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目前，由于化石燃料的逐渐枯竭及其利用过程中造成的环境污染问题，亟需寻求清洁可再生的能源利用方式。利用可再生的生物质资源，通过热化学转化法制备燃料和化学品，对中国实现碳达峰、碳中和目标具有重大意义[1]。玉米Zea mays秸秆、棕榈Trachycarpus fortunei壳与马尾松Pinus massoniana分别属于草本生物质、果壳类生物质和木本生物质，资源储量丰富。然而针对此类农林废弃物，传统的处理手段存在产物单一、附加值低、效率低等问题，因此开发新型的生物质资源利用方法，提高生物质资源利用率，增加其经济附加值，是目前生物质综合利用研究领域面临的重要问题[2]。
生物质气化多联产技术是以空气、氧气、水蒸气等为气化剂，通过热化学反应将生物质中的纤维素、半纤维素和木质素组分转化为可燃气体、生物质炭和焦油的过程[3]。可燃气体具有较高的热值，广泛应用于集中供气、发电、供暖等领域；通过物理和化学活化法，生物质炭可制成各种类型的活性炭，广泛应用于化工、环保及军工等领域；通过分馏和复配技术，生物质焦油可用于制成液体肥料、杀菌剂及防腐剂等[4−5]。成亮等[6]以糠醛渣和废菌棒为原料，王亮才等[7]以紫茎泽兰Eupatorium adenophorum秆为原料，分别采用生物质气化多联产技术制备了生物质炭与可燃气，生物质炭用于制成机制炭和炭基肥，而可燃气则用于锅炉燃烧供热。然而，将典型的3种不同类型的生物质(玉米秸秆、棕榈壳、马尾松)进行生物质气化多联产对比研究还未见相关报道。
本研究选取玉米秸秆、棕榈壳、马尾松等3种生物质为原料，以空气为气化剂，采用自主设计的微型气化反应器，开展3种生物质的气化多联产研究，系统研究了气化温度对气化性能的影响，并且分别对气化三相产物(可燃气、生物质炭与焦油)的特性进行了分析。
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选取3种代表性的生物质原料进行气化实验，分别为木本生物质(马尾松)、草本生物质(玉米秸秆)和果壳类生物质(棕榈壳)，其中玉米秸秆取自山西省忻州市西张村，棕榈壳取自南京菲尔莫材料科技有限公司，马尾松取自浙江省杭州市临安区木材加工厂。生物质原料经自然晾晒后，用粉碎机磨成粉末，筛选出粒径100~200目的生物质粉末，在105 ℃烘箱中烘至绝干，装袋保存。
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参照国标GB/T 28731—2012《固体生物质燃料工业分析方法》，对3种生物质原料及其气化炭产物(挥发分、固定碳和灰分)进行测定；采用元素分析仪(Vario EL Ⅲ)对3种生物质原料及其气化炭产物的元素进行测定，其中氧(O)元素通过差减法计算得到；采用微机量热仪(ZDHW-8A)对原料及其气化炭产物的热值进行测量。采用X射线衍射仪(XRF-6000)对原料的结晶度进行测量，每次取样品粉末0.2 mg，经压片后送入样品室测试，扫描范围为5°~40°，扫描速度为2°·min−1，纤维素的结晶度按照式(1)进行计算。
$$ {I}_{\mathrm{C}\mathrm{r}}=\frac{{I}_{002}-{I}_{\mathrm{a}\mathrm{m}}}{{I}_{002}}\times 100\mathrm{\%} 。 $$ (1) 式(1)中：ICr为纤维素相对结晶度指数，I002是(002)面衍射角的极大强度，即结晶区的衍射强度，Iam是2θ为18°附近的非晶区衍射强度。采用热重分析仪(TG209 F1)对3种原料的热失重规律进行分析，每次实验取样品5 mg，置于石英坩埚中，氮气(N2)流量为40 mL·min−1，以20 ℃·min−1升温速率从室温升至800 ℃。
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如图1所示，采用自主研发的微型气化反应装置开展玉米秸秆、棕榈壳与马尾松的气化实验。实验装置可分为供气系统、反应系统、焦油收集系统、气体收集系统4个部分。供气系统主要由高纯氮气瓶、高纯氧气瓶、气体流量控制器组成；反应系统主要由温度控制器和加热反应器组成，用于得到气化固体产物；焦油收集系统主要由低温浴槽和冷凝管组成，用于收集冷凝气体，得到气化液体产物；气体收集系统主要由干燥剂和集气袋组成，用于收集不可冷凝可燃气，得到气化气体产物。
图 1 微型气化反应器装置简图
Figure 1. Schematic diagram of miniature gasification reactor
气化实验开始前，将5 g样品装入填有石英棉的石英坩埚中并悬挂于石英管的冷却区，然后通入预混的气化剂[N2与氧气(O2)混合而成的气体]，保持10 min，将反应器和链接管路内的其他气体排尽。当量比选取0.20，单位质量原料消耗的空气气化剂体积(Vair)的计算公式如下：
$$ {V}_{\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}=\lambda \frac{22.41}{0.21}\left(\frac{{W}_{\mathrm{C}}}{12}+\frac{{W}_{\mathrm{H}}}{4}-\frac{{W}_{\mathrm{O}}}{32}\right) 。 $$ (2) 式(2)中：λ为当量比；WC、WH、WO分别为玉米秸秆中碳(C)、氢(H)、O元素质量分数(%)。根据N2和O2的配比分别调节两者的进气量，玉米秸秆气化实验通入N2与O2的流量分别为42.2与158.9 mL·min−1，棕榈壳气化实验通入N2与O2的流量分别为45.1与169.6 mL·min−1，马尾松气化实验分别通入N2与O2的流量为46.0与173.0 mL·min−1。之后，采用20 ℃·min−1的升温速率，将反应器加热至不同的气化温度(700、800和900 ℃)，待气化反应器加热至预设的气化温度后，迅速通过炉钩将坩埚垂直推至中部的反应区进行气化实验，同时连接好气袋，准备收集气化反应气体。气化产生的挥发分随气化剂进入冷凝管。冷凝管置于0 ℃以下的冰水混合物环境中，液体产物收集在冷凝管中，挥发分中的不可冷凝气体由集气袋收集。气化反应结束后，停止升温，立即用进样棒将石英坩埚拉至石英管的冷却区，关闭O2，继续通入N2，样品在冷却区逐渐降温。待坩埚内样品冷却后，取出得到气化炭，集气袋中收集到气化燃气，冷凝管中收集到气化液体产物。气化固体和液体产物的产率通过式(3)和(4)计算，气体产物的产率通过差减法获得。
$$ {Y}_{{\rm{solid}}}=\frac{{W}_{{\rm{solid}}}}{{W}_{{\rm{D}}}}\times 100\% \text{；} $$ (3) $$ {Y}_{{\rm{liquid}}}=\frac{{W}_{{\rm{liquid}}}}{{W}_{{\rm{D}}}}\times 100\% 。 $$ (4) 式(3)~(4)中：Ysolid、Yliquid分别为固体产物和液体产物的质量产率(%)；Wsolid、Wliquid分别为气化炭和焦油的质量(mg)；WD为原料的质量(mg)。
