提升生物质气流床气化流动性的关键策略：致密化与烘焙预处理的作用

为解决生物质气流床气化过程中因颗粒不均和流动性差导致的碳转化效率低等问题，研究人员通过结合机械（致密化）与热化学（烘焙和蒸汽爆破）预处理技术，系统评估了玉米秸秆的理化特性。研究发现，烘焙预处理显著降低颗粒内摩擦角（40.09° vs. 41.87°）和有效黏聚力（0.56 kPa vs. 0.83 kPa），并减少16%的粉碎能耗，为生物质高效气化提供了关键技术支撑。

　　

随着全球能源需求增长和环境问题加剧，生物质作为碳中性资源成为替代化石燃料的重要选择。然而，生物质气流床气化技术面临颗粒流动性差、碳转化效率低等挑战，尤其是R-GAS^?等高压高温反应器要求颗粒尺寸小于150 μm。传统预处理方法如蒸汽爆破虽能破坏木质纤维素结构，但无法改善流动性能。为此，美国爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory, INL）的Nepu Saha团队在《Biomass and Bioenergy》发表研究，系统评估了烘焙（torrefaction）与致密化（densification）联用对生物质流动性和气化适应性的影响。

研究采用机械致密化结合烘焙（245±10°C）或蒸汽爆破（150 psi）预处理玉米秸秆，通过粒度分析、剪切测试和能量消耗测定等手段，对比了两种技术的效果。关键发现包括：烘焙玉米秸秆（TCS）的内摩擦角（40.09±0.22°）和黏聚力（0.56±0.01 kPa）显著低于蒸汽爆破样本（SECS），且粉碎能耗降低16%；烘焙还使颗粒形状更均匀，体积密度提高至495.24 kg/m³（松散状态）。此外，烘焙温度升高至300°C时，颗粒球形度（sphericity）和凸度（convexity）进一步优化，流动性能提升。

3.1 材料特性

• 物理性质：TCS的含水率（1.02 wt%）和粒度分布（D₅₀=156 μm）优于SECS，致密化后体积密度增加111%。
• 化学性质：烘焙使碳含量提升3%，氢氧含量降低，高位热值（HHV）达18.84 MJ/kg。
• 机械性能：TCS的休止角（33.79°）和剪切强度低于SECS，证实其更优的流动特性。

3.2 流动性能
TCS在1/2英寸超密相（UDP）管线中实现稳定输送，而SECS因粉尘问题无法加载，凸显烘焙的工程适用性。

3.3 能耗分析
烘焙路径通过挥发分燃烧产能，净能耗低于蒸汽爆破，粉碎总能耗比原始生物质降低91%。

3.4 烘焙温度影响
300°C烘焙使木材颗粒的未受限屈服应力降至0.56 kPa，黏聚力减少82%，证实高温烘焙对流动性的显著改善。

该研究首次明确了烘焙预处理通过调控颗粒形貌和力学性能，解决了生物质气化的流动性与能耗瓶颈。其结论为生物质预处理工艺优化提供了理论依据，推动气流床气化技术向规模化应用迈进。未来需进一步探究不同生物质种类的适应性及与下游能源系统的整合潜力。