基于能量得率的棉稈熱裂解炭化工藝優化

徐　佳，劉榮厚※，王　燕

（1.上海交通大學農業與生物學院生物質能工程研究中心，上海 200240； 2.農業部都市農業（南方）重點實驗室，上海 200240）

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基于能量得率的棉稈熱裂解炭化工藝優化

徐佳1,2，劉榮厚1,2※，王燕1,2

（1.上海交通大學農業與生物學院生物質能工程研究中心，上海 200240； 2.農業部都市農業（南方）重點實驗室，上海 200240）

摘要：為了從能源利用角度設計和優化棉花秸稈熱裂解制生物炭的熱解炭化工藝，該文使用了產率、熱值及能量得率

3個指標來衡量工藝的優劣。首先，研究了熱解溫度、保留時間和原料粒徑3個工藝條件分別對生物炭產率和熱值的影響。結果表明，在3個工藝條件下生物炭產率與熱值均呈負相關，即高產率和高熱值目標無法同時滿足。因此，引入能量得率（單位原料所產生物炭的總能量）作為全面評價生物炭產率和熱值的綜合指標，重點利用響應面分析法分析了3個工藝條件及其交互作用對能量得率的影響，并經過檢驗得到優化后的能量得率模型。模型預測結果表明，在炭化溫度為429℃，保留時間為1.29 h，原料粒徑為0.32 mm時，能量得率達到最大值，為78.95%，通過驗證試驗證明了模型的有效性。該模型能夠用于指導生產高能量得率的生物炭，為生物炭能源高效利用目標的實現提供參考。

關鍵詞：秸稈；熱解；優化；炭化工藝；生物炭；產率；熱值；能量得率

徐佳，劉榮厚，王燕. 基于能量得率的棉稈熱裂解炭化工藝優化[J]. 農業工程學報，2016，32（3）：241－246.

Xu Jia, Liu Ronghou, Wang Yan. Optimization of pyrolysis carbonization conditions based on energy efficiency for cotton stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 241－246. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.035http://www.tcsae.org

0　引　言

隨著化石能源的使用及耗盡，環境污染和能源危機已成為制約人類生存和發展的最大障礙。生物質的能源化利用因其原料來源廣泛、清潔、可再生[1-2]，能夠同時解決能源危機和環境污染的重大問題，成為解決這一世界性問題的重要途徑。其中，生物炭是生物質能源化利用的重要方面[3]。生物質炭化不僅能夠將廢棄秸稈轉變為生物質能源，還能夠輔助碳的固定減少溫室效應。本課題組致力于生物炭生產工藝、特性及其應用的研究[4-5]。還有其他的許多研究[6-8]致力于通過研究炭化工藝提升生物質炭的產率及品質，均使炭化工藝取得了巨大進步。在炭化工藝的研究中，產率是一個基礎指標[9-11]，對于何種用途的生物炭而言，與用途直接相關的品質指標也至關重要，例如生物炭作吸附劑時會重點研究它的比表面積等特性，當生物炭作燃料時，它的熱值就是直接反映品質的因素。然而，現有對生物炭炭化工藝的研究均局限于各類獨立的指標，而往往不同指標對應的最優炭化工藝并不相同。例如，Yu等[6]探究了熱解溫度對玉米芯生物炭特性的影響，結果表明，熱解溫度為300℃時，生物炭產量最高，而熱解溫度為450～600℃時生物炭比表面積最大。Hanzade等[12]探究了升溫速率對榛子殼熱解后所得生物炭的結構組織的影響，結果表明，升溫速率越高，生物炭的產量越低；而升溫速率越高，越有利于孔洞的形成。以上研究均得到了不同指標下的最優炭化工藝，但各項指標所對應的最優工藝條件并不相同，即產生了各項指標對應的最佳工藝條件之間的矛盾。然而，大多數研究孤立了各項性質指標，沒有將不同指標聯合起來得到一個綜合的最佳工藝條件。而本研究為了將不同指標聯合起來得到一個綜合最佳工藝，引入了綜合指標。本研究探討了熱解溫度、保留時間、粒徑3個工藝條件對棉花秸稈慢速熱裂解制取生物炭的影響。首先，進行了不同工藝條件分別對生物炭產率和熱值影響的單因素分析，然而在研究中發現了高產率和高熱值之間的矛盾。因此，本研究引入了能源得率（單位原料所產生物炭的總能量），更全面地從能源利用角度優化炭化工藝。