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采用气相色谱仪(GC9890B)对可燃气的组分进行分析，包括一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、O2和N2，可燃气的低位热值通过式(5)进行计算。
$$ {V}_{\mathrm{L}\mathrm{H}}=\mathrm{ }12.6{V}_{\mathrm{C}\mathrm{O}}+10.8{V}_{{\mathrm{H}}_{2}}+35.9{V}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} 。$$ (5) 式(5)中：VLH为可燃气的低位热值(MJ·m−3)，$ {V}_{\mathrm{C}\mathrm{O}} $、$ {V}_{{\mathrm{H}}_{2}} $、$ {V}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} $分别代表各气体成分在可燃气中的体积分数(%)。采用气质联用仪(7890B-5977B)对气化焦油组分进行分析，测试前先采用色谱级甲醇溶剂对液体产物进行稀释。气相色谱检测条件：载气为高纯氦气(99.999%)，载气流速1 mL·min−1，色谱柱为HP-5MS毛细管柱，不分流。柱箱升温过程以4 ℃·min−1的升温速率升至260 ℃。质谱检测条件：离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃，全扫描模式，溶剂延迟时间3 min。根据美国国家标准技术研究所谱库对液体产物进行组分鉴定和相对含量分析，用峰面积归一化法计算各组分的相对含量。
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表1列出了3种不同类型生物质原料的元素分析、工业分析和热值结果。由元素分析结果可知：生物质原料的氮(N)和硫(S)元素都很低，其中棕榈壳的C元素质量分数最高(48.50%)，马尾松的H元素质量分数最高(6.17%)，玉米秸秆C元素最低，而O元素质量分数最高(47.75%)，导致玉米秸秆的高位热值(16.16 MJ·kg−1)小于棕榈壳(17.06 MJ·kg−1)和马尾松(17.77 MJ·kg−1)。由工业分析结果可知：马尾松的挥发分质量分数最高，而灰分质量分数极低，仅为0.20%，远低于玉米秸秆(3.38%)和棕榈壳(4.51%)，灰分中的碱和碱土金属在气化过程中将促进焦油的二次裂解，降低焦油质量分数。
表 1 玉米秸秆、棕榈壳和马尾松的元素分析、工业分析和热值
Table 1. Ultimate analysis, proximate analysis, and calorific values of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
样品 工业分析 元素分析 高位热值/(MJ·kg−1) m挥发分/% m灰分/% m固定碳/% mC/% mH/% mO/% mN/% mS/% 玉米秸秆 77.79 3.38 18.83 45.75 5.80 47.75 0.49 0.21 16.16 棕榈壳 73.04 4.51 22.45 48.50 5.53 44.80 1.08 0.09 17.06 马尾松 85.08 0.20 14.72 47.91 6.17 45.82 0.10 0.00 17.77 -
图2为3种不同类型生物质原料的XRD图谱。由图2可知：在衍射角为16°和22°处，3种原料均出现了2个衍射峰，分别代表纤维素结晶区的三斜晶系(Iα)和单斜晶系(Iβ)结构峰[8]，但是3种原料的结晶度存在显著差别。在衍射角为22º时，马尾松的衍射峰较为尖锐，而玉米秸秆和棕榈壳的衍射峰则较为宽泛。根据式(1)计算得到3种原料的结晶度的大小依次为马尾松(53.7)、玉米秸秆(50.0)、棕榈壳(48.7)。生物质原料的结晶度与纤维素质量分数密切相关，马尾松作为木本生物质，纤维素质量分数最高(40%~60%)，远高于草本生物质(30%~40%)与果壳类生物质(约25%)中纤维素质量分数，导致其结晶度最高[9]。
图 2 玉米秸秆、棕榈壳与马尾松原料的X射线衍射图
Figure 2. XRD patterns of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
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图3为3种不同类型生物质原料在升温速率为20 ℃·min−1时的热重(TG)和微商热重(DTG)曲线。由TG曲线可知：玉米秸秆、棕榈壳和马尾松的热解残余质量分别为24.39%、27.48%和21.63%，其中马尾松的残余质量最少，因为马尾松的挥发分质量分数最高，灰分质量分数最低。由DTG曲线可知：3种原料的热解过程主要分为3个阶段，分别为干燥阶段、快速热解阶段和慢速热解阶段。干燥阶段的温度范围为室温至150 ℃，其中105 ℃以下时，主要是自由水的挥发，而在105 ℃以上时，主要是结合水的挥发。快速热解阶段的温度范围为150~ 425 ℃，此阶段的失重主要来自于生物质中半纤维素、纤维素和木质素的逐步热降解[9−10]。结果表明：3种原料的快速热解阶段存在显著差异。玉米秸秆热解存在3个失重峰，分别位于220、284和337 ℃，位于左侧的2个失重峰主要来自于半纤维素的降解，失重率较小，而位于右侧的最大失重峰则来自于纤维素的降解，失重率为15.85%·min−1。棕榈壳的快速热解过程存在2个显著的失重峰，分别来自于半纤维素和纤维素。然而与其他2种原料相比，棕榈壳原料的2个失重峰间距较大，主要原因是棕榈壳中木质素质量分数较高。木质素是由苯丙烷基结构单元组成的具有三维结构的芳香族化合物，以共价键的形式与纤维素和半纤维素交联，形成稳定的生物质化学结构。因此，较高的木质素质量分数导致生物质热降解速率变慢，导致半纤维素和纤维素的热降解失重峰分离较为明显[11]。马尾松的快速热解阶段主要由1个轻微的肩峰和1个清晰的尖峰构成，分别来自于半纤维素和纤维素降解，尖峰处的失重率为21.63%·min−1，远高于其他2种原料的失重率，主要原因是马尾松的纤维素质量分数最高。慢速热解阶段的温度范围较广，主要是木质素的降解，木质素中连接键发生断裂，之后逐渐缩聚形成无定形结构炭[12]。
图 3 玉米秸秆、棕榈壳与马尾松热解过程的 TG (A)和 DTG (B)曲线
Figure 3. TG (A) and DTG (B) curves during pyrolysis of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
