王 冠，趙立欣，孟海波※，徐 楊，叢宏斌，張 迎

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125）

0 引 言

中國作物秸稈資源非常豐富，2018 年，全國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生總量10.04 億t，玉米、水稻、小麥三大類作物秸稈量分別達(dá)到 4.12、2.34、1.80 億 t，占秸稈總量的79.2%。秸稈可收集資源量為8.24 億t，其中能源化利用占比較低，只有 11.5%[1-2]。秸稈在田間露天焚燒帶來的環(huán)境污染問題不容忽視。中國自2000 年以來，針對(duì)農(nóng)作物秸稈的綜合利用出臺(tái)多項(xiàng)法律法規(guī)[3]，2015 年更是頒布了“史上最嚴(yán)”大氣污染防治法，對(duì)露天焚燒秸稈實(shí)施嚴(yán)厲處罰[4]，并對(duì)秸稈的綜合利用提供專項(xiàng)補(bǔ)貼，作物秸稈的變廢為寶尤為重要。如何使農(nóng)作物秸稈科學(xué)、合理、高效、清潔的能源化利用是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)，也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。

熱解炭化技術(shù)是秸稈能源化利用的有效技術(shù)路徑，其產(chǎn)品生物炭具有多種用途，在提升土地肥力[5-6]、降低土壤重金屬污染[7]、替代化石燃料[8]、凈化污水與廢氣[9]、固碳減排[10]等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外的大量學(xué)者致力于秸稈熱解炭化技術(shù)與裝備的研究[11-14]，國內(nèi)學(xué)者紛紛以玉米秸稈、棉花秸稈、稻殼、花生殼等為原料，利用設(shè)計(jì)制造的外熱間歇式生物質(zhì)炭化爐[15]、熱輻射式秸稈炭化爐[16]、內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)中式炭化設(shè)備[17]、直立連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備[18]、回轉(zhuǎn)連續(xù)式炭化設(shè)備[19]、臥式連續(xù)生物質(zhì)炭化設(shè)備[20]等炭化設(shè)備生產(chǎn)各種生物炭。大中小型炭化設(shè)備種類繁多，炭化工藝各不相同，生產(chǎn)的秸稈炭品質(zhì)參差不齊。如何尋找一套廣泛適用的、高品質(zhì)秸稈炭的炭化工藝方案，連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)高品質(zhì)燃料化秸稈炭，使連續(xù)式均勻炭化生產(chǎn)設(shè)備可快速復(fù)制推廣，是本文開展研究工作要解決的問題。

大量研究表明：炭化溫度、炭化時(shí)間和原料粒度是對(duì)秸稈炭品質(zhì)影響最為重要的3 個(gè)因素[21]。本文著重研究這3 個(gè)因素對(duì)連續(xù)式作物秸稈分段均勻炭化多聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)工藝的影響，并根據(jù)產(chǎn)生秸稈炭的用途定向調(diào)控?zé)峤馓炕a(chǎn)工藝，為連續(xù)式秸稈炭化設(shè)備的推廣應(yīng)用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

依托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)的連續(xù)式作物秸稈分段均勻炭化多聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)設(shè)備，開展試驗(yàn)研究。

圖1 設(shè)備圖[22]Fig.1 Equipment figure

1.1.2 試驗(yàn)儀器

元素分析儀（PE-Series II2400，美國），差熱-熱重分析儀（島津DTG-60A，日本），電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（島津ICPE-9000，日本），氧彈熱量計(jì)（河南鶴壁），9QS-16.0 型鍘草機(jī)，HLP 粉碎機(jī)（篩孔徑6 mm，北京環(huán)亞天元機(jī)械有限公司）、FW100 型高速萬能粉碎機(jī)（天津泰斯特儀器）、101-1A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱、分析天平（精度0.000 1 g）、XL-1 型高溫爐、干燥器、可調(diào)溫電阻爐等。

1.2 試驗(yàn)原料

采集北京市大興區(qū)禮賢鎮(zhèn)周邊玉米秸稈為原料，原料經(jīng)30 d 攤平自然晾曬后鍘切成約2 cm 長度的小段，裝入密封試驗(yàn)袋備用，部分鍘切后的玉米秸稈用HLP 粉碎機(jī)進(jìn)行粗粉到0.5 cm 左右，裝入密封袋試驗(yàn)待用。

