综述：最近在由生物质废弃物制成的固体生物燃料的合成与表征方法方面的进展及比较分析

《Biomass and Bioenergy》：Recent advances and comparative insights of synthesis and characterization methods of solid biofuels derived from biomass waste

生物质热化学转换通过torrefaction、HTC和pyrolysis三种工艺生产生物炭、生物油等高价值产物，比较分析温度、停留时间对产物特性及能量产出的影响，探讨其在能源替代、碳封存等领域的应用潜力与挑战。

　　

Bharat Bhushan Verma | Sewan Das Patle | Satish Kumar Dewangan

印度拉伊普尔国立技术学院机械工程系，492010

摘要

生物质的热转化对于从生物质废弃物中生产可持续能源和材料至关重要。本文概述了三种关键热化学生物质过程的最新进展和比较分析：热解、水热碳化（HTC）和热裂解，重点介绍了它们的机制、操作条件以及所产生的固体产物（如生物炭和水碳）。热解是在无氧环境中进行的一种温和加热过程，温度范围为200至300°C，可改善生物质的性能，如耐水性和可研磨性。HTC在亚临界水条件下（180–260°C）进行，产生的水碳含有较高的氧含量，可用作土壤改良剂。热裂解是在无氧环境中、温度范围为300–700°C的热过程，可产生生物炭、生物油和合成气。本综述比较了这些过程，特别关注操作温度和停留时间对反应程度、质量和能量产率以及固体产物物理化学性质的影响。通过综合脱水、脱羧、脱挥发和芳香化等机制转变，建立了各过程之间的比较趋势。表征热处理后的生物燃料对于评估其在能源、环境或农业领域的应用潜力至关重要。特别关注了元素组成、热值和固体产量的变化，以及其对共燃、碳封存和能量储存等下游应用的影响。本文旨在提供生物质热化学过程的比较概述和表征方法的最新进展，以支持可再生材料和废弃物增值策略的发展。

引言

为了减少对化石燃料及其副产品的全球依赖，需要采用可靠的可再生能源[1]。生物质是一种来自植物、木材、粪便和农业废弃物等有机物质的可持续能源，可以减少对传统燃料的依赖并应对气候变化[2]。作为一种碳中性资源，生物质通过燃烧、气化或厌氧消化将有机物质中储存的能量转化为热能、电能或生物燃料。由于其显著的适应性和对废弃材料的有效利用，生物质在交通、工业和供暖等领域对可持续能源转型具有重要意义。研究人员越来越关注将煤炭和塑料废弃物与碳中性生物质共燃的做法，作为减少发电厂二氧化碳排放的有效途径，因为燃烧基于化石的固体燃料是全球二氧化碳排放的重要来源[3]。在全球范围内，生物质是仅次于煤炭和石油的重要燃料类别，在发展中国家占总能源需求的38%，在某些地区这一比例可超过50–90%[4,5]。图2a显示了不同能源的占比，而图2b展示了可再生能源的来源（图1）。

未充分利用的生物质废弃物包括非传统植物材料和其他废弃物，如污泥、废弃纸张、动物粪便和各种类型的城市固体废弃物（MSW）[6,7]。这些废弃物含有有机和无机成分，来源于植物或动物。生物质废弃物在全球范围内广泛存在，每年产生的垃圾量在40亿到100亿吨之间，其中16亿到20亿吨被归类为城市固体废弃物[8]。生物质来源于多种途径，包括森林残余物、农业废弃物、能源作物和城市固体废弃物等[9]。固体生物燃料是通过多种过程从生物质中提取的。在将生物质转化为生物燃料之前，必须先确定其类型。

根据不同的分类标准（来源、组成、外观或用途），生物质可以有多种分类方式。该分类系统基于植物、动物和废弃物资源的可用性及其相应的子类别。图3展示了生物质的分类。全面了解生物质分类对于评估其在不同能源转化途径（包括燃烧、气化、发酵或厌氧消化）中的适用性是必要的[10]。生物质通常根据其来源分为三大类：植物生物质、动物生物质和废弃物生物质。植物生物质来自光合作用生物，如作物、木材和藻类，是可再生能源的重要来源。动物生物质包括粪便、鱼渣和乳制品副产品等，主要由农业活动产生。来自人类活动的废弃物生物质（包括食品、城市和工业废弃物）也具有巨大的能源潜力[11]。