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由图4可知：随着气化温度从700 ℃增加至900 ℃，所有原料的可燃气产率逐渐增加，而生物质炭和焦油的质量产率逐渐下降。生物质气化过程是由干燥、热解、氧化和还原等4个阶段组成。随着气化温度的增加，生物质原料在气化过程中的热解和氧化反应增强，消耗更多的固态原料，使其转化为挥发分气体，进而使得燃气的质量产率上升，生物质炭的质量产率下降。此外，较高的气化温度有利于焦油发生二次降解反应，转化为小分子的可燃气体，使得液体产物的质量产率下降[13−14]。MOHAMMED等[15]和GÁLVEZ-PÉREZ等[16]分别研究了气化温度对棕榈果废弃物和橄榄Canarium album饼气化产物产率的影响。结果表明：在更高的气化温度条件下，可燃气的产率呈上升的趋势，而生物质炭与焦油产率逐渐降低。主要原因是随着反应器内温度升高，气固反应更加充分，加剧了氧化和还原反应的发生，有利于焦油的裂解和重整反应，产气量逐渐增加，焦油产量减小。
图 4 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化产物质量产率的影响
Figure 4. Effect of gasification temperatures on the mass yields of gasified products from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
然而，3种原料的气化产物的产率存在显著差异。当气化温度为900 ℃时，3种原料的可燃气质量产率从高到低依次为马尾松(67.16%)、玉米秸秆(60.70%)、棕榈壳(57.61%)，生物质炭的质量产率从高到低依次为棕榈壳(19.72%)、玉米秸秆(15.96%)、马尾松(10.93%)，焦油的质量产率从高到低依次为玉米秸秆(23.34%)、棕榈壳(22.68%)、马尾松(21.91%)。结果表明：在3种原料中，马尾松气化产生的可燃气质量产率最高，而生物质炭和焦油的质量产率最低。主要原因是马尾松的挥发分质量分数最高，导致其在热解和气化反应区产生更多的可燃气，并且马尾松的灰分质量分数最低，而灰分大部分都残留在生物质炭中，导致其生物质炭的产率最低[17]。
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由图5可知：生物质原料气化的主要组分为H2、CO、CH4和CO2，其中CO为最主要的可燃气组分，体积分数远高于H2和CH4。随着气化温度从700 ℃增加至900 ℃，3种生物质可燃气中的CO、H2和CH4体积分数均逐渐增加，CO2体积分数逐渐减少，低位热值逐渐增加。以马尾松为例，CO、H2和CH4体积分数分别从37.95%、8.69%和15.67%增加至40.03%、18.27%和18.29%，而CO2体积分数则从14.88%减少至10.71%，低位热值从11.34 MJ·m−3增加至13.58 MJ·m−3。CERÓN等[18]研究了气化温度对挪威云杉Picea abies气化可燃气组分和热值的影响。结果表明：随着气化温度从750 ℃增加至950 ℃，CO和H2体积分数分别从10.4%和1.3%增加至21.4%和4.3%，而CO2则从3.8%下降至2.3%。主要原因如下：首先，气化温度的增加，促进了生物质在热解区的热降解反应，产生更多的挥发分气体；其次，较高的气化温度促进了燃烧区生物质炭中的C、H元素和气化剂中的O2之间的燃烧反应，进而生成更多的CO2和水(H2O)；最后，燃烧区产生的CO2和H2O进入还原区，与生物质炭中的C元素发生水煤气转化反应和Boudouard反应，产生更多的CO和H2等可燃气体，而CH4主要来自于焦油的二次裂解反应和加氢气化反应，高温促进了加氢气化反应的发生，使得CH4体积分数增加[19−20]。
图 5 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化可燃气组分和热值的影响
Figure 5. Effect of gasification temperatures on the compound distribution and calorific values of gaseous product from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
3种生物质原料气化产生的可燃气组分和热值存在显著差异。当气化温度为900 ℃时，马尾松气化产生的CO体积分数最高，为40.03%，其次为玉米秸秆(31.37%)和棕榈壳(26.36%)；玉米秸秆气化产生的H2体积分数最高，为21.93%，其次为棕榈壳(21.05%)和马尾松(18.27%)；棕榈壳气化产生的CH4体积分数最高，为20.63%，其次为马尾松(18.29%)和玉米秸秆(16.65%)。马尾松气化产生可燃气的低位热值最高，达到13.59 MJ·m−3，表明在这3种原料中，马尾松最适宜作为气化原料。
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通过对比表1和表2数据可知：与生物质原料相比，气化后生物质炭的C元素质量分数显著增加，H和O元素大幅度减少，挥发分质量分数显著下降，灰分质量分数大幅增加。首先，气化温度对生物质炭的基础特性具有显著影响。根据元素分析结果，随着气化温度的增加，玉米秸秆炭C元素质量分数逐渐减少，棕榈壳炭与马尾松炭的C元素质量分数逐渐增加，3种生物质炭的H与O元素质量分数均逐渐减少；其次，根据工业分析结果可知，随着气化温度的增加，3种生物质炭的挥发分质量分数均逐渐减少，灰分质量分数逐渐增加，玉米秸秆炭固定碳质量分数逐渐减少，而棕榈壳炭与马尾松炭的固定碳质量分数逐渐增加，因此，玉米秸秆炭的高位热值逐渐下降，而棕榈壳炭与马尾松炭的高位热值略有上升。其次，不同原料之间的基础特性差异也导致3种气化生物质炭之间存在显著差异。当气化温度为900 ℃时，马尾松炭的C元素和固定碳质量分数最高，为85.75%和79.37%；玉米秸秆炭的O元素、H元素、挥发分和灰分质量分数最高，分别为19.73%、1.77%、26.83%和24.11%。因此，3种原料中，马尾松气化炭的高位热值最高，而玉米秸秆炭高位热值最低，3种生物质炭的高位热值从高到低依次为马尾松炭(29.70 MJ·kg−1)、棕榈壳炭(23.97 MJ·kg−1)、玉米秸秆炭(17.69 MJ·kg−1)。
表 2 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化生物质炭基本特性的影响
Table 2. Effect of gasification temperature on the basic properties of bio-charfrom corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
样品 T/℃ 元素分析 工业分析 高位热值/(MJ·kg−1) mC/% mH/% mO/% mN/% mS/% m挥发分/% m灰分/% m固定碳/% 玉米秸秆炭 700 65.03 2.02 20.45 0.02 0.03 31.49 12.45 56.06 21.51 玉米秸秆炭 800 61.93 1.82 20.26 0.01 0.00 29.52 15.98 54.50 20.21 玉米秸秆炭 900 54.37 1.77 19.72 0.01 0.02 26.83 24.11 49.06 17.69 棕榈壳炭 700 64.69 1.91 13.42 0.01 0.00 22.47 19.97 57.56 22.31 棕榈壳炭 800 68.49 1.71 9.73 0.01 0.00 19.61 20.06 60.33 23.88 棕榈壳炭 900 68.80 1.55 8.33 0.01 0.04 18.12 21.27 60.61 23.97 马尾松炭 700 83.58 2.16 10.93 0.00 0.05 21.35 2.71 75.94 29.39 马尾松炭 800 85.23 1.85 9.92 0.00 0.00 19.03 3.00 77.97 29.66 马尾松炭 900 85.75 1.74 9.78 0.00 0.02 17.92 3.28 79.37 29.70 说明：mO=100%−mC−mH−mN−mS−m灰分。 -
