综述：通过水热碳化和造粒对农业残留物进行增值的综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A review on the valorization of agricultural residues through hydrothermal carbonization and pelletization

　　

可再生能源需求的不断增长促进了在温和条件下利用水热碳化（HTC）将农业残留物转化为生物燃料。本综述的创新之处在于在一个统一框架内综合考察了HTC和水热炭（hydrochar）造粒。与以往主要关注水热炭生产或应用的综述不同，本研究批判性地评估了从水热炭生成到致密燃料生产的过渡，强调了将水热炭转化为高质量颗粒生物燃料的机遇与挑战。通过对主要数据库中与农业副产品、水热碳化、水热炭和造粒相关的关键词进行系统文献检索，研究了三十年来的相关成果。较高的HTC温度和较长的停留时间会增加碳含量、疏水性和热值，同时降低固体产率。生物质组成影响HTC，纤维素和半纤维素形成液体，而木质素抵抗降解并增加水热炭产率。使用有机和无机催化剂，特别是酸性催化剂，可增强水解，有利于水热炭的形成。在HTC过程中，纤维素和半纤维素的降解使固体产物中的木质素含量富集，改善了其天然粘合性质和颗粒强度。通过优化造粒力、温度、颗粒大小和水分含量，可以进一步提高颗粒质量。水热炭较高的碳含量和较低的水分改善了燃烧性能，并使其能够与煤共燃，减少CO₂排放和环境影响。技术经济分析表明在某些应用中具有可行性，而生命周期评估则强调了HTC因避免了能耗密集的预干燥过程而带来的环境效益。尽管如此，HTC仍处于商业化早期阶段，需要更多大规模研究和优化以实现工业应用。

