微波共催化热解甘蔗渣与禽粪厌氧消化残渣制备富氢气体及生物炭的增效机制研究

本研究针对生物质能源转化效率低的问题，通过微波共热解技术整合甘蔗渣(SB)与禽粪厌氧消化残渣(PD)，系统评估生物炭、Fe-生物炭、HZSM-5及CaO等催化剂对富氢气体(H2含量达27 vol%)和生物炭品质的调控作用。结果表明CaO催化剂使气体产率提升至39.5 wt%，酸处理HZSM-5催化剂获得高热值生物炭(HHV 28 MJ/kg)，为生物质废弃物高值化利用提供新策略。

　　

随着全球能源结构转型加速，生物质能作为碳中性能源占比已达9.5%，但其直接利用存在能量密度低、热值不足等瓶颈。甘蔗渣(SB)作为糖业副产品富含纤维素，禽粪厌氧消化残渣(PD)含氮量高但处置困难，两者协同处理可优化碳氮平衡。华中科技大学能源与动力工程学院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地采用微波共热解技术整合这两种废弃物，系统考察了生物炭、Fe-生物炭、HZSM-5沸石及CaO等催化剂对产物分布的调控机制。

研究采用1-2 mm粒径的SB与PD原料，通过微波反应器（功率900W）进行共热解，利用GC-MS分析气体组分，BET测定生物炭孔隙结构。重点比较了S100（纯SB）、P100（纯PD）及S75P25（混合比）等进料模式，并引入CaO、酸处理HZSM-5等催化剂进行增效实验。

Pyrolytic products distribution
单原料热解显示：SB因纤维素含量高产生36 wt%气体，而PD因木质素优势产生39.5 wt%生物炭。最佳混合比S75P25使H₂产率提升至12 vol%，证实原料协同效应。

Catalytic performance evaluation
CaO催化剂通过促进脱羧和CO₂吸收使气体产率达39.5 wt%，H₂浓度提高125%。酸处理HZSM-5因酸性位点增加，使生物炭高热值（28 MJ/kg）且氮含量达9.5%，显著优于原始HZSM-5的23 MJ/kg。

Energy and environmental analysis
酸处理HZSM-5组能量回收效率达62%，CaO组为60%。Fe-生物char通过氧化还原作用降低焦油产率，同时生物炭的BET表面积提升至380 m²/g，具备吸附剂应用潜力。

该研究首次证实微波共热解SB与PD的协同效应，通过催化剂定向调控实现"气-炭联产"。CaO与改性HZSM-5分别针对气体和生物炭优化，为农业废弃物能源化提供闭环解决方案。研究由Al-Azhar University和华中科技大学联合完成，获得国家自然科学基金重点项目（52125601、52436007）支持，技术路线对生物质精炼产业化具有重要参考价值。