从原始生物质到高级固体生物燃料：多种木质纤维素原料的中试规模热解炭化和制粒

《Journal of the Indian Chemical Society》：From Raw Biomass to Advanced Solid Biofuels: Pilot-Scale Torrefaction and Pelletization of Multi-Lignocellulosic Feedstocks

　　

•木质纤维素生物质颗粒的中试生产
•炭化处理改善了燃料性能和能量密度
•炭化后高位热值（HHV）显著提升
•颗粒的疏水性和可磨性得到改善
•炭化颗粒展现出更优的燃烧性能

引言

随着能源需求的不断增长和工业化的快速推进，化石燃料的使用日益增加以满足能源需求，全球水位的下降也导致水电在全球电力发电结构中的份额有所下降[1]。为了解决由风能和光伏发电间歇性特征所导致的电力供应不稳定问题，在全球范围内探索生物质能源[2]，生物废弃物是全球第四大能源来源，仅次于天然气、石油和煤炭[3]，这一方法可在太阳能和风能可能不可用时为消费者提供可靠的能源来源，正如我们所见[2]。

根据欧洲指令2003/30/EC，生物质是指来源于林业、木材加工工业、农业（动植物残留物）以及市政和工业废弃物（农食工业）的产品（废弃物）中的可生物降解部分，允许在符合环境保护法规的前提下用于能源[4]。大约80%的能源来自化石燃料，它仍然是燃料和高附加值化学品的主要原料。因此，尽管正在不断开发可再生能源技术，当前全球经济仍然依赖于化石基原料。欧盟通过制定战略来加强生物基产业、建立新的地方生物精炼厂以及了解生物经济的环境限制，强调了向生物经济转型的重要性，这些战略正由地方政府进一步制定[5]。

摩洛哥在巴黎COP21会议上承诺达成一项具有法律约束力的乐观协议。鉴于此，摩洛哥政府已公布了一项全面的战略，以显著提高能源效率并扩大可再生能源在能源结构中的使用比例。尽管在2015年至2020-2030年间新增了新的风电设施，但风能的明显消失可归因于几个相互关联的因素。此外，可再生能源在摩洛哥能源结构中占比的增加可能导致不同可再生能源之间（如太阳能，其可能受益于更快的发展和更大的储能能力）竞争加剧。已设定目标，通过提高能源效率，到2020年减少能源消耗12%，到2030年减少15%，并提高可再生能源发电装机容量份额（到2020年达到42%，到2030年达到52%；图1）[6, 7, 8]。

一个持续的平衡循环，包括：(a) 生物质生长并从大气中吸收CO2，将碳以有机化合物的形式储存；(b) 收获和使用生物质，通过燃烧储存的碳产生CO2排放；以及(c) 将CO2回收并重新储存为新的生长，这可以被理解为涉及使用源自生物质的材料。根据摇篮到工厂门的生命周期评估研究[10]。

生物质衍生产品的结果要么是几乎CO2中性的，要么如果热化学转化（热解、炭化、水热碳化等）的副产品被用于正面用途，甚至可能是负值的，前提是生物质被负责任地产生和使用，例如在管理的种植林的情况下[11]。生物质被视为一种主要的可再生能源来源，环境影响最小，可回收或用于产生能源[12, 13]。

生物质来源分为四大类：林业废弃物（林业作业产生的废弃物）、农业废弃物（谷物秸秆、油料作物秸秆、玉米秸秆、粪便、粪液等）、水生残留物（藻类、微藻、渔业和养殖活动残留物）、其他来源（有机废弃物和家庭垃圾，如污水处理厂污泥、农食工业产品如油料加工、果蔬废弃物、乳制品、葡萄酒和甜菜蒸馏厂废弃物等）[4]。

