当前世界环境

介绍

生物质作为一种可持续能源，在解决能源和环境问题方面发挥着重要作用。农业废弃物、林业废弃物、城市垃圾和城市产品都是可以直接燃烧、气化或热解以提供各种形式能源的生物质。生物质丰富、可再生、清洁，因为它不排放碳，含硫量也很低，氮和金属¹。

热解材料的停留时间、加热方式和热解过程类型(慢热解、中间热解和快速热解)区分了热解技术²¹。生物炭是一种由生物质通过热解过程产生的燃料级木炭。木质纤维素生物质的热降解导致挥发性物质的大量损失，在该过程结束时产生富碳硬无定形生物炭，可用作压块或炭油水浆。根据工况不同，热解分为传统热解、快速热解和闪速热解三种。根据温度、加热速率、停留时间、生物质颗粒大小和其他因素，生物炭的产量变化为12- 35%¹⁰。物理化学诸如FC、VM、AC和高热值等成分也用于确定工业和住宅用生物炭的质量。此外，生物炭的表面特性对其反应性和燃烧行为也有影响²⁶。

生物炭是一种多功能碳材料，在土壤修复、固碳、有机和无机化合物的捕获等领域有着广泛的应用前景²¹。这些应用取决于物理化学和热降解条件，如反应器系统、加热速率、保留时间和热解温度。

热解温度是影响生物炭最终质量和适用性的重要操作条件之一。生物炭在土壤中的施用对土壤物理参数的影响土壤孔隙度、结构质地、容重等参数有利于植物的生长。生物炭还可以提高土壤的酸度、阳离子交换能力和持水量，并为有益菌群提供更好的生长条件^20.。污泥产生的生物炭可用于去除水中的污染物⁸。采用改进的流化床热解反应器，在温度为500℃，气流量为10 mL/min，加热速率为10℃/min的条件下对花生壳进行热解。人们发现在高效操作条件下，生物炭产率(19.5% wt.%)、热解气产率(17.7% wt.%)和热解油产率(62.8 wt.%)⁶。

本研究的目的是通过热解工艺将蓖麻和棉花生物质作为饲料秸秆，因为这是利用剩余生物质的更可靠的技术。在古吉拉特邦的saurastra地区，可获得大量选定的生物质。

实验的细节

材料准备

整个蓖麻和棉秆采集自贾那加德JAU油籽研究站。这些原料被允许风干，然后使用由10马力，三相和1450转的电动机驱动的碎纸机加工成切碎的秸秆。

热解的设置

采用容量为5 kg的慢速小容量生物质热解系统，对棉絮和蓖麻秸秆进行生物炭制备。反应器、手动搅拌器、电子线圈和作为绝缘材料的玻璃棉、温度控制装置、料斗、冷水机、水泵、支架和其他部件组成了热解系统。

生物质热解室为密闭的环形容器，生物质在没有氧气的情况下进行热解。针对农业残留物，研制了一种间歇式生物质热解炉如图1所示¹⁷。圆柱形反应器的直径为0.28 m，高度为0.86 m。反应器内配备手动搅拌机构，对切碎的生物质每半小时旋转1-3圈均匀加热。搅拌系统安装在反应器中，使整个物料都能进行轻度旋转。电加热器安装在反应器室的外表面壁上，为生物质提供热能。此外，为了减少对环境的热量损失，这些电子线圈用50毫米的玻璃棉绝缘。绝缘材料上覆盖着一毫米厚的铝板。为了在实验温度范围内监测热解炉的温度，采用PID装置(UTC 221p, Multisplan, India)来控制升温速率并感应温度。反应器内提供的电加热器通过MCB连接到控制器，然后连接到电源。通过设置控制器上的上下开关来设置反应器的实验温度水平。 The temperature was read by thermos couple having measuring range from 0 – 1200 °C. One sensor was fitted at top of the chamber to measured the heat and it is joined with controller unit to display temperature. The chiller is placed in the set-up to condense the volatiles material to convert it into biooil. The volatiles were cooled by circulating the water from the annular space of the chiller with the help of electrical water pump.

