甘蔗绿色收获残渣水热炭化制备生物炭的燃烧反应性评估及其作为固体燃料的应用潜力

为解决甘蔗绿色收获残渣(GHR)因低能量密度和高碱金属含量导致的燃烧效率低下问题，研究人员通过水热碳化(HTC)技术在不同温度(200-300°C)和水/GHR质量比(5:1-10:1)条件下制备生物炭，采用宏观非等温热重分析法评估其燃烧反应性。结果表明，300°C制备的H-300-10样品热值达29.2 MJ/kg-1 （干基无灰分），能量密度1.55；而200°C制备的H-200-10样品燃烧指数最高(5.15×10-10 %2 min-2 °C-3 )，活化能(178.52 kJ/mol)与原料相当。该研究为农业废弃物资源化利用提供了技术支撑，对工业锅炉燃料替代具有重要指导意义。

　　

随着全球能源转型加速，甘蔗产业每年产生大量绿色收获残渣(GHR)，这类富含纤维素、半纤维素和木质素的农业废弃物因低能量密度(18.9 MJ/kg^-1
)、高碱金属含量(Na、K)等特性，直接燃烧易引发结渣、积灰等问题。传统热化学处理需预先干燥，能耗较高。水热碳化(HTC)技术利用亚临界水(180-350°C)直接转化湿生物质，但反应参数对燃料性能的影响机制尚不明确，特别是水/生物质比的作用缺乏系统研究。

针对上述问题，来自Universidad del Valle的研究团队在《Bioresource Technology》发表论文，通过中心复合实验设计探究温度(200-300°C)和水/GHR比(5:1-10:1)对生物炭性能的影响。采用宏观尺度非等温热重分析(样品量1g)、元素分析和燃烧动力学模型等方法，首次全面评估了GHR衍生生物炭的工业应用潜力。

材料与方法
研究选用哥伦比亚Valle del Cauca地区的甘蔗GHR，经粉碎筛分(0.25-0.5mm)后，在无搅拌反应釜中进行30分钟HTC处理。通过2²
全因子设计结合中心点重复实验，测定质量产率、高热值(HHV)和能量密度等指标。采用自制宏观热重分析装置(加热速率12°C/min)记录燃烧过程，基于Jander三维扩散模型计算动力学参数。

结果与讨论

3.1 HTC参数对生物炭合成的影响
随温度升高，固定碳(FC)含量从10.61%增至55.33%(干基无灰分)，挥发性物质(VM)降低52.1%。元素分析显示氧含量下降42%，但总碳含量保持稳定，这与脱水、脱羧反应消耗O、H元素有关。Van Krevelen图示200°C样品H/C、O/C比接近原料，300°C样品则呈现烟煤特性。

3.2 质量与能量产率
200°C时质量产率最高(84.5%)，300°C时HHV达29.2 MJ/kg^-1
。能量密度在300°C/10:1条件下达到峰值1.55，较原料提升54%。建立的HHV预测模型(R²
=0.995)包含C、H、O、N和灰分参数。

3.3 热重分析特征
原始GHR在344°C出现固定碳燃烧峰，200°C生物炭燃烧峰温度降至316-324°C。300°C样品因芳香结构增多，质量损失曲线趋于线性，微分热重(DTG)峰显著减弱。

3.4 燃烧指数与动力学
H-200-10的燃烧指数(5.15×10^-10
%²
min^-2
°C^-3
)优于原料，其两阶段活化能分别为175.45 kJ/mol(阶段1)和31.60 kJ/mol(阶段2)。Jander扩散模型(R²

0.99)表明燃烧受三维扩散控制。

结论与意义
该研究明确了温度是影响燃烧反应性的关键因素(p=0.001)，开发出两种差异化产品：300°C生物炭具有煤级热值，适合替代工业锅炉中的煤炭；200°C生物炭则保持高反应性和84.5%产率，可直接用于生物质燃烧系统。宏观热重分析方法有效模拟了实际燃烧条件，活化能数据(152-178 kJ/mol)证实其与商用锅炉燃料的兼容性。研究成果为哥伦比亚等甘蔗主产国的农业废弃物增值利用提供了技术路线，对减少化石能源依赖和降低碳排放具有双重效益。