炭化是用于克服生物质作为燃料使用缺点（如低能量密度、高水分和高含氧量）的一种预处理工艺。炭化处理可增加能量密度、疏水性，并降低生物质的研磨能量需求[14]。Lee等人（2012）观察到，生物质（木片）炭化后，炭化颗粒的产率达到87.13%，水分从6.76%降至3%。此外，灰分含量略有增加，增幅为0.10%，高位热值从18.54 MJ/kg上升至20.25 MJ/kg[15]。这些结果与Pesta?o和José（2018）对椰树叶、狗尾草和稻壳生物质所得结果一致，他们发现与原料相比，水分降低了67%，同时高位热值、固定碳和灰分含量值分别上升至20-26 MJ/kg、44-46%和9-28%[16]。堆密度从0.2-0.25增加至0.75-0.85，而水分含量从30-45%降至1-5%。该研究还报告挥发分减少了10%，固定碳和HHV增加，后者从10.5上升至22 MJ/kg[17]。Rodrigues和Rousset（2009）使用大叶桉木生物质，获得了与Kleinschmidt等人（2011）报道的木生物质堆密度值相似的结果[18]。此外，Bourgois等人也与本工作一致，观察到炭化颗粒水分降低、固定碳增加，产品产率为81.8%，接近Jae-Won Lee等人的发现[19]。

生物燃料研究的新兴趋势强调，除了评估生产可行性外，还需要彻底评估可再生燃料的物理化学性质、结构、能源性能和终端使用性能。例如，Selvam和Devarajan最近研究了癸醇增强的Sterculia foetida生物柴油，表明燃料组成可对柴油机燃烧行为、制动热效率、燃料消耗和排放特征产生重大影响[20, 21]。尽管该研究专注于液体生物柴油，但它强调了一个对固体生物燃料极为相关的更普遍概念：原料特性、升级策略和最终燃料性质都对可再生燃料的性能有显著影响。由于原始生物质通常具有低堆密度、高吸湿性、成分多样且相对低热值，炭化和颗粒化是固体生物燃料最具前景的升级工艺[22, 23]。颗粒化通过增加堆密度和能量密度来增强处理、储存和运输，而炭化可增加碳含量和更高热值，同时减少挥发分和水亲和力[24, 25]。根据对炭化颗粒的最新研究，适度炭化可增强燃料质量、疏水性和热稳定性，但可能根据处理严重程度和生物质组成对机械耐久性产生影响[26]。尽管取得了这些进展，但在同一制备和表征技术下涉及多种农工和水生物质的比较研究仍然有限，大部分已发表的研究专注于单一生物质来源或木质废弃物。由于生物质类型对灰分含量、固定碳、矿物组成、结晶度、官能团、形状和热值有显著影响，这一差距意义重大。因此，尽管关于生物质炭化和颗粒化的文献日益丰富，但在具有工业相关性的中试条件下，不同结构生物质之间的比较性能仍存在显著空白。这些研究主要在实验室规模进行，并专注于少数传统原料。在此背景下，本研究评估了由多种生物质资源制成的颗粒，如藻类、橄榄渣、橄榄核、杏核残留物、阿甘残留物、大豆残留物和火麻残留物。采用 proximate analysis（灰分分析）、即时分析、高位热值、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、SEM/EDX分析和堆密度测量来分析非炭化和炭化颗粒。主要假设是，每种生物质的固有组成将决定炭化在增加HHV和富碳组分同时引起结构、化学和形态变化的程度上如何改善颗粒的燃料质量。因此，本工作的目标是确定哪些生物质衍生颗粒在可持续固体生物燃料应用（燃烧、混燃、工业燃料等）中最具前景，并建立原料来源、炭化处理与最终燃料性能之间的相关性。

