通过将分段燃烧反应器与锅炉结合，利用腰果壳生产清洁能源

《Biomass and Bioenergy》：Clean energy production from cashew nuts shell by coupling a staged combustion reactor with a boiler

cashew nut shells (CNS)分级燃烧反应器设计及性能优化研究，通过对比实验室与工业原型测试，发现原型热效率达60%以上，但存在局部过热和压力不足问题，环境性能良好。该技术为西非农企提供清洁替代化石燃料方案，需进一步优化空气分布和仪表配置。

　　本研究聚焦于一种创新的、简单且低成本的分级燃烧反应器，旨在优化现金果壳（Cashew Nut Shells, CNS）的能源回收利用，以支持西非地区的农业工业发展。现金果壳作为现金果加工过程中产生的主要副产品，其高热值和丰富的生物质特性使其成为一种极具潜力的可再生能源。然而，由于其含有大量现金果壳液（Cashew Nut Shell Liquid, CNSL）——一种高粘度、高腐蚀性的酚类混合物，传统燃烧技术在处理CNS时面临诸多挑战，如有毒气体排放、设备积碳、燃烧效率低下等。因此，开发一种能够有效利用CNS并减少其对环境影响的燃烧系统显得尤为重要。

本研究通过一系列实验，评估了不同规模的燃烧装置在CNS处理中的表现。实验设备包括一个在法国农业研究所（CIRAD）BioWooEB平台安装的试点装置，以及一个在布基纳法索博博迪乌拉索（Bobo-Dioulasso）工业环境中运行的简化原型。试点装置的设计较为复杂，配备了多种传感器和测量工具，以全面监测燃烧过程中的各项参数。然而，实验结果表明，该装置的热效率仅为50%以下，主要受限于操作条件和设备设计。具体而言，装置中安装的流量计引入了较大的压降，破坏了空气的均匀分布，尤其在Air 1和Air 2之间，导致反应条件的误判，从而影响了燃烧气体的热值和整体系统效率。尽管如此，试点装置在环境表现方面仍表现出色，污染物排放量较低，表明其在环保方面具有一定的优势。

相比之下，原型装置在热效率方面表现更优，达到了60%以上。这一显著提升主要归因于其改进的空气管理方式以及缺乏复杂的流量计装置，从而实现了更均匀的空气分布。在原型中，固体床的移动速度较慢，反应器温度可达到800°C，这些因素有助于提高CNS的热转化效率，并生成高能量的合成气（syngas）。然而，原型装置仍存在一些技术问题，如局部过热和压力不足，这些问题需要进一步优化以提高其稳定性和效率。

CNS的热转化过程受到其内部CNSL含量的显著影响。CNSL在较低温度下挥发，产生焦油和可冷凝的组分，这些物质容易在燃烧设备中沉积，导致设备故障和燃烧效率下降。为解决这一问题，本研究提出了一种基于分级空气注入的燃烧系统，该系统将反应器划分为多个独立供气的区域，通过精确控制氧化反应和空气分布，实现对CNSL的逐步转化。这种分级燃烧策略有助于防止挥发性物质的突然释放，从而改善CNS的热降解过程，提高燃烧效率并减少有害气体的生成。

在实验过程中，研究团队对CNS的物理和化学特性进行了详细分析。CNS的密度约为350.11 kg/m3，其近似和最终成分以及低位热值（LHV）均被记录并与其他文献数据进行了对比。这些数据为评估CNS的热转化行为和整体燃烧效率提供了基础。CNS表现出良好的燃料特性，适合用于热化学能转换过程，这为后续的燃烧系统设计和优化提供了理论支持。

本研究的创新之处在于将分级燃烧技术与全球南方地区的经济和技术条件相结合。所开发的锅炉原型设计简洁、坚固且成本低廉，采用了重力供料、被动空气调节、无隔热层、使用普通碳钢以及简化仪器配置等设计策略。这种设计方法旨在在技术复杂性与能源效率之间取得平衡，确保在资金和技术资源有限的环境中仍能实现高效的能源回收。通过克服CNS清洁燃烧的关键障碍，本研究不仅有助于实现这一丰富本地资源的价值最大化，还为小型和中型农业工业企业提供了一种可行的分散式能源解决方案。

研究还指出，当前全球能源需求持续增长，尤其是在发展中国家，由于人口增长、城市化和经济发展，能源需求日益增加。然而，化石燃料仍然占据全球能源供应的约84%，并对温室气体排放和环境恶化产生重大影响。与此同时，仍有近20%的全球人口无法获得现代、经济实惠且可持续的能源服务。在这样的背景下，开发清洁、高效的燃烧技术对于推动全球能源转型，建立更加韧性和环境友好的能源组合具有重要意义。

现金果壳的大量生产和处理为该技术的应用提供了广阔的前景。在现金果加工过程中，需要大量热能用于蒸汽处理、壳体脆化和果核干燥等步骤。目前，这些热能主要通过现金果壳直接燃烧和补贴的丁烷气体供应。尽管国家政策在某些地区（如布基纳法索）支持丁烷气体的使用，但其仍然属于化石燃料，伴随着相应的排放问题。因此，开发清洁且高效的燃烧技术对于提高现金果壳的能源利用效率，减少生物质废弃物，并缓解火柴资源短缺问题至关重要。

尽管现金果壳具有较高的热值（20–25 MJ/kg），但其热转化效率受限于CNSL的存在。传统燃烧方式中，CNSL在较低温度下挥发，产生焦油和冷凝物，这些物质不仅降低了燃烧效率，还对设备造成污染，影响工艺稳定性。为应对这些问题，本研究提出了一种新的燃烧系统，通过分级空气注入的方式，将燃烧过程分为多个阶段，从而实现对CNSL的逐步转化。这种策略能够有效控制氧化反应，提高燃烧效率，同时减少污染物的生成。

研究团队在实验过程中采用了多种方法来评估燃烧系统的性能。试点装置的测试表明，尽管其热效率较低，但其在环境表现方面仍具有一定的优势。然而，原型装置的高热效率表明，通过优化空气管理方式和简化设备设计，可以显著提高CNS的能源回收率。实验还发现，提高空气与生物质的比例有助于提高热解挥发物的转化率。例如，Su等人[18]的研究表明，在等当比（ER）为0.15且停留时间为0.2秒的条件下，超过90%的热解油被分解。

此外，研究团队还强调了该技术在推动可持续发展方面的潜力。通过利用本地丰富的现金果壳资源，不仅可以减少对传统化石燃料的依赖，还能为西非地区的农业工业企业提供一种更加环保和经济的能源解决方案。这不仅有助于缓解当地的能源短缺问题，还能促进区域经济的发展，提高能源利用效率。

本研究的结论表明，尽管试点装置在热效率方面存在一定的局限性，但其在环境表现上的良好表现证明了分级燃烧技术在现金果壳处理中的可行性。原型装置的高热效率则进一步验证了该技术在实际工业应用中的潜力。然而，局部过热和压力不足等问题仍需通过进一步的优化来解决。未来的研究可以聚焦于改进空气分布系统，提高设备的热稳定性，并探索更高效的热解和燃烧策略。

总之，本研究为现金果壳的清洁燃烧技术提供了重要的实验数据和理论支持，展示了分级燃烧技术在提高能源回收率和减少环境污染方面的优势。通过结合本地资源和经济条件，该技术有望成为推动全球南方地区能源转型的重要工具，为实现更加可持续和环保的能源利用提供新的思路和解决方案。