基于碳相对摩尔质量的生物质热解炭化性能与生物炭燃料特性建模研究

推荐：本研究针对生物炭产量及燃料特性预测精度不足的问题，提出碳相对摩尔质量（CRMM）作为统一生物质特性参数的新指标。通过设计12种木质纤维素组分混合实验，结合200-600°C梯度热解，建立基于CRMM和最高处理温度（HTT）的非线性响应面回归模型。验证显示该模型对生物炭热值（HHV）、元素含量等关键指标预测R2>0.74，为热解工艺优化提供新范式。

　　

随着全球对碳中和需求的增长，生物质热化学转化技术成为研究热点。国际生物炭倡议组织数据显示，2021-2023年生物炭产量年增长率高达91%，预计2025年市场规模将达33亿美元。然而，生物炭生产面临核心挑战：传统预测模型需依赖13-16个独立变量描述原料和工艺参数，导致机器学习模型存在"黑箱"缺陷、计算复杂且易过拟合。

波兰国家科学中心资助的研究团队创新性提出碳相对摩尔质量（Carbon-Relative Molar Mass, CRMM）概念，通过将生物质的元素组成（CHNSO）和灰分（AC）转化为单一标量参数，显著简化预测模型。研究设计12种木质素（L）、纤维素（C）和半纤维素（H）的精确配比混合物，在200-600°C区间以25°C间隔进行60分钟热解，生成204个生物炭样本。采用Van Soest法测定原料组分，通过元素分析仪（Perkin Elmer CHNS 2400）和热量计（IKA Werke GmbH）获取元素组成及高位热值（HHV）数据。

材料与方法
研究选用碱木质素（CAS 8068-05-1）、微晶纤维素（CAS 9004-34-6）和木聚糖（CAS 9014-63-5）构建模拟体系，通过不锈钢反应器在CO₂氛围下进行热解。CRMM计算采用原子质量归一化方法：先换算无灰基元素含量（%Cont.(i)_(DAF)），再根据公式CRMM=∑[(L/C)mol(i)_(DAF)·m_a(i)]推导。模型验证使用苹果木（硬木）、松木（软木）和大麻秸秆（草本）三类真实生物质。

生物质特性影响
CRMM值范围20.95-35.92 g/mol，与木质素含量呈负相关。木质素纯样（L100）CRMM最低（20.95±0.34），半纤维素纯样（H100）最高（35.92±2.88）。元素分析显示木质素增加使生物炭碳含量提升而氧含量降低，如L30C55H15混合物的碳含量达43.20±0.57%，显著高于纤维素主导的样品。

热解性能建模
建立的二次响应面模型揭示：生物炭产率（BY）与CRMM和HTT均呈负相关，最低值（约20%）出现在高CRMM（36 g/mol）与600°C组合。能量密度比（ED）则相反，在高温高CRMM条件下达最大值2。模型决定系数R²为0.869（BY）、0.869（ED）和0.821（EY），显示优异预测能力。

燃料特性预测
碳含量模型精度最高（R²=0.828），高温（600°C）处理使生物炭碳含量提升至80%以上。氢、氧含量随温度升高显著下降，而氮含量变化不显著（R²=0.104）。高位热值（HHV）预测R²达0.743，验证实验中苹果木生物炭实测与预测值线性回归斜率0.96。

讨论与展望
该研究首次证实CRMM可替代传统多参数模型，仅用2个变量即可预测9项生物炭特性。相比Khan等开发的15参数ANN模型（R²～0.93），本方法在保持精度的同时大幅简化变量。未来可结合热处理严重性指数（HTSI）进一步优化模型，并扩展至不同灰分组成的生物质体系。研究成果发表于《Fuel》，为生物炭生产的精准调控提供理论基石，对实现"定制化"生物炭生产具有重要实践意义。