1. 引言

过去一个世纪的快速工业化和人口增长导致全球能源需求呈指数级增长。化石燃料（包括煤炭、石油和天然气）传统上一直是全球能源系统的基础，推动着交通运输、电力生产和工业制造业。然而，化石燃料广泛使用的环境后果，如温室气体排放、空气污染和资源枯竭，加剧了对其可持续性的担忧。作为回应，可再生能源技术经历了快速发展和日益普及。在太阳能、风能和水能等各种选择中，生物能源因其能够在生产富含能量的燃料的同时实现有机废物的增值而脱颖而出，从而符合循环经济和可持续资源管理的原则。生物质是仅次于水电的全球最大可再生能源来源，来源于有机材料，包括木材、农业残留物和其他可生物降解废物。与间歇性可再生能源不同，生物质具有可储存和可调度的独特优势。农业残留物代表了生物能源生产中丰富、低成本且未充分利用的资源。这些残留物是作物种植和加工的副产品，如麦秆、玉米秸秆、稻壳、甘蔗渣、油菜秆和亚麻屑，这些通常被丢弃或露天焚烧，造成环境污染。利用这些木质纤维素残留物进行能源生产不仅有助于减轻空气污染，而且还提供了改善农村经济、减少对化石燃料依赖和增加能源安全的机会。木质纤维素材料的结构复杂性，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，非常适合热化学转化过程，如热解、水热碳化和气化。在适合生物质热化学转化的过程中，水热碳化（HTC）已成为一种有前景的技术，消除了在碳化湿生物质生产碳质固体燃料（称为水热炭）时对生物质预干燥阶段的需求。烘焙和水热碳化（HTC）是两种用于将生物质升级为更致密固体燃料的热化学预处理过程。虽然两者都改善了燃料特性，如疏水性、可磨性和热值，但它们在机理、操作条件和产品特性上存在显著差异。水热碳化可以视为与热解平行的生物质升级过程，但两种热化学过程在工艺条件和反应机理上有所不同。在一项比较水热碳化和热解的综述中，由于不同的过程环境，HTC过程中生物质降解所需的温度低于热解所需温度。作者还展示了水热炭与生物炭的燃烧行为，两者均来自70%作物秸秆混合物的消化物。结果通过Wen等人进行的TG分析获得。燃烧特性分析表明，水热炭的着火温度值低于生物炭，反映了水热炭更高的反应性，这归因于其更高的挥发分含量。水热炭颗粒具有比生物炭颗粒更高的机械强度，因为与热解生物炭相比，水热炭在生物质纤维结构上的变化较小，这有利于水热炭颗粒的颗粒间结合和粘聚力。与传统的生物质焚烧相比，通常在180-300°C的中等温度和2-30 MPa的压力下制备，所得水热炭表现出比原始生物质更高的能量密度、疏水性和可磨性，使其成为固体生物燃料应用的有吸引力的候选者。此外，水热炭可以与煤共燃，用作土壤改良剂，或升级为先进材料，从而拓宽其潜在应用。例如，Kambo和Dutta证明了在190-260°C范围内，随着反应温度升高，水热炭产品的能量密度显著提高。在他们的研究中，最高能量密度（26-30 MJ/kg）在260°C反应温度下达到。挑战可以通过造粒来解决，这是一种将粉状生物质或水热炭压缩成致密圆柱形颗粒的机械致密化过程。尽管水热碳化（HTC）在将湿生物质转化为有价值的固体燃料方面具有若干优势，但某些挑战继续限制其大规模实施。主要关注点之一是过程的大量热能和电能需求。HTC的可持续性在很大程度上取决于这些能源的来源，如果使用化石能源，环境效益可能会减弱。虽然可以利用部分生产的水热炭来提供过程能量，但这种方法可能不是产品最具经济吸引力的用途。或者，可以整合可再生能源，如太阳能、风能或生物甲烷，以满足过程能量需求，尽管这可能会增加运营成本并影响整体经济可行性。另一个重要挑战是HTC过程中产生的大量过程水。该水相含有复杂的有机化合物混合物，包括难生物降解、抑制性和潜在有毒物质，造成了额外的处理和处置需求。因此，HTC过程水的有效管理和增值仍然是工业部署的关键挑战。将水热碳化（HTC）从实验室实验扩展到中试和商业运营面临着若干技术经济挑战。最近的研究已确定反应温度、压力、停留时间、原料特性、反应器配置、能量回收策略以及质量和能量平衡是控制工业规模HTC系统设计和性能的关键因素。除了优化过程效率外，通过全面的成本效益分析确定经济可行的操作条件对于成功商业化至关重要。尽管有几家公司已建立商业HTC设施，但仍存在重大挑战，特别是在反应器设计、过程集成和HTC过程水处理方面。选择合适的反应器技术，包括连续流和多批次系统，对于提高生产率、操作灵活性和可扩展性至关重要。此外，工业部署需要可靠的能量回收系统、有效的液体副产品管理和一致的产品质量。为了实现广泛的市场采用，大规模HTC操作必须设计为满足工业性能要求，同时保持经济竞争力和环境可持续性。此外，未解决的挑战继续限制HTC的大规模实施。一个主要问题是缺乏统一的法规、标准化的产品规格和用于水热炭作为燃料利用的认证框架。由于不同地区和国家的法规要求和审批标准各不相同，市场接受度和广泛部署仍然受限，强调了统一政策和一致质量标准的需求。水热碳化（HTC）文献中不一致的一个主要来源是研究中使用的生物质原料、操作条件和反应器配置的差异。这些差异使过程优化复杂化，并导致关于水热炭产率、理想固液比以及生成过程水的环境影响方面的相互矛盾的结果。通过水热碳化处理的生物质可在许多应用中使用。水热炭可用作燃烧中的生物燃料、超级电容器和电池、土壤改良剂和水处理吸附剂。本综述将重点讨论通过燃烧将水热炭用作生物燃料。以往的综述探讨了通过水热碳化开发生物燃料，重点关注基础机理、过程参数、经济方面、产物的物理化学特性以及相关挑战。然而，尽管该领域的研究不断扩展，仍存在若干重要空白。尽管许多研究已独立研究了水热碳化和造粒过程的优化，但在统一框架内对HTC和水热炭造粒的综合评估仍缺乏。现有综述主要关注水热炭的生产、表征或最终应用，而从水热炭生成到致密燃料生产的关键过渡受到的关注有限。这种综合视角至关重要，因为HTC过程条件直接影响水热炭的性质，进而影响所生产颗粒的质量。例如，HTC温度和停留时间影响生物质分解的程度以及水热炭中天然粘合组分（特别是木质素）的保留。这些变化会显著影响颗粒特性，包括密度、机械耐久性、耐湿性和燃烧性能。在理解原料特性、HTC操作条件和造粒参数如何共同影响所得生物燃料的物理化学、机械和燃烧性能方面，仍存在关键的知识空白。此外，对HTC-造粒联合路径的技术经济可行性、生命周期性能和环境影响的综合评估仍然很少。因此，需要一篇系统综述，整合HTC和水热炭造粒，以阐明加工条件与最终燃料质量之间的相互关系，同时确定可持续生产高质量颗粒生物燃料的机遇和挑战。受这些知识空白的推动，本综述对农业副产物生产水热炭和颗粒生物燃料及其下游利用的最新进展进行了全面和批判性的评估。与以往的研究不同，本综述在单一框架内整合了水热碳化和水热炭造粒的评估，特别强调了HTC过程条件对颗粒产品性能和质量的影响。此外，本综述还考察了将水热炭转化为高质量致密生物燃料的技术经济可行性、生命周期环境性能以及关键机遇和挑战。通过建立水热炭生产与颗粒质量之间的联系，本综述旨在提供见解，以支持可持续和商业可行的生物燃料生产路径的开发。它旨在通过考察农业残留物的选择和表征、HTC机理以及过程参数对水热炭性质的影响，来弥合现有的知识空白。此外，本综述探讨了造粒技术，包括造粒变量的影响、粘合剂应用以及改善颗粒质量的策略。本综述还评估了水热炭及其造粒过程的燃烧性能、环境影响、经济考虑和生命周期评估。通过识别关键挑战、局限性和研究需求，本综述概述了未来方向，以推进集成HTC和造粒技术，旨在支持在脱碳的全球能源格局中开发可扩展、可持续且经济可行的生物能源解决方案。