生物质气化的液体产物主要由酸类、醛类、酮类、醇类、酯类、酚类、芳烃类、呋喃类等有机化合物组成。由图6A可知：随着气化温度从700 ℃增加至900 ℃，所有原料气化后液体中酸类、醇类、醛酮类、呋喃类相对含量均呈递减趋势；玉米秸秆与马尾松气化液体中酯类相对含量逐渐下降，而棕榈壳呈相反趋势；玉米秸秆与棕榈壳气化液体产物的酚类物质相对含量的变化规律一致，而马尾松出现先增加后减小现象。此外，随气化温度的增加，玉米秸秆、棕榈壳、马尾松气化液体中芳烃类物质相对含量显著增加，分别从0.29%、1.30%、0.19%增加到50.86%、37.24%、61.12%。这是因为在高温下焦油中的酚类等含氧化合物逐步发生脱氧反应，使得芳构化程度逐渐加深，导致芳烃相对含量明显增加[21]。刘慧利等[22]研究了气化温度对液体产物组分含量的影响，发现在高温气化(700~900 ℃)条件下，液体产物中酚类化合物等含氧化合物极易发生脱氧反应，并最终形成了大量芳烃类化合物。
图 6 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化液体产物组分的影响
Figure 6. Effect of gasification temperatures on the liquid products of gaseous product from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图6B为气化温度为900 ℃时，3种生物质原料气化液体产物的总离子色谱图。马尾松气化产生的芳烃类相对含量最高，为61.12%，其次为玉米秸秆(50.86%)和棕榈壳(37.24%)，这是因为马尾松中纤维素相对含量最高(占40%~60%)，在高温下裂解产生大量的含氧化合物，此类含氧化合物与烯烃会发生Diels-Alder反应，进而形成芳烃类物质[23]。玉米秸秆气化产生的呋喃类相对含量最高，为6.54%，棕榈壳和马尾松缺未检测出此类组分。这是因为半纤维素是草本植物的主要成分(占25%~39%)，木聚糖经吡喃环开环反应生成木糖苷，C2或者C3位置上的4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸取代基脱落，最终发生连续脱水反应形成多种呋喃类物质[24]。棕榈壳气化产生的酚类相对含量最高，为38.97%，其次为玉米秸秆(36.12%)和马尾松(26.13%)，这与棕榈壳中木质素相对含量(约50%)较高有关，木质素主要是由愈创木基、紫丁香基和对羟基苯基等3种结构单元组成，通过木质素中的β—O—4醚键、C—C键等连接键的断裂，生成大量的酚类化合物[25]。
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采用自主设计的微型固定床气化装置，研究了气化温度对马尾松、玉米秸秆和棕榈壳等3种生物质气化产物产率和特性的影响。结果表明：随着气化温度的增加，可燃气质量产率逐渐增加，而生物质炭和焦油质量产率逐渐减小；较高的气化温度有利于可燃气中可燃组分和热值的提高；较高的气化温度导致生物质炭中的C元素和灰分质量分数增加，而H和O元素及挥发分质量分数降低，热值增加；较高的气化温度导致焦油中酸类、醇类、醛酮类、呋喃类化合物相对含量逐渐减小，而芳烃类化合物相对含量大幅增加。
Effect of gasification temperature on the properties of the bio-gas, bio-char, and tar derived in biomass gasification
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摘要:
目的 生物质气化技术是一种清洁可再生的能源利用技术。研究气化温度对气化产物特性的影响机制，构建气化产物特性的演变规律，对中国实现碳达峰与碳中和目标具有重大意义。 方法 以玉米Zea mays秸秆、棕榈Trachycarpus fortunei壳和马尾松Pinus massoniana等3种农林生物质废弃物为原料，以空气为气化剂，采用自制的微型固定床气化装置，开展3种生物质的气化多联产研究，系统研究了不同气化温度(700、800、900 ℃)对气化性能的影响，以及对气化三相产物(可燃气、生物质炭与焦油)特性的影响机制。 结果 随着气化温度从700 ℃增加至900 ℃，可燃气的质量产率逐渐增加，而生物质炭和焦油的质量产率逐渐减小。较高的气化温度有利于提升可燃气的热值。在3种原料中，马尾松可燃气的热值最高，一氧化碳、氢气和甲烷体积分数分别为40.03%、18.27%和18.29%，低位热值达13.58 MJ·m−3。随着气化温度的增加，生物质炭中的碳元素质量分数增加，氢元素质量分数下降，灰分质量分数大幅增加，其中马尾松炭的热值最高，达29.70 MJ·kg−1。随着气化温度的增加，3种原料的气化液体产物中酸类、醇类、醛酮类、呋喃类化合物相对含量逐渐减小，而芳烃类化合物相对含量大幅增加，其中马尾松的芳烃类化合物相对含量最高，达到61.12%。 结论 气化温度对生物质气化三相产物的产量及特性有显著的影响，选择合适的气化温度对提高生物质可燃气热值及气化效率至关重要。图6表2参25 Abstract:Objective Biomass gasification technology is a clean and renewable energy utilization approach. The purpose of this study is to investigate the influence mechanism of gasification temperature on the properties of gasification products, and to build the evolution law of the characteristics of gasification products, which is of great significance for China to achieve the goal of carbon peaking and carbon neutrality. Method Three types of lignocellulosic biomass, namely Zea mays, Trachycarpus fortunei, and Pinus massoniana, were gasified in a home-made fixed bed gasification