開(kāi)興平 ，余祎騰 ，楊天華 ，朱景博

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧省清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

在諸多生物質(zhì)利用途徑中，熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)較為成熟，應(yīng)用前景廣闊，主要包括直燃、混燃、氣化、熱解和高壓液化等[1-3]。其中，生物質(zhì)直燃和混燃技術(shù)不僅可以有效減少碳排放，也是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)規(guī)?；瘧?yīng)用最重要和最簡(jiǎn)單的利用形式。然而，生物質(zhì)本身固有的弊端限制了其廣泛應(yīng)用：較低的質(zhì)量密度以及大體積增加了遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本[4-6]；高含水量和強(qiáng)親水性導(dǎo)致其易腐蝕變質(zhì)，影響后續(xù)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)存運(yùn)輸[5-7]；高韌的纖維組織結(jié)構(gòu)增加了粉碎能耗[8]；非均勻性使得工藝設(shè)計(jì)和控制更加復(fù)雜[9]。此外，生物質(zhì)尤其是農(nóng)作物秸稈富含的堿金屬和氯在燃燒過(guò)程中易析出并附著在換熱器和煙道表面，造成積灰、結(jié)渣和腐蝕等問(wèn)題，降低鍋爐壽命和傳熱效率，限制了生物質(zhì)直接作為燃料在現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用[6,10]。為提高生物質(zhì)作為燃料的品質(zhì)，改善其理化特性，有必要對(duì)其進(jìn)行加工預(yù)處理。

烘焙作為一種新興的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)，可有效提高生物質(zhì)的熱值、質(zhì)量密度、能量密度、疏水性及研磨性，并促進(jìn)氯、鉀的釋放[11-16]。然而，現(xiàn)階段烘焙預(yù)處理大多在純N2氣氛下進(jìn)行，無(wú)法與工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景緊密結(jié)合：一方面，無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)條件下的完全惰性氣氛；另一方面，系統(tǒng)需要提供額外熱源，且N2制備成本相對(duì)高昂，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，烘焙適宜的溫度一般為200-300 ℃[17,18]，大部分鍋爐設(shè)備的煙氣余熱可滿(mǎn)足該條件。富氧燃燒采用了煙氣再循環(huán)技術(shù)，使得利用其高含CO2的再循環(huán)煙氣來(lái)進(jìn)行烘焙成為可能，不僅節(jié)省了設(shè)備成本，提高了鍋爐熱效率，還可在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)大量的CO2減排[19,20]。目前，已有回轉(zhuǎn)窯結(jié)合富氧燃燒工藝制取水泥的工程實(shí)例。但在考慮用富氧燃燒煙氣來(lái)進(jìn)行烘焙預(yù)處理時(shí)，必須考慮煙氣中O2對(duì)烘焙過(guò)程的影響[21,22]，這對(duì)于利用工業(yè)煙氣來(lái)進(jìn)行烘焙預(yù)處理有著重要意義。本研究通過(guò)模擬富氧煙氣氣氛，對(duì)稻稈進(jìn)行有氧烘焙預(yù)處理，探究烘焙溫度和氧氣濃度對(duì)烘焙生物質(zhì)理化特性的影響，為其工業(yè)上的應(yīng)用提供一定的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

選取稻稈(RRS)為實(shí)驗(yàn)原料。實(shí)驗(yàn)前將其經(jīng)粉碎篩分至150 μm以下，以保證后續(xù)烘焙產(chǎn)物的均勻性，并于室溫下密封保存于干燥器中。稻稈的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)和測(cè)試方法