1.3 連續(xù)式熱解炭化工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 炭化工藝試驗(yàn)

依托連續(xù)式作物秸稈分段均勻炭化多聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)系統(tǒng)，按照表1 所示的熱解工藝參數(shù)，進(jìn)行連續(xù)式秸稈熱解炭化工藝正交試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2 所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Test parameters

試驗(yàn)過程為：先將設(shè)備按照試驗(yàn)條件，升溫到目標(biāo)溫度，用喂料器將玉米秸稈螺旋輸送到炭化爐中，進(jìn)料后通入 99.99%的氮?dú)獯祾?5 min，保持設(shè)備內(nèi)呈無氧狀態(tài)。通過控制螺旋轉(zhuǎn)速來控制炭化時(shí)間，至炭化完成后，通過水冷螺旋降溫后將秸稈炭收集入箱。

因生產(chǎn)的秸稈炭計(jì)劃用途為燃料炭，故對(duì)16 組工藝試驗(yàn)生產(chǎn)秸稈炭的燃料特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析?？偨Y(jié)前人的研究成果[23-27]，選取產(chǎn)量、燃料比、元素含量比、堿性指數(shù)、高位發(fā)熱量和無量綱綜合燃燒指數(shù)Z等指標(biāo)作為秸稈炭能源化利用品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

秸稈炭產(chǎn)量通過炭化試驗(yàn)前后秸稈炭的質(zhì)量和原料玉米秸稈的質(zhì)量比計(jì)算得出；熱工特性分析參照《生物質(zhì)成型燃料試驗(yàn)方法》[28]測定一般樣品水分M、灰分A、揮發(fā)分V、固定碳FC=100%-M-A-V；燃料比FR=FC/V；發(fā)熱量Qb用氧彈熱量計(jì)通過燃燒法測定；高位發(fā)熱量HHV=Qb-94.1S+αQb[29]；有機(jī)元素分析用元素分析儀通過燃燒法測定C、H、O、N、S 元素含量；秸稈炭經(jīng)干法灰化法處理后，K、Na 元素含量由 ICP 測定，堿性指數(shù)AI=(K2O+Na2O)/HHV[30]；利用差熱-熱重分析儀通過熱重分析法測試最大燃燒速率Vmax、著火溫度T1、燃燒時(shí)間t1、燃燼溫度T2、燃燼時(shí)間t2等秸稈炭的燃燒特征參數(shù)，并采用無量綱綜合燃燒指數(shù)Z從著火、燃燒和燃燼三方面綜合評(píng)價(jià)秸稈炭的燃燒性能，起始溫度T0取室溫25 ℃，綜合燃燒指數(shù)K=(T0/T1)2(Δtq/Δth)[27]，其中前期燃燒時(shí)間 Δtq=tmax-t1，后期燃燒時(shí)間 Δth=t2-tmax。熱重測試試驗(yàn)條件為：鉑金坩堝，單次進(jìn)樣量3～5mg，升溫速率為10 ℃/min，升溫至1 000 ℃，氣氛為空氣。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Test design

1.3.2 CCD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過前面的正交試驗(yàn)的分析結(jié)果，進(jìn)行響應(yīng)曲面 CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果采用 Design-Expert8.0 軟件分析。通過響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)找出最佳高品質(zhì)燃料化秸稈炭工藝參數(shù)。

1.3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過響應(yīng)曲面優(yōu)化后得到的最佳生產(chǎn)工藝，進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，重復(fù) 3 次。并測試最優(yōu)生產(chǎn)工藝下的秸稈炭品質(zhì)指標(biāo)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭化工藝試驗(yàn)

2.1.1 秸稈炭指標(biāo)測試結(jié)果分析

1）秸稈炭熱工特性參數(shù)

玉米秸稈和幾種煤的熱工特性參數(shù)見表3。對(duì)16 組炭化工藝試驗(yàn)產(chǎn)生的秸稈炭的產(chǎn)量進(jìn)行測算，測試秸稈炭的一般樣品水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、發(fā)熱量等指標(biāo)結(jié)果見表4。

