生物废弃物压块参数优化及其热化学燃料特性研究：推动可持续能源与废弃物管理

为解决埃塞俄比亚因依赖生物质燃料导致的环境与能源问题，研究人员开展了生物废弃物压块参数优化研究。通过调控颗粒尺寸(0.3–1 mm, 2–4 mm, 5–7 mm)和压实压力(5 MPa, 10 MPa)，结合纸浆粘结剂，系统评估了压块的密度、水分含量、灰分、固定碳、挥发分和热值等燃料特性。研究发现小颗粒锯末在10 MPa压力下制备的压块具有最高热值(20.96 MJ/kg)和机械强度，而咖啡壳小颗粒在5 MPa下表现出高挥发分(78.05%)和良好热值(17.62 MJ/kg)。该研究为生物废弃物资源化利用提供了关键技术参数，对减少废弃物体积(54.8%)和缓解森林砍伐具有重要意义，为发展中国家可持续能源解决方案提供了实验依据。

　　

在当今全球能源需求持续增长的背景下，发展中国家尤其是撒哈拉以南非洲地区面临着严峻的能源与环境双重挑战。埃塞俄比亚作为典型代表，其85%的能源消费依赖生物质燃料，导致森林砍伐、生物多样性丧失、温室气体排放和室内空气污染等一系列问题。同时，该国每年产生超过600万吨固体废弃物，预计到2030年将达到1000万吨，糟糕的废弃物管理系统使得有机废弃物的回收利用面临巨大挑战。

这种背景下，将生物废弃物转化为能源的技术引起了广泛关注。生物质压块技术通过将有机废弃物压缩成型，不仅能够提高能源密度和燃烧效率，还能有效减少废弃物体积，实现废弃物资源化利用。然而，压块质量受到原料类型、颗粒尺寸和压实压力等多重因素影响，在埃塞俄比亚的具体情境下，这些参数如何影响压块燃料特性的系统研究尚属空白。

为了解决这一问题，挪威大学生命科学大学环境科学与自然资源管理学院的研究团队在《Bioresource Technology》上发表了最新研究成果。研究人员选择了五种典型的埃塞俄比亚生物废弃物：锯末、咖啡壳、水果废弃物、花卉废弃物和蔬菜残余物，系统研究了颗粒尺寸(0.3–1 mm, 2–4 mm, 5–7 mm)和压实压力(5 MPa, 10 MPa)对压块燃料特性的影响，并使用纸浆作为粘结剂。

研究采用了多种关键技术方法：使用Retsch ZM 1000超离心研磨机进行样品粉碎和筛分；通过自行设计的压块机在ZwickRoell Z1200ES万能材料试验机上进行压块成型；按照ASTM和ISO标准方法测定压块的物理特性(密度、体积膨胀率)和机械耐久性(抗压强度、抗冲击性、耐磨性)；通过近似分析(ASTM E1756-08, E872-82, E1755-01)测定水分含量(MC)、挥发分(VM)、灰分和固定碳(FC)；使用Parr 6400弹式量热计(ISO 9831)测定热值(CV)；并采用广义线性模型(GLM)进行统计分析和参数优化。

4.1. 生物废弃物生化成分

研究首先分析了原料的生化组成，发现蔬菜废弃物的葡聚糖含量最高(31.0%)，花卉废弃物最低(7.7%)；锯末的木质素含量最高(40.5%)，蔬菜废弃物最低(16.0%)。这些成分差异直接影响压块的结合能力和燃烧性能。

4.2. 原料近似分析

原料燃料特性分析表明：锯末的挥发分最高(85.4%)，水果废弃物最低(63.8%)；锯末的灰分最低(2.0%)，水果废弃物最高(12.9%)；纸张和蔬菜废弃物的水分含量最低(约3.7–3.8%)，花卉废弃物最高(6.2%)。锯末和水果废弃物的热值最高，分别为19.2 MJ/kg和18.4 MJ/kg。

