《Biomass and Bioenergy》：Linking physicochemical properties to combustion performance: Effects of torrefaction and briquetting on sugarcane bagasse
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# 摘要翻译
《巴黎协定》确立了将全球平均气温升幅控制在远低于工业化前水平2°C以内的全球承诺，同时努力将升温限制在1.5°C。为响应这一目标，国际能源署（IEA）制定了“2050年净零排放”（NZE）情景，为能源部门实现1.5°C目标勾勒了全面路径。根据I
# 摘要翻译
《巴黎协定》确立了将全球平均气温升幅控制在远低于工业化前水平2°C以内的全球承诺，同时努力将升温限制在1.5°C。为响应这一目标，国际能源署（IEA）制定了“2050年净零排放”（NZE）情景，为能源部门实现1.5°C目标勾勒了全面路径。根据IEA的数据，2020年全球生物能源一次能源需求接近65 EJ，其中约90%为固体生物质，约40%的固体生物质用于传统烹饪方式，这种方式不可持续、效率低下且造成污染，并在2020年导致250万人过早死亡。展望未来，现代固体生物能源的使用预计到2050年将以年均约3%的速度增长。生物质是可再生的且碳中性，被视为化石燃料最有前景的替代品之一。木质纤维素生物质尤其具有高水分含量、低热值、吸湿性和低堆积密度等特征，这些性质对转化效率产生负面影响，并使收获、粉碎、储存和运输等处理操作复杂化。因此，未经处理的生物质通常不适合在能源系统中直接用作燃料。为解决这些局限性，烘焙作为一种有效的热预处理技术受到了广泛关注，用以改善生物质的物理化学性质。该工艺在促进生物质在工业应用中的大规模利用方面展现出强大潜力。除烘焙外，压块和造粒等致密化工艺也成为重要的预处理策略，因为它们提高了堆积密度、改善了处理和储存特性，并促进了更稳定和高效的燃烧行为。先前的研究报道，预处理的生物质通常表现出改善的燃烧性能。将烘焙与致密化相结合以最大化两种预处理优势的研究日益受到关注。这种集成方法提高了燃料质量，同时克服了烘焙生物质的处理局限性。关于甘蔗渣，Granado等人评估了由木薯根茎、甘蔗渣和秸秆生产的烘焙压块。结果显示热值增加，但烘焙后密度和机械强度也有所降低。作者强调了集成压块和烘焙以增强农业残余物能源利用的潜力。Conti等人通过结合压块和烘焙工艺评估了农业残余物（包括甘蔗渣）的烘焙压块生产。压块使用液压机制备，随后在300°C下烘焙60分钟。烘焙使压块的能量密度提高了14–51%；然而，它也导致机械耐久性显著劣化，特别是在无模具加热条件下生产的压块，其在烘焙后发生崩解。这些发现证明了结合压块和烘焙改善甘蔗渣基燃料能量特性的潜力，同时强调需要优化工艺条件以保持压块完整性。Deng等人研究了集成烘焙和造粒从甘蔗渣生产高能量密度燃料。将烘焙温度从200°C提高到325°C使高位热值（HHV）从18.31 MJ/kg增加到24.52 MJ/kg，尽管炭产率大幅下降。研究还表明，添加粘结剂显著提高了烘焙生物质的机械强度，突出了优化烘焙和致密化条件的重要性。作者得出结论，低温（200°C）烘焙可产生高质量产率的烘焙生物质，同时实现无粘结剂造粒，从而促进碳质燃料的低成本生产。相比之下，高温烘焙大幅增加了固定碳含量，超过50 wt%，使所得炭成为工业还原剂的有前景候选材料。烘焙和机械致密化对燃烧性能的联合效应仍未得到充分研究。特别是，针对烘焙甘蔗渣压块燃烧行为的研究仍然有限。在此背景下，本工作的新颖之处在于系统研究了不同温度下烘焙的甘蔗渣生产的压块及其在实验室规模反应器中的后续燃烧性能。该方法在更接近实际生物质燃烧系统的条件下，建立了烘焙强度、燃料特性和燃烧行为之间的直接联系，从而为工业生物质燃烧技术的设计和优化提供了宝贵信息。
