《Renewable Energy》：Integrated leaching-steam explosion pretreatment to upgrade low-grade biomass into high-quality black pellets
编辑推荐：
本研究旨在通过联合水浸出与蒸汽爆破预处理，提高小麦秸秆、油棕空果纤维和松树皮生物质颗粒的机械强度（达98.4-99.5%）、热值（18.6-20.8 MJ/kg）及低无机成分含量（灰分降低44-62%），使其符合国际生物质颗粒标准。
Biswajit Samal | Abhishek Singhal | Saikat Kumar Kuila | Jukka Konttinen | Tero Joronen | Brajesh Kumar Dubey
印度卡尔加普尔理工学院土木工程系
摘要
本研究的主要目标是生产出具有高能量密度且无机成分含量低的耐用生物质颗粒，以用于热化学应用。研究了三种不同的生物质残余物：小麦秸秆、云杉树皮和油棕的空果串。采用了一种新的预处理方法来提高低等级原料的颗粒质量，即联合浸出和蒸汽爆炸（WSE）预处理。详细研究了水浸出、蒸汽爆炸和WSE对生物质颗粒特性的影响。研究的颗粒特性包括质量和能量密度、热值、机械耐久性、疏水性、抗压强度、抗拉强度、长度膨胀和表面形态。结果表明，原始生物质颗粒由于机械耐久性较差（<95%）或含有较高水平的有害元素（Cl、N、K；灰分含量2.9-8.1 wt%），无法满足现有的国际生物质颗粒标准。然而，经过联合预处理后，处理后的颗粒在所有物理化学和机械性能上都有显著改善，特别是热值（达到18.6-20.8 MJ/kg）、机械耐久性（达到98.4-99.5%）、抗拉强度（达到12.7-13.1 MPa）以及灰分含量（减少了44-62%，降至2.3-4.6 wt%）。这些处理后的黑色颗粒具有更优的质量，符合国际生物质颗粒标准（ISO、ENplus?、DINplus、IWPB）的要求。
引言
由于木材供应有限，为了减轻对森林生态系统的压力，全球市场正转向使用更清洁的低等级生物质原料，如农业残余物（大麦、玉米、棉花、水稻、小麦的秸秆）；能源作物（向日葵、柳枝稷、高粱、芒草）；森林残余物（树枝、树皮、球果、细枝）[1]；以及工业生物废弃物（甘蔗渣、橄榄残渣、果核、壳、蒸馏过程废弃物）[2,3]。全球每年产生约37.6亿吨农业残余物，其中约6亿吨为小麦秸秆（WS），4亿吨树皮，以及约8000万吨油棕的空果串（EFB）[4]。如此大量的残余物常常导致露天焚烧，这在许多国家是一个严重的环境问题[5]。因此，许多政府都有强烈的动机将这些生物质原料重新用于能源和化学回收。这些农业残余物可以与高效燃烧系统[3]和热化学系统结合，以满足主要农业经济体的城市和农村地区的能源需求[6]。然而，某些物理化学性质严重限制了生物质残余物在热化学转化中的价值利用。
木质纤维素残余物通常具有低能量密度、纤维状且结构紧密、均匀性差、吸湿性强以及易于生物降解的特点，这在处理、储存和高温反应器中带来了挑战[7]。对这些残余物进行致密化（造粒或压块）对于降低燃料储存和运输成本、提高能量密度和改善燃料质量至关重要。然而，与木颗粒相比，农业残余物制成的颗粒在体积和能量密度、耐久性、均匀性和抗压强度方面较低[8,9]。低等级生物质原料的另一个主要挑战是其无机成分。它们通常含有大量的灰分（0.1–20 wt%），远低于煤炭（8–58 wt%），但反应性却比煤灰更强[10,11]。生物质灰分中含有高量的有害元素（TE），如Cl、S、K、Na、Si和N[12]。这些因素在气化和燃烧过程中可能导致严重的灰分相关问题，包括换热器结垢、耐火表面结渣、流化床团聚[13]、锅炉管和过热器腐蚀以及颗粒物排放增加[14,15]。因此，对木质纤维素生物质进行预处理是必要的。
为了改善其物理和化学组成，蒸汽爆炸（SE）是一种潜在的预处理方法，可以通过与高温蒸汽（160-220°C）反应约5-30分钟，然后快速减压[16]来破坏生物质纤维结构。因此，半纤维素的分解和木质素含量的相对增加提升了蒸汽爆炸处理后的多种颗粒特性，包括能量密度、耐水性、强度和耐久性、可研磨性和热稳定性[16,17]。尽管只有少数研究探讨了蒸汽爆炸生物质的热化学转化。与灰色颗粒相比，Gunarathne等人[18]发现使用SE处理的黑色木颗粒在气化过程中产生的合成气中CO和碳氢化合物含量更高。在燃烧过程中，SE处理的生物质颗粒由于可研磨性更好、气力输送更便捷、能量密度更高以及热转化过程中的整体控制更佳，因此效果更优[8]。