對(duì)于16 組工藝試驗(yàn)生產(chǎn)的秸稈炭各項(xiàng)測試指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)：使用連續(xù)式作物秸稈分段均勻炭化系統(tǒng)生產(chǎn)的秸稈炭，其C、H、O、N、S 各元素含量平均值為：63.91%、3.07%、9.34%、1.34%、0.01%，灰分平均值為13.56%、揮發(fā)分平均值為33.46%，該設(shè)備和工藝生產(chǎn)的秸稈炭品質(zhì)比較穩(wěn)定，介于煙煤和無煙煤之間[31]。

表3 幾種煤的分析數(shù)據(jù)[31]Table 3 Analysis of several types of coal

不同的工藝參數(shù)對(duì)秸稈炭的產(chǎn)率影響很大，16 組不同的工藝參數(shù)下的炭產(chǎn)率由32.75%到82.50%，差異很大，尤其是第 3 組和第 10 組試驗(yàn)生產(chǎn)的秸稈炭產(chǎn)率高達(dá)82.50%，但其水分含量同樣很高，超過 25%，分析其原因是在出炭環(huán)節(jié)受螺旋水冷循環(huán)降溫出炭工藝的影響，有部分水蒸氣及熱解焦油冷凝進(jìn)入到秸稈炭中，結(jié)合秸稈炭固定碳和彈筒發(fā)熱量的數(shù)值也可以驗(yàn)證這一猜測，并且熱重分析發(fā)現(xiàn)第3 組和第10 組試驗(yàn)生產(chǎn)的秸稈炭的DTG 曲線在 100 ℃左右出現(xiàn)明顯的失水峰，在 800～900 ℃之間有小燃燒峰存在，也可以證明這兩組試驗(yàn)的工藝有少量焦油混入秸稈炭中。但對(duì)秸稈炭的熱值影響不大，16 組試驗(yàn)生產(chǎn)的秸稈炭平均高位熱值24.45 MJ/kg，從熱工特性上看，所生產(chǎn)的秸稈炭介于煙煤和無煙煤之間。

表4 秸稈炭指標(biāo)測試結(jié)果Table 4 Pyrolysis carbon index test results

2）秸稈炭燃燒特性參數(shù)

利用差熱-熱重分析儀自帶分析軟件中的TG-DTG 熱重分析切線法計(jì)算秸稈炭燃燒特征參數(shù)值見表5。

表5 熱解炭燃燒特征參數(shù)值Table 5 The characteristic parameters of pyrolysis carbon combustion

對(duì)于16 組正交工藝試驗(yàn)生產(chǎn)的秸稈炭燃燒特性參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)：秸稈炭的燃燒失重主要集中在150～650 ℃區(qū)間，在 450 ℃左右獲得最大燃燒速率，平均值為4.18%/min，燃燒失重速率曲線上基本由2 個(gè)峰組成，第1 個(gè)峰為秸稈炭中水分析出的吸熱峰，在100 ℃以前完成該失重過程；第 2 個(gè)峰由 2 部分組成，一是在 100～339.30 ℃之間，是少部分揮發(fā)分析出的過程；二是在著火溫度和燃燼溫度之間（339.30～563.98 ℃），為揮發(fā)分和固定碳的燃燒峰；少數(shù)的2 組秸稈炭在800～900 ℃之間有混雜焦油的小燃燒峰存在，這在前文的分析中已有體現(xiàn)。對(duì)比生產(chǎn)的秸稈炭和褐煤、煙煤、無煙煤的燃燒特性參數(shù)（見表6），用該炭化工藝和設(shè)備生產(chǎn)的秸稈炭品質(zhì)從燃燒特性上看，介于褐煤和煙煤之間。

表6 幾種煤的燃燒特性參數(shù)Table 6 Combustion characteristics of several types of coal

3）秸稈炭燃料化品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

單純的利用炭產(chǎn)量、水分、揮發(fā)分等13 個(gè)秸稈炭測試參數(shù)評(píng)價(jià)秸稈炭的品質(zhì)，過于片面，且各參數(shù)之間相互影響較大，單一評(píng)價(jià)并不準(zhǔn)確，將13 項(xiàng)秸稈炭測試參數(shù)和燃燒特性特征值進(jìn)行整理計(jì)算后，選出秸稈炭燃料比、碳?xì)湓雍勘?、堿性指數(shù)、高位發(fā)熱量和無量綱綜合燃燒指數(shù)Z這5 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)秸稈炭的能源化利用品質(zhì)，計(jì)算結(jié)果見表7。