烘焙設(shè)備選用的是臺(tái)式烘箱(HOC-DH45BF，中國(guó))，烘焙停留時(shí)間為30 min，實(shí)驗(yàn)溫度分別為200、225、250、275和 300 ℃，實(shí)驗(yàn)氣氛為二氧化碳與氧氣組成的混合氣體，氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為0、2%、4%、6%、8%和10%。實(shí)驗(yàn)操作流程為：當(dāng)烘箱溫度在預(yù)設(shè)值保持穩(wěn)定后，向烘箱內(nèi)通入混合氣體進(jìn)行掃氣，氣體流量為15 L/min，掃氣5 min，以確保烘箱內(nèi)氣氛穩(wěn)定并與外部環(huán)境形成壓力正差。將稻稈粉末均勻地平鋪在托盤(pán)中并置于反應(yīng)室內(nèi)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉O2氣路，同時(shí)將CO2流量調(diào)整至15 L/min，以確保反應(yīng)室內(nèi)的惰性氣氛并迅速降溫，避免后續(xù)反應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。當(dāng)烘箱溫度冷卻至100 ℃時(shí)，將樣品取出稱(chēng)重并密封保存于干燥器中，以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。每種工況下重復(fù)三次以確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)值取三次結(jié)果的平均值。

采用傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Scientific Nicolet iS50，美國(guó))測(cè)定稻稈中有機(jī)官能團(tuán)；利用電感耦合等離子體光譜分析儀(Perkin Elmer Optima 8300，美國(guó))測(cè)定稻稈中氯、鉀含量；使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Nova NanoSEM 450，德國(guó))進(jìn)行微觀形貌分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 有氧烘焙對(duì)稻稈成分的影響

烘焙稻稈(TRS)的物性參數(shù)如表2所示。可以看出，隨著溫度升高，烘焙稻稈中揮發(fā)分含量逐漸減少，灰分和固定碳含量逐漸增加，且當(dāng)氧氣較高時(shí)，各組分含量隨溫度變化的幅度更為明顯，但總體趨勢(shì)相同。純CO2氣氛下，當(dāng)溫度由200 ℃上升到300 ℃時(shí)灰分和固定碳含量分別上升了6.64%和12.51%，揮發(fā)分含量下降了19.15%，而O2體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，灰分和固定碳含量分別上升了13.69%和19.09%，揮發(fā)分含量下降了32.78%，其中，揮發(fā)分的變化更為明顯，這是因?yàn)楦邷卮龠M(jìn)了揮發(fā)分的釋放，同時(shí)氧氣體積分?jǐn)?shù)升高促進(jìn)了氧化反應(yīng)，使得揮發(fā)分進(jìn)一步脫除。氧氣體積分?jǐn)?shù)變化時(shí)，各組分含量在低溫下(≤ 250 ℃)的變化趨勢(shì)并不明顯。烘焙溫度為300 ℃時(shí)，固定碳含量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，由0 O2的26.77%上升至4%O2的38.76%，然后逐漸下降至10%O2的34.80%，說(shuō)明高溫條件下，氧化反應(yīng)劇烈，物料局部熱解甚至燃燒，固定碳含量減少，灰分含量提高。這一變化趨勢(shì)與高位熱值的變化趨勢(shì)完全一致。

由表2還可以看出，隨著溫度的升高，烘焙稻稈中C含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，H、O含量的變化趨勢(shì)正好相反。此外，相同烘焙溫度下，氧體積分?jǐn)?shù)的變化對(duì)烘焙稻稈中各元素含量的影響較小。

表2 烘焙稻稈的工業(yè)分析和元素分析Table 2 Proximate and ultimate analyses of TRSa (dry basis)

2.2 有氧烘焙對(duì)稻稈燃料品質(zhì)的影響

烘焙稻稈的質(zhì)量收率、能量收率及能量密度根據(jù)式(1)-(3)計(jì)算[3]，結(jié)果如圖1所示。

圖1 烘焙稻稈的質(zhì)量收率(a)能量收率(b)和能量密度(c)Figure 1 Mass yield (a) energy yield (b) and energy density (c) of TRS

式中，mtorrefied和mraw分別代表烘焙稻稈和原始稻稈的質(zhì)量，單位為 g；HHVtorrefied和HHVraw分別代表烘焙稻稈和原始稻稈的高位熱值，單位為kJ/kg；Ym、Ye和De分別代表烘焙稻稈的質(zhì)量收率、能量收率和能量密度。

