conversion efficiency, higher heating value and energy conversion efficiency of the cotton stalk were higher than those of rice straw biochar. The maximum higher heating values of gases and biochar of rice straw and cotton stalk were 7.33, 6.62 MJ/m3and 20.22, 23.58 MJ/kg, respectively. Cotton stalk is more suitable for pyrolysis carbonization, and the biochar of cotton stalk is more suitable to be applied as fuels.

straw; pyrolysis; biochar; holding time; particle size; energy conversion

牛文娟，阮 楨，鐘 菲，洪自宇，劉佳政，牛智有. 保溫時間與粒度對稻稈和棉稈熱解產(chǎn)物組成及能量轉(zhuǎn)化影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(22)：212－219. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.027 http://www.tcsae.org

Niu Wenjuan, Ruan Zhen, Zhong Fei, Hong Ziyu, Liu Jiazheng, Niu Zhiyou. Effects of holding time and particle size on physicochemical properties and energy conversion of pyrolysis product conponent of rice straw and cotton stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 212－219. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.027 http://www.tcsae.org

2018-06-22

2018-10-02

國家自然科學(xué)基金（No. 31701310）；公益性行業(yè)專項 （No. 201503135）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（No. 2662015QD009）

牛文娟，講師，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程。Email：niuwenjuan234@mail.hzau.edu.cn

牛智有，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備。Email：nzhy@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.027

TK6; S216.2

A

1002-6819(2018)-22-0212-08