燃料比是指固定碳與揮發(fā)分之比，常用來表征煤化程度，秸稈原料的燃料比為 0.16，經(jīng)過熱解炭化后秸稈炭的燃料比均值為 1.28，比秸稈有很大幅度的提升，隨著秸稈炭燃料比的提高，生產(chǎn)出來的秸稈炭煤化程度也越高。與燃料比類似，O/C、H/C 和(O+N)/C 的原子比可以作為秸稈炭的煤化程度的指標(biāo)，判定秸稈炭的穩(wěn)定性、芳香度以及極性。熱解炭化后的秸稈炭與秸稈相比較，O/C、H/C 和(O+N)/C 的原子比分別為由 0.82、0.09、0.85降低到 0.15、0.05、0.002，O/C 和 H/C 的原子比越低，秸稈炭的碳化程度越高，芳香度高，極性越弱。高溫使秸稈表面的O 大量被去除，使熱解得到的秸稈炭表面呈堿性且親水性較差[33]，形成的秸稈炭結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，芳香環(huán)更多，能獲取更高的燃燒熱值。堿性指數(shù)AI 是評(píng)價(jià)燃料結(jié)渣和熔融特性的重要指標(biāo)，是單位能量熱值所對(duì)應(yīng)燃料中K2O 和Na2O 的量，當(dāng)AI≥0.34 時(shí)，燃料在熱化學(xué)轉(zhuǎn)換利用過程中就會(huì)出現(xiàn)熔融現(xiàn)象[34]，對(duì)設(shè)備的腐蝕破壞影響很大，16 組秸稈炭的AI 均大于0.34，說明生產(chǎn)的秸稈炭在燃燒過程中會(huì)發(fā)生熔融結(jié)渣現(xiàn)象，可通過對(duì)秸稈的預(yù)處理、炭化工藝優(yōu)化等方法減少 K、Na 等堿金屬在熱解炭化過程中向固相秸稈炭中的遷移，以降低秸稈炭中堿金屬的含量，延長秸稈炭燃燒設(shè)備的使用壽命。

表7 熱解炭品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 7 The calculated results of pyrolysis carbon quality evaluation index

前后期燃燒時(shí)間比值 Δtq/Δth可用于衡量秸稈炭的燃燒反應(yīng)活性，Δtq/Δth比值越大，越多的揮發(fā)分集中在前期燃燒，秸稈炭中易燃組分相對(duì)含量越高，秸稈炭燃燒性能越好，燃燒反應(yīng)活性越高[35]。Δtq/Δth比值越小，越多的固定碳集中在后期燃燒用時(shí)越短，秸稈炭燃燼性能越好。試驗(yàn)生產(chǎn)的秸稈炭Δtq/Δth平均比值在1.07。仝曉波[27]，馬騰等[36]研究表明無量綱綜合燃燒指數(shù)Z可以從著火、燃燒和燃燼三方面綜合評(píng)價(jià)秸稈炭的燃燒性能，Z值越高，秸稈炭的綜合燃燒反應(yīng)性能越好，褐煤的Z值約為1.0，16 組工藝試驗(yàn)生產(chǎn)的秸稈炭Z值平均為0.57，但各組秸稈炭的Z值差異較大，說明不同工藝條件參數(shù)下生產(chǎn)的秸稈炭品質(zhì)大為不同，可以通過無量綱綜合燃燒指數(shù)Z反向調(diào)控生產(chǎn)工藝，提高秸稈炭的能源化利用率。

2.1.2 灰色關(guān)聯(lián)分析法

玉米秸稈的高品質(zhì)炭化工藝較優(yōu)組合針對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)有不同的選擇，如何得到最佳的工藝組合，通過極差分析法和方差分析法并不能完全確定，只能找到一個(gè)范圍，如玉米秸稈炭化工藝在炭化溫度取第三水平的時(shí)候較優(yōu)，且各因素之間存在交互影響，還需要借助灰色關(guān)聯(lián)分析法和綜合品質(zhì)評(píng)分法確定較優(yōu)組合。