2. 水热炭生产的原料

原料的选择是影响水热炭生产效率、质量和适用性的基本因素。在各种生物质来源中，农业残留物作为丰富、可再生且低成本的原料脱颖而出。在水热碳化（HTC）中使用这些残留物不仅减轻了农业废物，还产生了能量密集的生物燃料。了解这些原料的性质和组成对于优化水热炭产率和质量至关重要。

3. 水热碳化的基础与反应机理

3.1 基础
水热碳化（HTC）是将湿生物质转化为富含碳的固体材料（称为水热炭）的热化学转化过程。在此过程中，生物质在亚临界水中发生碳化，在相对较低的温度下分解，而烘焙则在环境大气条件下进行。HTC常被称为湿法烘焙，涉及将有机材料置于中等温度（通常180-260°C）、水饱和加压环境（2-6 MPa）中，持续时间从5到240分钟。在大多数情况下，反应器内的压力并非外部控制，而是自然形成，对应于过程温度下水的饱和蒸气压。HTC相较于其他热化学预处理过程（如干法烘焙和热解）的一个关键优势是能够处理湿生物质而无需预干燥。由于过程发生在富水环境中，原料的内在水分成为优势而非限制。通过HTC转化生物质产生三种主要产物：固体水热炭、富含溶解有机物的水相以及少量气体（主要为CO₂）。水热炭的质量产率通常为40%至70%，取决于过程参数。水在HTC中起着关键作用，不仅是反应介质，也是化学转化中的积极参与者。亚临界水在高温下充当非极性溶剂，促进生物质组分的水解和解聚，同时促进其溶解。