由圖1可知，質(zhì)量和能量收率呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，即兩者隨著烘焙溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。當(dāng)烘焙溫度為200和225 ℃，氧氣體積分?jǐn)?shù)低于6%時(shí)，質(zhì)量收率和能量收率接近，說(shuō)明低溫條件下，稻稈的質(zhì)量收率和能量收率幾乎不受氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響，氧化反應(yīng)較弱。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)，兩溫度下的質(zhì)量收率和能量收率表現(xiàn)出較為明顯的差距，這主要是由于溫度上升，氧分子活性加強(qiáng)，與物料表面發(fā)生更多的不完全氧化反應(yīng)引起的。由圖1(c)還可以看出，氧氣體積分?jǐn)?shù)在0-4%時(shí)，能量密度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這主要是由于能量收率的下降幅度大于質(zhì)量收率的下降幅度引起的，實(shí)際上此時(shí)烘焙反應(yīng)和氧化反應(yīng)的影響都極其有限。

當(dāng)烘焙溫度超過(guò)250 ℃時(shí)，質(zhì)量收率和能量收率均出現(xiàn)大幅下降。溫度為275 ℃時(shí)，質(zhì)量收率和能量收率分別從0 O2的66.05%和75.30%下降到2%O2的58.04%和66.90%，分別下降了8.01%和8.40%。對(duì)比相同條件下，烘焙溫度為250 °C，質(zhì)量收率和能量收率分別下降了2.65%和2.69%，下降程度明顯。可以認(rèn)為，即使是在低氧氣氛下，較高的烘焙溫度仍然能促進(jìn)有氧烘焙過(guò)程中的氧化反應(yīng)。

從圖1中還可以看出，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)從2%上升到10%，質(zhì)量收率的下降幅度較為平緩，而能量收率的變化趨勢(shì)稍有不同。當(dāng)烘焙溫度為250和275 ℃時(shí)，能量收率在氧氣體積分?jǐn)?shù)為6%-8%出現(xiàn)明顯的降幅，而在300 ℃時(shí)，這一降幅出現(xiàn)在氧氣體積分?jǐn)?shù)為4%-6%。這一變化趨勢(shì)也體現(xiàn)在能量密度的變化趨勢(shì)上，三種情況下能量密度均在峰值后出現(xiàn)了不同程度的下降，且溫度越高下降幅度越大，下降段溫度有提前的趨勢(shì)。這是因?yàn)楦邷卮龠M(jìn)了氧化反應(yīng)，釋放出大量熱量，造成料層內(nèi)熱量堆積，導(dǎo)致物料局部熱解甚至燃燒，不利于烘焙。

總體上，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù) ≤ 6%時(shí)，隨著烘焙溫度的升高，能量收率的下降幅度小于質(zhì)量收率的下降幅度，能有效提高烘焙稻稈的能量密度。在此氧氣體積分?jǐn)?shù)下，烘焙溫度為250 ℃時(shí)稻稈的質(zhì)量收率和能量收率分別保持在70%和80%以上。相比于純CO2氣氛，能量收率下降約10%，能量密度提升明顯。這與其他學(xué)者的有關(guān)研究表現(xiàn)出相似的結(jié)果[23-26]。綜合考慮質(zhì)量和能量收率、能量密度以及工業(yè)實(shí)際情況，可以認(rèn)為烘焙溫度為250 ℃，氧氣體積分?jǐn)?shù)為6%，是比較合適的有氧烘焙工況。

為了更直觀地描述有氧烘焙過(guò)程中烘焙反應(yīng)和氧化反應(yīng)的變化，假設(shè)整個(gè)過(guò)程是由烘焙反應(yīng)和氧化反應(yīng)以線性方式組成。在此基礎(chǔ)上，選取烘焙溫度為250 ℃，氧氣體積分?jǐn)?shù)為6%作為典型烘焙工況，總計(jì)10個(gè)對(duì)象。有氧烘焙過(guò)程中烘焙反應(yīng)和氧化反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化率根據(jù)式(4)-(6)計(jì)算，不同工況下烘焙反應(yīng)和氧化反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化率如圖2所示。