图1:热分解装置17 点击此处查看图

原料生物质及其生物炭的表征

从近似分析、热性质和化学性质等方面对原料生物质及其生物炭进行了表征属性。ASTM E870-82²它被用于生物量的近似分析。为此，我们测定了原料生物质及其生物炭的mc%、ac%、vm%和fc%。

采用电导率/pH测量装置(Cole-Parmer, Mumbai，型号:Oakton PC 2700)和求和法测定生物质及其生物炭的pH、电导率(EC)和CEC等化学性质利用加州理工学院土壤科学实验室获得了原料生物质及其生物炭的CEC^{7日,16日,18岁}。

CEC_总和= Ca +Mg + K +Na

在那里,

Ca EXT. Ca单位为mmol / kg

Mg EXT. Mg单位为mmol /kg

K EXT. K单位为mmol /kg

Na EXT. Na单位为mmol /kg

用切碎的蓖麻和棉秆生产生物炭

最常见的热解产物是生物炭。生物炭主要含有碳、无机元素和矿物，即灰分，其含量随温度和停留时间的不同而变化。由于其较高的热值，生物炭可以用作固体燃料。最近还用作吸附剂。除生物炭外，热解过程的副产品还包括生物油和热瓦斯。碳分子和水构成生物油。生物油看起来是一种深棕色的液体，非常粘稠，密度很大，由高度氧化的分子组成。由非冷凝气体如一氧化碳、二氧化碳、甲烷和其他微量元素组成的气体。

在热降解过程中，随着温度的升高，生物炭产量逐渐减少在热解温度为300-700℃时，提高生物油气产量⁰C²⁵。以稻壳为原料，在400℃的温度下制备出高质量的木炭¹⁴。

实验设计

采用容量为5kg的间歇式热解装置，对切碎的蓖麻和棉秆进行热解。研究参数及其检测水平见表1。对切碎的生物质和生物炭、生物油和沼气进行了20次热解试验生产测定。在200°C下获得的生物炭可以被认为是碳化的生物质，因此在本研究中，生物炭的生产仅在250°C温度下进行评估，停留时间为120 min作为碳化的生物质^17、18。

表1:本研究的实验参数

老不。	参数	不。的水平	值(年代)
1	生物质材料	两个	切碎的棉花和蓖麻生物质
2	温度、°C	四个	250、300、400、500
3.	保存期，最小	三个	60 120 180

实验程序

生物质在通过料斗进入反应器室之前进行称重。打开进气阀，然后关闭进气阀，使反应堆内部达到密闭状态。实验结束后，将热解炉冷却至室温，用于收集生物炭和生物油。从出口收集生物炭和生物油，分别安装在热解炉和冷凝器的底部。按所述方法测定了棉花和蓖麻秸秆的生物炭和生物油的用量^{18 17 19}。

生物炭的生产

生物炭产量是指每次热解实验结束时生成的生物炭的数量。用下式计算。

Biooil生产

生物油产量是指实验结束时合成的生物油量。用下式计算。

Pyrogas生产

通过从100中扣除生物炭和生物油的产量，估计了热解气的产量。

产气量(%)= 100 ?(生物炭生产+生物油生产)

结果与讨论

表2给出了在不同实验水平下获得的原料生物质及其生物炭的AC、VM和FC的近似分析结果(%，d.b.)。FC、VM和AC分别为16.80;16.58、75.06;76.62和6.60;棉花和蓖麻茎分别为6.80 (%，d.b)，见表2。相似的结果决定于剥毛棉的FC、VM和AC %分别为18.00、77.04和4.96 (% d.b.)²³。

生物炭的灰分含量分别为6.85 ~ 15.95和6.93 ~ 16.76⁰C, 120分钟;500⁰棉花秸秆和蓖麻秸秆的温度和停留时间分别如表2所示。随着温度的升高，生物炭的灰分含量增加;²⁶对于不同的生物质材料，随着温度的升高，生物炭灰分含量呈增加趋势²⁶。造成这种现象的原因可能是由于温度升高，挥发性化合物被消除，生物量的重量减轻，但无机部分以固体的形式保存下来，从而增加了灰分的数量。

在(500℃，180 min)条件下，生物炭的VM值分别为50.48% ~ 75.80% (d.b)和51.85% ~ 76.66% (d.b);棉花和蓖麻茎秆的温度和停留时间分别为250°C, 120 min，见表2。类似的趋势是发现当温度从300℃升高到600℃时，各种生物质炭的VM降低³¹。在固定床反应器中对普通生物质进行热解实验，温度范围为300 ~ 350、400和450℃^3.。这可能是因为热解温度升高时，脱挥发反应发生。因此，挥发性有机分子丢失，减少了挥发物的数量。

