《Journal of the Energy Institute》：Enhancing pine sawdust pyrolysis in a rotary kiln using a solid heat carrier: A combined DEM simulation and response surface methodology study
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本研究通过固体热载体增强回转窑热解效率，结合离散元法（DEM）模拟与响应面法（RSM）优化，确定最佳工艺参数为570℃、8%填充率、0.45mm颗粒尺寸，生物油产率达43.1%，显著提升热值（22.5MJ/kg）并降低氧含量（26.0wt.%）。
张宇涛|毕家伟|向文军|盛旭涛|史玉静|季国照|刘传群|马忠清|张海波
中国浙江省农林大学环境与资源学院土壤修复与质量提升重点实验室，杭州311300
摘要
生物质颗粒的低热导率严重限制了高质量生物油的高效热解生产。为了解决这一问题，本研究使用固体热载体在旋转窑中增强了松木锯末的热解过程，并通过将离散元方法（DEM）模拟与响应面方法（RSM）相结合来优化工艺。DEM分析表明，增加固体热载体的装载量显著提高了颗粒级的加热速率（80–100 °C/s）和传热效率，揭示了传热强化的机制。RSM进一步确定了最佳工艺条件为570 °C、8%的填充比和0.45 mm的颗粒尺寸，从而实现了43.1 wt.%的最大生物油产量。这一微小差异凸显了在8%填充比下实现增强加热与抑制二次裂解之间的最佳平衡。由于固体热载体的作用，所得生物油具有更好的燃料性能，包括更低的氧含量（26.0 wt.%）和更高的热值（22.5 MJ/kg）。DEM-RSM集成方法验证了固体热载体增强型旋转窑作为强化生物质热解的有效平台，它将颗粒级动力学与反应器级性能优化联系了起来。
引言
在全球能源重组和追求双碳目标的背景下，化石燃料的过度消耗及其导致的温室气体排放已成为可持续社会发展的重大制约因素（Dhyani和Bhaskar，2018；Kan等人，2016）。作为唯一的含碳可再生资源，生物质具有丰富的储量、碳中和性和环境友好性，使其成为化石燃料的重要替代品（Zhang等人，2023）。据估计，全球每年的生物质产量超过1000亿吨，仅中国的农业和林业废弃物就占约10.2亿吨（Li等人，2025）。实现生物质高效利用的关键在于将其转化为高能量密度燃料或化学品。在这种情况下，热解技术因其对各种原料的强适应性和灵活的工艺而受到广泛关注，能够直接将低等级固体生物质转化为高价值产品，如生物油、合成气和生物炭（Qiu等人，2022）。其中，生物油被视为传统液体燃料的有希望的替代品，也是精细化学品合成的潜在原料。因此，开发高效的生物油生产过程已成为能源与环境工程领域的关键研究方向。
为了提高生物油的产量和质量，研究人员在优化生物质热解过程和调控催化反应方面取得了显著进展。统计和机器学习方法，如响应面方法（RSM）和人工神经网络（ANN），已被广泛且成功地应用于传统反应器系统中各种生物质原料的最佳工艺条件识别（Laougé和Merdun，2025）。例如，关于马铃薯茎秆（Nawaz等人，2024）和 Lagerstroemia speciosa 种子壳（Nawaz和Kumar，2022）在固定床反应器中的热解研究，展示了这些工具通过关联温度和加热速率等关键参数来最大化生物油产量的能力。同时，应用分级孔分子筛（如ZSM-5（Yang等人，2025）、HY（Xu等人，2024）和SAPO-31（Su等人，2024）提供了一种可行的策略，通过有效调节产物分布来解决生物油中高氧含量和低热值的问题。其中，HZSM-5由于其独特的孔结构和强酸性位点，在促进脱氧和芳构化反应方面表现出优异的性能（Shen等人，2022）。Chen等人（Chen等人，2026）在经过联合酸洗和热解预处理的小麦秸秆催化热解中使用了金属改性的HZSM-5。他们的研究发现，添加Zn和Ni不仅调节了催化剂的酸性特性，还增强了脱氢和脱氧之间的协同作用，从而有效促进了单环芳烃（MAHs）的生成，使生物油中的MAHs含量提高到64.8%。此外，通过调节生物质原料的有效氢碳比并利用来自塑料废物热解的富氢自由基，可以建立协同反应环境，从而有效降低生物油中的氧含量（Sheng等人，2026）。
