生物质炭化下原料与产物性质的关系及规模化生产系统的评价

摘要

目前，生物质炭备受国内外专家学者的关注，生物质炭化技术成为解决农业废物资源利用最为有效的措施之一，生物质炭已经被验证具有改良土壤、提高土壤肥力、钝化金属以及固碳减排等多种作用。但是，农业废弃物种类繁多，不同种类的生物质原料、在不同裂解条件下制备的生物质炭的性质存在较大的差异。因此，系统地研究不同生物质原料及其生物质炭理化性质对了解其农业和环境应用具有重要的意义。 本研究选取了15种比较常见的农业和城市生物质废弃物，包括:小麦秸秆(WS)、水稻秸秆(RS)、稻壳(RH)、玉米秸秆(CS)、玉米芯(CC)、芦苇（RH）、花生壳(PS)、油菜秸秆(RAS)、木屑(SD)、竹屑(BB)、鸡粪(CM)、猪粪(PM)、甘蔗渣(BG)、中药渣(HR)、污泥(SS)、采用便携式生物质炭化机将生物质在450℃的裂解温度下裂解转化为生物质炭，对生物质炭及其制炭原料的理化性质进行分析，研究不同原料对生物质炭的性质的影响;并且对生物质原料及生物质炭的养分元素进行分析，分析了热裂解炭化对不同生物质养分元素循环转化的影响;研究了不同生物质炭及其制备原料金属全量及生物有效性，对不同原料制备的生物质炭在农业和环境方面潜在应用价值进行探讨。最后，探讨了规模化大容量生物质炭连续热裂解转窑热裂解的炭化效率，分析产品的特性并评价其实用性，本文主要研究结果如下: (1)其中水稻秸秆炭pH最高为10.16，而甘蔗渣炭的pH最低，仅有7.15。污泥炭的灰分、产率分别为80.59％、60.55％，远高于其它种类的生物质炭;鸡粪、猪粪的EC含量高于其它秸秆类生物质炭;小麦秸秆炭、水稻秸秆炭、玉米秸秆炭的CEC含量分别为81.13％、77.00％、79.13％，明显高于其它的生物质炭;水稻秸秆炭和玉米秸秆炭的热水容性有机碳含量都是22.83g·kg-1，显著高于其它的生物质炭;甘蔗渣炭的比表面积为29.03m2·g-1，是鸡粪炭的3倍还多;从元素组成上来看，甘蔗渣炭的C元素含量最高，高达75.66％，而污泥炭的C元素含量最低，仅有13.47％。由此可见，不同的原料制备的生物质炭的理化性质存在很大的差异。 (2)对不同原料以及对应的生物质炭的养分以及金属含量进行分析，结果表明，生物质原料经过炭化后，生物质炭中养分含量均有所增加，其中玉米秸秆经过低温裂解后单位量含有的全氮变化最大，由原料中的6.80(g·kg-1)增加到13.93(g·kg-1)，生物质的全钾含量经过低温裂解后也呈现增加的趋势，其中以WS、RS、RB的增长趋势最明显，分别由原料中的8.49(g·kg-1)、10.54(g·kg-1)、8.43(g·kg-1)增加到20.9(g·kg-1)、23.24(g·kg-1)、20.5(g·kg-1);从养分回收率方面来看，CC的N的回收率最低，仅有44.58％，BG的N的回收率最高，高达92.77％，生物质炭中K的回收率最高，平均在60％以上;生物质原料经过炭化后全量金属含量增高，但有效态金属含量却明显降低，中药渣的有效态Zn、Cu、Mn分别降低了81.60％、82.4％、86.5％，效果最好，这说明生物质炭具有钝化金属的作用。 (3)生物质裂解产物中固、液、气三相比与原料种类有着很大的关系，玉米秸秆炭化后生物质炭仅占33.4％，而木醋液及气体含量分别占27.5％和39.1％。在中国，玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、稻壳这四种作物每年可用来热裂解产生1630万吨生物质炭，其中可固定8280万吨碳，这相当于每年可减少排放0.3Pg的CO2，生物质炭具有很好的碳封存能力，可以作为稳定的碳库，因而可以减少温室气体的排放，增加陆地生态系统的固碳减排能力。 (4)对大规模生物质连续转窑的研究表明，该套设备每小时可处理1.3吨生物质颗粒料，生产490kg干炭，其生产的生物质炭的品质满足要求，裂解气体热值高达2600大卡，可以满足供给设备的正常运行，该套设备可连续运行，能源自给，产炭量高，满足农业生产需求。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章生物质炭及生产技术发展的背景

1．1 引言

1．2生物质废弃物

1．2．1 生物质废弃物的种类及来源

1．2．2生物质废弃物的处置与资源化利用

1．3生物质废弃物热裂解与生物质炭生产与应用

1．3．1 生物质热裂解与生物质炭生产技术

1．3．2生物质炭的应用

1．4生物质热裂解与炭化的装备技术

1．5本研究的内容，意义及技术路线

1．5．1本课题的主要研究内容

1．5．2本研究的目的及意义

1．6技术路线

第二章不同原料生物质的炭化及产物评价

2．1 引言

2．2材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2生物质炭制备

2．2．3分析测定方法

2．3结果与分析

2．3．1生物质炭的理化性质

2．3．2生物质炭表面官能团结构组成

2．3．3生物质炭化学成分分析

2．4讨论

2．5小结

第三章生物质炭与其原料的养分和金属含量的差异

3．1 引言

3．2材料与方法

3．2．1材料收集制备

3．2．2分析方法

3．2．3数据统计与分析

3．3结果分析

3．3．1生物质炭化后的养分的回收率

3．3．2不同原料及生物质炭全量及有效态金属含量

3．3．3不同金属元素炭化前后形态变化

3．4讨论

3．4．1 热裂解炭化对生物质原料的养分组成的影响

3．4．2热裂解炭化对不同生物质中金属元素的影响

3．5小结

第四章秸秆生物质炭的产品特性及其潜在环境应用

4．1 引言

4．2材料和方法

4．2．1材料收集及生物质炭制备

4．2．2实验方法

4．2．3计算公式和数据分析

4．3结果讨论分析

4．3．1原料及生物质炭化学性质分析

4．3．2生物质炭的微结构和表面功能分析

4．3．3生物质炭的环境效益和潜在应用价值

4．4小结

第五章规模化秸秆生物质炭化工业系统的评价

5．1 引言

5．2设计依据

5．2．1实验材料

5．2．2设计原理

5．3大规模生物质连续炭化转窑工业系统的设计及性能测试

5．3．1大规模生物质连续炭化转窑设计简介

5．3．2性能测试

5．4物料平衡及产品分析

5．4．1物料平衡

5．4．2产品分析

5．5讨论

5．6小结

第六章全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2创新点

6．3不足与展望

参考文献

作者简介

致谢