圖2 不同烘焙溫度(a)和氧氣體積分?jǐn)?shù)(b)下烘焙稻稈的能量轉(zhuǎn)化率Figure 2 Energy conversion rate of TRS under different torrefaction temperature (a) and oxygen concentration (b)

式 中， αall為有 氧烘 焙的 總 轉(zhuǎn)化 率；Ye/all為有 氧烘焙的能量收率； αtor為烘焙反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化率；Ye/tor為對(duì)應(yīng)烘焙溫度下，在純CO2氣氛下烘焙稻稈的能量收率； αoxi為氧化反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化率。

從圖2中可以看出，當(dāng)烘焙溫度低于250 ℃時(shí)，烘焙和氧化反應(yīng)的作用效果均不明顯。當(dāng)溫度從250 ℃上升到300 ℃時(shí)，烘焙轉(zhuǎn)化率由13.85%上升至41.03%，提高了27.18%，而此時(shí)氧化轉(zhuǎn)化率僅提高了8.77%，說(shuō)明提高溫度主要增強(qiáng)了烘焙反應(yīng)。此外還可以看出，當(dāng)溫度由250 ℃升高至275 ℃時(shí)，氧化轉(zhuǎn)化率的增幅明顯，而當(dāng)溫度繼續(xù)升至300 ℃時(shí)其增幅微弱。這主要是受到氧體積分?jǐn)?shù)較低的限制，在275 ℃時(shí)，氧化反應(yīng)已趨于極限，繼續(xù)提高溫度并不能進(jìn)一步促進(jìn)氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù) ≤ 6%時(shí)，氧化反應(yīng)較弱，轉(zhuǎn)化率變化不大。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)，氧化反應(yīng)明顯加劇，這是因?yàn)榇藭r(shí)氧化放熱增加，稻稈發(fā)生局部熱解甚至燃燒，孔隙結(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)，比表面積增大，導(dǎo)致氧氣分子與碳的接觸面積更大，促進(jìn)了氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.3 有氧烘焙對(duì)稻稈中有機(jī)官能團(tuán)分布的影響

稻稈在不同烘焙溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)下的有機(jī)官能團(tuán)分布如圖3所示。從圖3中可以看出，不同烘焙溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)下制得的烘焙稻稈具有相同的官能團(tuán)。隨著烘焙溫度的升高，-OH(3400-3200 cm-1)的峰值強(qiáng)度減弱，這主要是由于半纖維素和纖維素中的羥基裂解和分子內(nèi)脫水反應(yīng)加劇造成的[27,28]。C=O(1700 cm-1)峰值增大主要是由于纖維素和半纖維素發(fā)生了脫羰基和羧基反應(yīng)以及環(huán)內(nèi)C=O自由基團(tuán)斷裂，生成的諸如酮、醛、羧酸以及其他焦油物質(zhì)附著在烘焙稻稈表面造成的[29]。C-O-C(1275 cm-1)峰值減小，一方面由于高溫條件下，氧化反應(yīng)更加活躍，促進(jìn)了揮發(fā)性物質(zhì)(酚、醇和醚)的釋放；另一方面，纖維素和半纖維素在烘焙過(guò)程中可能發(fā)生了熱解[30,31]。C-H(865-810 cm-1)峰值增大是因?yàn)楦邷叵聝?nèi)部反應(yīng)加劇，芳香烴環(huán)及其衍生物發(fā)生斷裂重整，并吸附在烘焙稻稈的表面上造成的。

圖3 不同烘焙溫度(a)和氧氣體積分?jǐn)?shù)(b)下烘焙稻稈中有機(jī)官能團(tuán)分布Figure 3 Distribution of organic functional groups in TRS under different torrefaction temperature (a)and oxygen concentration (b)

隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，-OH的峰值變化并不明顯，但總體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谘鯕怏w積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，氧氣分子與稻稈內(nèi)部發(fā)生化學(xué)吸附，形成新的-OH造成的。但在氧氣體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)已趨于飽和，因此，繼續(xù)提高氧氣體積分?jǐn)?shù)并不能增強(qiáng)-OH的吸收峰。C=O和C-H的峰值幾乎沒(méi)有變化，而C-O-C吸收峰則表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，并在氧氣體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)達(dá)到最大值。這可能是因?yàn)?，?dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，氧化產(chǎn)物中有機(jī)組分進(jìn)一步增加，并與稻稈發(fā)生化學(xué)吸附造成的。