此外，生物质还根据其化学成分进行分类。生物质的主要成分是碳水化合物，包括木质纤维素产物、糖类、多糖、脂类和蛋白质。这些成分在生物质中的含量各不相同[10]，包括木质纤维素丰富、糖分丰富、淀粉丰富和蛋白质丰富的生物质[12]。木质纤维素生物质有多种来源，如植物、藻类、木材和城市固体废弃物。生物质主要由木质素、纤维素、半纤维素、灰分和提取物组成。这些成分的性质因材料成熟度和气候条件等因素而异[13]。与其他木质纤维素成分相比，纤维素含有相对较高的碳含量，在生物质能量密度中起重要作用。半纤维素由短链和支链结构中的单糖组成。此外，半纤维素还含有在致密化过程中起粘合作用的化合物。在木质纤维素生物质中，木质素主要作为纤维素的粘合剂。在温度超过125°C且含水量在10%至15%之间时，木质素会熔化，并通过与半纤维素结构相互作用在致密化过程中起到粘合作用[14]。糖分丰富的生物质含有简单糖类（如葡萄糖、果糖、蔗糖），例如甘蔗和甜菜。淀粉丰富的生物质含有储备多糖（如淀粉、菊粉），例如谷物和块茎。油脂丰富的生物质富含脂类，例如油菜籽和微藻、大型藻类。蛋白质丰富的生物质来自植物（大豆、向日葵、豆类）和动物（肉类、鱼类）；但由于氮含量高、成本问题和食品安全考虑，这种利用方式较为有限[10]。非木质纤维素生物质的主要部分是污水污泥、动物脂肪和动物粪便。与木质纤维素生物质相比，它们含有较少的木质素、纤维素和半纤维素，但蛋白质和脂肪酸含量较高[15]。

生物质原料经过多种处理方法转化为未来的固体燃料。主要过程包括机械处理、热处理和生物处理[16,17]。机械处理通常是生物质的压实，通常不使用粘合剂。通过调节含水量或添加粘合剂等改进措施来增强物理性能并提高固体燃料的燃烧效率[18]。处理方法的选择是决定固体生物质燃料物理和化学特性的关键因素之一。与未使用粘合剂的燃料相比，使用粘合剂处理的固体燃料具有更高的机械强度和热值[19]。生物质的热处理在惰性气氛或有限氧气条件下进行，可提高燃料的耐水性、燃烧质量和能量密度。热处理方法包括热解（干法和湿法）[20]、HTC[21]和热裂解[22]，它们的主要区别在于温度范围和反应条件。

尽管本文考虑了上述所有过程，但全面分析了操作参数如何影响不同技术的固体燃料性能，特别是干热解、湿热解、HTC和热裂解。目前尚缺乏关于处理温度和停留时间变化如何同时影响固体产量、高位热值（HHV）和元素组成（O/C、H/C）的系统性研究。由于现有研究通常集中在单一过程或原料类型上，直接比较这些趋势较为困难。本文汇集了来自公开来源的数据，展示了每种过程在不同条件下的产量和燃料质量指标。生命周期评估和技术经济分析突显了这些生物质升级途径的可行性和可持续性，尽管在技术规模化和与现有基础设施整合方面仍存在挑战。

部分摘录

合成方法

从生物质合成固体燃料已成为缓解全球对清洁和可再生能源需求的潜在途径。热解、HTC和热裂解是最广泛研究的方法，它们利用热化学过程将原始生物质转化为能量密度更高的固体燃料[23]。通过改变化质的物理化学性质，这些技术提高了其能量含量、储存稳定性和燃烧特性。

热解、HTC和热裂解的放大和反应器设计挑战

热解（在惰性条件下，温度为200–300°C）将生物质转化为类似煤炭的固体，但放大过程较为困难。大型反应器中热量传递不良且不均匀，导致产品不均匀，对温度和停留时间的控制要求严格[113]。大多数成功的试点项目使用木质生物质；非木质或高水分含量的原料容易发生热解或自燃，降低了原料的灵活性。改进反应器设计中的气固接触可以提高维护效率

环境权衡和生命周期考虑

对热化学生物质升级途径的生命周期评估表明，能源投入、碳减排潜力及副产品管理之间的权衡决定了环境性能。当热解过程使用回收废气作为热源且升级后的生物质替代化石燃料时，可以实现较低的温室气体排放；然而，其效益受电力使用、运输距离和最终用途的影响[120]。水热碳化

生物燃料的性质

了解燃料的性质对于使其在经济上可行、安全并在能源系统中环保运行至关重要。热转化后的固体生物燃料的性质取决于其来源和加工步骤。质量较差的生物燃料可能导致有害污染物的排放。为了确保生物质质量的一致性和安全高效的使用，已经制定了标准化程序[127]。

关键燃料性质，如含水量（MC）

结论

来自不同来源的生物质可以通过多种合成方法转化为固体燃料。干热解、湿热解/HTC和热裂解特别强调了温度和停留时间对燃料产量、组成和品质的影响。虽然每种热化学过程都有其独特优势，但合适的技术选择取决于原料特性、燃料性质和最终用途。

CRediT作者贡献声明

Bharat Bhushan Verma：撰写——初稿，概念构思。Sewan Das Patle：撰写——审阅与编辑，监督。Satish Kumar Dewangan：撰写——审阅与编辑，监督，概念构思。

数据可用性声明

本综述文章不涉及原始数据的收集或生成。所有发现均基于从公开可获取的来源获得的数据，如同行评审文献、报告和数据库，这些数据在全文中均得到了适当引用。

资助

本文未获得任何资助。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本研究工作的财务或个人利益。

致谢

作者非常感谢拉伊普尔国立技术学院提供的图书馆和其他资源，这些资源极大地促进了本研究工作的开展。