乌兹别克斯坦使用艾草生物质进行太阳能热解以生产替代燃料的评估

《Sustainable Chemistry One World》：Assessment of Solar Pyrolysis of Wormwood Biomass for Alternative Fuel Production in Uzbekistan

　　摘要
本研究强调了乌兹别克斯坦本土艾草（Artemisia spp.）生物量在很大程度上尚未得到开发的潜力，提供了适用于乌兹别克斯坦及其他具有类似气候和农业条件的中亚国家的新实验数据。研究探讨了从三种艾草（A. absinthium、A. turanica、A. diffusa）以及玉米秸秆、果树干叶和家禽粪便中提取替代燃料砖块和生物油的方法。系统测量并比较了生物量砖块和生物油的热性能和物理性质，并与文献中的数值进行了对比。结果表明，A. turanica制成的砖块具有最高的机械耐用系数（96.00 ± 1.18%）和最低的灰分含量（2.2%）。此外，基于A. diffusa的砖块样品（热解生物炭 + A. diffusa + 热解焦油）显示较高的热值（21.19 ± 2.16 MJ/kg）和最高的生物燃料产率（45%）。我们对使用抛物面太阳能聚光器反应器从生物量生产替代燃料进行了物质和能量平衡分析。根据实验结果，1公斤的生物质原料热解产生了不同量的生物油、气体和生物炭。最高的生物油产率来自玉米秸秆（0.470 ± 0.062公斤），而家禽粪便产生的气体产率最高（0.540 ± 0.036公斤）。最高的生物炭产率来自A. diffusa（0.583 ± 0.012公斤）。研究结果显示，太阳能到反应器的热效率达到了38.2%，表明入射太阳辐射有效转化为热能。