尽管多项研究强调了使用SE进行致密化、热化学和生物化学转化的潜在优势，但较少关注预处理后灰分含量和组成的变化。SE过程中半纤维素的降解会增加原料中的总灰分和有害元素（TE）浓度，例如小麦秸秆（WS）、油棕空果串（EFB）和云杉树皮（SB）[4]以及柳木[17]，从而使其灰分熔点和烧结起始温度降低15–160°C[19]。这可能会进一步加剧灰分熔化和相关问题。为了解决这些问题，Singhal等人[4]开发了一种新的预处理方法，结合了浸出和SE预处理，用于高灰分含量的生物质原料。预处理后的最终产品具有较高的热值（19-22 MJ/kg），并且碱和氯化物化合物减少了77-98%。通过对处理前后的生物质进行详细化学分析，他们发现即使在高温（>900°C）下，处理后的生物质也具有更低的结垢和结渣倾向。然而，这种预处理对低等级残余物造粒过程和颗粒特性的影响仍有待探索。由于浸出和蒸汽爆炸都会显著改变有机成分、无机成分和物理性质[4]，因此需要全面评估联合预处理后的最终产品，以生产出高质量的黑色颗粒。迄今为止，只有少数研究强调了WS和SB经过SE处理后颗粒特性的变化。在EFB中，SE处理后颗粒的硬度和体积密度有所改善[20]。然而，SE材料的一些重要颗粒特性，如湿耐久性、吸湿性、抗压强度和抗拉强度仍未得到研究，而这些特性对于颗粒的储存和运输至关重要。因此，需要进一步详细研究不同预处理对WS、SB和EFB颗粒特性的影响，以实现其有效的热化学转化。
本研究的主要目标是利用低等级生物质残余物生产出具有高机械耐久性、高能量密度和低有害元素（TE）含量的高质量颗粒。采用了三种不同的预处理方法来实现这一目标：浸出、蒸汽爆炸和联合浸出-蒸汽爆炸。为了研究不同预处理方法对多种生物质类型的效果，详细研究了三种不同类型的低等级生物质原料——农业残余物（WS）、工业残余物（油棕的EFB）和森林残余物（SB）。在预处理前后研究了颗粒的各种特性——质量和能量密度、热值、抗压强度、抗拉强度、极限应力、杨氏模量、抗冲击指数、长度膨胀、抗水性指数、平衡含水量和表面形态。最后，将本研究的结果与现有的木质和非木质生物质颗粒标准进行了比较。
生物质选择和样品制备
在本研究中，使用了三种不同的生物质原料：小麦秸秆（WS）、油棕的空果串（EFB）和云杉树皮（SB）。EFB（Elaeis guineensis Jacq）来自马来西亚的Kapar地区，而SB（Picea abies）和WS（Triticum aestivum）分别来自瑞典的Lund地区和芬兰的Koski TL地区。实验前，所有原料都经过研磨并通过5毫米筛网过滤。
较高的热值（HHV）、质量和能量密度
在评估不同预处理方法的影响时，发现与SE不同，浸出对不同原料的热值（HHV）影响不一。对于EFB和SB，清洗后HHV值略有增加（<0.6 MJ/kg），可能是由于灰分去除量较高（19-54%）。而对于WS，HHV值略有下降（<0.2 MJ/kg），这可能是由于清洗过程中有机化合物的流失。在之前的研究中，也观察到不同预处理对HHV值的影响各不相同
结论
本研究旨在利用三种预处理方法——浸出/清洗（W）、蒸汽爆炸（SE）和联合浸出-蒸汽爆炸（WSE）——从低等级生物质（如小麦秸秆（WS）、空果串（EFB）和云杉树皮（SB）中生产出高质量、高能量密度且低灰分的颗粒。原始生物质颗粒的热值（HHV）足以满足能源和热回收应用的需求（>16.5 MJ/kg）。然而，由于灰分含量高（>3%）、机械耐久性不足（<96.5%）以及有害元素含量较高
CRediT作者贡献声明
Biswajit Samal：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、数据整理。Abhishek Singhal：撰写初稿、数据可视化、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。Saikat Kumar Kuila：审稿与编辑、实验研究、数据分析、概念构思。Jukka Konttinen：审稿与编辑、资源协调、方法论设计。Tero Joronen：审稿与编辑、项目监督
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢Marko Palonen（Valmet，芬兰）和Peter Bj?rklund（Valmet，瑞典）在本研究规划阶段提供的宝贵支持。同时，我们也感谢IIT Kharagpur土木工程系的Rajesh Kola和Souradeep Mohapatra在样品处理和造粒实验方面的帮助。我们还要感谢Lund大学化学工程与食品技术系的工作人员