然而，在反应器尺度上工程化传热仍然是一个限制大规模生物油生产的瓶颈。Chen等人（Chen, X.等人，2025）应用机器学习算法对热解实验数据进行了建模。他们的特征重要性分析表明，除了原料特性外，反应器内的加热效率和传热模式对生物油组成具有最重要的预测作用。生物质原料本身具有孔隙率、低密度和非常低的热导率（通常低于0.1 W/(m·K)等物理特性，这导致在热解过程中从外部热源吸收能量效率低下（Papadikis等人，2009）。在主流的快速热解反应器设计中，如流化床和锥形喷射床，生物质颗粒主要通过间接传热加热到反应器壁或固体热载体介质（Han等人，2023）。反应器内的非均匀温度梯度和不均匀颗粒加热会导致初级挥发物在高温区域的停留时间延长，从而促进二次裂解和聚合反应（Liu和Li，2016）。这些副反应不仅显著降低了有价值生物油的产量和质量，还加速了焦炭沉积和催化剂失活。因此，仅依赖催化剂或具有间接加热的反应器无法克服由传热限制带来的工艺问题。迫切需要开发一种新的热解系统，以增强传热、改善物料混合，并与催化升级兼容。
应用固体热载体（如石英砂或陶瓷球）提供了一种有效的策略，通过作为热存储和传递的中间介质来强化热解中的传热（Huang等人，2025）。这种转变将机制从低效的壁到颗粒的传导转变为高效的直接固-固接触，并通过机械混合得到增强（Zhang, M.等人，2022）。在之前的工作中，固体热载体加热技术已成功应用于塑料废物的增值，实现了反应器内高达200 °C/s的瞬时加热速率，并有效抑制了二次反应（Zhang, Y.等人，2020）。结合Ni/ZSM-5催化剂进行原位催化热解，该过程实现了从塑料废物中同时生产芳烃和氢气（Zhang等人，2024）。在此基础上，本研究将固体热载体加热技术应用于生物质热解，特别关注克服生物质到油转化过程中的传热限制。这引入了一个新的复杂性维度，涉及生物质与热载体之间的多相流动和传热，这是传统统计模型无法捕捉的。
为了解决这一复杂性，我们采用了一种结合物理建模与统计优化的方法。通过使用离散元方法（DEM）进行数值模拟，研究了旋转窑中生物质和固体热载体的混合行为，以阐明微观尺度的运动和传热机制。此外，还应用响应面方法（RSM）对关键工艺参数（包括热解温度、生物质颗粒尺寸和固体热载体的填充比）进行了多目标优化，从而最大化生物油产量。通过将DEM模拟与RSM相结合，本研究提供了一个全面的、新颖的框架，超越了简单的产量预测，达到了对工艺层面的理解，为强化生物质热解系统的设计和放大以及后续生物油的催化升级奠定了坚实的基础。
材料
本研究使用的生物质原料是松木锯末（PS），这是一种来自中国浙江省金华市的代表性木质生物质。原材料经过机械粉碎和筛分，获得了0.30–0.60 mm尺寸范围的颗粒。随后，样品在恒温烤箱中以105 °C干燥48小时以达到恒定重量。同时，对松木锯末（PS）进行了初步分析、最终分析和高位热值测试
来自DEM模拟的动态模型
离散元方法（DEM）用于模拟旋转窑中固体热载体和松木锯末颗粒的运动和传热，以阐明它们在初始热解过程中的颗粒级动力学和热行为。如图2a–c所示，整个床层的运动呈现出典型的肾形横截面滚动模式。由高密度石英砂（约2678 kg/m3）主导的旋转窑床可以明显分为较厚的被动层
结论与展望
本研究结合离散元方法（DEM）模拟与响应面方法，研究了在旋转窑中利用固体热载体增强松木锯末热解的过程。主要发现如下：
- (1)
离散元方法（DEM）模拟显示，将固体热载体的填充比约为10%与较小的生物质颗粒尺寸（约0.45 mm）相结合时，可实现80–100 °C/s的初始加热速率，这显著高于估计的加热速率
CRediT作者贡献声明
张宇涛：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，方法论设计，实验研究，资金获取。毕家伟：实验研究，数据分析。向文军：撰写 – 审稿与编辑。盛旭涛：初稿撰写，实验研究。史玉静：实验研究，数据分析。季国照：撰写 – 审稿与编辑。刘传群：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。马忠清：撰写 – 审稿与编辑。张海波：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52406273）、杭州重点研发计划（2024SZD1B23）、浙江省高层次人才专项支持计划（2022R52015）和浙江省自然科学基金（LBMHY26E060007）的支持