4.3.–4.7. 理论模型与机理分析

研究建立了定量模型框架，从动力学、毛细管传输和热扩散等角度解释了颗粒尺寸和压力对热行为的影响。脱挥发分动力学遵循一级阿伦尼乌斯方程，小颗粒因较高的比表面积而表现出更快的挥发分析出；毛细管传输的Lucas–Washburn方程表明，高压下的小颗粒压块孔隙半径更小(4–6 μm)，限制了水分传输；傅里叶数分析证实小颗粒内部加热更均匀，这些机理共同解释了小颗粒压块优越的燃烧性能。

4.8. 物理特性

压块物理特性评估显示：咖啡壳压块的初始堆积密度最高(1167.3 kg/m³)，锯末最低(585.0 kg/m³)；所有压块在48小时后密度均下降，锯末压块的体积膨胀率最低(11.86%)，表明其尺寸稳定性最好。机械耐久性测试表明，锯末压块抗压强度达3.37 MPa，磨损损失低于10%，能承受4–5次跌落冲击。

4.9.–4.10. 元素分析与压块近似分析

元素分析显示锯末压块的碳含量最高(48.1%)，蔬菜废弃物最低(38.3%)；所有样品的氮、硫含量均较低，有利于减少燃烧过程中的氮氧化物和硫氧化物排放。压块燃料特性分析表明：小颗粒锯末在10 MPa下的挥发分最高(90.87%)，灰分最低(2.52%)，热值最高(20.96 MJ/kg)；而大颗粒蔬菜废弃物的挥发分最低(52.39%)，灰分最高(14.31%)。

4.11.–4.16. 统计建模与参数影响

广义线性模型分析表明：颗粒尺寸和废弃物类型对挥发分、灰分、固定碳和热值均有显著影响(p<0.05)，而压实压力影响不显著。小颗粒和中等颗粒通常产生更高的热值和挥发分，大颗粒则导致更高的灰分和固定碳含量。

4.17. 参数优化组合

通过复合合意性分析确定了各原料的最佳参数组合：锯末小颗粒在10 MPa下得分最高(0.6607)，热值达19.71 MJ/kg；咖啡壳小颗粒在5 MPa下也表现良好(0.6601)，热值为17.62 MJ/kg；花卉、水果和蔬菜废弃物的性能相对较差，需要与其他材料混合使用。

4.18.–4.19. 工程设计与部署可行性

研究还进行了工程放大分析，计算了模具尺寸优化、停留时间估算、比能耗和放大预测。结果显示能量回报率(EROEI)高达602.5，表明该过程能量效率很高。从技术和基础设施角度评估了在埃塞俄比亚部署的可行性，包括系统集成、炉灶兼容性、用户行为和社会接受度以及分销物流。

4.20. 生态视角

生态效益评估显示：压块技术可实现54.8%的废弃物减容；通过替代木炭和薪柴，理论上可减少约23,830公顷/年的森林砍伐；生物废弃物压块的热值(16.4–20.9 MJ/kg)与木炭(31 MJ/kg)和薪柴(18.8 MJ/kg)相当，具备替代潜力。每吨生物废弃物可产生0.294吨油当量的能量，有望替代当前能源需求的20%。

研究结论表明，生物废弃物压块技术通过参数优化可显著提升燃料品质，其中小颗粒锯末在10 MPa压力下表现最佳。粘结剂的添加改善了燃烧性能和尺寸稳定性，机械测试证实压块具有良好的耐久性。该技术不仅为废弃物管理提供了解决方案，还能缓解森林砍伐压力，促进可持续能源发展。

然而，研究也存在一定局限性：未进行燃烧排放分析、生命周期评估(LCA)和技术经济分析(TEA)；缺乏中试规模的现场验证；粘结剂比例仅基于初步试验。未来研究需要在这些方面进行深入探索，并通过现场试验验证实验室结果的实际适用性。

这项研究为发展中国家特别是埃塞俄比亚提供了一种将有机废弃物转化为高效固体燃料的技术路线，通过优化压块参数，显著提升了生物废弃物的能源价值，为实现废弃物资源化、能源可持续性和环境保护的多重目标提供了重要科学依据。