热解与水热碳化技术提升生物质燃料特性的对比研究：以西班牙南部生物质为例

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Enhancing biomass properties for biofuels: A comparative analysis of pyrolysis and hydrothermal carbonization technologies

本研究针对生物质燃料能量密度低、灰分含量高等问题，系统比较了热解（Pyrolysis）与水热碳化（HTC）对五种西班牙典型生物质（柑橘/橄榄/松树修剪枝、杏仁/开心果壳）的改性效果。研究发现HTC在260°C/240min条件下可显著降低灰分（橙木从15.19%→2.70%），而500°C热解使松木热值提升至27.32 MJ/kg。通过能量产率（EY）和全局能效（GEE）分析，证实HTC（松木GEE达91.80%）更具能源效率，为生物质精炼技术选择提供数据支撑。

　　

在全球能源转型和碳中和目标驱动下，如何将农业林业废弃物转化为高效清洁能源已成为紧迫课题。西班牙作为欧洲农业大国，每年产生大量橙树、橄榄树修剪枝条以及杏仁壳、开心果壳等生物质资源，这些废弃物若直接焚烧或填埋，不仅造成资源浪费还会带来环境问题。然而原始生物质存在能量密度低、灰分含量高、化学成分不均一等天然缺陷，严重制约其作为固体燃料的直接应用。为此，热化学转化技术成为提升生物质燃料品质的关键路径，其中热解（Pyrolysis）和水热碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）是两种最具应用潜力的处理方式。

为系统评估这两种技术的优劣，西班牙格拉纳达大学的Emilio J. Lozano、María ángeles Martín-Lara等研究人员在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表最新研究，对五种西班牙典型生物质（橙树修剪枝、橄榄树修剪枝、杏仁壳、开心果壳和松树修剪枝）同时进行热解和HTC处理，并通过元素分析、灰分含量、高热值（HHV）、能量产率（EY）和全局能效（GEE）等指标全面对比了生成的生物炭（biochar）和水热炭（hydrochar）的特性。

关键技术方法包括：使用固定床反应器进行热解（450-550°C，30-60分钟）和高压反应釜进行HTC（180-260°C，60-240分钟）；通过元素分析仪、马弗炉、弹式量热仪分别测定元素组成、灰分含量和HHV；结合X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、氮气吸附-脱附、扫描电镜（SEM）和热重分析（TGA）表征材料结构与燃烧性能。

3.1. 产品收率

随着温度升高，两种过程的固体产率均下降，气体产率增加。热解在550°C时生物炭产率降至25.97-26.99%，而HTC在180°C/240分钟条件下松木水热炭产率最高达89.26%。研究表明延长停留时间对产率影响小于温度，且HTC在低温下更能保持固体产物。

3.2. 元素组成

热解使生物炭碳含量平均提升1.45倍（松木在500°C达97.58%），而HTC处理的水热炭氧含量显著降低（260°C时降至20-23%）。氮元素在高温HTC过程中出现浓缩现象，可能与含氮化合物保留有关。

3.3. 灰分含量

热解导致灰分浓缩（橙木灰分从2.3%增至15.19%），而HTC通过矿物质浸出使灰分大幅降低（开心果壳灰分降至0%）。这表明HTC在处理高灰分生物质方面具有明显优势。

3.4. 高热值

热解显著提升燃料热值，松木生物炭HHV达27.32 MJ/kg；HTC在260°C/240分钟条件下也使杏仁壳HHV从15.10 MJ/kg提升至24.31 MJ/kg。但HTC的碳化程度总体低于热解。

3.5. 能量产率和全局能效

HTC的EY（松木89.26%）和GEE（松木91.80%）普遍高于热解（最高GEE为41.46%）。值得注意的是，HTC的E_input出现负值，表明其反应过程存在放热特性，这解释了其超高能效的原因。

3.6. 选定生物炭和水热炭样品的表征

以松木为典型案例的分析显示：热解生物炭具有更高热稳定性（点火温度290°C）和孔隙结构（比表面积40 m²/g）；而水热炭保留更多官能团，呈现两段式燃烧特征，最大质量损失速率（V_max）达101.9 wt%/min，表明其具有快速能量释放潜力。

本研究通过多角度对比揭示了热解与HTC的技术特点：热解适用于追求高能量密度和热稳定性的场景，而HTC在能效、灰分控制和燃烧活性方面表现更优。这些发现为不同应用场景（如工业供热、发电或化学品生产）的生物质转化技术选择提供了科学依据。特别值得注意的是，HTC过程的自放热特性使其在能耗方面具有显著优势，而水热炭特有的快速燃烧特性则适合需要瞬时高能量输出的应用。未来研究可进一步开展全生命周期评估和技术经济分析，推动这些热化学转化技术的工业化应用。