不同原料和窑炉下生物炭的生产、产量及质量特性研究

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Biochar production, yield and quality characterization from different feedstocks and kilns

玉米芯、椰子壳和油棕果壳原料在不同窑型（Elsa桶窑和TLUD窑）下的热解条件、产率及生物炭理化性质研究表明，TLUD窑产率更高，而Elsa桶窑生物炭孔隙结构更优且pH、EC、TN等指标显著差异，SEM-EDX和FTIR分析揭示了原料与窑型对生物炭化学组分和微观结构的影响。

　　生物炭（BC）作为一种富含碳的固体材料，在农业和环境领域具有重要的应用价值。它的生产主要依赖于生物质的热解过程，而热解条件和原料种类被认为是影响其性能的关键因素。本文研究了玉米芯（CC）、椰子壳（CCH）和油棕空果串（EFB）三种原料以及Elsa桶和顶部进气上行式（TLUD）两种热解炉对生物炭产量、热解条件及品质特性的影响。研究结果表明，不同的原料和热解炉对生物炭的性能有着显著的影响，这为优化生物炭生产过程提供了重要参考。

研究发现，使用Elsa桶和TLUD炉进行热解时，玉米芯生物炭的热解温度分别比油棕空果串生物炭提高了4%和30%。这意味着玉米芯作为原料在高温下更易发生热解反应，从而生成更多的碳化产物。与此同时，油棕空果串生物炭的产量比玉米芯生物炭高，分别为71%和49%。这种差异可能与原料的热解特性有关，例如油棕空果串可能具有较高的挥发性物质含量，这在热解过程中更容易转化为生物炭。

在燃烧速率方面，使用Elsa桶时，油棕空果串生物炭的燃烧速率比玉米芯生物炭高出11%，而在TLUD炉中，这一差异进一步扩大，油棕空果串生物炭的燃烧速率比玉米芯生物炭高出70%。燃烧速率的提高可能与原料的结构特性有关，油棕空果串由于其纤维含量较高，可能导致燃烧过程更为迅速。相比之下，玉米芯由于其较高的密度，燃烧速率较低，但更有利于生成高温度的生物炭。此外，研究还发现，Elsa桶和TLUD炉在热解过程中对原料的停留时间存在显著差异。Elsa桶中玉米芯生物炭的停留时间比其他原料略长，而TLUD炉则表现出更长的停留时间，说明TLUD炉在热解过程中能够更好地控制温度和反应时间，从而提高生物炭的产量。

在生物炭的理化性质方面，pH值、电导率（EC）、总氮（TN）、总磷（TP）、有机碳（OC）和固定碳（FC）等参数均受到原料和热解炉的影响。总体来看，Elsa桶产生的生物炭在pH值、EC、TN、TP和FC方面均高于TLUD炉，这表明Elsa桶可能更有利于生成具有较高稳定性和养分保留能力的生物炭。然而，TLUD炉在某些参数上表现出不同的特性，例如其产生的生物炭具有更高的挥发性物质（VM）含量，这可能与其热解条件有关。同时，研究还发现，Elsa桶产生的生物炭具有更均匀且多孔的结构，这种结构特性有助于提高生物炭的吸附能力，从而增强其在土壤改良和环境修复中的应用潜力。

通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析，研究进一步揭示了不同原料和热解炉对生物炭表面结构和元素组成的影响。SEM图像显示，Elsa桶产生的生物炭具有更复杂的多孔结构，而TLUD炉产生的生物炭则呈现出更为紧密的结构。EDX分析表明，碳是所有生物炭样品中含量最高的元素，其次是氧，而其他如钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、钾、钙和锑等元素的含量则相对较低。这些元素的分布可能与原料的矿物成分和热解条件密切相关。

此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，不同原料和热解炉产生的生物炭具有不同的功能基团。例如，玉米芯生物炭在1200–1300 cm?1范围内表现出明显的C-O-C伸缩振动峰，这表明其含有较多的醚类物质。而油棕空果串生物炭在3400–3500 cm?1处表现出羟基（-OH）的伸缩振动峰，这与纤维素和木质素的热解有关。这些功能基团的存在不仅影响了生物炭的化学性质，还决定了其在土壤改良、污染物吸附和营养元素保留等方面的应用潜力。

X射线衍射（XRD）分析则揭示了生物炭的结晶度和无定形结构。研究发现，所有生物炭样品均表现出较高的无定形性，这可能与其热解过程中的结构变化有关。Elsa桶和TLUD炉在生成生物炭时，均含有不同的结晶相，如石英、方解石、云母和长石等。这些矿物成分的差异可能与原料的矿物含量以及热解条件有关，进而影响生物炭的物理和化学性质。

研究还发现，生物炭的性质不仅受到原料类型的影响，还与热解炉的设计密切相关。例如，Elsa桶由于其独特的结构设计，能够提供更好的空气流通和热分布，从而生成具有更高固定碳含量和更优结构特性的生物炭。而TLUD炉虽然在生物炭产量上表现较好，但其热解温度相对较低，可能导致生物炭的结构较为紧密，从而影响其在某些应用中的性能。

从整体来看，Elsa桶和TLUD炉在生物炭生产过程中表现出不同的优势。Elsa桶因其较低的成本和易于制造的特点，更适合小规模生产。而TLUD炉则在提高生物炭产量和延长热解时间方面表现更为优异，这使其在大规模生产中更具竞争力。然而，由于热解条件难以精确控制，两种炉型在生物炭质量方面可能存在一定的差异。

研究结果还表明，原料的特性对生物炭的生成具有重要影响。例如，含有较高木质素的原料，如玉米芯，更容易生成具有较高固定碳含量的生物炭，而含有较高灰分的原料，如油棕空果串，则可能影响生物炭的矿物组成。因此，在选择原料时，需要综合考虑其热解特性、可用性以及目标应用的需求。

此外，研究还强调了生物炭在农业和环境应用中的重要性。高pH值的生物炭可以作为土壤改良剂，提高土壤的碱性环境，从而促进某些作物的生长。同时，生物炭的高吸附能力使其在污染物去除和土壤养分保持方面具有潜在价值。通过优化原料选择和热解炉设计，可以进一步提升生物炭的性能，满足不同应用的需求。

最后，研究提出了未来研究的方向，包括改进TLUD炉的设计，例如增加传感器和热电偶，以更精确地控制热解条件。同时，建议利用计算模型进一步评估不同热解炉和原料组合的效率，从而为生物炭的可持续生产提供理论支持和技术指导。这些研究结果不仅有助于理解生物炭的生成机制，也为农业和环境领域的实际应用提供了重要的科学依据。