管道水力输送软木质生物质的水热液化制备水热炭及其特性表征：一种集成运输与转化的可持续策略

本研究针对生物质运输成本高、高含水率原料处理难的问题，开展了管道水力输送结合水热液化(HTL)制备水热炭的研究。通过响应面法优化工艺参数，系统表征了水热炭的理化特性，发现其具有较高的碳含量和能量密度，但比表面积较低。研究表明该集成策略可有效降低运输成本，水热炭适用于土壤改良和固体燃料应用，为生物质资源化利用提供了新路径。

　　

随着全球2050年实现净零排放目标的推进，生物质作为可再生能源的转化利用日益重要。然而，木质纤维素生物质供应链复杂，运输成本可占生物产品总成本的50%，且高含水率(70-82 wt%)原料对热化学转化技术构成挑战。加拿大 boreal 森林每年产生约2100万吨绝干森林残余物，主要为云杉、松树和冷杉等软木物种，占2020年木材产量的98%。这些资源为生物能源应用提供了丰富可持续的原料，但高昂的运输成本和原料处理难题限制了其规模化应用。

为解决这些问题，研究人员创新性地提出将管道水力输送与水热液化(HTL)技术相结合的策略。管道输送以水为载体，可经济高效地运输生物质浆料，实现连续大规模供应；而HTL技术能够直接处理高含水率原料，在亚临界或超临界水条件下将生物质转化为生物原油、水热炭、水相产物和气体。虽然水热炭作为副产品以往关注较少，但其富含碳氢特性在资源回收和可持续管理方面具有重要价值。

本研究由 Omex Mohan、Olugbenga Abiola Fakayode 和 Amit Kumar 来自阿尔伯塔大学的研究团队完成，论文发表在《Biomass and Bioenergy》。研究团队通过系统的实验设计和表征分析，深入探讨了管道输送对原料特性的影响以及HTL工艺参数对水热炭产量和品质的调控规律，为生物质能源的高效转化提供了重要理论与实践依据。

研究人员采用的主要技术方法包括：使用云杉-松-冷杉混合软木 chips 为原料，经锤磨和筛分得到三种粒径等级(S1、S2、S3)；通过响应面法(RSM)优化HTL工艺参数（水料比、温度、压力、停留时间和粒径）；采用316不锈钢高压反应釜进行HTL实验；使用CHNS分析仪、热重分析仪、FTIR光谱仪、XPS、XRD、SEM-EDX等多种表征手段分析水热炭的理化特性；通过温度程序氧化(TPO)评估水热炭的氧化稳定性和碳封存潜力。

2.1. 材料准备

研究选用北阿尔伯塔 boreal 森林的软木 chips（云杉、松树、冷杉质量比85:10:5），经锤磨机粉碎后通过筛分得到0.860-0.559 mm(S1)、0.559-0.381 mm(S2)和0.381 mm以下(S3)三种粒径等级。原料的绝干基组分为：碳50.90%、氢6.76%、氧42.24%，挥发分83.85%，固定碳16.15%。

2.2. 工艺参数选择与实验设计

基于管道水力输送与HTL整合的需求，选择水料比(5,10,15)、温度(250,300,350°C)、初始压力(2.1,3.1,4.1 MPa)、停留时间(0,15,30 min)和粒径(S1,S2,S3)五个参数，采用中心复合旋转设计(CCRD)进行32组实验，包括16个因子点、10个轴向点和6个中心点。

2.3. 实验装置与程序

将水饱和的生物质原料（模拟管道输送后的状态）与去离子水按设定水料比混合，在250 mL高压反应釜中进行HTL实验。反应后产物经丙酮萃取、旋转蒸发分离得到生物原油、水相产物和水热炭，分别称重并分析。

2.4. HTL工艺优化

采用响应面法建立工艺参数与响应值（水热炭产率、能量回收率等）的数学模型，通过方差分析(ANOVA)确定显著影响因素，优化工艺条件以获得最佳生物原油产率和品质。

2.5. 管道输送生物质及HTL处理

在最优工艺条件下，使用闭路管道系统实际输送软木生物质浆料24小时（流速2.5 m/s），表征输送前后原料的生化组成和粒径变化，随后进行HTL处理和水热炭表征。

2.6. 水热炭表征

全面分析水热炭的产率、能量回收率、 proximate and ultimate composition、pH值、持水能力、 bulk density、氧化稳定性、表面官能团、孔隙结构和形貌特征。