在(250°C, 120 min)条件下，生物炭的FC值分别为17.35% (d.b) ~ 33.57% (d.b)和16.41% (d.b) ~ 31.39% (d.b);500°C, 180min)温度和停留棉花和蓖麻茎秆的处理时间分别见表2。在一项研究中也发现了类似的趋势，即当温度从300°C升高到600°C时，不同生物量的碳含量也会增加³¹。

稻壳、稻草、甘蔗渣和棉秆的VM、FC和AC %分别为70.70、10.7、18.60、64.43、20.37、15.20、86.15、10.62、3.28和96.07、10.7、6.93 %。^15日16不同型煤的热值、AC、VM、含水率和FC的近似参数分别为146 ~ 200kcal /g、30.3 ~ 40.0%、15.5 ~ 38.5%、10.5 ~ 13.3%和31.2 ~ 50.6%^{4, 18}。同样，以密度(34.92 kg/m)确定原棉的特性^3.)、水分(13.63%)、VM(74.52%)、AC(4.95%)、FC(20.53%)和热值(3827 cal/g)^28日18。

表2:在不同温度和保存时间下获得的原料生物质及其生物炭的近似值分析

临时(°C)。	保留 时间(分钟)	AC (%， d.b)		VM (%， d.b)		足球俱乐部 d.b (%)
		棉花	Castor	棉花	Castor	棉花	Castor
生物质	-	6.60	6.80	75.06	76.62	16.80	16.58
250＊	120	6.85	6.93	75.80	76.66	17.35	16.41
300	60	7.25	7.03	73.87	75.88	18.88	17.09
	120	8.36	9.45	71.54	72.33	23.1	18.22
	180	9.05	9.89	69.98	69.98	20.97	20.13
400	60	10.23	10.92	65.55	67.55	24.22	21.53
	120	11.45	12.90	63.43	65.43	25.12	21.67
	180	12.10	13.78	60.12	62.12	27.78	24.10
500	60	13.35	14.88	56.78	58.78	29.87	26.34
	120	14.96	15.96	53.27	55.27	31.77	28.77
	180	15.95	16.76	50.48	51.85	33.57	31.39

* ac -灰分含量，VM-挥发物，FC-固定碳

表3显示了棉花和蓖麻生物质及其生物炭的pH、EC和CEC值随温度和停留时间的变化情况。然而，随着居住时间的增加，行为模式没有发生重大变化。热解过程中温度的升高对生物炭的pH值有主要影响，表明温度的升高可能导致生物炭挥发、表面氧基的分解和去羟基化。^16、17类似的结果是，生物炭的pH值从200°C时的5.88,60分钟的保留时间到500°C时的9.86,240分钟的停留时间¹⁸。生物炭中非热解无机元素的积累可能是高温下pH急剧升高的原因。^17、18。

切棉和蓖麻生物量的EC和CEC值分别为(0.03、0.03)dS/m和(39.84、39.31)cmol/kg。随着温度的升高，所选生物质热解所得生物炭的EC和CEC值分别在(0.03 ~ 0.10)dS/m范围内升高，在(39.84 ~ 25.03、39.31 ~ 25.11)cmol/kg范围内降低。随着温度的升高，生物炭的EC和CEC值分别升高和降低。^16,18,19和²⁹。

在(500°C, 180 min)条件下，生物炭产量最低为30.25% ~ 51.04 %，30.21% ~ 50.56%;棉花和蓖麻茎秆的温度和停留时间分别为250°C, 120 min，见表4。

表3:棉花秸秆及其生物炭在不同温度和保存期下的pH、EC和CEC值

临时(°C)。	保留 时间(分钟)	PH值		电子商务 dS /米		CEC （cmol /公斤)
		棉花	Castor	棉花	Castor	棉花	Castor
生物质	-	6.36	5.90	0.03	0.03	39.84	39.31
250	120	6.47	6.28	0.03	0.03	36.42	34.66
300	60	8.85	8.77	0.04	0.04	35.79	32.19
	120	8.38	8.32	0.05	0.05	34.33	30.99
	180	8.45	8.45	0.05	0.05	35.70	30.46
400	60	9.27	9.18	0.08	0.07	34.23	29.86
	120	9.56	9.47	0.09	0.09	33.10	29.03
	180	8.38	8.29	0.07	0.07	29.38	28.19
500	60	9.63	9.43	0.09	0.09	27.77	27.60
	120	9.82	9.78	0.08	0.08	26.23	26.09
	180	9.58	9.52	0.10	0.10	25.03	25.11