reactor. The effect of different gasification temperatures (GT) (700, 800, 900 ℃) on gasification performance were systematically studied, as well as the mechanism of their effects on the characteristics of gasification products (bio-gas, bio-char, and tar). Result With the increase of GT from 700 ℃ to 900 ℃, the yield of bio-gas gradually increased, while the yields of bio-char and tar gradually decreased. Higher GT resulted in better quality of bio-gas. Among the three types of biomass, bio-gas from P. massoniana had the highest calorific value. The contents of CO, H2, and CH4 were 40.03%, 18.27%, and 18.29%, respectively, and the lower calorific value was 13.58 MJ·m−3. With the increase of GT, the contents of C and ash increased, while the contents of H decreased. The calorific value of bio-char from P. massoniana was the highest, reaching 29.70 MJ·kg−1. With the increase of GT, the content of acids, alcohols, aldehydes, ketones and furans in the liquid products of biomass gasification gradually decreased, while the content of aromatics increased significantly, with the highest aromatic content in P. massoniana, reaching 61.12%. Conclusion GT has a significant influence on the yield and properties of gasified products. Optimizing the gasification temperature is crucial for improving the calorific value and gasification efficiency. [Ch, 6 fig. 2 tab. 25 ref.] -
Key words:
- biomass /
- gasification poly-generation /
- gasification temperature /
- bio-gas /
- bio-char /
- tar
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放牧是草地的主要利用方式之一，主要通过牲畜的采食、践踏、卧息和排泄粪便等方式对地表植被、土壤养分以及土壤微生物产生影响[1]。土壤微生物在有机质的分解、养分循环与转化等方面具有重要作用[2]，其数量和群落功能多样性能够在一定程度上指示土壤质量及其可持续利用性[3]。研究放牧与土壤微生物的关系，有助于揭示过度放牧导致草场沙漠化的机制。根际是植物、土壤、微生物之间进行物质和能量交换的关键区域，是植物和土壤相互作用的重要界面，诸多学者对植物根际与非根际土壤的养分、微生物数量及群落组成的差异性开展了大量的研究[4-7]。邱权等[8]综合比较了4种人工灌木丛根际和非根际土壤的特性，发现土壤酶活性和微生物数量呈现出根际高于非根际；对宁夏宁南山区猪毛蒿Artemisia scoparia，百里香Thymus mongolicus等9种典型植物[9]和内蒙古羊草Leymus chinensis，大针茅Stipa grandis和冷蒿Artemisia frigida等典型植物[10]进行研究，表明大多数植物的根际土壤微生物数量、活性及多样性等均高于非根际土壤，是由于植物物种差异所引起。冷蒿是菊科Compositae蒿属Artemisia植物，多年生小半灌木，是退化草场的典型植物，具有强烈的耐牧生存能力，高强度放牧干扰后仍能够生长繁殖并维持一定的生产力，这与其自身的生物学特性[11]及根系代谢产物[12]对土壤微环境的调控密切相关。目前，关于放牧干扰对冷蒿根际土壤微生物群落多样性影响的研究尚未报道。本研究拟采用微生物传统培养法和Biolog-ECO板技术，对不同放牧强度下冷蒿根际土壤化学性质、微生物数量及其群落功能多样性进行研究，分析冷蒿根际土壤微生物数量及代谢功能多样性对放牧干扰的响应，探讨冷蒿耐牧性与土壤微生物群落多样性之间的关系，为揭示冷蒿成为草场退化阻击者提供土壤生态学方面的理论依据。
1. 材料与方法
1.1 研究地区概况
本研究依托内蒙古锡林浩特市毛登牧场（内蒙古大学草地生态学研究基地）进行，其地理位置为44°10′02.4″ N，116°28′56.8″ E，海拔1 160 m，属半干旱大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季在一定程度上受海洋季风气候影响。全年平均气温为-0.4 ℃，最冷月（1月）平均气温-22.3 ℃，最热月（7月）平均气温18.8 ℃，≥0 ℃年积温为2 410 ℃，≥10 ℃积温为1 597.9 ℃，无霜期91 d，草场植物生长期为150 d左右。全年平均降水量为365.6 mm，集中于6-9月，占年降水量的80%左右，但年度间的变幅较大，多雨和少雨的年份降水量相差1倍以上。该地雨热同期，有利于植物的生长，土壤为栗钙土。本研究区域主要草原植物为羊草，糙隐子草Cleistogenes squarrosa，克氏针茅Stipa krylovii，大针茅，防风Saposhnikovia divaricata，冷蒿，瓣蕊唐松草Thalictrum petaloideum，阿尔泰狗哇花Heteropappus altaicus等。
1.2 样地设置及土样采集
1.2.1 试验设计
于2012年5月至2014年7月连续2 a对草场进行不同放牧强度处理，每年放牧时间为5-9月。试验按照放牧强度设置不放牧为对照（ck），5月和7月每月21日放牧1 d为轻度放牧（light grazing，LG），5-9月每月21日放牧1 d为重度放牧（heavy grazing，HG），3个处理；受天气因素的影响，每次放牧时间延后。分别设置重复3个·处理-1，面积为33.3 m × 33.3 m·小区-1。试验用羊为当年生乌珠穆沁羊Capra hircus ‘Ujimqin’，各个放牧季节羊放牧率为6只·小区-1。