1　材料與方法

1.1原材料預處理

本研究采用棉花秸稈作為制備生物炭的原材料，棉花秸稈采自浙江省嘉興市海鹽縣。在制備生物炭之前，對棉花秸稈進行了預處理，粉碎包括初粉和細粉，過不同目數篩進行不同粒徑分級（分別為10目、20目、30目、40目、80目），在105℃干燥箱（HH-BH-500型，德國納博熱工業爐有限公司）中干燥24 h備用。

1.2生物炭制備

單因素研究中生物炭制備方法如下：選取不同炭化條件：熱解溫度A/℃（A1：300，A2：400，A3：500，A4：600，A5：700），保留時間B/h（B1：1，B2：2，B3：3，B4：4，B5：5）、粒徑C/目（C1：10，C2：20，C3：30，C4：40，C5：80）。取一定量的預處理后的棉花秸稈于坩堝中，置于管式爐反應器（HTL1100-100，上海皓越電爐技術有限公司）中，在氮氣氣氛中進行熱解炭化（氮氣流速為10 m3/h，升溫速率為5℃/min）。其中，在考察熱解溫度因素時，保留時間均為2 h，粒徑均為40目；在考察保留時間因素時，溫度均為500℃、粒徑均為40目；在考察粒徑因素時，溫度均為500℃，保留時間均為2 h。在炭化結束后的降溫過程中，依然保持氮氣氣氛，直至自然冷卻至室溫。隨后收集生物質炭，分別標記為A1B2C4、A2B2C4、A3B2C4、A4B2C4、A5B2C4；A3B1C4、A3B2C4、A3B3C4、A3B4C4、A3B5C4；A3B2C1、A3B2C2、A3B2C3、A3B2C4、A3B2C5，每種條件均制備3組平行樣。

響應面分析研究中生物炭制備方法同上，其中因素水平為，X1熱解溫度/℃（400、450、500）、X2保留時間/h（1、2、3）、X3粒徑/mm（0.25、0.55、0.85）。

1.3分析方法

1.3.1生物炭產率[13]

利用分析天平（BS224S，德國賽多利斯公司）稱取原料炭化前后的質量，取3次重復后的平均值，計算不同炭化工藝條件下的生物炭產率，按公式（1）計算。

1.3.2熱值

本試驗的棉花秸稈、生物炭熱值均采用氧彈熱值測定儀（XRY-1A，上海昌吉地質儀器有限公司）測定，按照儀器分析要求，稱取1.0 g樣品測定熱值。

1.3.3能量得率

計算生物炭轉化前后的能量，計算不同炭化工藝條件下的能量得率[14]，按公式（2）計算。

1.3.4工業分析和元素分析

工業分析依據ASTM標準：木炭化學分析的標準方法（D1762–84）[15]。元素分析采用元素分析儀（Vario EL Cube，德國Elementar公司）進行測定。

1.3.5響應面分析

本試驗設計采用響應面分析方法（response surface methodology），根據Box-Behnken中心組合設計原理[16-17]設計了以熱解溫度（X1/℃）、保留時間（X2/h）、粒徑（X3/mm）為自變量，每個因素取3個水平，分別是400、450、500 ℃，1、2、3 h和0.25、0.55、0.85 mm，以（?1、0、1）編碼。試驗用Design-Expert軟件進行響應面分析，對17個試驗點的響應值進行分析，以能量得率為響應值，響應面分析方法試驗設計如表1所示。

表1　響應面分析方法試驗設計Table 1　Test level of response surface methodology

2　結果與分析

2.1原料及不同熱解溫度條件下的生物炭的工業分析和元素分析

對棉花秸稈原料和5種不同熱解溫度條件下的生物炭做工業分析和元素分析，分析結果如表2所示。由表2可見，溫度對生物炭的炭化程度起著決定性作用，隨著熱解溫度的升高，炭化程度明顯上升，表現為揮發分含量逐漸變少，固定碳含量逐漸升高。另外，隨著熱解溫度的升高，C/O比明顯增大，其原因是棉花秸稈原料中復雜的有機物隨著溫度的上升逐步發生裂解，由于炭化試驗在氮氣氣氛中進行，故O元素不斷被消耗，C元素逐步積累，因此導致了C/O比明顯上升。隨著熱解溫度的升高，棉花秸稈中的-OH，-CH3，-CH2-，C=O基團間發生締合或消除，促進了芳香基團的形成，原料芳香化程度升高[18]。推測H元素的逐步減少正是因為芳香化程度的升高，而芳香類物質的H含量較低[19]。

