农业废弃物热解生物炭与成型燃料的可持续能源转化特性研究

本研究针对农业废弃物利用率低、环境污染等问题，通过热解(pyrolysis)技术将7种典型农业残留物(玉米芯、花生壳等)转化为生物炭(biochar)及成型燃料(briquettes)，系统分析其FTIR光谱、理化参数(如pH 8.76-14.09、热值1,868-55,511 KJ/g)及能量特性，证实稻糠与干叶成型燃料具有最高热值，为废弃物资源化与可再生能源开发提供科学依据。

　　

全球每年产生约50亿吨农业废弃物，其中尼日利亚仅玉米秸秆、稻壳和花生壳三类废弃物每季产量就超8000吨。这些富含木质纤维素(lignocellulose)的废弃物常被露天焚烧，不仅释放温室气体，还造成资源浪费。如何将农业废弃物转化为高附加值产品，成为实现联合国可持续发展目标(SDGs 7/12/13等)的关键。传统生物质燃料存在能量密度低、含水率高等缺陷，而热解技术可将废弃物转化为稳定的生物炭(biochar)和高效成型燃料(briquettes)，但不同原料的转化效率与能源特性差异亟待系统评估。

来自尼日利亚的研究团队选取该国常见的7种农业废弃物(玉米芯、花生壳、稻糠、锯末、玉米秸秆、干叶和甘蔗皮)，通过慢速热解(300-700°C)制备生物炭，并采用淀粉粘合剂压缩成型。研究综合运用傅里叶红外光谱(FTIR)分析结构变化，测定pH、阳离子交换容量(CEC)、挥发分(VM)等16项理化指标，并通过氧弹量热法测定热值。所有样本均来自尼日利亚拉各斯和奥贡州的田间收集，经3-4天晒干和105°C烘干预处理。

生物炭产率分析
花生壳(27%)和干叶(25%)产率最高，与其高木质素含量相关；甘蔗皮产率最低(8.6%)，归因于高纤维素和半纤维素含量。ANOVA检验证实不同原料产率差异显著(p=1.08×10^-12
)，为原料筛选提供量化依据。

理化特性表征
生物炭均呈碱性，玉米芯pH达14.09；CEC值1.55-7.39 cmol(+)/kg，与pH呈正相关；固定碳(FC)含量差异显著(11.30-72.07%)，其中花生壳FC最高(72.07%)而玉米秸秆最低(11.30%)。FTIR显示热解后羟基(-OH)峰减弱，芳香族C=C峰增强，证实碳结构稳定性提升。

能源性能评估
稻糠和干叶成型燃料热值分别达55,511.2 KJ/g和约60,000 J/g，与其高FC(54.55%/18.95%)和低灰分(38.88%/71.70%)相关；甘蔗皮热值最低(1,868.57 KJ/g)，与其高挥发分(6.87%)和低FC(30.15%)有关。相关性分析显示FC与热值呈正相关(r>0.7)，而灰分与热值呈负相关。

该研究首次系统评估了尼日利亚主要农业废弃物的能源转化潜力，证实稻糠、干叶和花生壳是优质成型燃料原料，其热值媲美传统化石燃料。通过建立原料组成-工艺参数-产品性能的关联模型，为发展中国家农业废弃物"变废为宝"提供技术路线。研究结果发表于《Waste Management Bulletin》，对实现废弃物零焚烧、降低CO₂
排放具有重要实践意义，尤其为缺乏集中式垃圾处理设施的农村地区提供了可操作的解决方案。未来研究可进一步优化热解温度与粘合剂配比，提升低效原料(如甘蔗皮)的能源转化率。