优化生物质压块替代木炭：坦桑尼亚清洁烹饪解决方案与气候变化缓解策略

《Scientific African》：Cleaner Cooking Solutions: Optimizing Biomass Briquettes to Replace Charcoal and Mitigate Climate Change in Tanzania

本研究针对坦桑尼亚对木柴和木炭的严重依赖导致的森林砍伐和温室气体排放问题，系统研究了以当地农业废弃物（椰壳、棕榈仁壳、稻壳）和森林废弃物为原料生产生物质压块的优化方案。研究人员通过将碳化原料与淀粉、糖蜜或粘土粘结剂以不同比例混合，评估了其工业分析、能量、燃烧和机械性能。结果表明，淀粉粘结剂（20%添加量）制备的压块具有高抗碎性（>93%）、快速点燃（2–4分钟）和稳定燃烧速率（4–8克/分钟）等优异性能。将稻壳与高能生物炭以60:40比例混合，可将热值提升至4,741–5,552 kcal/kg，灰分降低至<20%，成功将低品位残留物转化为高效固体燃料。该研究为撒哈拉以南非洲地区的可持续能源转型提供了可扩展的优化模型。

　　

在坦桑尼亚的城市家庭中，每年消耗的木炭超过200万吨，这种对传统生物质燃料的严重依赖正在加速森林砍伐、土地退化和温室气体排放，严重阻碍了可持续能源转型目标的实现。全国调查显示，超过三分之二的坦桑尼亚人依赖生物质燃料，而液化石油气（LPG）和电力等现代能源的普及率仍低于10%。这种能源使用模式不仅对森林资源造成巨大压力，还导致空气质量恶化，迫切需要寻找经济实惠、本地可用且可再生的清洁烹饪解决方案。

面对这一挑战，优化生物质压块技术展现出巨大潜力。生物质压块是通过致密化碳化或未碳化生物质制成的固体燃料块，能提高能量含量和密度，便于运输、处理和储存。坦桑尼亚拥有丰富的生物质残留物资源，如姆贝亚、莫罗戈罗和希尼安加地区每年产生数千吨稻壳，沿海地区的椰壳和榨油厂的棕榈仁壳也大量堆积。利用这些资源生产压块不仅可以提供可持续的燃料替代品，还能减少废弃物处理问题，创造当地就业机会。

尽管坦桑尼亚推广压块技术已超过30年，但广泛的推广应用一直受到质量不一致、缺乏标准化和市场认知度弱的限制。坦桑尼亚标准局最近推出了TZS 3545:2024标准，为压块设定了灰分（≤27%）、水分（≤10%）、挥发分（≤25%）、固定碳（≥44%）和总热值（≥4,300 kcal kg?1）的阈值。达到这些标准需要改进对原材料、混合比例和粘结剂组成的控制。

目前，大多数坦桑尼亚压块生产商依赖单一生物质原料，没有标准化或优化的生物质与粘结剂混合比例。这种认知不足常常导致压块质量不一致，以及高灰分残留物（如稻壳）的低效利用，这些残留物经常被丢弃或露天焚烧，造成环境污染。碳化生物质和粘结剂类型的最佳组合在当地生产中很大程度上尚未探索，限制了提升燃料性能和推广可持续清洁烹饪解决方案的潜力。

Kevin Nsolloh Lichinga、Kunda Sikazwe、Rahel Elibariki等研究人员在《Scientific African》上发表的研究，针对这些空白展开系统研究，通过优化多种碳化残留物（包括稻壳、椰壳和棕榈仁壳）与不同粘结剂（淀粉、糖蜜、粘土）的混合比例，来提高能量含量、降低灰分并增加机械耐久性。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究。他们从坦桑尼亚沿海地区、莫罗戈罗和姆贝亚地区的当地加工行业收集了椰壳、森林废弃物、棕榈仁和稻壳等生物质原料，通过碳化、粉碎和筛分制备均匀的生物炭颗粒。研究评估了三种粘结剂（淀粉、糖蜜和粘土）在不同添加比例下对压块性能的影响，并系统测定了压块的工业分析参数（水分、灰分、挥发分、固定碳）、总热值（GCV）以及机械和燃烧特性（抗碎性、耐水性、点燃时间和燃烧速率）。

效果原料类型对压块特性的影响

研究结果显示，原料类型强烈影响压块性能。椰壳、棕榈仁壳和炭粉表现出高固定碳（>65%）、低灰分（<10%）和优异的热值（6,299–6,737 kcal/kg）。相比之下，稻壳压块的灰分含量高（38–52%），固定碳低（<44%），导致热值不理想（2,441-3,859 kcal/kg）和结构完整性差。这些差异归因于原料的固有矿物组成，富含二氧化硅的稻壳在燃烧过程中会产生大量灰分。

粘结剂类型和比例的影响

粘结剂的选择对压块的结构、稳定性和热值有显著影响。在评估的三种粘结剂中，淀粉表现出最优异的性能，生产的压块（由椰壳、棕榈仁壳和炭粉制成）灰分含量低，抗碎性高（>93%），燃烧效率改善。含有20%淀粉的压块在强度和能量输出之间达到最佳平衡，表明过量（25%和30%）的粘结剂不一定会改善性能，反而可能导致灰分增加和碳密度降低。

糖蜜基压块表现出中等强度，同时由于残留矿物质和不完全碳化，灰分含量略高。粘土粘结剂的使用增强了形状保持力，但导致灰分含量增加高达14%，热值降低近10%。因此，应谨慎使用粘土或与有机粘结剂结合使用，以确保满意的能量性能。