表2　工業分析和元素分析Table 2　Industrial analysis and elemental analysis

2.2生物炭產率和熱值的單因素分析

2.2.1不同熱解溫度對生物炭產率和熱值的影響

選取30～40目之間的棉花秸稈樣品，在氮氣氣氛，保持升溫速率5 ℃/h，保留時間2 h的條件下，選擇熱解溫度300、400、500、600、700 ℃，通過管式爐進行棉花秸稈的熱解炭化試驗。熱解工藝條件對生物炭產率和熱值的影響如圖1所示。由圖1a可以看到，300 ℃時產率最高，約為65%，熱值最低，約為15 kJ/g，700 ℃時產率最低，約為30%，熱值最高，約為34 kJ/g，產率隨著溫度的上升有明顯的下降，在600 ℃之后下降速度減慢，熱值隨著溫度的上升顯著上升，在500℃之后上升速度減慢。Yang等研究表表明，生物質中半纖維素首先在 220～315 ℃分解，而315～400 ℃則為纖維素分解區，大于400 ℃木質素開始大量分解[20]，這解釋了在300 ℃時，產率大大高于其他溫度下的現象。隨著溫度的上升，半纖維素、纖維素和木質素分解越來越完全，炭化程度越來越高，生物炭的熱值逐漸變大。另外，明顯可以看出生物炭產率和熱值明顯的呈負相關，隨著溫度的升高生物炭產率逐漸降低，而熱值逐漸上升。

圖1　熱解工藝條件對生物炭產率和熱值的影響Fig.1　Effect of pyrolysis conditions on yield and calorific value of biochar

2.2.2不同保留時間對生物炭產率和熱值的影響

選取30～40目之間的棉花秸稈樣品，在氮氣氣氛，保持升溫速率5 ℃/h，熱解溫度500 ℃的條件下，選擇保留時間1、2、3、4、5 h，通過管式爐進行棉花秸稈的熱解炭化試驗。由圖1b可以發現，1 h時生物炭產率最高，約為32%，熱值最低，約為30 kJ/g，5 h時生物炭產率最低，約為30%，熱值最高，約為33 kJ/g，隨著保留時間的增加，生物炭產率有小幅的下降，熱值有小幅的上升，說明隨著保溫時間的增加，熱解反應繼續進行，炭化更加完全，產率下降，熱值上升，但是保留時間對于它們的影響很小，從側面反映出在500 ℃的熱解溫度下，炭化已經相對完全[20]。另外，可以看出生物炭產率和熱值呈負相關，隨著保留時間的延長生物炭產率逐漸降低，而熱值逐漸上升。

2.2.3不同原料尺寸對生物炭產率和熱值的影響

在氮氣氣氛，保持升溫速率5 ℃/h，熱解溫度500 ℃，保留時間2 h的條件下，選擇不同的粒徑10～20目、20～30目、30～40目、40～80目、過80目，通過管式爐進行棉花秸稈的熱解炭化試驗。由圖1c可以發現，20目時產率最低，約為30%，80目時產率最高，約為32%，10目時熱值最高，約為32 kJ/g，相比于之前的2個因素，隨著粒徑的增加，生物炭產率小幅下降，商輝等研究了3種粒徑對木屑熱解的影響，試驗結果表明粒徑越大產率越小[21]，這也與本試驗結果相一致。但生物炭產率和熱值均相對于前2種條件下沒有顯著的變化，說明粒徑對于產率和熱值的影響比較小。另外，根據大致趨勢，依然可以看出熱值和產率呈負相關。

2.3能量得率的模型分析及優化

從單因素試驗可以看到，熱解溫度、保留時間和粒徑均對棉花秸稈制生物炭的產率和生物炭的熱值有影響。對生物炭產率和熱值的作用大小為熱解溫度>保留時間>粒徑。單因素研究（圖1）發現，生物炭產率及其單位熱值呈現負相關，但從能源利用角度來說，生物炭產率和熱值均為越高越好。當生物炭產量和熱值的提高相互矛盾時，需要一種新的評價指標去衡量生物炭產率和熱值的綜合性能。能源得率，反映了產率和熱值的綜合效應，同時反應了生物炭的能量轉化水平。為優化生物炭的能源得率工藝，本文從能源得率的角度，對不同工藝條件下的生物炭的能源得率進行了響應面分析。

2.3.1生物炭能量得率模型的建立及其顯著性檢驗

利用Design-Expert軟件對17個試驗點的響應值進行分析，以能量得率為響應值得到響應面分析試驗設計及結果如表3所示。

表3　響應面分析試驗設計及結果Table 3　Design and results of response surface methodology experiment