3.2 机理
水热碳化通过一系列水解、脱水、脱羧和聚合反应转化生物质，产生以芳香族和呋喃域为主的水热炭结构。确切的组成和微观结构取决于原料的性质（其纤维素、半纤维素和木质素的具体贡献）以及加工参数，特别是温度和反应时间。随着温度升高，水的介电常数降低，增强了反应动力学和有机化合物的溶解。升高温度促进生物质基质中氢和氧的去除，导致H/C和O/C原子比降低，产生更致密的水热炭。在较低温度下，水解占主导，而在较高温度下，芳香结构形成和碳缩合变得日益主导，增强了所得水热炭的稳定性和燃料性能。纤维素通常占木质纤维素材料的最大部分。它由D-葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成。其结构包括结晶区和无序的无定形区，主要通过氢键维持。在HTC条件下，特别是180-200°C，纤维素发生水解，其长链裂解为水溶性低聚物和单体（如葡萄糖），部分异构化为果糖。这些中间体随后经历一系列反应——包括异构化、脱水和碎裂——形成呋喃中间体。这些中间体经历进一步反应，如聚合、缩合、分子间脱水和酮-烯醇互变异构，以产生水热炭。半纤维素是一种由各种糖组成的支链聚合物，热稳定性较低，比纤维素更容易分解。其降解通常始于约160°C，解聚产生单糖如木糖。木糖迅速脱水成糠醛，这是一个关键中间体，随后聚合，促进水热炭形成。木质素是生物质中最顽固的组分，在约220°C开始降解。然而，在水热碳化（HTC）条件下，它仅部分溶于水。溶解在水中的木质素部分和未溶解的部分通常遵循两条不同的转化路径。溶解的木质素经历水解和脱烷基化，导致形成反应性中间体，随后聚合为富含酚类的水热炭。相反，未溶解的木质素在HTC条件下经历类似热解的过程，导致形成多芳香族水热炭。Sheng等人通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等方法探索了纤维素和木聚糖的水热碳化（HTC），并提出了两种水热炭的不同形成机理。SEM分析显示，纤维素和木聚糖衍生的水热炭在颗粒形态上存在显著差异。在220°C和280°C下从纤维素获得的水热炭微球表现出不均匀的颗粒尺寸，特别是在较高温度下。这种差异归因于纤维素的水解和脱水，产生低聚物如纤维二糖和HMF，随后以不同程度的聚合反应聚合为水热炭微球。相比之下，木聚糖衍生水热炭通过主要由糠醛形成驱动的成核和生长过程形成微球。将HTC温度从220°C提高到280°C导致更大更稳定的微球形成，而在较低温度下形成大孔，可能是由于脱气反应。根据FTIR分析，羟基（-OH）和醚（-C-O）基团强度的降低表明脱水和键断裂，而芳香族（C=C）和羰基（C=O）峰强度的增加标志着在升高温度下逐渐的芳香化和羰基形成。有趣的是，纤维素衍生的水热炭随温度升高芳香族基团显著增加，增强了热稳定性，而木聚糖衍生的水热炭由于中间体化合物的变化遵循略微不同的转化模式。此外，Romero-Anaya等人对葡萄糖、蔗糖和纤维素在180、200、220和240°C下进行水热处理24小时，浓度为0.8 M，进行了SEM分析。水热处理对三种碳水化合物的表面形态有显著影响，其中在180°C下处理的葡萄糖和蔗糖形成球形，而纤维素需要更高的处理温度才能检测到微球。Wu等人通过X射线光电子能谱（XPS）分析玉米秸秆及其衍生的水热炭的表面化学，研究了HTC过程中碳键的演变。他们的结果显示碳键的显著变化，特别是在─C?(C, H)/C=C、C?(O, N)、─C=O和O─C=O键中。最初，生物质主要包含与多糖和芳香族化合物相关的键。随着水热温度升高，含氧官能团（包括羟基、羧基和羰基）的含量由于水解、脱羟基和脱羧等反应而减少。这导致形成富含碳的中间体，通过缩合和聚合过程逐渐转化为芳香结构。该研究确定了HTC的两个主要阶段：初始的水解主导阶段，随后是较高温度下碳骨架的芳香化和结构缩合。Wu等人使用NMR技术研究了不同HTC温度下火炬松生产的水热炭的结构演变。他们的发现表明，纤维素和半纤维素在220°C以下完全分解，留下多酚结构。在220°C至240°C之间，发生显著的结构转变，表现为固定碳含量增加和更高的热值（HHV）增强。随着温度升高，由于交联、聚合和芳香化反应，芳香结构变得更加缩合。在240°C，富含酚羟基的缩合芳香骨架的形成最为显著。在260°C，其他反应如醚化和芳基缩合成为主导，导致具有更高醚键含量的水热炭。固体产物主要由碳材料组成，具有增加的木质素和减少的羰基，而液体部分由含氧多芳香族化合物组成。分子动力学（MD）模拟，特别是基于ReaxFF反应力场的模拟，已成为在原子尺度研究HTC机理的有价值工具。这些模拟通过提供生物质转化过程中键断裂和键形成反应的详细见解，补充了实验研究。ReaxFF MD分析表明，HTC涉及同时发生的分解和再聚合过程，其中化学键（特别是C–O键）的断裂产生反应性中间体，随后重新结合形成富含碳的结构。温度已被确定为最具影响力的操作参数，较高的温度加速碳化，增加固定碳含量，并促进更有序碳质网络的发展。MD模拟还提高了对纤维素衍生化合物（如糠醛和5-羟甲基糠醛（HMF））形成水热炭的理解。这些研究表明，HTC通过三个相互关联的阶段进行：分解、聚合和环化/芳香化。在分解过程中，含氧官能团被去除，并产生反应性小分子。这些中间体然后经历聚合反应，形成越来越大的分子结构。随后的环化和芳香化反应将这些聚合物转化为高度芳香性、不溶的碳质材料，最终构成水热炭。此外，分子模拟强调了水作为反应介质和反应物的双重作用，影响产物分布并促进碳化途径。通过揭示反应路径、结构演变和过程变量的影响，MD模拟为理解HTC机理和指导水热炭生产过程的优化提供了强大的框架。