灰色系統(tǒng)理論提出了對(duì)各因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析的概念，可以避免方差分析和回歸分析中的不足，是對(duì)動(dòng)態(tài)過程發(fā)展態(tài)勢的量化分析，可以用來衡量炭化工藝過程對(duì)秸稈炭產(chǎn)量和秸稈炭品質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)程度。炭產(chǎn)量是高品質(zhì)燃料秸稈炭生產(chǎn)工藝的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，產(chǎn)量永遠(yuǎn)是一項(xiàng)技術(shù)市場化應(yīng)用的重中之重。選取炭產(chǎn)量為參考數(shù)列，燃料比、原子含量比、堿性指數(shù)、高位熱值和燃燒指數(shù)Z為比較數(shù)列。

對(duì)參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行無量綱化處理，計(jì)算各比較數(shù)列2 級(jí)最大差值、2 級(jí)最小差值和絕對(duì)差值后，求解參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算各比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)度，見表8。

2.1.3 秸稈炭綜合品質(zhì)評(píng)分

對(duì)各關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理后，得到每項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值，并對(duì)16 組秸稈炭的品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算其品質(zhì)評(píng)價(jià)綜合評(píng)分，一同列入表8。5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)秸稈炭的品質(zhì)影響程度依據(jù)關(guān)聯(lián)度由大到小的排序?yàn)椋篫>H/C>FR>AI>HHV，燃燒指數(shù)Z是評(píng)價(jià)秸稈炭能源化利用的最重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表8 無量剛化參考序列與比較列的絕對(duì)差Table 8 Absolute difference between the nondimensionalize reference sequence and the comparison column

通過加權(quán)計(jì)算出的秸稈炭品質(zhì)綜合評(píng)分來看，玉米秸稈炭化工藝試驗(yàn)中，第16 組工藝試驗(yàn)生產(chǎn)的玉米秸稈炭的綜合品質(zhì)評(píng)分最高，為5.983 6，第12 組次之，綜合品質(zhì)評(píng)分為 5.971 0，第 10 組再次之，綜合品質(zhì)評(píng)分為5.876 7，這 3 組工藝試驗(yàn)生產(chǎn)的玉米秸稈炭品質(zhì)相近。結(jié)合前文極差分析結(jié)果，考慮產(chǎn)量和綜合品質(zhì)評(píng)分兩項(xiàng)，玉米秸稈炭化工藝的較優(yōu)組合方案為A3B4C1，基于連續(xù)式作物秸稈分段均勻炭化多聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)的高產(chǎn)量、高品質(zhì)燃料化玉米秸稈炭的較優(yōu)生產(chǎn)工藝為：物料為鍘切后的玉米秸稈（2 cm），五段炭化溫度都為600 ℃，炭化時(shí)間為60 min。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

利用Central Composite Designs（CCD）中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)炭化工藝響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果中粒度為鍘切后的秸稈更好，且對(duì)工藝影響最小，所以只選炭化溫度和炭化時(shí)間為試驗(yàn)因素，以秸稈炭產(chǎn)量和燃燒指數(shù)Z為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)二因素的CCD 試驗(yàn)。根據(jù)上述正交試驗(yàn)的 2 種分析方法，確定二因素的中心水平為炭化溫度600～700 ℃，炭化時(shí)間50～60 min，因素設(shè)計(jì)水平、具體參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。表9 中，共8組析因試驗(yàn)，中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5 組，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差[37]。

表9 響應(yīng)面設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Response surface design and results

采用 Desigin-Expert8.0 軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，分別采用 Modified、Design Model、Mean、Linear、2F1、Quadratic 模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，對(duì)于響應(yīng)值秸稈炭產(chǎn)量，Modified 模型擬合效果顯著，響應(yīng)值與 2 因素進(jìn)行多元擬合，該模型對(duì)應(yīng)的回歸方程（1）為：

秸稈炭產(chǎn)量

為了檢驗(yàn)方程的準(zhǔn)確性，對(duì)秸稈炭產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表10。