對表3中的試驗組進行響應面分析，得到生物炭的能量得率二次回歸全模型方程，如式（3）所示。

對模擬的二次回歸模型進行方差檢驗, 分析結果如表4所示。

表4　二次回歸模型的方差分析Table 4　ANOVA for response surface quadratic model

從表4中的二次回歸模型的方差分析結果可以看出，模型的P值小于0.0001，說明該模型能夠很好的擬合響應值的方程[22]。熱解溫度、保留時間對于生物炭的能量得率的影響顯著，而粒徑的影響不顯著，二次項中只有熱解溫度的平方項對能量得率的影響顯著。模型的調整確定系數R2=0.9497?？梢缘玫?，該模型擬合程度良好，試驗誤差小，該二次回歸模型能夠對棉花秸稈制生物炭的能量得率進行分析和預測。失擬項P=0.4793>0.05，表明失擬不顯著，對模型是有利的，無失擬因素存在，因此可用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結果進行分析。去除回歸方程中的不顯著項，得到能量得率的優化回歸方程，如式（4）所示。

2.3.2能量得率的響應面分析

熱解溫度X1，保留時間X2，粒徑X3對能量得率P的交互作用如圖2所示。從圖2a中可以看出，在保留時間保持不變的條件下，隨著熱解溫度的上升，能量得率呈現出先變大再減小的規律，最高的時候，能量得率達75.12%；當熱解溫度保持不變時，隨著保留時間的增加，能量得率呈小幅的遞減狀。

從圖2b中可以看出，在粒徑保持不變的條件下，隨著熱解溫度的上升，能量得率依然呈現出先變大再減小的規律，最高的時候，能量得率達76.40%；當熱解溫度保持不變時，隨著粒徑的增加，能量得率先減小后上升，但是變化幅度非常小。

從圖2c中可以看出，在保留時間保持不變的條件下，隨著粒徑的增大，能量得率呈現出先減小再變大的規律；當粒徑保持不變時，隨著保留時間的增加，能量得率呈小幅的下降。

從響應面分析結果可以得到能量得率的最大值，當反應條件控制在429 ℃，保留時間1.29 h，粒徑0.32 mm的時候能量得率最高，為78.95%。

圖2　熱解工藝條件對能量得率影響的響應面曲線Fig.2　Response surface of pyrolysis conditions on energy efficiency

2.3.3最佳熱解條件的驗證

根據以上分析得到利用棉花秸稈制備高能量得率的生物炭的最佳熱解條件（熱解溫度429 ℃，保留時間1.29 h，粒徑0.32 mm），為了檢驗優化模型P=?233.95080+1.43592X1?0.99600X2?0.00164X12所預測結果的可靠性，利用管式爐反應器進行棉花秸稈制生物炭的驗證試驗，試驗條件為熱解溫度429 ℃，保留時間1.29 h，粒徑0.300～0.355 mm（45～50目），取3次重復，3次試驗所得生物炭的能量得率分別為：78.48%、77.98%、80.00%，3次重復的平均值為78.82%，與模型預測值非常接近，可見模型對于能量得率的預測是比較穩定一致的。因此，棉花秸稈制備高能量得率的生物炭的響應面模型有效，最佳熱解條件可信。

3　結　論

生物質的熱解炭化是一個復雜的過程，不同的工藝會對生物炭的物理化學性質有明顯的影響，而生物炭的產率和品質都是重要指標。本試驗研究成果表明，熱解溫度、保留時間和粒徑均對棉花秸稈制生物炭的產率和生物炭的熱值有影響，影響程度大小均為熱解溫度＞保留時間＞粒徑，并且在不同條件下生物炭產率和熱值均呈現負相關。同時對能量得率的響應面分析表明，熱解溫度和保留時間對于能量得率的影響比較顯著，并且得到了優化的能量得率模型的R2為0.9497，在429℃，保留時間1.29 h，粒徑0.32 mm的時候能量得率最高為78.95%，通過驗證證明該模型預測的最佳工藝穩定可靠，該模型能夠用于指導生產高能量得率的生物炭，為生物炭能源高效利用目標的實現提供參考。

[參考文獻]

[1] Chen Tianju, Liu Ronghou, Norman R Scott. Characterization of energy carriers obtained from the pyrolysis of white ash, switchgrass and corn stover-Biochar, syngas and bio-oil[J]. Fuel Processing Technology 2016, 142: 124－134.

