一种将水洗预处理、多种压块技术以及氧化微波烘烤相结合的新方法，用于生产性能更优的低灰分空果串基压块

《Renewable Energy》：A Novel Combination of Water-Washing Pre-Treatment, Varying Briquetting Techniques, and Oxidative Microwave Torrefaction for the Production of Low-Ash Empty Fruit Bunch-Based Briquette with Improved Performance

　　

摘要

本研究旨在通过多种优化方法的组合，制备出灰分含量低、物理性能与燃料性能更优的废弃果穗基压块，同时改善其热分解和燃烧特性。所采用的方法包括水洗预处理、多种压块技术以及氧化微波炭化处理。首先以1:20的重量比将废弃果穗与水混合，以180转/分钟的转速进行60分钟的优化水洗预处理。随后分别采用无加热（使用淀粉粘结剂）和有加热（不使用粘结剂）的压块技术。最后，对制得的压块在300瓦的微波功率和6%的氧气浓度下进行10分钟的优化氧化微波炭化处理。通过对比分析评估了该新型方法对压块性能的影响。结果表明，经过水洗并添加淀粉粘结剂的压块性能优异，达到了研究目标：其灰分含量仅为4.75±0.57%，含水量为3.36±0.25%，高热值可达22.14±0.29兆焦/千克，物理性能也较为理想，同时具备较好的热分解和燃烧特性。总体而言，本研究有助于推动生物质材料作为可持续可再生能源的有效利用。

引言

在马来西亚，大量的原始废弃果穗这类碳基废弃物，使其成为重要的固体生物燃料资源[1]。通过压块和炭化等适当利用方式，可提升原始废弃果穗在全球能源市场中的价值，同时有助于缓解与煤炭相关的问题[1][2]。

无加热和有加热的压块技术各有优缺点[1]。无加热压块技术需要使用额外的粘结剂（有机或无机粘结剂），并且压实压力相对较低，为7到80兆帕。该技术的处理时间较短：保持时间不超过10分钟，松弛时间最多两天，干燥时间最多2小时[3][4]，因此通常比有加热压块技术更为理想。而有加热压块技术通常不使用粘结剂，压实压力较低，仅为0.15到7兆帕，但需要较高的加热温度，最高可达210摄氏度左右[5][6][7]，其处理时间则较长：保持时间最多1小时，松弛时间最多一周，冷却时间最多24小时。

通过这两种技术制成的生物质压块虽具有优良的物理性能，能较好地解决物流运输问题[1][5]，但其燃料性能较差，高热值往往低于20兆焦/千克，限制了其作为固体燃料的应用潜力。因此，炭化处理是解决这一问题的重要热化学工艺，能够提升生物质燃料的性能。传统上，这种炭化处理在实验室环境中进行，依靠电加热器提供外部热源。而在先进的氧化微波炭化技术中，则以微波作为热源[1]。有趣的是，氧化微波炭化技术在实际应用和商业推广方面具有较大潜力，能够产出质量较高的产品[1]。

经过压块处理后再进行氧化微波炭化处理的废弃果穗与淀粉粘结剂混合物，其高热值和物理性能都有所提升[1]。这些性能特点能够满足物流运输需求以及部分固体燃料的要求。不过，经过氧化微波炭化处理后的产品，其外观和抗压强度并不理想，这是因为粘结剂的作用并未充分发挥。本研究提出了一种新的改进方法，即结合有加热压块技术和氧化微波炭化处理，进一步提升产品的物理性能。根据国际标准，经过炭化处理的生物质的理想灰分含量应低于5%[8]，但由于多种因素，包括氧化微波炭化处理工艺以及生物质种类不同，这一标准很难达到[1]。此前研发的氧化微波炭化处理的废弃果穗-淀粉粘结剂压块的灰分含量高达9.50%，这大大降低了其产品质量[1]。