總的來(lái)看，與烘焙溫度相比，氧氣體積分?jǐn)?shù)增加對(duì)烘焙稻稈官能團(tuán)吸收峰的影響較小，說(shuō)明在烘焙過(guò)程中引入氧氣，并不會(huì)明顯改變稻稈中的有機(jī)物質(zhì)成分。

2.4 有氧烘焙對(duì)稻稈氯、鉀釋放特性的影響

稻稈烘焙前后氯、鉀含量如表3所示。隨著烘焙溫度的升高，氯、鉀的相對(duì)含量均表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，且從250 ℃開(kāi)始增幅明顯。雖然氯、鉀的相對(duì)含量隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的提高也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但變化不大，增幅較為平緩。

表3 烘焙稻稈的氯、鉀含量Table 3 Content of Cl and K in TRS under different conditions

為了進(jìn)一步闡明有氧烘焙過(guò)程中氯、鉀的釋放行為及其相互關(guān)系，表4給出了稻稈烘焙過(guò)程中氯、鉀的留存率以及留存物質(zhì)的量比[32]，計(jì)算公式如下所示。

表4 不同工況下烘焙稻稈的氯、鉀留存率Table 4 Retention ratio of Cl and K of TRS under different conditions

式中，mraw為原始稻稈中氯或鉀的相對(duì)含量；mtorrefied為烘焙稻稈中氯或鉀的相對(duì)含量；Ym為烘焙稻稈的質(zhì)量收率；R為氯或鉀的留存率；Cl/K為氯、鉀的留存物質(zhì)的量比；mCl和mK分別為烘焙稻稈中氯、鉀的相對(duì)含量，見(jiàn)表3；RCl和RK分別為氯、鉀的留存率。

稻稈中氯、鉀主要以水溶性無(wú)機(jī)鹽的形式存在，其中，氯的主要賦存形式為KCl，而鉀的賦存形式除了KCl之外，還包括K2Si2O5和K2SO4[33-35]。當(dāng)烘焙溫度由200 ℃升高到300 ℃時(shí)，氯、鉀的留存率分別從94.49%、91.97%下降至78.92%、74.81%，氯、鉀的釋放從250 ℃開(kāi)始明顯增加。在烘焙過(guò)程中，Cl進(jìn)入氣相并以HCl的形式釋放出來(lái)，這主要是KCl與有機(jī)質(zhì)中的羧基發(fā)生離子交換反應(yīng)形成，KCl中的K原子在該反應(yīng)中取代了羧基中的-H并留存在烘焙產(chǎn)物中。還有少量HCl則是由KCl與SiO2和H2O發(fā)生反應(yīng)形成[33-36]。HCl在230 ℃時(shí)出現(xiàn)[35]，這解釋了Cl的釋放從250 ℃開(kāi)始明顯上升的原因。

原始稻稈中氯、鉀物質(zhì)的量比為0.61，相比之下，烘焙過(guò)程中氯、鉀的留存物質(zhì)的量比增大，這說(shuō)明在烘焙過(guò)程中除了KCl的分解以外，還有少量其他形式的含鉀化合物轉(zhuǎn)化為氣相鉀。研究表明，游離的氯鉀離子可以與半纖維素中的羥基和羧基形成新的氫鍵，破壞分子內(nèi)和分子間的氫鍵，加速了有機(jī)基質(zhì)的分解，而有機(jī)質(zhì)的加速分解又促使揮發(fā)物中含氧和-H官能團(tuán)的含量上升，進(jìn)一步促進(jìn)了氯、鉀的釋放[32]。這一現(xiàn)象在250 ℃時(shí)表現(xiàn)明顯，主要是因?yàn)榘肜w維素在250 ℃時(shí)開(kāi)始劇烈分解[37]。