[2] Ozcimen D, Karaosmanoglu F. Production and characterization of bio-oil and biochar from rapeseedcake[J]. Renewable Energy, 2004, 9(5): 779－787.

[3] Raymond R Tan, Kathleen B Aviso, Ivan Ubarilea, et al. A fuzzy multi-regional input-output optimization model for biomass production and trade under resource and footprint constraints[J]. Applied Energy, 2012, 90(1): 154－160.

[4] Wang Y, Yin R, Liu R. Characterization of biochar from fast pyrolysis and its effect on chemical properties of the tea garden soil[J]. Journal of Analytical & Applied Pyrolysis, 2014, 110: 375－381.

[5] Chen T, Cai J, Liu R. Combustion Kinetics of Biochar from Fast Pyrolysis of Pine Sawdust: Isoconversional analysis[J]. Energy Sources, 2015, 37: 2208－2217.

[6] Yu F, P H Steeler Ruan. Microwave pyrolysis of corn cob and characteristics of the pyrolysis chars[J]. Energy Sources, Part A, 2010, 32(5): 75－484.

[7] Catherine E Brewer, Rachel Unger, Klaus schmidt-rohr, et al. Criteria to select biochars for field studies based on biochar chemical properties[J]. Bioenerg Res, 2011(4): 312－323.

[8] 羅煜，趙立欣，孟海波. 不同溫度下熱裂解芒草生物質炭的理化特征分析[J]. 農業工程學報，2013，7(13)：208－217. Luo Yu, Zhao Lixin, Meng Haibo. Physio-chemical characterization of biochars pyrolyzed from miscanthus under two different temperatures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(13): 208－217. (in Chinese with English abstract)

[9] Sombroek W, De Lourdes Ruivo M, Fearnside P, et al. Amazonian Dark Earths As Carbon Stores And Sinks, Amazonian Dark Earths: Origin, Properties, Management, 2003, 141－158.

[10] Keri B Cantrell, Patrick G Hunt, Minori Uchimiya, et al. Impact of pyrolysis temperature andmanure source on physicochemical characteristics of biochar[J]. Bioresource Technology, 2012, 107: 419－428.

[11] Demirbas A. Effects of temperature and particle size on bio-char yield from pyrolysis of agricultural residues[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2004, 72(2): 243－248.

[12] Hanzade Haykiri-Acma, Serdar Yaman. Effect of the heating rate on the morphology of the pyrolysis char from hazelnut shell[J]. International Journal of Green Energy, 2009(6): 508－511.

[13] 譚洪，張磊，韓玉閣. 不同種類生物質熱解炭的特性實驗研究[J]. 生物質化學工程，2009，43(5)：31－34. Tan Hong, Zhang Lei, Han Yuge. Experimental research on the characterization of char product from biomass pyrolysis[J]. Biomass Chemical Engineering, 2009, 43(5): 31－34. (in Chinese with English abstract)

[14] 蔣恩臣，何光設. 稻殼、鋸末成型燃料低溫熱解特性試驗研究[J]. 農業工程學報，2007，23(1)：188－191. Jiang Enchen, He Guangshe. Experimental research on low temperature pyrolysis of biomass extrusion bar of rice husk and sawdust[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(1): 188－191. (in Chinese with English abstract)

[15] ASTM D1762-84, Standard Test Method for Chemical Analysis of Wood Charcoal [S].

[16] 金慧，劉榮厚，沈飛. 甜高粱莖汁固定化酵母乙醇發酵工藝優化的試驗研究[J]. 農業工程學報，2008，4(24)：194－197. Jin Hui, Liu Ronghou, Shen Fei, et al. Optimization of conditions for the ethanol production by immobilized saccharomyces cerevisiae from sweet sorghum stem juice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2008, 24(4): 194－198. (in Chinese with English abstract)

[17] 陳穎. 茶樹菇廢菌體對水中Cr(VI)吸附的響應面優化及機理研究[D]. 長沙：湖南大學環境，2010. Chen Ying. Adsorption of Cr(VI) in Water by Waste Bacteria of Tea Tree Mushroom and its Mechanism by Response Surface Analysis Method[D]. Changsha: Hunan University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[18] 鄭慶福，王永和，孫月光，等. 不同物料和炭化方式制備生物炭結構性質的FTIR研究[J]. 光譜學與光譜分析，2014，4(4)：962－966. Zheng Qingfu, Wang Yonghe, Sun Yueguang, et al. Study on structural properties of bBiochar under different materials and carbonized by FTIR[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 4(4): 962－966. (in Chinese with English abstract)

[19] Chen Y, Yang H, Wang X, et al. Biomass-based pyrolytic polygeneration system on cotton stalk pyrolysis: influence of temperature.[J]. Bioresource Technology, 2012, 107(2): 411－418. [20] Yang H P, Yan R, Chen H P, et al. In-depth investigation of biomass pyrolysis based on three major components: Hemicellulose, cellulose and lignin[J]. Energy & Fuels, 2006, 20(1): 388－393.