2.7. 统计分析

通过多元线性回归建立工艺参数与水热炭特性指标的定量关系，使用Design-Expert软件进行模型拟合和显著性检验。

3.1. 原料表征

原料含水率6.7±0.5%，三种粒径等级的饱和含水率相近，生化组成无显著差异。

3.2. 水热炭产率与品质

水热炭产率范围7.04-46.27%，HHV为25.42-31.74 MJ/kg，能量回收率10.61-68.00%。H/C原子比0.49-0.81，O/C原子比0.10-0.28。与原料相比，水热炭碳含量和固定碳显著增加，氧含量和挥发分降低。

3.3. 工艺参数对水热炭的影响

水料比和初始压力对水热炭产率和能量回收率有显著影响，增加水料比(5→15)使产率降低77.2%，能量回收率降低78.1%；增加初始压力(2.1→4.1 MPa)使产率降低56.7%。温度和停留时间对H/C和O/C比影响显著，温度升高(250→350°C)使H/C降低26.24%。

3.4. 管道输送生物质制备的水热炭特性

最优工艺条件（水料比15、温度294°C、压力3.17 MPa、停留时间0 min、粒径S2）下，管道输送生物质制备的水热炭产率13.22%，能量回收率19.31%，H/C=0.78，O/C=0.23，HHV=27.30 MJ/kg。水热炭为黑色脆性材料，pH=6.88，干 bulk density=0.142 g/cm³，持水能力3.95 g/g。

3.4.1. 物理特性

粒径分析显示HTL过程使颗粒尺寸减小11倍（d₅₀从原料到水热炭）。TPO分析显示R₅₀=0.5，属于轻度降解类别，碳封存潜力(CSP)为9.53。

3.4.2. 化学组成

水热炭灰分含量极低(0.24±0.06%)。FTIR分析显示羟基峰减弱，1728、1357、1327 cm^-1处峰几乎消失，表明脱水反应和含羰基基团分解。XPS显示碳氧峰减弱，表明脱氧过程。SEM-EDX显示无机元素(Na、Mg、K)流失，仅残留少量Ca。

3.4.3. 形态特征

BET比表面积9.27 m²/g（原料7.21 m²/g），BJH分析显示介孔表面积减少，孔体积增大(0.135 vs 0.113 cm³/g)，孔径分布呈现多峰型。XRD显示纤维素特征峰消失，26.19°处出现石墨碳峰，表明形成石墨化无定形结构。SEM显示纤维结构破坏，形成大孔(4.11±0.56 μm)和互联多孔网络。

3.5. 管道输送对原料特性的影响

管道输送对木质纤维素组成影响微小（木质素55.8%→55.6%，半纤维素10.8%→11.2%，纤维素28.9%→28.0%），粒径仅减小2%。但导致无机元素(Na、Mg、K、Ca)浸出，灰分从0.3%降至0.18%。

3.6. 水热炭的潜在应用

基于特性分析，水热炭最适合土壤改良和固体燃料应用：作为土壤改良剂可提高持水能力和孔隙度；作为固体燃料具有与煤和褐煤相当的H/C、O/C和HHV值，燃烧特性改善。但低比表面积限制了其作为吸附剂和能源存储材料的应用。

本研究通过集成管道水力输送与HTL技术，成功实现了软木质生物质的高效转化与水热炭回收。系统研究了工艺参数对水热炭产量和品质的影响规律，发现水料比和初始压力是影响产率的显著因素，而温度和停留时间主要影响元素组成。管道输送虽导致无机元素浸出，但对木质纤维素组成和粒径影响微小。

水热炭表征显示其具有碳含量高、能量密度大、灰分低的特点，但比表面积较小。结构分析表明HTL过程促进了脱水、脱氧和石墨化转变，形成多孔无定形碳材料。应用评估表明水热炭最适合作为土壤改良剂和固体燃料，为生物质资源的高值化利用提供了新途径。

该研究的重要意义在于：①开发了管道输送与HTL的集成技术，降低了生物质运输和干燥成本；②深入揭示了工艺参数与水热炭特性的构效关系，为过程优化提供指导；③全面表征了水热炭的理化特性，为其资源化利用提供了科学依据；④为林业残余物的高效转化和碳中和目标提供了技术支撑。

这项研究不仅证明了水力输送与HTL集成的技术可行性，也为生物质能源的规模化应用提供了创新思路，对促进可再生能源发展和实现循环经济具有重要意义。未来研究可进一步探索水热炭的活化改性方法，拓展其应用领域，并开展全生命周期评价以评估该集成技术的环境效益。