4. 过程参数

4.1 温度的影响
温度是决定HTC过程性能及其产物性质的关键因素。其主要功能是提供热能，以破坏生物质结构内的化学键，促进其分解并转化为各种产物。随着反应温度升高，由于额外的热能加速生物质基质中的键断裂，转化效率通常提高。HTC通常产生三种产物相：固体水热炭、富含有机物的液体部分和气态产物。这些产物的分布取决于温度。在低温下，固体产物产率占主导。在相对中等的温度下，液相产率受到青睐。相反，在较高温度下，过程倾向于促进气体生成。温度在决定所得水热炭的元素组成、高热值和产率方面具有重要作用。此外，较高温度促进水热炭内碳结构的芳香化。例如，提高HTC温度使银杏叶衍生的水热炭中碳含量增加，氧和氢含量降低。在220°C，碳含量从45.8%升至50.1%，而氧和氢分别降至42.8%和5.4%，这是由于脱水和脱羧反应释放出H₂O。这些变化降低了H/C和O/C原子比，增强了水热炭的燃料性能。高热值（HHV）从原料的18.6 MJ/kg提高至220°C时的22.1 MJ/kg，归因于半纤维素的降解和木质素（具有高能量C–C键）的相对富集。银杏叶水热炭产率在100°C和140°C时略有下降至91.9%和88.7%，然后在180°C和220°C时急剧下降至64.9%和55.7%，表明发生主要分解。

4.2 停留时间的影响
停留时间可以影响水热碳化过程中的产物产率、组成和特性。尽管HTC通常被认为是一个相对缓慢的反应，但其持续时间可以从几分钟到几天不等，具体取决于操作条件和期望的产物结果。反应时间仅在达到一定限度之前显著影响水解反应，超过该限度其影响减弱。一般来说，较长的停留时间倾向于增强生物质转化，促进固体产物形成，并影响水热炭的最终组成。然而，停留时间对水热炭产率的影响似乎不如温度显著。在固定温度下增加停留时间通常导致固体产率下降。此外，延长的停留时间有助于水热炭的结构变化，如增加孔隙率、更大的孔体积和更高的BET表面积。它还减少了含氧官能团的存在，增强了水热炭的疏水性质。