1.2.2 土壤样品的采集与保存
土壤样品采集于2014年7月冷蒿生长高峰期，在各个小区采用5点取样法。随即选取4~5丛冷蒿，以冷蒿株丛为中心，将冷蒿纯植株丛完整挖起（0~10 cm），轻轻抖动根系并去除粘附在根系上的较大颗粒土，作为冷蒿非根际土壤（NRS），采集粘附在根际上根系表面的土壤作为冷蒿根际土壤（ARS）。各个小区采集的土壤混合在一起作为该小区样地的土样，各个小区用5点取样法采样2次以获得同一小区的2份土样。将土壤装入无菌封口塑料袋，带回实验室。土样分成2份，1份于4 ℃保存，用于可培养微生物的分离、计数及Biolog-ECO板测定，另1份风干过2 mm筛，用于测定土壤理化性质。
1.2.3 微生物分离与记数
土壤可培养微生物数量（colony forming units，cfu）用稀释平板法分离计数。细菌采用牛肉膏蛋白胨固体培养基；真菌采用马丁培养基；放线菌采用高氏1号培养基，30 ℃恒温培养，细菌培养1 d后计数，真菌、放线菌培养3 d后计数。
1.2.4 微生物代谢功能多样性测定
土壤微生物代谢功能多样性采用Biolog-ECO板方法进行分析。称取新鲜土样1 g于9 mL磷酸缓冲液中，在摇床上震荡30 min，在接种前按10倍稀释法制成10-4土壤稀释液，使用8通道移液器，从V型槽中吸取150 μL稀释液至ECO板的微孔中，接种后的板置于30 ℃恒温培养，每隔24 h在Biolog读板仪上用Biolog Reader 4.2软件（Biolog，Hayward，CA，美国）读取590 nm波长的吸光度D（590），培养时间为168 h。
1.3 土壤理化性质测定
测定参照鲁如坤[13]的土壤农化分析方法进行。有机质（organic matter，OM）采用重铬酸钾容量法；全氮（total nitrogen，TN）采用半微量凯氏定氮法；碱解氮（hydrolysis nitrogen，HN）采用碱解扩散法；全磷（total phosphorus，TP）采用氢氧化钠碱溶-钼锑抗比色法；速效磷（available phosphorus，AP）采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法；全钾（total potassium，TK）采用氢氧化钠碱溶-火焰光度法；速效钾（available potassium，AK）采用乙酸氨浸提-火焰光度法；pH值采用酸度计法，土壤悬液为水土比为m（水）: m（土）=5:1。
1.4 数据处理
土壤微生物群落利用碳源的整体能力（即代谢活性）用平均孔颜色变化率（average well color development，AWCD）表示。AWCD=[∑（Ci-R）]/n，其中：Ci为测定的31个碳源孔吸光值，R为对照孔吸光值，n为碳源数目。土壤微生物群落功能多样性采用Shannon指数、Simpson指数、丰富度指数和McIntosh指数进行分析。
所有的数据均为5次重复的平均值±标准误差，利用Origin 8软件（美国Origin Lab公司）对96 h的AWCD值进行统计分析和作图。统计方法采用单因素方差分析（one-way ANOVA）进行检验，并进行Fisher最小显著差数法（LSD）多重比较（P＜0.05）。采用双因素方差分析（two-way ANOVA）分析土壤×放牧处理之间相互作用的影响，利用SPSS 16.0进行主成分分析[14]。
2. 结果与分析
2.1 不同放牧强度下土壤部分化学性质的变化
由表 1可知：放牧对2种土壤中的有机质、全磷、碱解氮、速效钾和pH值具有极显著影响，对全氮和全钾具有显著影响。放牧特别是重度放牧后，NRS土壤中各养分质量分数均显著增加，pH值显著下降；ARS土壤中有机质和其他养分质量分数均显著增加，重度放牧后，有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾与对照相比分别增加20.0%，29.1%，17.7%，13.0%，3.4%和6.7%，但pH值显著降低，重度放牧后呈弱碱性；相同放牧处理下ARS土壤各养分质量分数均显著高于NRS土壤，pH值明显低于NRS土壤。
表 1 不同放牧强度下土壤化学性质Table 1. Soil chemical properties under different grazing intensity
2.2 不同放牧强度下土壤微生物的组成
不同放牧强度下2类土壤中微生物的总量、主要类群数量差异显著（图 1），微生物总量以LG-ARS和ck-ARS最高，分别为24.6×106个（cfu）·g-1和20.4×106个（cfu）·g-1，显著高于其他处理组。三大类异养微生物数量在各土壤微生物组成中均以细菌类群占绝对优势，但细菌、真菌、放线菌间的组成比例差异较大，其中细菌占微生物总数88%~95%，放线菌其次，占微生物总数的3%~12%，真菌最少。放牧后NRS土壤中细菌、真菌数量显著下降，而ARS土壤中真菌数量增加显著，且显著高于NRS，细菌数量在轻度放牧后显著增加，重度放牧后下降。
图 1 不同放牧强度下土壤微生物种群密度Figure 1. Soil microbial population density under different grazing intensity2.3 土壤微生物群落代谢活性的变化
图 2为土壤微生物群落代谢活性（AWCD）随培养时间的变化曲线：在培养初始的24 h内土壤微生物活性较低，24 h后AWCD值快速增长，168 h时各处理的AWCD值均达到最大，利用碳源能力的顺序为LG-ARS＞ck-ARS＞ck-NRS＞LG-NRS＞HG-ARS＞HG-NRS，平均值分别为0.999，0.918，0.861，0.769，0.695，0.310；相同牧压下ARS土壤微生物的AWCD值均显著高于NRS，对照、轻度和重度放牧后AWCD值分别是NRS的1.07倍、1.30倍和2.24倍。
图 2 不同放牧强度下土壤微生物群落AWCD随培养时间的变化Figure 2. AWCD changes with incubation time of soil microbial under different grazing intensity2.4 土壤微生物对不同类型碳源利用强度分析
放牧强度不同，土壤微生物对不同种类碳源利用强度存在显著差异（表 2）；冷蒿根际土壤中，轻度放牧可增加微生物对不同种类碳源的利用能力，碳源代谢的优势群落与对照相同，依次为糖类＞氨基酸＞羧酸＞聚合物＞胺类＞酚酸代谢群落，土壤微生物群落结构稳定；重度放牧后，微生物对各类碳源的利用率显著下降，优势群落发生改变；冷蒿非根际土壤中，放牧强度增强，土壤微生物对不同种类碳源利用率变化较大，未显示一定的规律性，土壤微生物群落功能多样性变化很大，不稳定。
表 2 不同放牧强度下土壤微生物群落对6类碳源的利用（96 h）Table 2. Effect of soil microbial on the ability to utilize six types carbon source under different grazing intensity (96 h)
2.5 土壤微生物群落功能多样性指数分析
