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随着可再生能源利用技术的快速发展,生物质能源的利用越来越受到研究者的关注。秸秆是我国主要的生物质能源,每年产约8亿吨。目前,燃烧等热化学转化技术是秸秆等生物质能应用的主要方式。这些过程会产生大量的灰,秸秆灰中含有钾、磷、钙、镁等农作物生长所需要的多种营养元素,若其能有效还田,可实现这些营养元素在农业生态系统中的循环。然而,秸秆燃烧时温度过高,特别是固相成灰物质温度(灰化温度)过高时,秸秆灰会出现软化、结渣和烧结等现象。烧结灰中营养元素不能在土壤中溶解,从而无法被作物吸收。因此,研究灰化温度对秸秆灰溶解特性的影响,对秸秆灰的还田应用以及实现秸秆能源化可持续应用均具有十分重要的意义。本文以我国三种典型作物秸秆—玉米秸、麦秸和稻秸—为例,在预实验及分析生物质热化学转化技术常用温度的基础上,选择400-800°C灰化温度制灰,采用X射线荧光光谱(XRF),辅以场发射扫描电子显微镜(SEM)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、火焰光度计(FP)和钾离子选择性电极(PISE)分析手段,结合质量守恒法,研究了灰化温度对秸秆灰水溶性、秸秆中营养可循环含量的影响,分析了这些参数与温度的平衡关系,探讨了玉米秸灰中水溶速效钾含量与温度和停留时间的关系。主要研究内容和结果如下:(1)研究了灰化温度对三种秸秆灰及灰中主要营养元素水溶性的影响。结果表明,不同灰化温度下,三种秸秆灰水溶性由大到小基本遵循:麦秸灰>玉米秸灰>稻秸灰;在三种秸秆灰中,钾、钠、硫和氯是水易溶性元素,磷、钙、镁、硅、铁和铝是水不溶性元素;随着灰化温度从400°C升高至800°C,玉米秸灰、麦秸灰和稻秸灰的水溶性分别从约38%、50%和38%降至约10%、9%和6%,三种灰中钾的水溶性分别从约82%、85%和85%降至约32%、48%和15%;硫的水溶性均在75%以上;钠和氯的水溶性不同程度地随温度升高而降低。(2)研究了灰化温度对三种秸秆中养分可循环含量和玉米秸中钾可循环含量的影响。结果表明,不同灰化温度下,三种秸秆中养分可循环含量差异不显著;随着温度从400°C升高至800°C,玉米秸、麦秸和稻秸中可循环物质质量分数分别从4.2%、4.9%和5.2%降至0.8%、0.6%和0.7%,玉米秸中钾的可循环含量从约89%降至约20%。可见,低温燃烧可有效提高秸秆中养分(钾)在自然界中循环的比例。(3)分析了三种秸秆灰水溶性、灰中钾水溶性和水溶速效钾含量与温度的平衡关系。结果表明,随温度从400°C升高至600°C时,玉米秸灰和麦秸灰水溶性、灰中钾水溶性和水溶速效钾含量均缓慢下降;当从600°C升至700°C时,三者均快速下降;当温度高于700°C时,随着温度升高,它们基本稳定不变;稻秸灰的这些参数随温度升高呈线性下降的变化趋势。(4)探讨了不同温度下,停留时间对玉米秸灰及灰中钾水溶性的影响。结果发现,不同温度下,停留时间对玉米秸灰及钾水溶性的影响程度差异较大;600°C以下,停留时间对灰及钾水溶性的影响较小;700°C时,随停留时间从10min延长至240min,灰及钾水溶性分别从约18%和49%降至约8%和29%;在800°C停留时间从10min延长至120min时,灰及钾水溶性分别从约11%和42%降至约7%和31%,当停留时间继续延长时,二者水溶性基本保持不变。