4.3 原料的影响
生物质的组成和结构决定了其在水热条件下的行为。生物质通常由纤维素、半纤维素和木质素组成，每种成分对温度和湿热降解的反应不同。纤维素和半纤维素主要有助于液体产物的形成，而木质素倾向于抵抗降解，导致更高的炭产率。木质素在HTC条件下很大程度上保留其结构，仅在接近水的临界点时发生显著降解。随着HTC的进行，纤维素和半纤维素部分或完全分解，导致生成富含木质素比例的碳质水热炭产品。由于木质素具有较高的高热值（HHV）约26 MJ/kg，而纤维素和半纤维素约17-18 MJ/kg，所得水热炭通常表现出改善的能量密度。因此，含有较大半纤维素与木质素比例的生物质原料在HTC过程中倾向于经历更大的质量减少和更强的能量密度提高，而比例较低的材料则相反。原料中较高的木质素含量促进在相对较温和的水热碳化条件下生产具有更高能量密度的水热炭。由于木质素的高热值和热稳定性，富含木质素的原料可以在较低的过程强度下实现理想的燃料性质。此外，增加的木质素浓度增强了所得水热炭的粘合特性，导致形成更致密和机械强度更高的颗粒，具有改进的耐久性和处理特性。原料的无机灰分含量在水热碳化过程中扮演双重角色，而HTC对水热炭产品灰分含量的影响在很大程度上取决于原料的特性。在过程中，有机组分的分解及其转移到液相和气相可以增加固体产品中无机物的相对浓度。相反，水溶性矿物质浸出到过程水中可能降低所得水热炭的灰分含量。生物质的矿物组成强烈影响这些趋势。富含硅（Si）和磷（P）的原料，包括修剪草坪和麦秆，通常在HTC后灰分浓度增加，因为有机物的损失超过矿物去除。相反，含有高水平钾（K）的生物质，如橄榄渣、云杉皮和空果串，由于在热处理过程中含钾化合物溶解并提取到水相中，往往表现出灰分含量的适度降低。

4.4 催化剂对生物质水热碳化的影响
在水热碳化（HTC）中加入催化剂可以显著提高生物质转化效率和所得水热炭生物燃料的质量。催化剂，无论是有机还是无机，都能增强水解并影响水热炭的结构和化学性质。酸性催化剂特别有效，因为它们通过提供丰富的H⁺离子来加速水解并促进固体水热炭的形成，而非液体产物，这些H⁺离子质子化生物质中的化学键并促进其断裂。在经济催化剂中，柠檬酸通过增强水解和碳化，在水热炭产率和碳含量方面显示出显著潜力。其酸性基团还有助于溶解无机物并促进形成粗糙、多孔的碳结构。相反，乙酸提高热稳定性，但由于碎裂反应倾向于降低水热炭产率。无机催化剂如矿物酸、金属盐和碱也改变HTC结果。催化剂的选择与生物质水热碳化的期望应用相一致。最适合固体生物燃料生产的催化剂之一是氯化铁（FeCl₃）。同样，柠檬酸作为催化剂用于玉米秸秆和稻草的HTC，结果显示水热炭的疏水性、热值、能量密度提高，灰分含量降低，与未催化水热炭的燃料性质相比。此外，某些碱如氢氧化钾（KOH）也可用于HTC的生物燃料生产。FeCl₃、柠檬酸和碱如KOH促进脱水、脱羧反应和挥发分的释放，从而有利于更高浓度的固定碳、增强的能量密度和疏水性，以及降低H/C和O/C原子比。因此，利用这些催化剂除了更高效的燃烧性能外，还促进了催化水热炭的改进燃料性质。