燃烧特性进一步强化了粘结剂类型对燃料质量的影响。淀粉粘结的压块点燃迅速，燃烧速率持续，表现出高效的热释放和一致的火焰模式。糖蜜粘结的压块表现出类似的点燃特性，但由于促进挥发分释放的残留糖分，燃烧速率略快。粘土粘结的压块点燃时间延长，燃烧速率较慢，这与其高灰分含量和降低的碳反应性相关。

混合压块的优化

将高能原料与稻壳混合显著改善了压块性能。生物炭与稻壳的60:40比例将热值提高到4,741–5,552 kcal/kg，并将灰分含量降低到20%以下。力学测试显示抗碎性（>92%）和耐水性提高，表明混合材料之间具有坚固的结构内聚力。

椰壳-稻壳（CR40）和棕榈仁壳-稻壳（PR40）压块表现出优异的能量特性，而炭粉-稻壳（CHR40）混合物表现出最高的机械耐久性。性能的增强归因于密度更高的生物炭的更高碳浓度和内聚粘结特性，有效降低了稻壳中不可燃物（二氧化硅）的不利影响。50:50的生物炭与稻壳混合比例表现出性能下降，归因于与优化的60:40系统相比稻壳比例增加。尽管有这个比例（50:50），压块仍表现出足够的燃料特性，使其适合家庭和小规模商业用途。

环境和社会经济相关性

优化的压块为坦桑尼亚的能源转型提供了关键的环境和社会经济优势。木炭生产是森林枯竭的主要原因，在2012年至2021年间估计每年导致47万公顷林地损失。用生物质压块替代每年超过100万吨的城市木炭需求，相当于减少10.95万公顷的森林损失，每年可节约约120万吨木材。

研究表明，碳化制块可显著减少温室气体排放，与常规燃烧方法相比，温室气体排放减少70%以上，一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄)和细颗粒物（PM_2.5)等污染物减少49-74%。椰壳、棕榈仁壳和稻壳等农业残留物在社区环境中易于以低成本获取。利用这些材料生产压块可以创造农村就业机会（收集和销售生物质原料），促进废弃物价值化，并减少释放颗粒物和甲烷的露天焚烧做法。这种方法将废物转化为能源，从而符合循环经济原则和国家气候目标。

拟议的技术与坦桑尼亚国家清洁烹饪战略（2024-2034）保持一致，该战略旨在到2034年实现清洁烹饪解决方案80%的采用率。利用本地来源的生物质残留物生产压块，通过提供经济、可再生和碳中和的木炭替代品，促进向清洁能源的过渡。这一过程符合坦桑尼亚在巴黎协定中概述的国家自主贡献（NDCs），旨在减少能源部门的温室气体排放。

本研究使用的环保碳化炉（窑）通过将排放的合成气成分（CO、CH₄和H₂)回收到燃烧室以维持碳化，从而减少废物和对外部能源的依赖，增强了环境性能。此外，该系统产生热解油（木醋液或木酸）作为有价值的副产品，可作为肥料生产的工业原料，以及食品加工中的调味剂或褐变剂。

政策与可持续发展目标的一致性

研究结果对坦桑尼亚的可持续发展目标具有重要影响。这项研究为优化生物质压块提供了基于证据的框架，从而有助于实现多项联合国可持续发展目标（SDGs）：具体支持SDG 7（经济适用的清洁能源，具体目标7.1），促进获取来自可再生生物质资源的经济实惠、可靠的现代烹饪能源。同时支持SDG 12（负责任消费和生产，具体目标12.2），促进农业残留物的有效利用，并最大限度地减少与废物处理相关的环境影响。优化压块技术的整合支持SDG 13（气候行动，具体目标13.2），通过推广减少温室气体排放并增强坦桑尼亚气候变化应对能力的气候适应型能源系统。

此外，这项工作支持非洲联盟《2063年议程》目标7，该目标侧重于大陆层面的环境可持续和气候适应型经济。优化的压块框架可作为清洁能源创业的模型，可在整个非洲，特别是在具有类似农业残留物可用性的地区进行适配。

研究结论与意义

这项研究证实，优化原料成分和粘结剂比例能显著提高生物质压块的能源、燃烧和机械性能。椰壳、棕榈仁壳和炭粉生产出高质量压块，热值高于6,200 kcal kg?1，灰分低（<10%），固定碳高（>65%）。相比之下，单独使用稻壳生产的压块不达标，原因是其高二氧化硅含量。将稻壳与高能生物炭以60:40的比例混合，可提高热值（4,741–5,552 kcal kg?1），降低灰分含量（<20%），并改善抗碎性（>92%）和耐水性。50:50的混合比例表现出中等性能，灰分更高，点燃时间更长，表明60:40是平衡燃烧和耐久性的最佳配方。

在测试的粘结剂中，淀粉产生的整体效果最好，生产的压块抗碎性高（>93%），点燃快（2–4分钟），燃烧速率稳定（4–8克分钟?1）。糖蜜基压块强度中等，能量输出可接受，但灰分含量略高，而粘土粘结剂改善了形状保持力，却因不可燃性降低了热值并延长了点燃时间。单一原料压块的最佳淀粉添加量为20%，混合系统为25%。

尽管是在实验室条件下优化的，但未来的研究应侧重于基于现场的绩效、经济可行性，以及使用催化添加剂来进一步提高燃烧效率和长期可持续性。这项研究通过科学指导的配方，为提升低品位生物质价值提供了实用指南，支持坦桑尼亚及可比非洲背景下更清洁、更高效的压块生产，对推动区域清洁能源转型、应对气候变化和实现可持续发展目标具有重要的理论和实践意义。