评估生物质热解技术向实际应用阶段推进过程中的燃料性能提升措施

《Renewable Energy》：Assessment of Fuel Property Enhancement toward TRL Advancement in Biomass Torrefaction

　　摘要：咖啡木修剪残余物是一种丰富的木质纤维素原料，具有在预商业化规模上通过热化学处理转化为可持续燃料的巨大潜力。本研究通过响应面法结合过程模拟，评估了焙烧温度（200–300 °C）、氮气流量（200–600 mL min-1）以及颗粒大小（250–710 μm）对咖啡木茎的物理化学性质及燃料特性的影响。研究结果表明，温度是影响固体产率、近似成分与最终成分以及热值的最主要操作参数（调整后R2 > 0.90）。当焙烧温度从200 °C升高到300 °C时，固体产率从85%降至60%，同时碳含量上升至70 wt.%，氧含量则降至30 wt.%以下。因此，其高热值从19.6 MJ/kg上升至24 MJ/kg，能量密度比达到1.35。经济与环境评估显示，工厂规模对工艺的可持续性有着重要影响。在目前的微型工厂规模下，电力消耗占环境负荷的99%以上，且显著增加了生产成本。然而，扩大生产规模能够有效降低焙烧生物质的碳足迹与成本。总体而言，本研究表明该技术已达到5级技术成熟度，验证了焙烧工艺作为未来生物精炼厂应用中的集成微型工厂技术的可行性。

引言：随着工业化和城市化的推进，全球能源需求不断上升，而化石燃料的枯竭及环境问题促使人们寻求可持续的替代能源[1]。生物能源碳捕获与封存技术将生物质作为可再生能源，通过燃烧或气化将其转化为清洁能源，同时实现碳减排，可作为煤炭的替代品[2]。在各类生物质中，农业残留物，如稻壳、小麦秸秆、甘蔗渣以及咖啡修剪废弃物，都是通过热化学转化生产清洁能源的优质原料。不过，这些材料的燃料性能不如煤炭。因此，焙烧这种温和的热化学预处理方法——通常在缺氧条件下于200–300 °C下进行——可通过生成均匀、疏水、可研磨且能量密度高的固体，提升生物质相较于煤炭的竞争力[3][4]。焙烧通过脱挥和部分碳化作用提高高热值，降低氧碳比和氢碳比，从而提升储存稳定性及后续热化学处理的适用性[5][6]。

关于焙烧过程中的温度、时间、颗粒大小、氮气流量等参数的影响，已有研究采用响应面法进行分析。例如，Majamo和Amibo运用中心复合设计，研究了小麦秸秆焙烧过程中温度（200–300 °C）、停留时间（30–60分钟）、酸浓度（0.75–2.25 g/L）以及颗粒大小（0.2–0.6毫米）的影响，结论表明所有单一因素都对高热值、固体产率以及能量增强效果有显著影响——温度越高，高热值和固体产率也越高[7]。同样，Tadesse等人采用Box-Behnken设计，研究了咖啡壳与棉花秸秆混合生物质共同焙烧过程中温度（200–300 °C）和颗粒大小（0.1–0.5毫米）的影响，结果显示这两个参数都会影响燃料的热值和固体产率，且所建立的响应面模型与实验结果吻合良好[8]。除温度和停留时间外，还有研究表明颗粒大小和载气流量也会影响焙烧效果，需通过实验进一步验证[9]。一些研究指出，减小颗粒大小有助于改善热量传递，促进更均匀的脱挥过程[10]，同时温度与颗粒尺寸之间的相互作用也会影响质量损失和高热值的提升程度[11]。此外，Chen等人强调了惰性气体流量在控制挥发性物质去除及避免二次反应中的作用。综合这些研究结果，有必要系统地研究颗粒大小和氮气流量，以优化焙烧后生物质的质量，为后续气化处理做好准备[12]。

响应面方程可集成到过程模拟软件中，用于预测质量与能量平衡情况。在各类过程模拟软件中，Aspen Plus常被用于焙烧过程模拟——可通过R-Yield子程序结合计算模块来整合动力学反应，或利用实验数据调整产品产率[13][14]。在所有生物质焙烧模拟中，所使用的热力学方程为经过Boston-Mathias修正的Peng Robinson状态方程（PR-BM）。该方程引入了与温度相关的α函数，通过根据气液平衡实验数据拟合出的可调参数，提升高极性化合物的蒸汽压预测精度[15]。由于动力学分析耗时较长，因此使用响应面法预测实验数据可作为确定焙烧过程质量平衡的替代方法。尽管响应面法已被用于上述焙烧相关参数的分析，但目前尚未集成到Aspen Plus中。若能将响应面法整合到该软件中，将为焙烧技术的规模化应用、提升生物质燃料的性能以及进一步提高该技术的技术成熟度奠定基础。