引言
对气候变化、环境退化和化石燃料枯竭日益严重的担忧加速了向可持续能源的转型，其中生物量作为一种关键的可再生资源脱颖而出[1]。随着太阳能和风能的快速增长，乌兹别克斯坦拥有丰富的农业残留物生物量资源，可用于供热、发电和生物燃料生产[2]。将太阳能整合到热解系统中可以提高产物的热值，并减少与传统热解方法相比的二氧化碳排放[3]。太阳能通过提供热解所需的热能来促进生物量的转化，从而增加燃料和副产品的能量含量[4]。Chan等人的研究表明，在模拟太阳辐射下进行松木热解时，根据太阳通量密度的不同，焦炭、焦油和气体的产率分别为20–26%、33–52%和11–27%[5]。Gordon等人发现，所研究的灌木的艾草生物质和木质组织的燃烧热约为4500 kcal/kg[6]。植物生物量的干物质（DM）产量是生物能源生产的重要因素[7]。许多植物具有高能量价值，且不用于食品生产，因此可以成功用作“第二代固体生物燃料”[5]。Ciesielczuk等人根据PN-EN 15440:2011标准使用14C方法评估了Artemisia absinthium生物质，并指出了燃烧过程中的NOx排放[8]。对Helianthus annuus、H. tuberosus、Artemisia annua和A. absinthium的生物质进行了固体生物燃料生产研究，其水分和灰分含量依据既定标准进行了测定[9]。Victor等人报告了菊科生物质的有利燃料特性，其总热值为18.9–19.7 MJ/kg，灰分含量为2.1–3.5%[9]。Ciesielczuk等人确定苦艾（Artemisia）作为固体燃料的热值为16.24 MJ/kg（经过10%水分和氢含量校正后）[8]。经过六年的实验研究，Artemisia dubia被发现是最有前景的能源作物之一[10]。艾草属植物在乌兹别克斯坦广泛分布，尤其是在干旱和半干旱地区，许多物种在这些地区自然占主导地位，并在生态和经济上发挥着重要作用[11]。生物质热解可以产生三种类型的燃料：气体、液体燃料和生物炭，可用于各种能源用途[12]。热解产生的气体主要组分为H2、碳氢化合物（C1-C4）、CO、CO2和H2S[12]。根据需求，可以将热解气体净化并分离出不同的气态产物[12]。Yogalakshmi等人发现，更高的加热温度、催化剂添加和较长的气体停留时间是生成合成气和丰富氢气的最佳条件[13]。将生物质转化为生物油的过程主要涉及热解，这需要大量的能量[14]。在提高生物油稳定性和降低腐蚀性的同时最小化能源使用和环境影响仍然是关键的研究挑战[15]。Mei等人表明，催化酯化可以降低热解油的酸值并改善其黏度和热值[16]。Mahfud等人研究了正丁醇和乙二醇在减压条件下对生物质热解油酯化升级效率的影响[17]。使用抛物面槽式集光器和菲涅尔透镜的太阳能驱动热解展示了生物油生产的潜力[18]。Mamatqulova等人研究了当地废物和生物质在生物能源生产中的潜力[20]。Almardanov等人提出了一种基于抛物面太阳能聚光器的太阳能热解装置，用于处理向日葵废弃物以生产替代燃料[21]。Hasibuan等人制得了含水量低（1.50%）和灰分低（3.80%）的淀粉粘合蜡烛壳生物砖块，其热值为8254.25 cal/g[22]。Li等人基于分布式激活能模型（DAEM）分析，报道了Artemisia annua（169.69 kJ·mol?1）和Chenopodium glaucum（170.48 kJ·mol?1）的相似平均激活能[23]。Davlonov等人提出使用带有旋转反应器和太阳能聚光器的太阳能热解装置从生物质（木屑）中获取燃料[24]。Mamatulova研究了生物质热处理所需的热能消耗[25]。Tursunov等人评估了塔什干地区的废弃生物质，报告塑料废弃物的热值为18.88–44.92 MJ/kg，其中碳含量最高[26]。Rustamov等人开发了一种实验室规模的装置，用于各种废弃生物质的热解，并实验表明热解产物（气体、生物炭和生物油）的产率取决于反应器温度、类型和体积以及生物质的水分含量[27]。乌兹别克斯坦几乎所有地区都存在艾草生物质。这些生物质资源分布在Kashkadarya地区的Mubarak、Mirishkor和Koson地区。Kashkadarya地区的平原地带，包括Mubarak、Mirishkor和Koson地区，气候干旱且肥力低，这种环境适合艾草属植物的生长，而艾草属植物在中亚广泛分布[29]。然而，这些植物在乌兹别克斯坦的化学组成和性质尚未得到充分研究[30]。艾草生物质作为能源的潜力尚未在乌兹别克斯坦得到探索，使其成为未来研究和开发的潜在领域。在这方面，苦艾（Artemisia absinthium L.）在中亚自然分布广泛，包括乌兹别克斯坦的费尔干纳山谷[31]。艾草生物质具有丰富的生物活性化合物，适用于医药（抗菌、抗炎、抗氧化）和饮料（苦艾酒、苦艾酒）制造，以及制备可持续材料（多孔碳）的潜力。但其缺点在于含有高浓度的thujone，过量使用可能导致抽搐和中毒，因此孕妇、儿童和某些人群需谨慎使用[18]。本研究旨在评估乌兹别克斯坦本地可利用的生物质，特别是艾草（Artemisia absinthium、A. turanica和A. diffusa），用于生产替代燃料。工作包括对选定的生物质资源（玉米秸秆、果树干叶和家禽粪便）的表征，评估其可用性和收集情况，并通过太阳能驱动的太阳能热解进行实验转化以生产生物油和生物炭。此外，还使用热解产生的焦油作为天然粘合剂制备了燃料砖块。本研究的新颖之处在于将本土艾草生物质综合转化为液体和固体燃料，这在乌兹别克斯坦是前所未有的。研究提供了关于燃料特性和工艺性能的实验数据，展示了可持续替代直接生物质燃烧的方法。这些发现有助于能源多样化，并突显了在农村和偏远地区进行本地化燃料生产的潜力。

部分内容摘录
**生物量砖块（艾草）样品的制备**
为了评估艾草（Artemisia spp.）作为本地生物质资源的潜力，对科学公报和同行评审出版物进行了广泛回顾。分析显示，艾草物种在乌兹别克斯坦共和国的所有地区都有广泛分布[32][33]。根据其自然栖息地报告的平均生物量生产力（表1），制作了一张空间分布图，以表征其可用性和生物量产量潜力。

**结果与讨论**
本研究分析了如表2和表3中详细的六个样本，包括它们的组成和质量。生物质混合物由多种本地材料组成，如Artemisia absinthium、A. turanica、A. diffusa、玉米秸秆、干叶和家禽粪便。我们分析了每个样本的热解焦油含量和生物炭产率，以确保一致性和可比性。计算出的平均值提供了比较热性能和技术性能的代表性基线。

**结论**
本研究提出了一种双路径生物精炼方法，应用于六种本地采购的生物质原料（Artemisia absinthium、A. turanica、A. diffusa、玉米秸秆、干叶和家禽粪便）。慢速热解和固体燃料致密化的结合使得开发并优化了六种砖块配方成为可能，并对其质量和能量平衡行为进行了评估。实验是在基于抛物面太阳能聚光器的太阳能热解装置中进行的。