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农作物秸秆是一种分布广泛、低污染的可再生资源,是所有生物质废弃物利用中的重点之一。将废弃的农作物秸秆在无氧条件下热解炭化,是一个有效的资源化利用途径。农作物秸秆的原料属性、制备工艺及热解条件等的差异对秸秆热解炭化行为的影响较大,同时,秸秆热解炭化产物的品质特性也比较复杂。开展秸秆热解炭化技术、生物炭理化特性和能源化及肥料化利用的研究,对秸秆资源化利用、生物炭还田使用和农业可持续发展具有重要的现实意义。本研究主要以水稻、小麦、玉米、油菜和棉花秸秆为研究对象,结合有机模型化合物,从原料属性和反应条件出发,进行了不同的炭化温度、保温时间和升温速率下的秸秆的热解炭化实验,研究了不同种类和不同反应条件对秸秆热解产物分布规律的影响,探讨了固体产物、液体产物和气体产物之间的关联作用,从而揭示秸秆在热解炭化过程中的分解和转化机制。通过分析不同秸秆生物炭的组成成分、营养特性和结构特性,以及不同生物炭的燃烧特性和氨氮吸附特性,优化了秸秆生物炭的产率和品质特性,探讨了不同生物炭的能源化和肥料化利用潜力,从而为秸秆生物炭的高效综合利用奠定基础。主要研究结论如下:（1）以水稻、小麦、玉米、油菜和棉花秸秆为研究对象,结合纤维素、半纤维素、木质素3种有机模型化合物,研究了不同热解温度、保温时间、升温速率下的秸秆的热解特性,并采用热解反应动力学和数学处理方法,建立了不同反应条件下的秸秆的热解动力学模型。结果表明,秸秆的热解包括4个阶段,室温130℃为脱水阶段,130℃240℃为过渡阶段,240℃500℃为主要热解阶段,500℃900℃为炭化阶段。随着热解温度的升高,秸秆热解的最大失重率和最大失重速率增加。随着升温速率的增加,秸秆的挥发分初析温度和最大失重速率明显增大,而挥发分综合释放特性指数逐渐减小。随着保温时间的延长,秸秆的失重率逐渐减少。在相同热解条件下,水稻秸秆的最大失重率最低,而油菜秸秆的最大失重率最高。秸秆热解反应符合一级反应动力学模型。油菜秸秆的活化能和频率因子最高,其次是小麦、水稻和棉花秸秆,玉米秸秆的活化能和频率因子最低。（2）以管式炭化炉为热解装置,研究了不同炭化温度、保温时间和升温速率下的秸秆热解产物分布规律,分析了气体产物和生物炭的组成成分、碳转化率和能量转化率。结果表明,炭化温度和保温时间对秸秆热解气和生物炭的组成成分影响显著,升温速率影响不明显。随着炭化温度的升高,热解气产率增加,而生物炭产率降低,焦油产率先增加后降低,450℃500℃时焦油产率最高。随着保温时间的增加,秸秆生物炭的炭产率先降低,90 min后略微增加,而热解气和焦油产率先增加,60min后略微降低。随着炭化温度和保温时间的升高,热解气中的CO2和CO百分含量降低,CnHm、CH4和H2百分含量增加,高的炭化温度和保温时间,可以提高热解气的碳转化率和能量转化率。随着炭化温度和保温时间的升高,秸秆生物炭的灰分、固定碳、C、S、高位热值增加,其挥发分、H、O、碳转化率和能量转化率降低。保温时间60 min90 min的秸秆生物炭的炭化程度较好。不同种类秸秆的热解产物存在差异。棉花和油菜秸秆生物炭的C、H含量最高,且高位热值接近标准煤,可以作为固体燃料使用。小麦和油菜秸秆热解气体高位热值和能量转化率最高,可以生产高质量的热解气。（3）以不同种类、不同条件下制备的秸秆生物炭为研究对象,研究了秸秆生物炭的微观结构和形态特征,测定了生物炭的pH、电导率、营养成分,研究了生物炭的比表面积、孔径分布情况、表面元素和表面官能团。结果表明,随着炭化温度的升高,秸秆生物炭的pH、电导率、P、K、Ca元素含量增加,表面N元素含量和H/C降低,比表面积增大,表面官能团数量减少。秸秆生物炭的pH为6.310.6,电导率为2.34 ms/cm9.12 ms/cm,秸秆生物炭的N、P、K含量在450℃500℃最高。秸秆生物炭具有丰富的孔隙结构,为蜂窝状或直管形,孔隙随着炭化温度和保温时间升高而变大,炭化温度影响较大。不同秸秆生物炭的营养成分具有差异性,小麦秸秆生物炭中K的含量最高,棉花秸秆生物炭中P和Mg含量最高。水稻和玉米秸秆生物炭的表面O/C较高,具有较好的表面亲水性。（4）基于热重实验,研究了水稻、小麦、玉米、油菜和棉花秸秆生物炭的燃烧特性,分析了秸秆生物炭的燃烧特性曲线和特征参数,并建立了动力学模型。结果表明,不同秸秆生物炭的燃烧特性曲线及燃烧特性参数具有一定的差异性。随着炭化温度的升高,秸秆生物炭的着火点温度升高,最大失重速率先增大后减小,燃烧向高温区移动,活化能增大,燃尽时残余物的质量逐渐增大,生物炭的综合燃烧特性指数减小。秸秆生物炭的着火点温度为263℃374℃,燃尽温度为511℃547℃。随着保温时间的延长,秸秆生物炭的着火点温度升高,燃烧反应活性降低,活化能先增加后降低,综合燃烧特性指数减小。随着升温速率的增加,秸秆生物炭的着火点温度和燃尽温度升高,燃烧的最大失重速率和综合燃烧特性指数增大,反应活化能降低,燃烧性能变好。秸秆生物炭燃烧反应的活化能为30 kJ/mol70 kJ/mol,棉花秸秆生物炭的燃烧性能最好,可以作为固体燃料使用。（5）以秸秆生物炭的肥料化利用为目标,设计正交实验,采用综合评分法,以生物炭的产率、固定碳、C和N的含量为考察指标,对秸秆热解炭化工艺参数进行优化,研究最优工艺条件下制备的秸秆生物炭的成分、结构和吸附等特性。结果表明,制备秸秆生物炭的最佳工艺条件为炭化温度500℃,保温时间30 min,升温速率10℃/min,5种秸秆生物炭的炭产率约为32%38%,固定碳的含量大于45%,C元素的含量大于53%,N元素的含量为0.7%2.5%,K元素的含量为3.41%6.81%。生物炭的O/C小于0.2,玉米、油菜和棉花秸秆生物炭的H/C小于0.6,芳香化程度较好。生物炭表面有含氧官能团且内部有丰富的介孔结构。秸秆生物炭对氨氮具有较好的吸附效果,吸附类型为多分子层的非均匀吸附,吸附动力学符合准一级动力学模型,秸秆生物炭可以用做土壤氨氮的调控剂使用。