若要使技术成熟度超过5级，该工艺需在实验室或微型工厂规模上具备可行性与经济效益。Buchner等人将微型工厂定义为集成了多个工艺单元、用钢制设备取代实验室玻璃仪器的设施[16]，同时还会进行初步的生命周期分析，以判断该技术的早期可行性。在生命周期评估方面，只有少数研究将这种方法应用于焙烧过程。例如，Thengane等人对稻壳焙烧进行了生命周期评估，结果显示每MJ焙烧后的颗粒其碳足迹为0.043 kg CO2-eq[17]。此外，He等人比较了三种木材颗粒预处理方法——水热碳化、蒸汽爆炸和焙烧——的结果，发现焙烧方法的碳足迹最低，仅为0.000596 kg CO2/MJ颗粒，而其他预处理方法的碳足迹均高于0.00091 kg CO2/MJ颗粒[18]。至于焙烧后材料的成本，Onyenwoke等人报告称，焙烧颗粒的售价在113.4至283.4美元/吨之间，其中焙烧工艺是影响颗粒成本的主要因素[19]。Manouchehrinejad等人则对焙烧木材颗粒进行了技术经济分析，指出在制成颗粒之前，焙烧生物质的最低售价应为207美元/吨[20]。

基于以上背景，本研究旨在探讨当地咖啡生产设施中因修剪产生的咖啡木棒的焙烧工艺。这类残余物通常被丢弃或任其自然分解，对整个咖啡产业链的价值贡献极低。因此，人们越来越重视将这些咖啡修剪残余物作为本地生物能源生产的潜在原料加以利用。在本研究中，通过响应面法分析了焙烧条件（包括温度、氮气流量和颗粒大小）对咖啡木棒燃料特性的影响，所建立的模型随后被应用于Aspen Plus子程序中，以验证焙烧固体的生成情况。此外，还进行了成本估算、生命周期评估以及技术成熟度分析，以评估该焙烧工艺的当前发展阶段及其在未来咖啡设施生物精炼厂应用中的可行性。

原材料：本研究中的咖啡木棒由哥伦比亚的Green Coffee Company?提供，由来自不同农场、具有不同树龄、品种、高度及修剪方式的六种类型的咖啡木茎混合而成。这些生物质被储存在阴暗、干燥的环境中的箱子里，保持室温（20 °C），直至通过切碎、研磨和筛分等工序进行处理。最初有30公斤的咖啡木棒在配备3马力电机的Trapp?公司生产的TRF 300 Super研磨机中进行了研磨，之后又通过不同规格的Dimacro?筛网进行了筛分。

原始生物质与焙烧后生物质的特性：表1展示了这六种咖啡木棒的表征结果，包括近似分析和最终分析数据。总体来看，所收集的咖啡木棒的平均含水量为9.63 ± 1.38%，挥发性物质含量为80.62 ± 1.89%，固定碳含量为2.44 ± 0.54%，灰分含量为16.95 ± 1.72%。最终分析结果显示，按干基计算，其平均碳、氢、氮、硫和氧的含量分别为50.72 ± 0.48%、6.22 ± 0.08%、1.18 ± 0.44%、0.095 ± 0.015%和41.78 ± 0.97%。

结论：本研究表明，焙烧是一种极具前景的热化学预处理方法，可用于将咖啡木茎转化为适用于气化型生物精炼厂应用的原料。研究结果证实，温度是影响生物质转化的最主要操作参数，会对元素的组成、固体产率、固定碳含量、挥发性物质含量以及能源性能产生显著影响。将焙烧温度从200 °C提高到300 °C，可促进碳含量的增加、氧含量的减少，同时使高热值提升至24 MJ/kg。

作者贡献说明：Edward Gomez-Delgado：撰写原文初稿、验证研究结果、确定研究方法、开展实验研究、进行正式分析、构建研究概念。Martha Cobo：负责文章审阅与编辑、项目管理、争取资金支持、进行正式分析。Maria José Rey-Sanchez：负责数据可视化、开展实验研究。Ruth Ruiz-Pardo：负责文章审阅与编辑、确定研究方法。Sebastian Berendt-Pe?a：负责文章审阅与编辑、软件相关工作。Marvin Scherzinger：负责项目监督、资源协调、确定研究方法、开展实验研究。Néstor Sánchez：负责文章撰写。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。

关于科学写作中使用生成式人工智能的声明：作者承认在撰写本 manuscript 时使用了生成式人工智能工具，具体为OpenAI的ChatGPT。该工具仅被用于优化语言表达和提升文本清晰度；所有的知识内容、分析、解读以及批判性判断仍完全由作者自行完成。所有内容都经过了作者的反复审核与修改，以确保其准确性、原创性，并符合相关伦理标准以及资金提供方的编辑政策。

资金支持说明：本项目得到了哥伦比亚科学部（国家科学、技术及创新基金独立机构FRANCISCO JOSé DE CALDAS）通过编号为441–2023的合同所提供的资助，同时也获得了拉萨巴纳大学通过编号为ING-288-2021的项目支持。

利益竞争声明：? 作者声明自己不存在任何已知的、可能影响本文研究结果的财务利益关系或个人关系。

致谢：作者感谢拉萨巴纳大学提供的技术支持，同时也要感谢哥伦比亚科学、技术及创新部对“Alianza Bio-PtX：在哥伦比亚建立可持续生物精炼厂，以生产高附加值产品”这一项目的资金支持，该项目属于2023年第936号招标项目（主题为生物经济中的生态系统、自然生态系统及可持续区域）。

作者名单：Edward Gomez-Delgado|Martha Cobo|Maria José Rey-Sanchez|Ruth Ruiz-Pardo|Sebastian Berendt-Pe?a|Marvin Scherzinger|Néstor Sánchez

所属机构：哥伦比亚波哥大Puente del Común校区的拉萨巴纳大学工程学院能源、材料与环境实验室，北高速公路7公里处。