利用手动成型低压压块技术实现木炭细粉与残余生物质炭的再利用

《Renewable Energy》：Utilization of charcoal fines and residue-based biochar by low-pressure compaction using manual briquetting

　　

木炭生产与农业活动是撒哈拉以南非洲森林砍伐的主要驱动因素，二者均产生大量残余物，如木炭细粉及玉米芯、木薯皮等作物来源的生物质残余物。若能将此类残余物用作燃料，特别是在农村地区，将有助于减缓森林砍伐。低压压块技术是农村地区实现残余物资源化并获得均质燃料品质的可行途径。针对低压条件下木炭压块需添加水?粘结剂混合物的特点，研究人员通过调控粘结剂含量、水温和压块直径确定最优工艺参数，并采用响应面法(Response Surface Methodology, RSM)评估压块的抗压强度与密度以评价其品质。研究结果表明：(i) 区域残余物在化学组成上部分适合作为燃料；(ii) 压块品质随粘结剂含量增加而提升、随直径减小而改善，水温效应仅在两种情形下被观测到；(iii) 利用区域农业残余物制备高品质压块具有可行性。基于上述结果，研究人员开发了一种适用于农村地区的低压压块工艺，可用于农业残余物的成型加工。

该研究发表于《Renewable Energy》，聚焦于撒哈拉以南非洲因传统木炭生产与农业活动导致的严重森林砍伐问题，以及伴随产生的木炭细粉和农业生物质残余物未被有效利用的现状。研究人员指出，现有高压压块技术依赖稳定电力与备件供应，不适用于基础设施薄弱的农村地区，而现有低压压块研究普遍存在粘结剂用量过高、制备工艺研究不足及燃料特性分析不完整等问题。为此，研究人员旨在通过分析区域生物质炭与粘结剂的化学组成，结合低浓度粘结剂与加热水的低压手动压块实验，利用响应面法优化工艺参数，并验证其在区域条件下的适用性，从而为农村地区提供一种低成本、易操作的残余物能源化利用方案，以减缓森林砍伐并改善农业残余物管理。

研究人员采用了三个关键技术方法：首先，选取三种代表性炭材料——市售山毛榉木炭(BWC)、多哥地区市场收集的木炭细粉(RFC)及玉米芯生物质炭(CCB)，以及两种粘结剂——加纳产木薯粉(CF)与多哥产木薯皮(CP)作为样本队列；其次，构建了自主设计的重力压块装置(Gravity Press)，通过5.0 kg重物从0.5 m高度自由下落施加低压，配合不同直径模具实现压块成型；最后，采用响应面法(RSM)设计实验，以粘结剂含量(5–15 w-%)、水温(70–100°C)和模具直径(5个水平)为变量，以压块平均密度(ρ_M)和抗压强度(CS)为响应值，结合方差分析(ANOVA)评估各因素的影响显著性。

研究结果部分，首先在原料分析中，研究人员依据ISO 17225-8热解生物质燃料标准对三种炭及两种粘结剂的化学组成进行了系统表征。结果显示，BWC与RFC除灰分、氮含量及部分重金属指标超出木质类(TW1/TW2)限值外，其余指标均符合标准；CCB所有指标均满足非木质类(TA1)限值，甚至接近TW1标准；两种粘结剂的化学组成均符合标准要求，仅木薯皮的镍(Ni)含量略高。粒径分布分析表明，三种炭的D50相近，但CCB含有更高比例的细长纤维状颗粒，RFC中较大粒径颗粒占比略高于其他两种炭。

在工艺参数影响研究中，方差分析(ANOVA)结果表明，粘结剂含量与模具直径对所有炭压块的抗压强度均有显著影响(p<0.05)，而水温仅对RFC与CCB压块的抗压强度影响显著。具体而言，抗压强度随粘结剂含量增加呈非线性上升趋势，随模具直径增大而降低；平均密度(ρ_M)则仅受模具直径显著影响，随直径增大而降低，且该效应在RFC压块中未表现出统计显著性。通过响应面分析发现，CCB压块可获得最高抗压强度(5696 kPa)，优于BWC压块，RFC压块平均抗压强度最低(719 kPa)。与已有研究对比，该工艺在低粘结剂用量(5–15 w-%)和低压力条件下即可达到与传统高压工艺相当的力学性能。此外，研究还观察到在小直径模具条件下可降低粘结剂用量，而在大直径模具条件下粘结剂含量的影响更为关键。

在区域条件验证实验中，研究人员采用多哥本地农业残余物CCB与CP作为原料，在固定模具直径(MD6)和水温(100°C)条件下，将粘结剂用量降至3–7 w-%。结果显示，当CP用量为4–6 w-%时，CCB-CP压块的抗压强度(1123–1400 kPa)与5 w-% CF粘结的BWC及CCB压块相当，且优于RFC压块；当CP用量增至7 w-%时，抗压强度可达2145 kPa，优于其他对照组。这表明区域农业残余物可作为有效粘结剂，进一步降低了工艺成本。

讨论与结论部分，研究人员指出，区域生物质炭与粘结剂的化学组成均符合ISO 17225-8标准要求，验证了原料的可行性。工艺上，70°C水温已足够溶解木薯类粘结剂，沸水并非必需，可节省能源消耗；压块尺寸越小，所需粘结剂用量越低，为大尺寸压块生产提供了优化方向。该技术可将原本废弃的木炭细粉与农业残余物转化为可用燃料，减少对原生木材的依赖，从而为减缓撒哈拉以南非洲的森林砍伐提供可行路径。要实现实际应用，需在农村地区推广至更大规模生产，解决原料粉碎环节的能源供应问题，并进一步简化操作流程以适应本地条件。未来研究应聚焦于量化重力压块装置的实际压力值，并开展压块燃烧性能测试，以全面评估其作为替代燃料的应用潜力。