玉米秸秆的绿色“炼金术”——点草成“煤”

玉米秸秆的绿色“炼金术”——点草成“煤”

丰收之后留下的玉米秸秆，曾是困扰农民与环境的难题。焚烧处理污染环境，直接还田降解缓慢。如今，一项名为水热炭化的“黑科技”，正让这些农业废弃物迎来华丽的转身。一项研究揭示，通过精准控制工艺，我们可以像设定程序一样，将玉米秸秆变成两种不同的“宝藏”：一种是易于降解还田的土壤改良剂，另一种则是可替代煤炭的清洁燃料。这究竟是如何做到的？

一、 神奇的“水热锅”：模拟大地造煤的过程

      想象一下，将粉碎的玉米秸秆与水放入一个特制的高压“锅”中，通过加热增压，模拟自然界需要数百万年的煤化过程，在几小时内就能快速完成。这个过程就是水热炭化。它无需提前干燥秸秆，以水为介质，通过一系列的脱水、脱羧反应，最终得到一种富含碳的固体产物——水热炭。

      研究的巧妙之处在于，它设定了不同的“火候”与“时间”（温度170℃-260℃，时间30或60分钟），旨在探索如何通过调控工艺，实现秸秆的 “减量化” （便于后续处理）与 “资源化” （作为燃料）两种截然不同的目标。

二、 温度是关键：“火候”不同，命运迥异

      实验发现，在这场废弃物的蜕变中，温度是绝对的“总指挥”，其影响力远大于反应时间。随着“火候”升高，水热炭的命运也走向了不同的岔路口。

1.200℃：最佳“减量化”节点，助力秸秆快速还田

 当温度达到200℃时，扫描电镜（SEM）图像显示，秸秆原本光滑完整的纤维结构被大幅破坏，变得支离破碎。

 这种结构上的“瓦解”意味着秸秆在还田后能更快速地被微生物分解，大大提升了降解效率，完美实现了“减量化”处置的目标。

2.230℃：华丽变身，成就优质“仿煤”燃料

当温度升至230℃，水热炭迎来了质的飞跃。其高位热值提升至23.56 MJ/kg，能量回收效率达到峰值。更关键的是，其H/C和O/C原子比已进入褐煤的范畴。

图 3 水热炭的 FTIＲ 光谱               

这意味着，此时的水热炭在燃烧特性上已堪比褐煤，而制备过程所消耗的能量与产出的能量相比达到了最佳性价比，是实现“资源化”燃料利用的最经济、高效的工艺节点。

三、 微观世界里的蜕变证据

      通过高科技手段，我们可以清晰地“看见”这场蜕变的证据：

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1.结构之变：电镜图像清晰展示了秸秆表面从光滑到出现碳微球、最终变得疏松多孔的全过程，这是燃料性能提升的直接证据。

2.成分之变：红外光谱分析表明，随着温度升高，代表羟基（-OH）和羧基（C=O）的吸收峰明显减弱，印证了脱水、脱羧反应的进行，使得水热炭碳含量更高，疏水性更强。

四、 巨大的环保效益：为“双碳”目标贡献力量

      将秸秆转化为水热炭来替代煤炭，其环保效益极为显著。计算表明，每利用1吨秸秆水热炭，可实现二氧化碳减排约2384千克，减排效率高达88.3%，同时还能减少75%的二氧化硫排放。这不仅是“变废为宝”，更是实实在在为蓝天减负、为碳中和目标贡献力量。

结语：

      针对不同的处理目标，我们可以为玉米秸秆选择最合适的“转型”路径。若旨在快速还田，200℃的水热碳化是最佳选择；若旨在生产清洁能源，230℃则能点草成“煤”。这种精准的绿色技术，为我国乃至全球大量农业废弃物的高效、高值化利用提供了切实可行的方案，让曾经的“负担”真正转化为循环经济中的宝贵资源。

版权说明

      本文内容整理自发表于《吉 林 建 筑 大 学 学 报》的《玉米秸秆在不同处置目的下的水热碳化研究及其减排分析》（作者：宋晶攀等）。原创研究成果版权归原作者及期刊所有。