當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)由0上升到10%時(shí)，氯、鉀的留存率分別從89.27%、87.62%下降到86.50%、85.57%，與不同溫度下的變化趨勢(shì)相同，但降幅較緩。與低氧條件(≤ 6%)下相比，高氧條件下氯、鉀留存率的降幅更為明顯，這是因?yàn)樵诟哐鯒l件下，氧化反應(yīng)更加劇烈，放熱增多，加速了稻稈中半纖維素的分解，從而促進(jìn)了氯、鉀的釋放。

2.5 有氧烘焙對(duì)稻稈微觀形貌的影響

稻稈烘焙前后的微觀形貌如圖4所示。從圖4中可以看出，原始稻稈的表皮組織完整，較為光滑，烘焙溫度為200 ℃時(shí)表皮破裂并部分脫落，可以觀察到表皮下的纖維組織；250 ℃時(shí)表皮完全脫落，纖維組織表面出現(xiàn)稻稈內(nèi)部物質(zhì)揮發(fā)逸出時(shí)形成的小孔；300 ℃時(shí)纖維組織破碎并明顯脫落，稻稈內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)。隨著氧氣濃度的增加，表皮逐漸破裂至完全脫落，氧氣體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)纖維組織斷裂并部分脫落，表面出現(xiàn)孔狀結(jié)構(gòu)；氧氣體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)小孔數(shù)量增多，且孔徑增大；氧氣體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)纖維組織孔隙增大，結(jié)構(gòu)更為松散，稻稈內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不明顯。

圖4 稻稈烘焙前后的微觀形貌Figure 4 Microstructure of rice straw before and after torrefaction

結(jié)合2.4節(jié)中的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，純CO2氣氛下，烘焙稻稈的表皮組織被破壞，這主要是由于分子內(nèi)和分子間的氫鍵斷裂造成的。隨著溫度和氧氣濃度的提高，揮發(fā)分的釋放量增多，稻稈表面的孔隙結(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)，導(dǎo)致O2能更輕易地進(jìn)入稻稈內(nèi)部。高溫和高氧均有利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致稻稈內(nèi)局部熱量堆積，從而破壞了稻稈結(jié)構(gòu)。相比于250 ℃-10%O2條件下的烘焙稻稈，300 ℃-6%O2條件下的稻稈烘焙程度更高，稻稈結(jié)構(gòu)破壞的也更加徹底，進(jìn)一步說(shuō)明與煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)相比，溫度是影響有氧烘焙過(guò)程的主要因素。

3 結(jié) 論

本研究探索了有氧烘焙過(guò)程中烘焙溫度和氧氣對(duì)稻稈理化特性的影響，得出如下主要結(jié)論：

與氧相比，溫度對(duì)稻稈有氧烘焙過(guò)程中質(zhì)量收率和能量收率的影響更加顯著。低溫段(＜ 250 ℃)，烘焙稻稈的質(zhì)量收率和能量收率幾乎不受氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響。當(dāng)溫度超過(guò)250 ℃，質(zhì)量收率和能量收率明顯下降，稻稈的能量密度上升，但當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)，能量密度有所降低。

烘焙反應(yīng)在溫度超過(guò)250 ℃時(shí)影響顯著，氧化反應(yīng)在氧氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)表現(xiàn)明顯。

綜合考慮質(zhì)量和能量收率、能量密度以及工業(yè)實(shí)際情況，烘焙溫度為250 ℃，氧氣體積分?jǐn)?shù)為6%是比較合適的有氧烘焙工況。

隨著溫度的升高，稻稈中-OH和C-O-C吸收峰峰值減小，C=O和C-H(865-810 cm-1)吸收峰峰值增大。相比之下，氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高對(duì)稻稈中各官能團(tuán)峰值的影響較小。

烘焙稻稈中氯、鉀的相對(duì)含量隨著溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，同時(shí)烘焙稻稈中氯、鉀的留存率下降，且溫度升高的影響更加顯著，氯、鉀留存率的降幅更大。

與中溫高氧條件(250 ℃-10%O2)相比，高溫中氧條件(300 ℃-6%O2)下稻稈的有氧烘焙程度更高。