优化水洗与烘焙联合预处理：提升稻草燃料性能与燃烧表现的关键举措

为解决稻草用作能源时存在的低能量密度、高水分等问题，研究人员开展稻草水洗（水和醋酸）与烘焙联合预处理优化研究。结果显示优化条件下预处理稻草燃烧性能佳，该研究对提升稻草能源利用价值意义重大。

　　随着全球发展，能源需求日益增长，生物质作为一种广泛存在的碳中和可再生资源，受到了极大关注。将生物质与煤混合燃烧，不仅能减少温室气体排放，还能降低有害气体如 SO_x和 NO_x的产生。然而，在实际应用中，生物质存在诸多限制，比如低堆积密度、高水分含量、难磨性、吸湿性以及低能量密度等问题。

稻草作为亚洲广泛存在的农业废弃物，本可助力生物经济发展，但因其在燃烧过程中存在诸多问题，严重限制了它在能源领域的应用。稻草燃烧时会快速形成沉积物，阻碍热量传递，导致炉膛和炉排结渣；其纤维特性和高碱含量会引发结渣、烧结和积灰等问题；此外，稻草含有的二氧化硅（SiO₂）会产生高石英灰，造成锅炉对流通道的侵蚀。这些问题不仅降低了燃烧性能和效率，还增加了设备维护成本和运行复杂性。

为了解决这些问题，来自斯里兰卡莫拉图瓦大学（University of Moratuwa）的研究人员开展了一项关于优化稻草联合水洗（水和醋酸）与烘焙预处理的研究，以提升其作为燃料的性能和燃烧表现。该研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上，对推动生物质能源的高效利用具有重要意义。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是响应面法（Response Surface Methodology），通过这种方法对不同温度和停留时间下的水洗、酸洗稻草烘焙实验进行优化；其次是傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）分析，用于研究预处理前后稻草的结构变化；此外还进行了热重分析，以此来评估预处理稻草的燃烧反应性。

样本制备

在之前的研究中，研究人员已经对稻草（RS）水洗条件进行了优化。本次实验直接采用优化后的水洗条件，即水洗涤时在 47°C 下洗涤 30 分钟，液固比为 23；3%（w/v）醋酸洗涤时在 35°C 下洗涤 30 分钟，液固比为 40。洗涤后的样本先在空气中干燥两天，然后在 105°C 的烘箱中干燥约 2 小时至恒重，再进行烘焙实验。

近似分析

研究发现，随着烘焙程度的增加，两种稻草中的挥发分（VM）含量均下降。在 300°C、60 分钟的条件下，水洗稻草的挥发分含量最低，降至 39.23%。这主要是由于烘焙过程中的脱挥发分作用。与此同时，烘焙稻草的固定碳（FC）含量随着烘焙程度增加而上升。

优化结果

研究人员利用响应面法对烘焙过程进行优化，发现停留时间对固体产率、氧碳比（O/C）、高位发热量（HHV）和综合燃烧指数（EMCI）的影响不显著；而温度和停留时间对氢碳比（H/C）和能量产率均有显著影响；洗涤介质对氢碳比和高位发热量影响不显著。最终得出的最佳烘焙参数为停留时间 30 分钟，酸洗稻草的烘焙温度为 246°C，水洗稻草的烘焙温度为 256°C。

结构与燃烧性能分析

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析可知，水洗和烘焙预处理后，稻草的化学键强度降低且结构发生变化，这意味着预处理后的稻草具有更好的燃料性能。与原煤相比，酸洗烘焙稻草的着火指数（D_i - 2.19×10^?2 wt%/min³）、燃尽指数（D_b - 7.86×10^?3 wt%/min³）和综合燃烧指数（S - 5.5×10^?7 min^?2 °C^?3）表现最佳。

综合来看，该研究成功优化了稻草联合水洗和烘焙预处理的条件。通过这一预处理，有效提升了稻草的燃料性能和燃烧表现，为稻草在能源领域的高效利用提供了可行方案。研究结果对于推动生物质能源的发展具有重要意义，有助于缓解能源压力和减少环境污染，为可持续能源发展做出了积极贡献。未来，相关研究可以在此基础上进一步拓展，探索在不同工业场景下的应用效果，以及对其他类型生物质的适用性，从而推动整个生物质能源行业的发展。