# 论文解读
## 一、研究背景与意义
在全球气候变化应对框架下，《巴黎协定》确立了将全球平均气温升幅控制在远低于工业化前水平2°C以内的目标，国际能源署据此制定了“2050年净零排放”情景。生物质能作为可再生且碳中性的能源载体，被视为化石燃料的重要替代方案。然而，木质纤维素生物质固有的高水分含量、低热值、吸湿性和低堆积密度等特性，严重制约了其能源转化效率与工业化应用。甘蔗渣作为制糖工业的主要农业残余物，其能源化利用具有重要现实意义。
为改善生物质燃料品质，烘焙（torrefaction）作为一种热预处理技术被广泛研究，能够在惰性气氛下通过200–300°C的低温热解改善生物质的物理化学性质。与此同时，压块（briquetting）和造粒等致密化工艺通过提高堆积密度和改善处理特性，进一步优化生物质的燃烧行为。尽管已有研究分别探讨了烘焙和致密化对生物质燃料性质的影响，但二者的协同效应对燃烧性能的系统性影响——特别是在更接近实际工业燃烧条件的研究框架下的评估——仍缺乏深入探讨。已有研究表明，烘焙能够提高生物质的热值，但同时可能导致压块密度和机械强度的下降。因此，如何在化学改性与物理结构保持之间寻求最优平衡，成为生物质燃料制备领域亟待解决的关键科学问题。
本研究以巴西圣保罗州Itaí地区糖-乙醇工厂采集的甘蔗渣为原料，系统考察了不同烘焙温度（200–300°C）对压块燃料物理化学性质及燃烧行为的影响，旨在建立烘焙强度、燃料特性与燃烧性能之间的直接关联，为工业生物质燃烧技术的优化设计提供理论依据。
## 二、主要技术方法
研究人员采用固定床反应器在惰性气氛（99.999% N?）下对甘蔗渣进行烘焙处理，温度范围为200–300°C，间隔20°C设置六个梯度（200、220、240、260、280、300°C），保温时间30分钟。烘焙后的生物质在实验室规模压块机（Lippel LB-32）上进行压块，压力18 MPa、温度120°C、压缩时间5分钟。样品表征涵盖工业分析（ASTM E872-24和ASTM E1755-24标准）、元素分析、高位热值测定（DIN 51900标准）、木质纤维素组分分析（TAPPI标准）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析和热重分析（TGA）。燃烧性能通过实验室规模燃烧反应器结合自建燃烧指数（ICOM）进行评估，并运用方差分析、皮尔逊相关分析和线性回归进行统计处理。
## 三、研究结果
### 3.1 生物质特性分析
原生甘蔗渣的挥发分含量约占总组分的79%，灰分含量为6.92%，固定碳含量为13.98%。组分分析表明甘蔗渣以纤维素（44%）为主，其次为木质素（29%）、半纤维素（23%）和少量抽出物（3.4%）。随着烘焙温度升高，挥发分含量从200°C时的78.37%降至300°C时的35.65%，固定碳含量从17.00%增至47.06%，碳元素含量从47.09%升至65.64%，氧元素含量从47.06%降至29.71%。范克雷弗伦图（Van Krevelen diagram）分析显示，随着烘焙强度增加，H/C和O/C原子比持续下降，样品从生物质区域逐步向泥炭和褐煤区域过渡。
### 3.2 烘焙效果评估
质量产率（mass yield）和能量产率（energy yield）均随烘焙温度升高而降低。200°C时质量产率为95%，300°C时降至42%；能量产率相应地从100%降至58%。高位热值（HHV）从原生样品的18.38 MJ/kg增加到300°C时的25.10 MJ/kg，增幅达38%。研究发现，在严重烘焙区间（>275°C），质量损失显著加剧，表明该温度范围内半纤维素快速分解伴随纤维素和木质素的部分热解。
### 3.3 FTIR分析
红外光谱分析揭示了烘焙过程中官能团的渐进变化。O–H伸缩振动峰（3324–3347 cm?1）强度随温度升高而降低，表明脱水反应和极性基团减少，疏水性增强。C=O伸缩振动峰（1735 cm?1）的减弱指示半纤维素的分解。芳香族区域（1500–1635 cm?1）峰强度在260°C前增加、其后下降，反映出中间温度下芳香结构的形成与高温下的部分降解。总体上，烘焙使生物质变得更干燥、疏水性更强，木质素相对含量增加。