5. 水热炭的造粒

农业残留物的造粒作为将生物质废物转化为有价值的固体生物燃料的可持续解决方案受到了广泛关注，支持可再生能源生产和废物管理目标。该技术涉及将松散的、低密度的农业副产品（如秸秆、稻壳和修剪残留物）压缩成致密、均匀的颗粒，这些颗粒具有改进的搬运、储存、运输和燃烧性能。具有固有高木质素含量的原料通常更适合生产高质量的水热炭颗粒，具有更高的密度、机械强度和耐久性。此外，升高的木质素浓度有助于增强疏水性，提高储存和运输过程中对水分吸收的抵抗力。从加工角度来看，富含木质素的原料可能需要较不苛刻的HTC条件来实现理想的燃料和颗粒性质，因为需要降解和去除的较小部分半纤维素和纤维素。因此，较低的能源输入可能足以生产具有良好造粒特性的水热炭，提高了HTC-造粒过程的整体能源效率和经济可行性。通过造粒使水热炭致密化增强了燃料均匀性和燃烧性能，使其成为适用于各种应用的能源。在家庭层面，水热炭颗粒可用于住宅供暖和烹饪，提供比原始生物质燃料更清洁、更高效的替代品。造粒过程通过提高能量密度和促进更稳定的燃烧来改善燃料质量，从而提高生物质利用的整体效率。除了家庭应用外，水热炭颗粒可以作为煤的部分替代品用于工业和公用事业规模的能源系统。它们在生物质共燃中的使用允许现有燃煤电厂减少对化石燃料的依赖，而无需对现有基础设施进行重大改造。生物质衍生的颗粒与煤共燃已被确定为降低发电温室气体排放的有效方法，在保持可靠电力生产的同时实现显著减排。决定生物质颗粒质量的关键物理属性是其耐久性和密度。机械耐久性代表颗粒在搬运、储存和运输过程中抵抗断裂和降解的能力。它反映了材料对机械应力的抵抗性，如果不足，会导致在这些过程中产生细粉和灰尘。细颗粒的产生不仅造成操作和环境挑战，还可能对消费者满意度产生负面影响，导致自动锅炉进料系统堵塞，并增加生物质颗粒物流不同阶段火灾和爆炸危险的可能性。影响颗粒质量的其他因素包括其长度、直径、水分含量、灰分含量和重金属浓度。虽然木质颗粒因其均匀性和有利的燃烧行为传统上主导市场，但木材残留物的日益稀缺促使人们对非木质生物质，特别是农业副产品产生兴趣。尽管具有广泛可用性和低成本等优势，农业颗粒通常面临更高灰分含量、较低热值以及燃烧过程中更大的结渣和结垢风险等挑战。为了克服这些限制，已探索了预处理方法如烘焙和蒸汽爆破，通过改变生物质结构和增强造粒行为来改善颗粒质量。水热炭的造粒，其热值相比原始生物质有所提高，是解决这些限制的另一种替代方案。水热碳化通常在主要改变生物质的半纤维素和纤维素部分，同时使木质素组分基本保持完整的温度范围内进行。因此，木质素（在致密化过程中充当天然粘合剂）的相对浓度在材料中增加。这种增强的木质素含量有助于改善颗粒间结合，最终导致生产机械强度更高的颗粒。造粒过程中，颗粒质量取决于一系列因素，特别是原料的物理和化学特性——包括颗粒大小、水分含量、灰分含量和木质素浓度——以及颗粒形成过程中的操作条件，如温度、压力和模具内的停留时间。在本节中，将详细讨论关键操作参数如原料颗粒大小、水分含量、压缩力和造粒温度的影响。

6. 应用与性能评估

通过水热碳化（HTC）和后续造粒对农业残留物进行增值，已开发出具有改进燃料特性的水热炭基生物燃料。这些生物燃料可以为许多积极的社会经济成果做出贡献。为了确保这些固体生物燃料满足全球能源需求的可行性，评估其在各种热转化过程中的性能，并评估其环境影响以及相对于原始生物质和化石燃料的比较优势至关重要。

6.1 燃烧、共燃和气化潜力
水热炭可用作直接燃烧系统中的固体燃料，用于供热和发电。由于其较高的碳含量、减少的挥发分以及比原始生物质更低的水分，水热炭表现出改进的燃烧稳定性和热效率。其增强的可磨性和疏水性质也简化了储存和搬运，使其更适合现代锅炉和炉系统。具有较高碳含量、较低氧含量、减少水分和升高热值的水热炭通常在热转化过程中表现出改进的燃烧效率、更高的能量密度和更低的排放。生物质的木质纤维素组成显著影响其燃烧特性，应在生物燃料生产的原料选择中仔细考虑。纤维素和半纤维素是相对反应性的组分，在较低温度下分解，促进快速点火和燃烧过程中的挥发分释放。相反，木质素表现出更高的热稳定性，并在更宽的温度范围内分解，有助于更高的炭形成、更长的燃烧持续时间和更高的热值。因此，具有较高木质素含量的生物质通常产生具有更高能量密度和改进燃烧稳定性的燃料。具有较高灰分含量的原料可能增加燃烧系统中结渣、结垢和腐蚀的风险。因此，理想的原料应结合高木质素和碳含量与低灰分和矿物浓度。水热炭与煤在现有燃煤电厂中的共燃是最有前景的短期应用之一。该策略能够减少净CO₂排放并降低煤炭使用的环境影响，而无需进行重大改造。研究表明，将高达20-30%的水热炭与煤共燃可以保持甚至提高燃烧效率，同时减少二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_x）和颗粒物排放。由农业残留物生产的水热炭在共燃时，显著有助于脱碳目标，并帮助公用事业向可再生能源组合过渡。在气化过程中，水热炭作为生产合成气的合适原料，合成气是氢气、一氧化碳和微量气体的混合物，用于发电、费托合成或氢气生产。

