氧化热解与非氧化热解的等质量产率对比：玉米芯和银合欢的化学性质、热解行为及燃烧特性

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Equivalent mass yield comparison of oxidative and non-oxidative torrefaction: chemical properties, pyrolysis behavior, and combustion characteristics of corn cob and Leucaena leucocephala

　　

摘要

氧化热解炭化是传统氮气热解炭化的一种实用替代方案，因为它可以减少惰性气体的需求并缩短处理时间。然而，在相同温度和处理时间下进行的比较可能无法提供公平评估，因为空气热解炭化通常进行得更快并达到更低的产率。本研究在等效产率条件下比较了玉米芯和Leucaena leucocephala（银合欢）的氧化与非氧化热解炭化。响应面建模被用作条件匹配工具，以识别对应于70%和60%目标产率的大气特定条件，随后进行实验验证和表征。在60%的目标产率下，玉米芯在280 °C下的保持时间从42减少到10?分钟，L. leucocephala在300 °C下的保持时间从58减少到17?分钟，分别减少了76%和71%。尽管产率等效，空气和氮气产物并不相同。它们的元素组成和高位热值总体相当，但Van Krevelen分析、FTIR、工业分析和后续热解揭示了与大气相关的差异。空气产物通常表现出更高的固定碳含量和燃料比，更低的挥发分和更低的峰值质量损失强度。它们的燃烧特性与氮气产物大致相当，在某些情况下固定碳相关燃烧的贡献更大。因此，等效产率可以提供一个共同的转换参考基准，但不能提供关于产物性质的参考。空气热解炭化可以在大幅降低工艺严重程度的情况下生产升级固体燃料。

引言

木质纤维素生物质是固体生物燃料生产的有前景的原料，因为它丰富、可再生且成本相对较低[1]。然而，即使在同一宽泛类别内的生物质原料，其组成也各不相同[2]、[3]。纤维素、半纤维素、木质素、灰分和抽提物含量的差异会显著影响其热分解行为和燃料特性[4]、[5]、[6]。因此，热解炭化产品的质量不仅取决于温度、保持时间和大气等工艺条件，还取决于起始生物质的固有性质。因此，了解不同生物质原料对热解炭化的响应对于选择适当的操作条件和生产质量一致的固体燃料至关重要。

热解炭化是一种温和的热化学转化过程，通常在200–300 °C的惰性或限氧大气下进行[7]、[8]、[9]。在热解炭化过程中，生物质经历干燥、挥发、脱水、脱羧以及半纤维素、纤维素和木质素的部分分解[10]、[11]、[12]。这些反应通常会增加碳含量和热值，同时降低氢和氧含量、挥发分、吸湿性和研磨阻力[8]、[13]、[14]、[15]、[16]。传统热解炭化通常在氮气或其他惰性气体下进行以避免燃烧。然而，使用惰性气体会增加工艺复杂性和操作成本[17]、[18]。因此，使用空气或含氧气体进行氧化热解炭化作为更实用的替代方案受到了关注，因为它可以加速生物质分解、缩短所需的保持时间并减少惰性气体供给的需求[19]、[20]、[21]。近期研究表明，含氧或烟气大气可以在其他可比的运行条件下加速生物质转化并相对于惰性热解炭化降低固体产率[22]、[23]、[24]。

许多先前的研究在相同温度和处理时间下比较了氧化和非氧化热解炭化[25]、[26]、[27]、[28]。在这种直接比较下，氧化热解炭化通常似乎导致更大程度的燃料升级，因为氧气促进了额外的质量损失和挥发物去除[29]、[30]、[31]。然而，这种比较可能无法提供评估大气效果的公平基础，因为生物质转化程度并不等效。在相同温度和处理时间下，空气热解炭化通常比氮气热解炭化进行得更快，导致不同的固体产率和转化水平[25]、[30]、[31]。因此，燃料特性的差异可能不仅源于大气本身，还可能源于不等的热解炭化严重程度。