由表10 可知，秸稈炭產(chǎn)量的顯著性檢驗(yàn)F=317.76，該模型效應(yīng)極其顯著（P＜0.000 1），該模型的失擬項(xiàng)P=0.555 0＞0.05，模型失擬不顯著，說明殘差由隨機(jī)誤差引起，模型能較好的反應(yīng)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)確定系數(shù)為0.994 6，說明模型能反應(yīng)99.46%的響應(yīng)值變化，該模型的擬合度較高，能很好的說明秸稈炭產(chǎn)量與炭化溫度和炭化時(shí)間的關(guān)系，因此可以用Modified 模型對(duì)秸稈炭產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測和分析。表 10 中數(shù)據(jù)顯示，各個(gè)因素之間存在交互作用，一次項(xiàng)、交互項(xiàng)、二次項(xiàng)、二次交互項(xiàng)都很顯著。

表10 秸稈炭產(chǎn)量回歸模型的方差分析Table 10 Variance analysis of regression model for Carbon yield

對(duì)于響應(yīng)值燃燒指數(shù) Z，Modified 模型擬合效果顯著，響應(yīng)值與兩個(gè)因素進(jìn)行多元擬合，得到對(duì)應(yīng)的回歸方程（2）為：

綜合燃燒指數(shù)

對(duì)秸稈響應(yīng)值燃燒指數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，燃燒指數(shù)的顯著性檢驗(yàn)F=25.42，該模型效應(yīng)顯著（P=0.001 3），該模型的失擬項(xiàng)P=0.767 99＞0.05，AB2交互項(xiàng)不顯著，去除不顯著項(xiàng)AB2，得到優(yōu)化后的回歸方程為：

綜合燃燒指數(shù)

為了檢驗(yàn)方程的準(zhǔn)確性，對(duì)燃燒指數(shù) Z 的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表11。

由表11 可知，顯著性檢驗(yàn)F=34.99，該模型效應(yīng)極其顯著（P=0.000 2），該模型的失擬項(xiàng)P=0.921 3＞0.05，模型失擬不顯著，說明殘差由隨機(jī)誤差引起，模型能較好的反應(yīng)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)確定系數(shù)為 0.9434，說明模型能反應(yīng)94.44%的響應(yīng)值變化，該模型的擬合度較高，能很好的說明燃燒指數(shù)與炭化溫度和炭化時(shí)間的關(guān)系，因此可以用Modified 模型對(duì)秸稈炭燃燒指數(shù)進(jìn)行預(yù)測和分析。各個(gè)因素之間存在交互作用，一次項(xiàng)、交互項(xiàng)、二次項(xiàng)都顯著。

表11 燃燒指數(shù)Z 回歸模型的方差分析Table 11 Variance analysis of regression model for combustion index Z

炭化溫度和炭化時(shí)間對(duì)響應(yīng)值秸稈炭產(chǎn)量Y和燃燒指數(shù)Z間都存在交互作用，兩個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的影響如圖2 和圖3 所示。根據(jù)方差分析得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行炭化工藝參數(shù)的響應(yīng)曲面優(yōu)化分析，理論上取兩個(gè)響應(yīng)值的最大值最優(yōu)，但實(shí)際過程中無法同時(shí)取得最大值，通過響應(yīng)曲面優(yōu)化后得到一組生產(chǎn)高品質(zhì)秸稈炭的工藝條件：炭化溫度 600 ℃，炭化時(shí)間 50 min，秸稈炭產(chǎn)量Y為53.05%，燃燒指數(shù)Z為0.726 6。

2.3 驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)優(yōu)化模型所預(yù)測結(jié)果的可靠性，利用炭化設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，取3 次重復(fù)，3 次所得秸稈炭產(chǎn)量Y分別為 53.12%，52.98%，53.07%，燃燒指數(shù) Z 值為0.719 8，0.726 7，0.723 5，3 次重復(fù)平均值分別為 53.06%和0.723 3，與模型與測試非常接近，可見模型對(duì)于高品質(zhì)燃料化秸稈炭的預(yù)測是穩(wěn)定一致的。因此，玉米秸稈制備高品質(zhì)燃料化秸稈炭的響應(yīng)模型有效，最佳熱解條件可信。