6.2 环境影响和排放概况
开发水热炭基生物燃料的主要驱动因素之一是其与原始生物质和化石燃料相比减少的环境足迹。研究表明，由水热碳化农业残留物生产的颗粒在家庭炉中燃烧时，与未处理生物质制成的颗粒相比，产生的一氧化碳（CO）和颗粒物排放显著降低。优化的水热炭基颗粒实现了约40%的CO排放减少，远低于当地空气质量阈值。这些结果表明不完全燃烧副产物的形成显著减少。从生命周期角度来看，由农业残留物生产和使用水热炭导致净碳减排。生物质燃烧过程中排放的二氧化碳被认为是生物来源的，并且在大多数碳核算协议中，不包括在净温室气体排放中。此外，将农业残留物从露天焚烧或不受控分解中转移出来，防止了其他气候强迫污染物（如甲烷和黑碳）的释放。颗粒化水热炭还由于其增加的堆密度和降低的水分含量而有助于降低运输排放，提高物流效率。使用当地可用的农业残留物用于分散式能源系统也被建议以进一步减少化石燃料依赖和相关排放。

7. 技术经济分析与生命周期评估（LCA）

许多研究人员通过采用各种情景探索了HTC的技术经济分析和/或生命周期评估，在每个案例研究中展示了该过程独特的经济和环境结果。以下综述也强调了通过HTC利用农业副产品生产生物燃料的好处，从而突显了农业残留物用于能源生产的巨大潜力。

7.1 技术经济分析（TEA）
通过技术经济分析（TEA）可以评估在工业规模上进行水热碳化的经济可行性以及其商业化的前景。利用水热炭进行能源生产取决于其与传统化石燃料相比的经济可行性，因此评估水热炭生产的可行性至关重要。TEA考虑生物质收集成本（包括人工和运输）、设备成本、制造成本、运营成本和生产成本。研究表明，在正常和乐观情景下，以水热炭颗粒平均价格与木屑颗粒平均价格相当，HTC工厂是经济可行的。另一项研究指出，尽管没有一种提议的工厂规模盈利，但最大的工厂容量显示出最有利的结果，但需要降低电价或削减电力消耗才能盈利。葡萄渣生产颗粒水热炭的盈亏平衡点与木屑颗粒价格具有竞争力。玉米秸秆的间歇和连续HTC均经济可行，但间歇HTC具有更低的盈亏平衡值和更高的投资回报率。稻壳的HTC和造粒情景在技术和经济上最有利。与慢速热解相比，HTC在经济上更可行。这些案例研究强调了优化工艺和经济激励的重要性。

7.2 生命周期评估（LCA）
通过进行生命周期评估可以评估与生物质水热碳化相关的长期环境影响。LCA是一种广泛采用的方法，用于量化过程在其生命周期特定阶段对环境的潜在影响。通过评估相关的输入和输出，LCA识别各种排放及其对环境和人类健康的影响。评估LCA结果可以促进HTC的可持续和绿色商业化，并有助于制定管理生物质HTC及其产品的法规和政策。水热碳化（HTC）中缺乏预干燥步骤可以对过程的LCA产生显著的积极影响。由于HTC可以直接处理湿生物质，它消除了传统热化学方法（如热解或气化）中干燥所需的大量能源输入。这种能源消耗的减少降低了整体温室气体排放，并改善了系统的净能量平衡。因此，HTC在其生命周期阶段（从原料制备到水热炭生产）表现出较低的化石能源需求和较小的碳足迹。许多研究人员对农业残留物的HTC进行了生命周期评估，并确立了水热炭在能源生产中的前景。研究显示，HTC后进行气化产生的总体环境影响最低，比直接燃烧低50%。结合热回收将使总体影响降低28.2%。水热炭燃烧产生的全球变暖潜势（GWP）影响低于硬煤和