本工作的目标是生产出符合既定标准的炭化颗粒。此外，它还包括对比炭化前后颗粒的特性，并结合同行其他研究者的研究成果进行评估。研究在多元化能源资源、增加可再生能源特别是生物质份额的框架下进行。它旨在防止全球变暖、减少碳排放、促进可持续发展和对有机废弃物及副产品的增值。与以前的研究相比，本研究的重要性在于它使用了多种生物质类型和创新副产品。此外，在颗粒化后进行炭化，在轻度加工条件下可提供优越的产品和有利得生产产率。这种方法为经济可行性和可持续性提供了有前景的展望。在250°C下炭化橄榄渣，得到的炭化橄榄渣产率为37.73%，热值为20.78 MJ/kg，固定碳含量为30.38%[27]。在本研究中，生物质炭化是颗粒化之后的第二阶段。该阶段可以改善多种特性，我们观察到很高的产率，高达81.15%，固定碳含量为74.39%，热值为23.44 MJ/kg。炭化后，炭化橄榄核的热值超过20.7 MJ/kg[28]。在我们的研究中，通过在生物质炭化前进行颗粒化，我们得到了热值为23.05 MJ/kg的橄榄核颗粒。我们还研究了其他新的生物质（大豆、火麻、脱油橄榄渣、杏核）以比较炭化前后的特性。结果显示，在热值和固定碳含量方面表现良好，颗粒耐久性也符合标准。在炭化前后，我们还使用多种技术对这些颗粒进行表征。我们计算密度以确定储存和运输成本效率，计算总热值以确定完全燃烧时释放的热量，计算孔隙率以确定燃烧的难易程度，后者使空气流通更好、反应面积更大，从而提高能源效率。总体而言，足够高的表观密度更具韧性和抗碎性。消费者信任和市场准入取决于生产者是否满足能源性能、用户满意度和产品质量标准，所有这些都在很大程度上由耐久性保证，耐久性使能源转化过程得以优化并提高生物燃料质量。本研究生产的颗粒专门用于作为升级固体生物燃料的三大主要应用路径：用于合成气和热能生产的气化、工业锅炉的直接燃烧以及与电厂的煤炭混燃。与非炭化生物质相比，炭化颗粒在这些应用中因其优越的疏水性、降低的水分含量、改善的可磨性和增加的能量密度而具有重要的商业价值[29]。在这方面，对来自七种结构多样的生物质原料的中试规模炭化和非炭化颗粒的适用性进行评估，并制定符合ISO 17225等国际标准固体生物燃料质量标准循证的原料选择标准，需要进行彻底的物理化学表征。

章节摘要

炭化颗粒的制备

freshly extracted two-phase olive pomace（新鲜提取的双相橄榄渣）、橄榄核和杏核是用于制作颗粒的四种生物质。样品来自马拉喀什地区的一家橄榄加工厂，并储存在实验室的200升塑料桶中[30]。双相脱油橄榄渣是从一家从橄榄渣中提取橄榄油的工厂获得的。我们选择了褐藻，特别是Sacchariza polyschides，作为藻类生物质的来源。这种藻类是在沿岸收集的……

proximate analyses（灰分分析）

炭化改变了生物质的特性，如水分、灰分、固定碳和挥发分。在以下子章节中，讨论了炭化过程后生物质特性的变化。

水分含量是燃料的重要特性，因为水分含量越高，燃烧时的能量损失越大。此外，水分较少的颗粒在储存期间更稳定，生物降解风险低。

此外，运输方面——结论

本研究旨在评估制粒和炭化工艺对不同类型生物质质的影响。结果表明，制粒工艺改善了生物质的多项特性和性质，从而促进其在各领域的应用。研究已观察到生产高质量颗粒的潜力。这些颗粒的表观密度为628.22至670.55 kg/m3，机械耐久性高达90.07%至99.96%，且发热量优异（12.87至20.38……）。

CRediT作者贡献声明

Fatima Ezzahra Yaacoubi：验证，调查研究。
Zaina Izghri：验证，调查研究。
Younes Beddach：撰写初稿，验证，调查研究，概念构思。
Imad Rabichi：撰写——审阅与编辑，验证，监督，调查研究。
Abdelaziz Bacaoui：监督，项目管理。
Abdelrani Yaacoubi：撰写——审阅与编辑，监督，方法论。
Abdelaziz Ounas：验证，调查研究。
Karima Ennaciri：验证，调查研究。
Jalila Hanyny：

致谢

本研究由IRESEN资助的BIORESOL项目支持。我们感谢合作伙伴和项目管理者的支持与资源，作者还感谢摩洛哥马拉喀什卡迪·阿亚德大学的分析与表征中心（CAC）及创新创业园。

Younes Beddach | Imad Rabichi | Fatima Ezzahra Yaacoubi | Zaina Izghri | Jalila Hanyny | Chaima Sekkouri | Abdelaziz Ounas | Karima Ennaciri | Abdelrani Yaacoubi | Abdelaziz Bacaoui