生物炭产量随升温速率的增加而降低。实验数据与观测数据一致^17、18。他们观察到，随着热解温度和停留时间从200°C增加到500°C, 60 min增加到240 min，棉花生物质的生物炭产量从70.2%下降到34.0%。棉花和蓖麻渣的生物炭产量分别从23.5%下降到16.7%和24.4%下降到17.1%温度从350°C上升到500°C^29、30。的生物炭当温度从400℃升高到600℃时，甘蔗渣的产率从61.75下降到22.19%¹¹。随着温度在400 ~ 650℃范围内的升高，稻壳生物炭产率由68.36%下降到13.45%⁹。由于丢失了易失性的org有机物、生物炭产量下降。然而，根据目视观察，在250°C下获得的生物炭可以被认为是碳化生物质而不是生物炭。

在(250℃，120 min)条件下，生物油的产率分别为12.2% ~ 18.00%和12% ~ 17.8%;500°C, 180分钟)棉花和蓖麻茎秆的温度和停留时间分别见表4。的棉秆生物油产量由10.2%提高到19.0%随着热解温度和停留时间从200℃分别提高到500℃和60℃分钟至240分钟^16、17。研究发现，随着温度的升高，生物油的产量会增加，而停留时间对生物油产量的影响要小于温度。

在(250℃，120 min)条件下，热解气的产率分别为36.8% ~ 51.7%和37.4% ~ 51.9%;棉花和蓖麻茎秆的温度和停留时间分别为500℃，180 min，见表4。随着热解温度和停留时间从200℃增加到500℃，热解时间从60 min增加到240 min，棉秆的热解气产率从19.6%提高到47.8%^16,17,18。结果发现，温度和停留时间的增加会导致热气体产量的增加。然而，与停留时间相比，温度的影响更大。

表4:不同温度和保存期下的生物炭和生物油产量百分比

临时。(?)	保存期(分钟)	生物炭 生产(%)		生物油 生产(%)		烟花,气 生产(%)
		棉花	Castor	棉花	Castor	棉花	Castor
250 *	120	51.04	50.56	12.2	12.0	36.8	37.4
300	60	36.36	41.20	12.4	12.5	51.2	46.3
	120	43.63	42.00	13.3	13.3	43.0	44.7
	180	45.45	42.40	13.7	13.7	59.2	43.9
400	60	36.40	39.25	14.7	14.5	45.8	46.3
	120	39.5	36.20	15.3	15.1	48.3	48.7
	180	35.75	35.75	15.8	15.6	48.4	48.6
500	60	35.5	34.34	17.2	17.0	47.3	48.6
	120	34.0	33.23	17.5	17.3	48.5	49.5
	180	30.25	30.21	18.0	17.8	51.7	51.9

*生物炭生产被认为是碳化生物质

结论

棉花和蓖麻原料生物量AC、VM和FC的近似参数分别为6.60、75.06、16.80和6.80、76.62、16.58 (%，d.b)。最小值和最大值。不同实验运行得到的生物炭值分别为6.85 ~ 15.95、6.93 ~ 16.76、50.48 ~ 75.80和51.85 ~ 76.66;分别为17.35 ~ 33.57和16.41 ~ 31.39。

棉花和蓖麻原料生物质的pH值和EC值分别为6.36和0.03 dS/m;分别为5.90和0.03 dS/m。不同运行条件下获得的生物炭化学性质的最小值为6.47 ~ 9.58，最大值为0.03 ~ 0.10 dS/m;分别为6.28 ~ 9.52和0.03 ~ 0.10 dS/m。

最小值和最大值。不同运行条件下的生物炭产率分别为30.25%和51.04%;棉花和蓖麻生物量分别为30.25%和50.56%。

迷你。和马克西。棉花生物量和蓖麻生物量的生物油产量分别为12.2%和18.0%和12.0%和17.8%。

确认

这项研究得到了印度古吉拉特邦Junagadh JAU CAET可再生能源工程系当局的支持。

利益冲突

不存在利益冲突。

资金来源

资助来自古吉拉特邦朱纳加德的朱纳加德农业大学(批准号:BH 12567)。

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