### 3.4 热重分析
热重分析（TGA/DTG）显示甘蔗渣燃烧分为四个阶段：干燥（<180°C）、氧化脱挥发分（180–380°C，主要对应综纤维素分解）、炭氧化和木质素分解（380–550°C）以及灰分稳定阶段（>550°C）。200°C和220°C烘焙样品的燃烧指数（S）最高，分别达到29.60E-08和69.14E-08 %2/min2·K3，表明轻度烘焙改善了燃烧性能。随着烘焙温度继续升高，燃烧指数下降而反应性指数（50%质量损失对应温度）升高，说明反应活性降低。从240°C开始，燃料比（FC/VM）值进入与煤粉锅炉适用燃料相似的区间（0.5–2.0）。
### 3.5 压块特性分析
280°C和300°C烘焙样品因木质素热解导致粘结能力丧失而无法压块成型。在可成型样品中，烘焙温度的升高导致压块体积增加、表观密度降低。240°C烘焙样品表现出最大的体积膨胀（较原生样品增加31%）和最低的密度。能量密度方面，200°C和220°C样品分别较原生压块增加4%和5%，220°C样品获得最高能量密度（25823.51 MJ/m3）。从240°C开始能量密度下降，表明化学改性的能量增益被物理结构劣化所抵消。
### 3.6 压块燃烧分析
燃烧实验识别出四个阶段：干燥与点火（0–200秒）、挥发分燃烧（200–800秒）、炭燃烧（800–2000秒）和冷却阶段（>2000秒）。200°C烘焙样品获得最高燃烧温度（751°C）和最长持续时间（35.61分钟），其燃烧指数（ICOM = 0.543 %/min）优于原生样品（0.464 %/min）。随着烘焙温度升高，ICOM逐渐下降，260°C样品降至0.424 %/min。240°C和260°C烘焙压块在燃烧过程中出现结构崩解和碎片化，导致燃烧不稳定。200°C和220°C样品因其密度接近原生压块且化学性质得到改善，表现出最低的燃烧速率（0.025和0.026 %/min），有利于持续稳定的能量释放。
### 3.7 统计分析
皮尔逊相关分析表明，表观密度与ICOM呈正相关（r = 0.81），与最大燃烧温度呈正相关（r = 0.68），与燃烧速率呈负相关（r = ?0.61）。燃料比与ICOM呈强负相关（r = ?0.91），与表观密度呈负相关（r = ?0.85），与燃烧速率呈正相关（r = 0.76）。线性回归分析显示，燃料比随烘焙温度升高而增加，但ICOM却呈下降趋势，这证实了烘焙引起的化学品质提升并未转化为压块燃烧性能的改善。在200–260°C的可压块区间内，燃烧性能的优劣更多取决于致密化结构的保持而非碳化程度的单纯提高。
## 四、讨论与结论
本研究的核心发现表明，烘焙能够根据温度依赖性地改善生物质的化学性质，但燃烧性能并非仅由化学品质提升所决定。当与机械致密化结合时，轻度烘焙条件（200–220°C）能够在实现充分化学改性的同时不损害结构完整性，从而获得更稳定、更高效的燃烧行为。与此相对，严重烘焙条件（275–300°C）导致显著的结构降解，阻碍致密化过程，即使燃料的化学品质有所提高，其整体的能源利用效率反而降低。热重分析衍生的燃烧指数（S）和压块燃烧指数（ICOM）均一致表明，轻度烘焙更适合甘蔗渣的直接燃烧应用。尽管中度烘焙条件（240–260°C）生产的压块表现出更高的燃烧速率，但这种快速燃烧反映的是结构完整性不足导致的燃烧失控，而非燃料品质的优势。统计结果进一步证实，烘焙引起的燃料比增加导致表观密度降低，从而在致密化后损害压块质量并对燃烧指数产生负面影响。因此，在通过集成预处理技术实现生物质能源高效利用的过程中，必须谨慎选择操作参数，以实现化学性质与物理性质之间的适当平衡。这些发现为生物质固体燃料的制备工艺优化和工业燃烧系统设计提供了重要的理论依据。
