综述：烘焙生物质作为可持续能源与环境应用的平台：工艺优化、反应器设计与功能材料开发

这篇综述系统阐述了烘焙（Torrefaction）技术在提升生物质燃料性能与功能材料开发中的关键作用，聚焦200–300?°C惰性气氛下的热化学转化机制，涵盖反应器设计（如RTD分析、CFD建模）、预处理策略（水洗、催化烘焙）及多领域应用（燃料电池PEMFCs/MFCs、超级电容器、光催化环境修复），为生物质高值化利用提供了跨学科技术路线。

　　

烘焙生物质：从废弃物到高值材料的绿色革命

引言
全球固体废弃物激增与生物质资源利用不足的矛盾日益突出。传统处理方式如填埋和焚烧带来环境负担，而烘焙技术通过200–300?°C的温和热解，将农林废弃物转化为高能量密度、疏水性的“生物煤”（bio-coal），成为连接废弃物管理与清洁能源的桥梁。

生物质类型与挑战
原料涵盖农业残余（如稻壳）、林业废料（如木屑）及城市有机垃圾，但原始生物质存在含水量高（>30%）、氧碳比（O/C）高、研磨性差等缺陷。烘焙通过分解半纤维素、部分降解纤维素，显著提升固定碳含量（提高20–50%）和热稳定性，同时降低挥发分（15–30%）。

工艺优化与反应器设计
温度与停留时间是关键参数：低温（200–250?°C）优先保留质量产率（MY>80%），高温（250–300?°C）则提升能量密度（HHV>25?MJ/kg）。反应器设计中，流化床与回转窑通过RTD（停留时间分布）分析优化流动均匀性，CFD模型可减少“死区”达15–20%。催化烘焙引入金属氧化物（如K₂CO₃）进一步降低反应活化能，使脱羧反应效率提升30%。

功能材料开发
烘焙生物质经活化或掺杂（N/S共掺杂）可制得多孔碳材料：

• 能源存储：在超级电容器中比电容达300–400?F/g（1?A/g），优于传统活性炭；
• 燃料电池：作为PEMFCs阴极载体，导电性提高2个数量级；
• 环境修复：负载TiO₂的光催化剂对染料降解率>90%（可见光下）。

可持续性评估
生命周期分析（LCA）显示，耦合水洗预处理的烘焙系统可减少35%的全球变暖潜能值（GWP），而经济性分析表明投资回收期约5–8年（规模>10万吨/年）。

未来展望
集成机器学习优化参数、开发低成本催化剂（如生物灰分衍生催化剂）及拓展土壤修复应用（重金属吸附率>85%）将是下一阶段重点。烘焙技术正推动生物质从“低效燃料”向“智能材料”的跨越，为循环生物经济提供核心支撑。