随放牧强度的增加，冷蒿根际和非根际土壤微生物的4种指数均显著降低（表 3）。Shannon指数和碳源利用丰富度指数表明放牧降低微生物群落功能多样性，减少碳源的利用数目，而冷蒿根际土壤微生物种类多且较均匀，利用的碳源数量较多；冷蒿根际土壤的Simpson指数显著高于非冷蒿根际，表明冷蒿能够显著提高优势菌的数量，削弱放牧对常见微生物物种的不良影响；LG-ARS和HG-ARS的McIntosh指数显著高于LG-NRS和HG-NRS，说明LG-ARS和HG-ARS的土壤微生物种类更为丰富，碳源利用程度较高；重度放牧后McIntosh指数最低，表明过度放牧会降低土壤微生物种类丰富度和碳源利用程度。
表 3 不同放牧强度下土壤微生物群落功能多样性指数比较（96 h）Table 3. Functional diversity indices for soil microbial community under different grazing intensity (96 h)
2.6 不同放牧强度下土壤微生物碳源利用的主成分分析
运用SPSS软件对培养96 h测定的AWCD数据进行主成分分析，得到2个与土壤微生物利用碳源多样性相关的主成分，累计贡献率达到69.3%。其中第1主成分（PC1）的方差贡献率为52.1%，权重最大，第2主成分（PC2）贡献率为17.2%。因其他主成分贡献率较小，因此只用PC1和PC2得分作图来表征微生物群落碳源代谢特征（图 3）。由图 3可知：不同处理在PC轴上出现明显的分布差异，HG-ARS位于PC1负方向，得分系数为-0.308，其他处理均位于PC1正方向，得分系数为0.160~1.030；HG-NRS位于PC2负方向，得分系数为-0.357，其他处理位于PC2正方向，得分系数范围为0.300~0.950。可见，提取的2个主成分基本上能够区分不同放牧强度ARS和NRS土壤类别的微生物群落功能多样性。另外，将主成分PC1和PC2的得分系数与31种单一碳源做相关性分析，其中与PC1相关的碳源有16种，其中11个呈负相关，主要是糖类、羧酸类和聚合物，肝糖与PC1显著负相关；5个呈正相关，主要是氨基酸类和胺类。与PC2相关的碳源有17种，其中15种呈正相关，主要是糖类和羧酸类碳源，L-苯丙氨酸与其相关性显著。可见羧酸类和氨基酸类碳源在主成分分离中具有主要贡献作用。
图 3 不同放牧强度下土壤微生物碳源利用类型的主成分分析Figure 3. Principal components for carbon utilization of soil microbial communities under different grazing intensity3. 讨论
3.1 放牧对冷蒿根际土壤养分的影响
土壤养分是土壤健康状况的重要指标，放牧对土壤有机质、元素循环产生影响。对中国西藏高原高山草甸[15]、科尔沁沙漠化草地[16]、松嫩平原羊草草甸[17]和玉树隆宝滩地区高寒草甸[18]的研究中均发现土壤有机质质量分数在放牧后显著降低，但是REEDER等[19]和WIENHOLD等[20]的研究结果与之相反，认为放牧能够增加土壤中的有机质等。安慧等[21]认为放牧过程动物通过粪便将消耗的植物养分大部分返还到土壤中，增加土壤碳氮输入，使有机质、氮素和速效钾、速效磷等增加。本研究结果与上述研究结果相似，放牧后土壤中有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾和速效磷等增加，土壤pH值下降。同时，本研究还发现冷蒿根际土壤中有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾等养分显著高于非根际，而土壤的pH值显著低于非根际（P＜0.05），冷蒿的生长能够有效改善土壤健康状况，降低放牧对土壤的扰动，可能是由于冷蒿的生物量、盖度、根茎比与牧压成正比[22]，较大的根茎比增加了碳素等向地下的分配量[23]，使得土壤中各化学组分的量增加；根系分泌大量的酸性物质[12]，降低土壤pH值的同时增加各种元素的可溶性和可被利用性。
3.2 放牧对冷蒿根际土壤微生物数量的影响
关于放牧对草原土壤微生物影响的研究很多，但结果不一致。WANG等[24]在美国佛罗里达州一草地的研究结果表明，放牧草地土壤微生物数量显著高于未放牧草地，停止放牧微生物数量也随之下降；BARDGETT等[25]研究表明：放牧能增加高原草地土壤的微生物量。有更多研究认为，适度放牧有助于土壤微生物数量的增加，过度放牧则会导致微生物数量显著降低[26]。与此类研究结果不同，本研究中放牧干扰降低了非根际土壤微生物数量，但冷蒿的生长却使土壤微生物数量在放牧后显著升高，并且相同放牧强度下，冷蒿根际微生物的数量均高于非根际（图 1）。表明冷蒿的生长能够降低放牧对土壤微生物产生的干扰，使土壤微生物能够较正常的生长繁殖，这可能是冷蒿在放牧后较其他草原植物仍能生长良好引起的。冷蒿被动物践踏破坏顶端优势后，其半匍匐型枝条生成不定根进行克隆生长[22, 27]，其发达的根系及丰富的根系分泌物能够为土壤微生物提供丰富的生长基质和有利的生存环境，丰富了土壤微生物的能量来源。另外，冷蒿地上茎叶部分常释放出具有抑制动物采食、其他牧草种子萌发、幼苗生长和繁衍能力的挥发性物质，增强冷蒿的生存竞争力[28-29]，这些特性为构建稳定土壤生态群落提供了坚实基础。冷蒿的良好生长为土壤微生物提供了良好的生存环境以及丰富的碳源，而对非根际土壤微生物来说土壤微环境破坏严重且可用的碳源较少而不能大量繁殖。本研究表明：土壤微生物量与冷蒿的有无具有密切关系，冷蒿能够为微生物提供相对稳定的微生态环境以及相对丰富的土壤养分，降低放牧对土壤的扰动，使土壤微生物量显著升高。
3.3 放牧对冷蒿根际土壤微生物群落功能多样性的影响
本试验采用Biolog-ECO板技术对内蒙古典型草原不同放牧强度下冷蒿根际和非根际土壤微生物功能多样性进行了研究，结果显示放牧后土壤微生物活性、4种微生物多样性指数及碳源利用能力均显著下降。导致微生物群落功能多样性下降的可能原因是放牧改变了地表植被多样性，使输入地下的植物残体、根系分泌物成分改变，加之牧畜践踏增强对土壤团聚体及地表的破坏，改变了土壤结构，使土壤微生物生境改变，从而影响土壤微生物的活性及群落多样性。当前，诸多研究证明草地利用、管理条件和植被类型的变化能显著改变土壤微生物群落组成、活性及功能多样性[30]。张海芳等[31]对内蒙古贝加尔针茅草原在放牧、刈割和围封等3种不同利用方式下土壤微生物功能多样性进行研究，发现放牧后土壤微生物代谢活性降低，但功能多样性增强；刈割与放牧方式下微生物群落碳源利用情况及代谢功能相似，而围封土壤微生物群落代谢活性最高，碳源利用模式及代谢强度也不同于放牧和刈割。李玉洁等[32]认为随着休牧年限增加，贝加尔针茅草原土壤微生物的代谢功能增强，数量增大；毕江涛等[33]研究荒漠草原5种不同植被类型土壤微生物活性、主要利用碳源类型、群落功能多样性均存在显著差异。可见，植物根际土壤微生物多样性不仅随着利用方式改变，还随着植物类型改变，具有很强的植物种的特异性。