[21] 商輝，路冉冉，孫曉鋒. 微波熱解生物質廢棄物的研究[J].可再生能源，2011，29(3)：25－29. Shang Hui, Lu Ranran, Sun Xiaofeng. Research on microwave pyrolysis of biomass waste[J]. Renewable Energy, 2011, 29(3): 25－29. (in Chinese with English abstract)

[22] 中國科學院數學研究所統計組. 方差分析[M]. 北京：科學出版社，1977.

Optimization of pyrolysis carbonization conditions based on energy efficiency for cotton stalk

Xu Jia1,2, Liu Ronghou1,2※, Wang Yan1,2
(1. Biomass Energy Engineering Research Centre, School of Agriculture and Biology, Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China; 2.Key Laboratory of Urban Agriculture (South), Ministry of Agriculture, Shanghai 200240, China)

Abstract:With the use and depletion of fossil fuels, environmental pollution and energy crisis have become the biggest obstacles to the survival and development of human beings. Biomass energy utilization is an important way to solve this problem as it has wide source of raw material, and is clean and renewable. Biochar is an important form of biomass energy utilization, and it can not only change the waste straw into biomass energy, but also help reduce the greenhouse effect. The yield is a basic index in the study of pyrolysis technology; while the biochar is used as fuel, its calorific value is the factor directly reflecting the quality. These 2 indices are both necessary during the research. However, the existing research on the pyrolysis process of biochar is limited to all kinds of independent indices, and the optimal pyrolysis process is always not the same. In this paper, the advantages and disadvantages of pyrolysis process for biochar production were evaluated by the yield, calorific value and energy efficiency in order to design and optimize the process of carbonization of cotton stalk. The effects of the temperature, retention time and particle size on the yield and heating value of the biomass were studied; and the typical cotton stalk was taken as raw material to produce biochar under nitrogen gas atmosphere by slow pyrolysis. The results showed that: 1) The effects of pyrolysis temperature on the yield and heating value of the biomass were significant; the biochar yield was negatively correlated with heating value, and with the increase of the temperature, the yield of biochar decreased gradually, while the calorific value increased gradually. 2) The effect of retention time on the yield and heating value of the biochar was obvious, but it was not as obvious as the pyrolysis temperature; at the same time, it could be seen that the yield and heating value were negatively correlated, and with the increase of the retention time, the biochar yield decreased, while the calorific value increased. 3) Compared with the first 2 conditions, there was no significant change in the yield and heating value when the raw material particle size changed, which showed that the effects of particle size on the yield and calorific value were small. In addition, according to the general trend, we could still see a negative correlation between heating value and yield. Energy efficiency (ratio of total energy yield of biochar to energy yield of raw material) was proposed to coordinate the yield and calorific value, and the response surface analysis of the energy efficiency was carried out, from which the energy efficiency model was got. The results showed that when the temperature was 429℃, the retention time was 1.29 h, and the particle size was 0.32 mm, the predicted energy efficiency from the model reached the highest value, which was 78.95%. The model is validated by the experiment. The model can be used to guide the production of biochar with high energy efficiency, and provide the reference for energy efficient utilization.

Keywords:straw; pyrolysis; optimization; carbonization conditions; biochar; yield; calorific value; energy efficiency

作者簡介：徐佳，男，主要從事可再生能源與環境工程方面的研究。上海上海交通大學農業與生物學院生物質能工程研究中心，200240。Email：gmy11521@sjtu.edu.cn※通信作者：劉榮厚，男，教授，博士生導師，主要從事可再生能源與環境工程方面的研究與教學工作。上海上海交通大學農業與生物學院生物質能工程研究中心，200240。Email：liurhou@sjtu.edu.cn

基金項目：“十二五”農村領域國家863計劃課題（2012AA101808）

收稿日期：2015-10-20

修訂日期：2015-12-29

中圖分類號：S21

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0241-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.035 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.035http://www.tcsae.org