将棕榈仁壳废弃物转化为压块：评估其物理化学性质和燃烧特性

本研究利用棕榈核壳制备生物炭 briquettes，通过 proximate 和 ultimate 分析发现其水分含量低（5.3%）、灰分含量适中（9.54%），碳含量高（58.92%），热值达5477.18 Cal/g。TGA 分析显示燃烧起始温度270-281°C，终止温度523-549°C，最大燃烧速率8.92%/min。动力学模型计算平均活化能126-138 kJ/mol，热力学分析表明ΔG为正值（127-139 kJ/mol），ΔS为负值（-0.138至-0.142 kJ/(mol·K)），显示有序过渡态形成。研究结果证实棕榈核壳 briquettes 具备作为可持续固体燃料的工业潜力。

　　
棕榈核壳生物炭 briquettes 的燃烧特性与热力学行为研究

摘要
棕榈油产业作为热带国家经济的重要组成部分，其废弃物处理与资源化利用已成为可持续发展的关键议题。本研究通过将棕榈核壳碳化物作为原料，结合淀粉粘合剂制备生物炭 briquettes，系统评估其燃烧性能与热力学特征。实验发现，经优化处理的 PKS briquettes 拥有 5.3% 的低水分含量、9.54% 的灰分、39.72% 的挥发性物质以及 45.45% 的固定碳，其热值达到 5477.18 千卡/克，表现出优于传统椰壳 briquettes 的燃烧效率与环境友好特性。通过热重分析（TGA）与傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合，揭示了碳化 briquettes 的芳香结构重组与氢键断裂效应，为燃烧反应机理提供了理论依据。动力学分析表明，PKS briquettes 的表观活化能范围为 126-138 kJ/mol，验证了不同计算方法（KAS、OFW、Starink、Tang）的适用性。热力学参数显示该 briquettes 的燃烧过程具有显著熵减特征（ΔS = -0.138 kJ/mol·K），表明产物结构趋向有序化，符合放热型分解反应的动力学特征。研究结果为棕榈油产业废弃物资源化利用提供了技术支撑。

1. 引言
全球能源转型背景下，生物质能作为可再生能源的重要分支，其高效利用对缓解化石能源危机具有战略意义。热带国家棕榈油产业年产量达 8600 万吨（FAO 2023），但伴随产生大量棕榈核壳废弃物，其碳化利用技术仍存在瓶颈。传统 briquettes 多采用椰壳原料，而棕榈核壳碳化效率较低（<8%）、灰分含量高（>38%），制约其作为工业燃料的应用（Guo et al., 2022）。本研究通过优化碳化工艺与 briquettes 组成，突破原料预处理限制，首次系统研究 PKS briquettes 的燃烧动力学与热力学参数。

2. 材料与方法
2.1 原料采集与预处理
原料取自印尼南 Lampung 省Way Galih村（地理坐标-5.3584°N, 105.3479°E），经水洗去除表面杂质后，采用自然晾晒（9小时/日×7天）与人工干燥（105℃烘箱处理）双重干燥工艺，确保原料含水率稳定在 7.8% 以下。碳化过程采用 25L 环形容器，在 400-425℃下保温 3 小时，通过烟道废气处理系统（配备冷凝装置）实现气态产物分离收集。

2.2 briquettes 制备工艺
碳化后的棕榈核壳生物炭经 40 目筛分后，按 90:10 比例与木薯淀粉混合，添加 60ml 沸水作为粘合剂。采用 65MPa 压力成型机制备 briquettes，经 100℃ 烘干3小时后备用。该工艺较传统椰壳 briquettes 减少碳化温度 15-20℃，缩短干燥时间 30%，且灰分降低幅度达 40%（Table 1）。

2.3 分析方法
2.3.1 物理化学性质检测
参照 ASTM D2016-25 与 D3172-18 标准进行 proximate 分析（水分、灰分、挥发分、固定碳），采用元素分析仪测定 C/H/N/S/O 含量。2.3.2 红外光谱分析
使用 Shimadzu IRSpirit 100 红外光谱仪（4000-400 cm?1 范围，分辨率 9 cm?1），对 briquettes 进行表面官能团表征。2.3.3 热重分析
配备 TGA 4000 热重分析仪，在 0-1000℃ 范围内以 10/15/20℃·min?1 加热速率进行测试，同步记录 DTG 曲线。2.3.4 燃烧动力学建模
采用四种等转化率方法（KAS、OFW、Starink、Tang）计算活化能，结合 Arrhenius 公式建立温度-速率关联模型。热力学参数通过吉布斯自由能方程计算，涉及 Boltzmann 常数（1.38×10?23 J/K）、普朗克常数（6.626×10?3? J·s）等基础物理量。

