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中国作为传统的农业大国，秸秆资源十分丰富，但长期以来利用方式相对单一，约70%秸秆被直接燃烧，造成严重的环境污染和资源浪费。研究开发规模化高效利用秸秆技术具有重要的意义。生物炭是生物质热解炭化形成的功能材料，因其低污染性和良好吸附性能，在环境领域具有广泛的应用前景。将秸秆转化为生物炭不仅能够解决秸秆焚烧污染问题，还能实现资源化利用。本论文以棉花秸秆为生物质资源，利用连续流化床技术制备生物炭工艺，并探究其工业化应用的可行性。
采用玻璃流化床反应器和流化床热解装置对由沙子和棉花秸秆组成的双组分混合物的流化现象进行冷态实验研究，通过探究床层压降的变化规律，分析其流化现象，筛选出流化效果理想的棉花秸秆质量占比和粒径大小，推导出最小流化速度经验方程。通过观察玻璃流化床床层压降的变化规律可知，由沙子和棉花秸秆组成的双组分流化介质开始流化时，床层压降增长趋势变缓；完全流化时，压降保持相对恒定；继续增大气速，会出现分层现象和秸秆流失情况，压降会小幅度升高，随后略微降低。稳定流化状态较好的棉花秸秆最大质量占比为15%，较优粒径为2.36-4.75mm。根据流化床热解实验的床层压降变化曲线得出：质量占比小于15%时，完全稳定流化速度范围较宽，流化效果良好。在粒径为1.18-4.75mm的棉花秸秆质量占比为15%的条件下，根据推导出的最小流化速度经验方程计算出的最小流化速度误差在10%以内。
利用固定床反应器和流化床热解装置进行棉花秸秆的热解炭化实验研究，筛选适宜的热解反应条件。通过N2等温吸附脱附（BET、BJH）、扫描电镜（SEM）和红外光谱（ATR-FTIR）等方法对制备生物炭表征。研究结果表明：热解温度对生物炭品质和产率影响较大，热解时间对生物炭品质和产率影响较小。采用固定床制备生物炭棉花秸秆适宜的热解温度为600℃和热解时间为60min。利用流化床热解装置以沙子为流化介质得到棉花秸秆不同热解温度下的稳定流化气速，在此基础上确定适宜的热解温度为500℃、热解时间为20min，热解温度的降低和热解时间的缩短充分发挥了流态化技术传热传质效率高的优势。表征结果为制备生物炭比表面积为186.54m2/g，活性官能团丰富，表面粗糙但具有较好的孔隙结构，有利于吸附应用。
采用FeCl3对制备的生物炭进行改性，考察改性后的生物炭对水体中Cr(VI)离子的吸附性能，研究结果表明：随着FeCl3溶液浓度的增加、Cr(VI)溶液pH的减小、吸附剂用量增加、Cr(VI)溶液浓度的减小，改性生物炭对溶液中Cr(VI)的吸附性能逐渐增强。Fe3+溶液浓度为0.5mg/L、Cr(VI)溶液初始pH为6、生物炭投加量为0.1g、Cr(VI)液初始浓度为50mg/L、吸附时间为3h的条件下，改性生物炭对Cr(VI)的吸附量为23.4mg/g，表现出良好的吸附效果。吸附动力学拟合结果表明在吸附初期棉花秸秆生物炭对溶液中Cr(VI)的吸附更符合拟二级动力学方程，以化学吸附为主过程，吸附时间达到一定时间后属于内扩散过程。
以实验数据为基础，设计了年处理3600吨生物质流化床装置，确定了连续流化床制备生物炭工艺流程，探讨了工业化生产的可行性。设计结果为流化床反应器床高为4000mm，反应内径为702mm，分离内径为839mm。对热解气体通过冷凝系统回收液态产物，设置尾气燃烧炉进行余热回收。
采用玻璃流化床反应器和流化床热解装置对由沙子和棉花秸秆组成的双组分混合物的流化现象进行冷态实验研究，通过探究床层压降的变化规律，分析其流化现象，筛选出流化效果理想的棉花秸秆质量占比和粒径大小，推导出最小流化速度经验方程。通过观察玻璃流化床床层压降的变化规律可知，由沙子和棉花秸秆组成的双组分流化介质开始流化时，床层压降增长趋势变缓；完全流化时，压降保持相对恒定；继续增大气速，会出现分层现象和秸秆流失情况，压降会小幅度升高，随后略微降低。稳定流化状态较好的棉花秸秆最大质量占比为15%，较优粒径为2.36-4.75mm。根据流化床热解实验的床层压降变化曲线得出：质量占比小于15%时，完全稳定流化速度范围较宽，流化效果良好。在粒径为1.18-4.75mm的棉花秸秆质量占比为15%的条件下，根据推导出的最小流化速度经验方程计算出的最小流化速度误差在10%以内。
利用固定床反应器和流化床热解装置进行棉花秸秆的热解炭化实验研究，筛选适宜的热解反应条件。通过N2等温吸附脱附（BET、BJH）、扫描电镜（SEM）和红外光谱（ATR-FTIR）等方法对制备生物炭表征。研究结果表明：热解温度对生物炭品质和产率影响较大，热解时间对生物炭品质和产率影响较小。采用固定床制备生物炭棉花秸秆适宜的热解温度为600℃和热解时间为60min。利用流化床热解装置以沙子为流化介质得到棉花秸秆不同热解温度下的稳定流化气速，在此基础上确定适宜的热解温度为500℃、热解时间为20min，热解温度的降低和热解时间的缩短充分发挥了流态化技术传热传质效率高的优势。表征结果为制备生物炭比表面积为186.54m2/g，活性官能团丰富，表面粗糙但具有较好的孔隙结构，有利于吸附应用。
采用FeCl3对制备的生物炭进行改性，考察改性后的生物炭对水体中Cr(VI)离子的吸附性能，研究结果表明：随着FeCl3溶液浓度的增加、Cr(VI)溶液pH的减小、吸附剂用量增加、Cr(VI)溶液浓度的减小，改性生物炭对溶液中Cr(VI)的吸附性能逐渐增强。Fe3+溶液浓度为0.5mg/L、Cr(VI)溶液初始pH为6、生物炭投加量为0.1g、Cr(VI)液初始浓度为50mg/L、吸附时间为3h的条件下，改性生物炭对Cr(VI)的吸附量为23.4mg/g，表现出良好的吸附效果。吸附动力学拟合结果表明在吸附初期棉花秸秆生物炭对溶液中Cr(VI)的吸附更符合拟二级动力学方程，以化学吸附为主过程，吸附时间达到一定时间后属于内扩散过程。
以实验数据为基础，设计了年处理3600吨生物质流化床装置，确定了连续流化床制备生物炭工艺流程，探讨了工业化生产的可行性。设计结果为流化床反应器床高为4000mm，反应内径为702mm，分离内径为839mm。对热解气体通过冷凝系统回收液态产物，设置尾气燃烧炉进行余热回收。