农业残留物基生物质颗粒中麸皮与泥炭黏结剂组分对其热解产物的影响

《Biomass》：Influence of Bran and Peat Binder Components on the Pyrolysis Products of Agricultural Residue-Based Biomass Pellets

　　

农业残留物是可通过热化学转化生产可再生燃料和高附加值产品的丰富木质纤维素资源。本研究考察了麸皮（bran）与泥炭（peat）分别作为富含有机质与矿物质的黏结剂（binder）组分对生物质颗粒热解行为及产物分布的影响。研究人员以小麦秸秆、大麦秸秆和燕麦壳为原料，分别采用大麦麸皮或泥炭作为黏结剂制粒，并利用热重分析联用傅里叶变换红外光谱（TGA-FTIR）进行分析。在700 °C热解条件下，评估了热降解行为、产物收率、非冷凝气体逸出曲线及冷凝产物组成。结果表明，制粒通过生物质与黏结剂组分间的相互作用改变了热降解路径与产物分布。麸皮黏结颗粒促进生物油（bio-oil）及含氧冷凝物的形成，生物油收率最高达45.2%；泥炭黏结颗粒则增加非冷凝气体与固体残渣生成。CO2与CO为优势气态产物，CH4主要在被动热解区高温段生成。结果显示黏结剂组成在调控热解路径与产物分布中起重要作用，为面向生物能源与循环生物经济应用的农业残留物基颗粒优化提供了依据。

研究背景与立项依据

农业残留物作为木质纤维素类可再生资源，在热化学转化制能领域日益受到关注。热解（pyrolysis）可在无氧条件下将生物质转化为固体炭、液体冷凝物与非冷凝气体。相比松散原料，生物质颗粒具备堆密度高、进料均匀、热行为可预测等优势。已有研究指出致密化会改变传热传质与挥发分-炭相互作用，从而影响产物分布。黏结剂选择直接影响颗粒密度、机械强度与耐久性：有机质黏结剂（如富淀粉/蛋白的农副产品）与矿物质黏结剂（如泥炭）对热解路径影响机制不同。拉脱维亚同时产出大量秸秆、谷壳、麸皮等农副产物与本地泥炭，但有机与富矿黏结剂在相同热解条件下对农业残留物颗粒的对比研究尚不充分，黏结剂化学如何调控降解路径、挥发分演化与产物分配的机制尚未明晰。为此，研究人员在《Biomass》发表本研究，系统比较麸皮（有机）与泥炭（富矿）两类黏结剂对小麦秸秆、大麦秸秆、燕麦壳颗粒在700 °C热解下行为与产物分布的影响。

主要技术方法概括

研究人员采集拉脱维亚本地小麦秸秆、大麦秸秆、燕麦壳、大麦麸皮与ZTK低型泥炭，经60 °C烘干预处理；按优化比例配制三种麸皮黏结（黏结剂10 wt.%）与三种泥炭黏结（黏结剂15 wt.%）颗粒配方，使用平模制粒机成型。采用STA 6000热重分析仪耦合Spectrum 100 FTIR（转移线与气池恒温230 °C，升温100 °C·min^?1，N₂ 20 mL·min^?1，终温700 °C）同步记录质量损失与挥发分红外吸收；以积分FTIR特征吸收带并依托甲苯、1-十六烯、草酸钙等标样校准，相对定量非冷凝气（CO、CO₂、CH₄）、单环芳烃、烯烃、水及含氧化合物，生物油收率由挥发分减去非冷凝气间接求得，固体残渣取700 °C残重。

研究结果

3.1 原料表征

研究人员测定小麦秸秆、大麦秸秆、燕麦壳、大麦麸皮与泥炭的工业分析、元素分析与木质纤维素组成。燕麦壳挥发分与纤维素最高，大麦秸秆固定碳最高，小麦秸秆木质素最高；麸皮高湿、富蛋白淀粉；泥炭低灰熔、富胡敏酸与矿物。差异构成后续协同热解基础。

3.2 原料与颗粒热分解

TG-DTG显示降解分三段：脱水（30–180 °C）、主动热解（190–520 °C）、被动炭化（420–700 °C）。泥炭起始降解早（~150 °C），纯麸皮拐点~310 °C。制粒后曲线非简单加和：泥炭黏结颗粒出现273 °C与379 °C双拐点，麸皮黏结的90BSB、90OHB出现双拐点且向高温偏移，90WSB单拐点亦升温，归因为多糖-蛋白-木质素-腐殖质协同及美拉德反应改性强热稳中间体。

3.3 产物收率

700 °C下原料中以燕麦壳生物油最高40.4%，泥炭固残37.1%。颗粒中90OHB生物油达45.2%，85OHP为41.0%；麸皮黏结普遍抬升生物油，泥炭黏结抬升非冷凝气（85BSP达35.6%）与固残。有机黏结促冷凝物、富矿黏结促气固两相。

3.4 非冷凝气体组成与演化

气相以CO₂、CO为主，CH₄居次。CO₂主峰350–420 °C，泥炭黏结样品释放最强且起始最低（~190 °C）；CO主峰350–400 °C，小麦秸秆与泥炭黏结颗粒偏高；CH₄集中于550–680 °C被动区，木质素结构与二次焦油裂解贡献，麸皮样品CH₄较弱。泥炭中碱土金属催化脱氧脱水、抑氧入油。

3.5 生物油组成

含氧化合物为冷凝物主体，麸皮黏结颗粒含氧化合物>30%、水<10%；泥炭黏结颗粒含氧化合物16–24%、水较高。麸皮多糖蛋白增强氧留冷凝相，泥炭芳构化与矿物催化促脱水成水、固炭与永久气。

讨论与结论翻译

讨论指出，黏结剂不仅改产物分布，还涉经济与环境：大麦麸皮为谷物加工副产，10 wt.%即满足成粒，契合循环生物经济；泥炭虽强黏结、促炭气，但属缓再生资源，开采伴碳排放与生态扰动，须依区域法规审慎评估。制粒工艺兼容工业平模线，黏结剂可按目标产物切换——需高生物油选麸皮，需高炭/燃气选泥炭。

结论部分：本研究提示制粒与黏结剂组成可影响农业残留物基生物质颗粒的热降解行为与热解产物分布。TGA-FTIR分析表明黏结剂组成调控木质纤维素颗粒热分解路径与挥发分演化。麸皮黏结颗粒促进冷凝物与含氧化合物形成，90OHB生物油收率最高45.2%；泥炭黏结颗粒因其富芳构与富矿结构，利于非冷凝气与固体残渣生成。CO₂与CO为热解优势气，CH₄主要在高温被动区逸出。有机与富矿黏结剂经不同机制作用：麸皮增强富氧冷凝物释放，泥炭促进脱水、成炭与二次脱氧。恰当选用黏结剂可按工业目标定制产物分布；大麦麸皮作为增强生物油产的农副产物，对循环生物经济具吸引力，泥炭配方适于需增量炭之场景，但须权衡环境效应。