综述：棉花秸秆通过热技术转化生物能源潜力的综述

《Journal of Cotton Research》：Bio-energy potential of cotton stalks via thermal technologies: a review

本文系统评述了棉花秸秆（CS）作为生物质能源的热化学转化技术（如热解、气化、燃烧等），指出其生物炭和生物油热值分别可达27.5?MJ·kg?1和37.2?MJ·kg?1，是化石燃料的清洁替代品。文章深入探讨了工艺参数（粒径、含水率）对转化效率的影响，并分析了农业废弃物资源化对减少温室气体（GHG）排放和实现碳中和的意义，为生物能源政策与技术发展提供了重要参考。

　　

全球气候变化与能源转型背景下，生物质能源作为化石燃料替代品受到广泛关注。棉花秸秆（CS）作为主要的农业废弃物，年产量约5000万吨，若露天焚烧将释放大量CO₂、PM_2.5等温室气体（GHG）和污染物。通过热化学转化技术将其转化为高附加值能源产品，既可缓解环境压力，又能提升农业经济效益。

棉花生产与秸秆特性

全球棉花主产区集中在中国、印度、美国等国，2022/2023年度中国棉花产量达670万吨。棉花秸秆的纤维素（30%~40%）、半纤维素（9.6%~17.8%）和木质素（25.6%~31.0%）含量与木材相近，其干基热值（LHV）为17.1?MJ·kg^?1，含硫量仅0.02%~0.21%，显著低于褐煤，燃烧时SO_x排放更低。秸秆露天焚烧会释放CH₄、N₂O等非CO₂温室气体，每百万吨秸秆焚烧约产生0.85百万吨CO₂当量排放。

热化学转化技术路径

燃烧技术

燃烧是最成熟的生物质利用方式，分为干燥、热解和氧化三阶段。棉花秸秆经固化成型为颗粒或压块后，热值提升至21.9?MJ·kg^?1，能源利用效率较直接燃烧提高57%~79%，且颗粒物排放低于煤。每吨秸秆压块成本约89美元，低于木炭价格，具备经济可行性。

热解技术

热解通过控温缺氧分解生物质，生成生物炭、生物油和合成气。慢速热解（500°C）时棉花秸秆生物油产率36.6%，生物炭37.8%；快速热解（510°C）生物油产率可达55%，热值17.77?MJ·kg^?1。添加MgCl₂等催化剂可定向生成乙酸（28%）和糠醛等化学品。动力学模型表明，串联反应模型能较好描述热解过程。

烘焙与碳化

烘焙（200~300°C）可提升秸秆碳含量至64%，接近褐煤水平，热值提高20.5%。碳化生成的生物炭可用于吸附剂或土壤改良剂，活化后比表面积显著增加，对污染物吸附能力增强。

水热液化（HTL）

HTL在亚临界水条件下（<400°C、>20?MPa）将秸秆转化为生物原油，能效高达90%。以CeO₂或NaOH为催化剂时，生物油氧含量降至6.5%，热值达42.7?MJ·kg^?1；木醋液作溶剂时转化率可达97.4%。

气化技术

气化以空气或蒸汽为介质，将秸秆转化为合成气（CO、H₂、CH₄）。空气气化当量比（ER）为0.235时，合成气热值（LHV）4.61?MJ·Nm^?3，冷煤气效率（CGE）57.4%；蒸汽气化CGE可达82%~98%，H₂产量显著提升。co-gasification能有效降低焦油含量。

关键参数影响

粒径效应

粒径减小可增加反应表面积，促进气化效率。粒径0.8~1.0?mm时，CO产率最高（1000?mL·g^?1）；粒径<0.25?mm时碳转化率接近100%，焦油生成减少。

含水率调控

含水率20%~25%为气化最佳范围。含水率升至30%时，H₂占比提高但热值下降，因水分蒸发需额外能耗。预干燥处理可提升系统能效。

挑战与展望

棉花秸秆能源化面临收集成本高、转化技术能耗大、产品市场竞争力弱等挑战。未来需优化工艺参数，集成碳捕集技术，并通过政策扶持推动全链条可持续发展。热化学转化技术有望成为农业废弃物资源化与碳中和目标协同实现的关键路径。