基于转换的比较，使用等效产率可以为评估氧化和非氧化热解炭化提供一个更有意义的框架[32]、[33]。产率提供了整体固体转换的实用度量，并与热解炭化过程中挥发分和含氧分数的损失相关[32]、[34]、[35]、[36]。通过在相似产率水平下比较热解炭化产物，可以在可比的转换状态下评估大气效应，而不是仅在同等的运行条件下。这种比较在不同生物质类型之间尤为重要，因为原料组成会强烈影响热分解行为和对热解炭化严重程度的响应[36]、[37]。例如，富含热不稳定分数的生物质可能快速分解，而更耐热的木质生物质可能需要更高的工艺严重程度才能达到相同的产率水平。响应面方法也被广泛用于描述热解炭化温度和停留时间的效应，并识别适用于生物质升级的适当运行条件[37]、[38]、[39]。

本研究选择了玉米芯和Leucaena leucocephala（银合欢）作为两种具有不同生物质特性和热响应的木质纤维素原料。玉米芯代表一种农业残渣，具有热化学转化和固体生物燃料生产的潜力[40]、[41]、[42]，而L. leucocephala（银合欢）代表一种木质纤维素生物质，已被研究用于热解炭化、颗粒生产和氧气辅助热升级[21]、[43]、[44]。然而，在实验验证的等效产率条件下对氧化和非氧化热解炭化的比较仍然有限，尤其是当一起考虑不同生物质类型时。因此，使用响应面建模作为插值工具，以识别氮气和空气大气下对应于60%和70%目标产率的热解炭化条件。所选条件在燃料性质表征之前进行了实验验证。本研究的目的是在等效产率条件下比较玉米芯和L. leucocephala（银合欢）的氧化和非氧化热解炭化。热解炭化产物从元素组成、高位热值、Van Krevelen比率、工业分析、热行为和FTIR光谱方面进行了评估。本工作提供了实验验证的基于转换的热解炭化大气效应评估，并展示了等效产率对公平比较生物质升级性能的重要性。

章节摘要

原料和热解炭化实验

本研究使用了玉米芯和Leucaena leucocephala（银合欢，简称Leucaena）作为木质纤维素生物质原料。玉米芯采集自泰国尖竹汶府，而银合欢采集自泰国孔敬府。原始生物质样品首先用刀具切成约5?mm的小块，然后使用切割磨进一步减小尺寸，获得约2?mm的颗粒。随后使用球磨机对样品进行研磨以获得

热解炭化过程中的产率演变

用于研究产率演变的实验条件总结于表1中。热解炭化产物的外观见图1。对于玉米芯（CC）和银合欢（LC），在氮气和空气大气下，随着热解炭化温度和处理时间的增加，样品的颜色变深。这种颜色变化表明热解炭化过程中生物质的逐步热转化。在空气条件下颜色变化比在氮气条件下更为迅速，

结论

本研究证明了使用等效产率条件比较玉米芯和Leucaena leucocephala（银合欢）氧化与非氧化热解炭化的重要性。响应面建模成功选择了70%和60%目标产率的条件，且所有选定条件的验证误差均较低。与氮气热解炭化相比，空气热解炭化在更低的温度或更短的处理时间下达到了相同的产率水平。这证实了氧气加速了

CRediT作者贡献声明

Janewit Wannapeera：写作 – 初稿，可视化，方法论，调查研究，形式分析。Pansa Liplap：写作 – 初稿，可视化，方法论，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。Awat Wisetsai：资源，形式分析。Jindarat Pimsamarn：写作 – 审阅和编辑。Supachai Jadsadajerm：写作 – 审阅和编辑，写作 – 初稿，指导，项目管理，形式分析，数据管理，

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本报告中所述的工作。

致谢

作者衷心感谢泰国诗里纳加罗大学（SUT）、泰国科学研究与创新局（TSRI）和国家科学研究与创新基金（NSRF）（资助编号204178）的财政支持。

Pansa Liplap|Janewit Wannapeera|Thipsuphin Hinsui|Pitchapa Buangam|Chayanit Pimwong|Chalisa Klangprapan|Awat Wisetsai|Jindarat Pimsamarn|Napat Kaewtrakulchai|Supachai Jadsadajerm

泰国诗里纳加罗大学工程学院农业工程学院，诗里纳加罗，纳akhon ratchasima府，Nakhon Ratchasima 30000，泰国