圖2 秸稈炭產(chǎn)率Y 響應(yīng)曲面圖Fig.2 Response surface of straw carbon yield

圖3 燃燒指數(shù)Z 響應(yīng)曲面圖Fig.3 Response surface of combustion index Z

將優(yōu)化后的最優(yōu)秸稈炭化工藝穩(wěn)定生產(chǎn)的玉米秸稈炭，與秸稈原料、褐煤、煙煤、無煙煤的熱工特性和燃燒特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，參數(shù)見表12 所示。秸稈熱解炭化后燃料燃燒特性的品質(zhì)得以提升，C 元素含量提高近 2 倍，H 元素含量降 1/3，故其 H/C 比由秸稈的0.085 2 降低為0.016 4，接近于半焦0.018 1 的煤化程度；秸稈炭化后固定碳含量升高，揮發(fā)分含量降低，燃料比由秸稈的0.16 提高為2.02，和煙煤的燃料比1.98 相差不大；而從前后期燃燒時(shí)間分析可知，秸稈原料的后期燃燒時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前期燃燒時(shí)間，是由于秸稈原料中揮發(fā)分占比較高的原因，而炭化后的秸稈炭后期燃燒時(shí)間要小于前期燃燒時(shí)間，且其無量綱綜合燃燒指數(shù)Z 值有較大幅度的提高，與三種煤相比秸稈炭的燃燼溫度較低，說明炭化后的秸稈炭燃燒性能得到提升。

經(jīng)過優(yōu)化后的炭化工藝生產(chǎn)的秸稈炭整體燃燒品質(zhì)上有大幅度的提升，接近于煙煤和無煙煤的燃燒品質(zhì)，與市面上購買的燒烤炭品質(zhì)比較，其燃燒品質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于市面上購買的燒烤炭。利用連續(xù)式分段炭化設(shè)備優(yōu)化后的炭化工藝生產(chǎn)的能源化利用秸稈炭可市場化推廣并實(shí)現(xiàn)盈利。

表12 煤、秸稈、秸稈炭熱工特性和燃燒特性參數(shù)Table 12 Thermal and combustion characteristics of coal, straw and biochar

3 結(jié) 論

1）高品質(zhì)秸稈炭生產(chǎn)工藝試驗(yàn)通過對(duì) 16 組正交試驗(yàn)的極差分析，發(fā)現(xiàn)溫度是影響本炭化工藝的最重要因素，粒徑在0.5～2 cm 之間的變化對(duì)本炭化工藝影響可忽略，利用灰分關(guān)聯(lián)分析法對(duì) 5 個(gè)秸稈炭品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，并得到權(quán)重賦值的綜合評(píng)分，第16 組和12 組試驗(yàn)獲得較高的綜合評(píng)分，得到較優(yōu)工藝參數(shù)為炭化溫度500 ℃、炭化時(shí)間50 min、秸稈粒度2 cm。

2）通過 CCD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝條件，在平衡滿足兩個(gè)響應(yīng)值最大值時(shí)，預(yù)測最佳工藝參數(shù)為：鍘切后的玉米秸稈，經(jīng)600 ℃保溫炭化50 min 可以得到秸稈炭產(chǎn)量為53.05%，其燃燒指數(shù)Z 為0.726 6。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)表明，試驗(yàn)值與預(yù)測值相差不足0.2%，擬合模型和響應(yīng)曲面優(yōu)化法準(zhǔn)確可行。由最佳工藝條件生產(chǎn)的秸稈炭品質(zhì)得到大幅度提升，接近煙煤和無煙煤的燃燒品質(zhì)，并優(yōu)于燒烤炭，該工藝市場化前景較好。

3）該分析方法大大減少了試驗(yàn)次數(shù)，選擇出合適的燃料化秸稈炭品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在節(jié)約原料和能源成本的前提下，快速摸清了高品質(zhì)能源化秸稈炭的生產(chǎn)工藝參數(shù)，便于連續(xù)式作物秸稈分段均勻炭化多聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)系統(tǒng)的市場化快速推廣應(yīng)用。另外，使用本文的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析方法還可以為定向調(diào)控生產(chǎn)以秸稈為原料的吸附炭和肥料炭的秸稈炭化工藝提供數(shù)據(jù)支撐。

4）本文對(duì)所生產(chǎn)的燃料化秸稈炭的檢測指標(biāo)多集中在燃燒特性分析上，對(duì)NOX和SO2的排放量等指標(biāo)未納入考慮，為精準(zhǔn)調(diào)控燃料化秸稈炭的品質(zhì)，在此方面建立快速統(tǒng)一的試驗(yàn)及分析方法是下一步的研究方向。