基于烘焙优化的稻秆生物炭制备及其在钢铁工业固体燃料替代中的应用研究

《BioEnergy Research》：Optimization of Rice Straw Properties via Torrefaction for Solid Fuel Applications

本研究针对钢铁工业对化石燃料的过度依赖及温室气体排放问题，通过响应面法优化稻秆烘焙工艺参数（温度200-300°C、时间20-60 min、升温速率10-30°C/min），成功制备出固定碳含量达63.82%、高热值（HHV）19.88 MJ/kg的生物炭。其BET比表面积（58.845-59.572 m2/g）显著优于煤基燃料，且孔隙结构利于传质反应，为钢铁生产提供了一种可持续的固体燃料替代方案，助力实现SDG 7（清洁能源）和SDG 13（气候行动）目标。

　　

全球能源需求激增和工业扩张导致化石燃料消耗持续攀升，其中钢铁工业作为碳排放大户，每年消耗约9.5亿吨煤并产生25亿吨二氧化碳。寻找低碳可持续的替代能源已成为行业转型的迫切需求。与此同时，稻秆等农业废弃物年产量逾2.3亿吨，露天焚烧或随意弃置不仅造成资源浪费，更引发严重环境污染。能否将稻秆转化为高性能固体燃料，部分替代钢铁生产中的煤和焦炭？这项发表于《BioEnergy Research》的研究给出了创新性解决方案。

为攻克这一难题，Segun E. Ibitoye团队设计了一套系统的技术路线。研究首先采用中心复合设计（CCD）优化烘焙工艺参数，通过批次式固定床反应器在惰性气氛下进行热解实验，并利用Design-Expert软件建立产率预测模型。表征阶段综合运用工业分析（Proximate Analysis）、元素分析（Ultimate Analysis）、扫描电镜（SEM）、氮吸附（BET）、能谱分析（EDS）和热重分析（TGA）等技术，对比评估生物炭与烟煤、无烟煤等传统燃料的理化特性。

实验结果与讨论

产率分析

烘焙产物分布显示，固体产率随温度升高而下降（44.67-96.43%），液态（1.50-22.39%）和气态产物（2.07-36.79%）则相反。最高固体产率出现在低温条件（166°C），但该条件下生物炭挥发分高达53.34%，燃料品质较差。优化后样品O3在270°C、60分钟工况下取得平衡，固体产率约64%，且固定碳提升至63.82%。

优化生物炭特性

工业分析表明，优化生物炭水分（7.43-8.80%）、灰分（5.76-6.87%）均低于褐煤，固定碳（56.83-63.82%）接近烟煤水平。样品O3的热值达19.88 MJ/kg，位于褐煤上限区间。其BET比表面积（58.845 m²/g）和BJH孔径（4.457 nm）远超煤燃料（0.187-1.498 m²/g），显著提升吸附与传质效率。

形态与元素组成

SEM图像显示烘焙后生物炭形成丰富孔隙结构，源于挥发分释放造成的细胞壁破裂。EDS分析证实碳含量从原料40.11%提升至O3的69.67%，氧碳原子比降至0.35，范克雷文图定位接近烟煤区域，表明碳化程度显著改善。

热稳定性

TGA曲线显示生物炭在450°C前保持稳定，残炭率超60%。虽然热稳定性优于褐煤，但较无烟煤仍有差距，主要归因于生物质天然结构差异。

研究结论与意义

通过精准调控烘焙参数，稻秆生物炭成功实现了燃料性能的跨越式提升。其高热值、高孔隙率和低灰分特性，使其可作为高炉喷吹燃料（PCI）或烧结工序中煤粉的部分替代品。该研究不仅为农业废弃物资源化提供了技术范式，更开拓了钢铁工业脱碳的新路径，对推动循环经济和碳中和目标具有双重实践价值。