稻壳高温热解条件对焦结构演化的影响

生物质焦利用过程中碳的转化水平决定后续利用的总体效率,而生物质焦的转化率一定程度上取决于生物质的理化结构.为探究稻壳高温快速热解过程中焦结构的演变,设计并搭建了稻壳高温快速热解系统.通过对稻壳热解停留时间和温度进行精确的控制,精确控制反应进程.以扫描电子显微镜、拉曼光谱、比表面积分析、傅里叶红外光谱等测量手段对所得稻壳焦的物理化学结构进行了表征.研究不同热解温度和停留时间下稻壳焦的产率、孔隙的种类与发展、化学官能团和碳结构的变化.结果表明,热解温度越高,停留时间越长,生物质焦产率越低,焦表面碎裂越明显,孔隙结构越发达.在热解温度为 1 300℃、停留 13 s时,稻壳焦比表面积最大为141.17 m2/g,孔径主要分布在 2～10 nm,表面出现明显碎裂痕迹.热解温度升高和停留时间延长,使得稻壳焦的化学结构变得越来越脱氧,碳结构高度有序化,稻壳焦中具有 6个及以上稠合苯环的芳环浓度增加.高温对稻壳焦中C—O键、—OH破坏明显,导致支链和桥键断裂,含氧官能团释放和碳骨架石墨化.表面碳元素主要是以C—C/C—H为主,停留时间 5 s时含量从 900℃的63.86％增加到 1 300℃的 68.27％.而C—H、C—O、C=O和COO—含量均有不同程度的降低.表面氧元素主要以COO和COOH为主.随着热解温度升高,稻壳焦中苯环数量逐渐减少,芳香环平均数增加,表面亚甲基数量减少,碳活性降低.总结稻壳焦结构演化规律将为优化热解条件、提高热解效率及后续稻壳焦燃烧和气化利用提供参考.