经过炭化处理的生物质中过高的灰分含量，可以通过在初始加工阶段进行水洗预处理来有效降低。这种处理方式可以通过去除钾、钠、镁、钙等易形成灰分的元素，提升最终产品的性能。部分去除这些元素后，生物质の灰分含量可降至2%到3%左右[9][10]。因此，本研究采用了水洗预处理工艺，使得在经过氧化微波炭化处理后，废弃果穗-淀粉粘结剂压块的灰分含量仍能控制在5%以下。解决这些问题为进一步改进现有的氧化微波炭化处理的废弃果穗-淀粉粘结剂压块提供了可能。开发性能优良的固体燃料，对于能源应用而言具有重要意义。

本研究提出了优化的水洗预处理、多种压块技术以及氧化微波炭化处理条件相结合的新方法[1][5][6][9]。研究的目的是制备出灰分含量低、物理性能和燃料性能更优，同时热分解和燃烧特性更好的废弃果穗基压块。由于废弃果穗和淀粉粘结剂在经济和环境方面都具有优势，因此分别将其作为主要材料和辅助材料。本研究还分析了压块生产过程中的温度变化情况。在物理性能方面，重点检测了压块的外观、单位密度和抗压强度，同时还分析了产品的质量、能量产出，以及颗粒表面和孔隙结构的特点。此外，还从近似分析、最终分析、高热值以及灰分构成元素等方面评估了产品的燃料性能。同时研究了能量密度、能量致密化比率、固定碳含量、燃料比率、氧碳原子比和氢碳原子比等参数。为了进一步了解产品的热分解和燃烧特性，还采用了热重分析/差热重分析技术。所有数据都经过了多元方差分析，以此评估所提出的新型方法对产品物理性能和燃料性能的影响。最后，还将所研发的氧化微波炭化处理的废弃果穗基压块的性能与国际标准以及黄陵煤的性能进行了对比，同时探讨了氧化微波炭化处理技术在大规模应用中存在的局限性及改进建议。

章节摘录

材料

本研究使用的原材料是从马来西亚一家棕榈油工厂获取的切碎废弃果穗。这些切碎的废弃果穗在26摄氏度到32摄氏度的温度下干燥了三天。之后，使用德国RETSCH公司生产的SM 100型研磨机对废弃果穗进行研磨，然后再通过同样来自德国RETSCH公司、型号为AS200的筛分设备进行筛分，该设备的过滤网孔径为500微米。表1总结了各种原材料的燃料性能，结果显示，经过水洗处理的废弃果穗粉末的性能优于其他原材料。

温度曲线、最高参考温度及加热速率

图1和表3中的数据显示，两种类型的压块具有相对较高的最高参考温度和加热速率，这使得它们的温度曲线发生了显著变化。这种差异在未经处理的、未添加粘结剂的氧化微波炭化处理的废弃果穗基压块中尤为明显。造成这一现象的原因可能有两种。

首先，未经处理的废弃果穗压块中含有较多的易形成灰分的元素，其灰分含量较高（详见表4和表5）。这些易形成灰分的元素

结论

本研究通过多种优化方法的组合，成功制备出了灰分含量低、性能更优的氧化微波炭化处理的废弃果穗基压块。同时，本研究还对比了不同类型废弃果穗基压块的性能。分析结果表明，这种新型处理方法对各类压块的性能都有显著提升效果，其中经过氧化微波炭化处理且经过水洗并添加了淀粉粘结剂的压块性能最为优异，其相关指标提升了30%左右。

作者贡献说明

Farid Nasir Ani：负责研究指导工作。William Woei Fong Chong：负责研究指导工作。Mohd Faizal Hasan：负责论文撰写与修改、研究指导、项目管理、资金申请以及研究方案的构思工作。Muhammad Ariff Hanaffi Mohd Fuad：负责论文初稿撰写、结果可视化、研究结果验证、研究方法设计、实验研究、数据整理分析以及研究方案的构思工作。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢马来西亚高等教育部的基础研究资助计划（FRGS/1/2024/TK08/UTM/02/1）所提供的支持。

Muhammad Ariff Hanaffi Mohd Fuad|Mohd Faizal Hasan|William Woei Fong Chong|Farid Nasir Ani

马来西亚柔佛州新山市81310，马来西亚理工大学机械工程学院