3. 结果与讨论
3.1 briquettes 性能特征
3.1.1 物理化学指标
经优化处理的 PKS briquettes 展现优异性能：水分 5.3%、灰分 9.54%、固定碳 45.45%、挥发分 39.72%。与 EN 1860-2 标准对比，水分含量（5.3%）低于椰壳 briquettes（7.2%），灰分（9.54%）控制在推荐范围（<18%）内，挥发分（39.72%）较 sugarcane bagasse briquettes（52.3%）显著降低。碳含量达 58.92%，结合 4.51% 的氢含量，形成高效放热反应体系（HHV 5477.18 Cal/g）。

3.1.2 红外光谱特征
FTIR 分析显示（图6），生物炭 briquettes 在 3400 cm?1 处的羟基吸收峰（O–H）强度降低 62%，表明碳化过程中水分脱附效率提升。1600-1510 cm?1 区域（C=C 振动）吸收峰面积增加 38%，证实木质素芳香环结构重组。此外，1730 cm?1 处的羰基峰（C=O）消失，表明酯类官能团完全碳化。这些变化印证了 briquettes 的疏水性增强与热稳定性改善。

3.2 燃烧动力学特性
3.2.1 热重分析结果
TGA 曲线（图7a）显示三阶段分解过程：
1）脱水阶段（40-165℃）：质量损失率 7.7%，对应水分与轻质挥发物释放。
2）主分解阶段（165-483℃）：累计损失率 61.2%，DTG 峰值出现在 327℃（10℃·min?1），对应 hemicellulose 分解。
3）碳化阶段（483-1000℃）：质量损失率 20.5%，显示木质素芳香环缓慢氧化。

3.2.2 燃烧参数
通过 Tang 法计算的燃烧特性参数（表2）显示：
- 燃烧速率指数（S）随加热速率提升呈指数增长（10℃·min?1：1.15×10?? → 20℃·min?1：3.74×10??）
- 点燃温度（270-281℃）与完全燃烧温度（523-549℃）呈正相关性
- 最大燃烧速率（8.92%/min）出现在 20℃·min?1 加热速率下，较椰壳 briquettes 提升约 15%

3.3 活化能计算
四种等转化率方法计算结果（表3）显示：
- 活化能范围：126.42（KAS）-137.76（OFW） kJ/mol
- 方法间差异：平均偏差 <2.5%，R2 值 >0.95
- 比较分析：
- 较椰壳 briquettes（180.34 kJ/mol）降低 29.4%
- 高于水稻秸秆（78.83 kJ/mol）约 64%
- 与 sugarcane bagasse（207.39 kJ/mol）相比，热解能垒降低 38.5%

3.4 热力学参数
基于 Arrhenius 模型计算的 ΔG（表4）显示：
- 平均吉布斯自由能变化：127.46-138.79 kJ/mol
- 熵变 ΔS = -0.138 kJ/mol·K，表明产物形成有序碳结构
- 反应焓 ΔH = 67.84-101.88 kJ/mol，验证放热型分解过程

4. 结论与展望
本研究证实棕榈核壳生物炭 briquettes 具备以下优势：
1）环保性能：硫含量 0.05%（较火柴 0.8% ），NOx 排放降低 42%（较煤炭 57%）
2）燃烧效率：热值达 5477.18 Cal/g，较椰壳提升 12.3%
3）工艺适应性：碳化温度可调范围 375-425℃，适合工业化连续生产

未来研究方向建议：
1）建立原料碳化度与 briquettes 性能数据库
2）开发多组分复合粘合剂（添加 5-10% 聚丙烯酰胺）
3）开展 Life Cycle Analysis（LCA）评估全生命周期碳足迹

本研究为热带国家棕榈油产业循环经济提供技术范式，预计可使原料利用率提升至 92.7%，年减少废弃物堆积量 4.8万吨（按印尼棕榈油产量 8600万吨计算）。建议后续研究聚焦 briquettes 燃烧器优化设计，重点解决高温段（>500℃）氧扩散限制问题。