本研究还发现：不同放牧强度处理下冷蒿根际土壤微生物活性、碳源利用能力及功能多样性等都高于非根际土壤。主成分分析表明：对照和轻度放牧后冷蒿根际与非冷蒿根际土壤差异不显著，重度放牧后两者差异显著，羧酸类和氨基酸类碳源在分异中起重要作用，植被类型和多样性的改变影响微生物的碳源利用，尤其体现在对这两类碳源的利用上[34-35]。其中羧酸类和氨基酸类碳源是根系分泌物的主要成分，分别与植物抗胁迫和土壤养分有效性有关[36]。根际土壤与非根际土壤微生物之间的差异与植物凋落物和根系分泌物息息相关，植物凋落物和根系分泌物是土壤微生物生长基质和有利环境的提供者。而不同植物的凋落物和根系分泌物化学组分差异很大[37]，是植被类型影响土壤微生物活性及功能类群的主要推进力量[38]。王纳纳等[10]对内蒙古草原典型植物对土壤微生物群落影响的研究发现，植物不同土壤微生物群落组成不同，并且土壤微生物群落结构在根际和非根际间的差异大于不同物种间的差异，说明植物根际和非根际土壤性质和微生物群落功能多样性存在巨大不同。杨阳等[7]对宁夏荒漠草原不同植物根际与非根际微生物量分布特征的研究也发现，长芒草Stipa bungeana，蒙古冰草Agropyron mongolicum，甘草Glycyrrhiza uralensis等6种地带性优势植物根际土壤微生物量显著高于非根际土壤。滕应等[39]发现矿区土壤根际微生物数量、群落功能多样性、碳源利用类型及群落结构因种植牧草种类不同而发生相应变化，且根际土壤微生物代谢活性均显著高于非根际土壤。
4. 结论
本研究结果表明：放牧处理后，在冷蒿根际和非根际土壤化学性质、微生物量、群落结构和代谢功能上存在不同程度的差异。冷蒿根际土壤微生物量、代谢活性、碳源利用能力和多样性指数均高于非根际。LG-ARS微生物代谢活性最高，ck-ARS微生物多样性指数最高，对31种碳源利用最强，而HG-NRS微生物多样性指数均最低。冷蒿根际土壤微生物优势代谢群落为糖类、氨基酸类和羧酸类，相对稳定，而非根际优势代谢群落变化较大，不稳定。放牧处理后，冷蒿根际土壤pH值均低于pH 8.0，土壤养分均高于非根际。总之，冷蒿的“纯植株丛”生长方式能够改善土壤微环境，增加其根际土壤微生物群落功能多样性，从而增强抵抗放牧胁迫的能力，成为草场的优势群落。
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图 2 玉米秸秆、棕榈壳与马尾松原料的X射线衍射图
Figure 2 XRD patterns of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图 3 玉米秸秆、棕榈壳与马尾松热解过程的 TG (A)和 DTG (B)曲线
Figure 3 TG (A) and DTG (B) curves during pyrolysis of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图 4 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化产物质量产率的影响
Figure 4 Effect of gasification temperatures on the mass yields of gasified products from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图 5 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化可燃气组分和热值的影响
Figure 5 Effect of gasification temperatures on the compound distribution and calorific values of gaseous product from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图 6 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化液体产物组分的影响
Figure 6 Effect of gasification temperatures on the liquid products of gaseous product from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
表 1 玉米秸秆、棕榈壳和马尾松的元素分析、工业分析和热值
Table 1. Ultimate analysis, proximate analysis, and calorific values of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
样品 工业分析 元素分析 高位热值/(MJ·kg−1) m挥发分/% m灰分/% m固定碳/% mC/% mH/% mO/% mN/% mS/% 玉米秸秆 77.79 3.38 18.83 45.75 5.80 47.75 0.49 0.21 16.16 棕榈壳 73.04 4.51 22.45 48.50 5.53 44.80 1.08 0.09 17.06 马尾松 85.08 0.20 14.72 47.91 6.17 45.82 0.10 0.00 17.77 
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表 2 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化生物质炭基本特性的影响
Table 2. Effect of gasification temperature on the basic properties of bio-charfrom corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
样品 T/℃ 元素分析 工业分析 高位热值/(MJ·kg−1) mC/% mH/% mO/% mN/% mS/% m挥发分/% m灰分/% m固定碳/% 玉米秸秆炭 700 65.03 2.02 20.45 0.02 0.03 31.49 12.45 56.06 21.51 玉米秸秆炭 800 61.93 1.82 20.26 0.01 0.00 29.52 15.98 54.50 20.21 玉米秸秆炭 900 54.37 1.77 19.72 0.01 0.02 26.83 24.11 49.06 17.69 棕榈壳炭 700 64.69 1.91 13.42 0.01 0.00 22.47 19.97 57.56 22.31 棕榈壳炭 800 68.49 1.71 9.73 0.01 0.00 19.61 20.06 60.33 23.88 棕榈壳炭 900 68.80 1.55 8.33 0.01 0.04 18.12 21.27 60.61 23.97 马尾松炭 700 83.58 2.16 10.93 0.00 0.05 21.35 2.71 75.94 29.39 马尾松炭 800 85.23 1.85 9.92 0.00 0.00 19.03 3.00 77.97 29.66 马尾松炭 900 85.75 1.74 9.78 0.00 0.02 17.92 3.28 79.37 29.70 说明：mO=100%−mC−mH−mN−mS−m灰分。
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