由稻壳与椰壳和棕榈仁壳混合制成的可持续生物质煤球：坦桑尼亚清洁烹饪的替代木炭方案

《Waste Management Bulletin》：Sustainable biomass briquettes from rice husk blended with coconut and palm kernel shells: a charcoal alternative for clean cooking in Tanzania

　　凯文·恩索洛·利钦加（Kevin Nsolloh Lichinga）| 拉赫尔·埃利巴里基（Rahel Elibariki）| 库恩达·西卡兹韦（Kunda Sikazwe）| 奥古斯蒂诺·阿尔弗雷德·马塞（Augustino Alfred Masse）| 休伯特·希贾（Hubert Shija）
坦桑尼亚工业研究与发展组织（TIRDO）工程发展部能源部门，邮政信箱23235，达累斯萨拉姆，坦桑尼亚

**摘要**
生物质 briquettes 是木炭和柴火的可持续替代品，尤其是在农业废弃物丰富的地区。本研究考察了使用淀粉、糖蜜和粘土作为粘合剂，将炭化稻壳与椰壳和棕榈仁壳混合制成的 briquettes。评估的性能包括元素组成、热值、燃烧特性和机械耐久性。结果表明，稻壳 briquettes 的燃料质量较差，灰分含量为38–52%，固定碳含量为21–40%，热值为2441–3859 kcal/kg，低于推荐的≥4300 kcal/kg标准。淀粉粘合剂的性能最佳，热值为3859 kcal/kg，并且比糖蜜和粘土具有更好的强度。与高能量生物质混合显著提高了 briquettes 的性能。椰壳混合物（CR40：40%稻壳，60%椰壳）的灰分为20%，水分含量为7%，挥发性物质含量为18%，固定碳含量为55%，热值为5277 kcal/kg（增加了约37–116%）。棕榈仁壳混合物（PR40：40%稻壳，60%棕榈仁壳）的灰分为25%，水分含量为6%，挥发性物质含量为22%，固定碳含量为47%，热值为4741 kcal/kg（增加了约22–94%）。相比之下，50:50混合物（CR50，PR50）的热值较低（4051–4225 kcal/kg），灰分较高，表明性能较差，但仍适用于家庭烹饪。CR40和PR40的燃烧测试显示燃烧速率为5–6 g/min，点燃时间为4–5分钟。机械性能良好，防水性为93–95%，抗破碎性为98–99%，超过了80%的标准。总体而言，将稻壳与椰壳或棕榈仁壳混合可以提高燃料质量、燃烧性能和耐久性，为坦桑尼亚及其他发展中国家的家庭烹饪和农业废弃物利用提供可持续的替代方案。

**引言**
许多发展中国家对家庭能源的需求不断增加，导致人们对传统燃料（如木炭和柴火）的依赖程度加深。这种依赖导致了森林砍伐、环境退化和温室气体排放（Mwampamba等，2013年；Oladosu等，2023年；Umer Abdela，2019年）。因此，人们越来越关注开发来自可再生生物质材料的替代和可持续能源。
农业废弃物（生物质）是最丰富的可再生资源之一，可以转化为固体生物燃料（briquettes）。生物质 briquetting 已成为将低密度农业废弃物转化为紧凑高效燃料的有效方法。由于稻壳、椰壳、棕榈仁壳和锯末等材料的可用性和可再生性，它们被广泛用于 briquettes 的生产（Adeleke等，2023年；Jume等，2024b年；Nurhamida，2023年）。先前的研究表明，混合不同的生物质原料可以显著改善 briquettes 的性能，如热值、燃烧性能和机械强度（El-Haggar，2007年；Nyika等，2021年；Obi和Okongwu，2016年；Oladosu等，2023年）。稻壳是碾米过程中产生的最广泛的农业副产品之一。尽管其产量很大，但由于灰分含量高（15.30–28.60%）和体积密度低（86–150 kg/m3）（Mansaray和Ghaly，1997年；Nguyen等，2025年；Ogwang等，2021年），其直接用作燃料的效果有限。然而，通过 briquetting 可以有效利用稻壳，特别是与其他碳含量较高的生物质材料混合使用时（Adeleke等，2023年）。
在坦桑尼亚，几十年来一直探索生物质 briquetting 技术作为传统木质燃料的替代品。早期由农业机械化与农村技术中心（CAMARTEC）和坦桑尼亚传统能源发展组织（TaTEDO）等机构主导的项目，特别是在世界银行能源I项目的支持下，旨在推广 briquettes 作为可持续的家庭能源（Kimaro，2023年；Mwamlima等，2023年）。尽管如此，由于技术、经济和市场障碍，大规模采用仍然有限（Fagern?s等，2006年；Yustas等，2022年）。同时，坦桑尼亚水稻产量的增加产生了大量稻壳废弃物（Busungu，2023年），而大多数家庭仍主要依赖木炭和柴火作为烹饪能源（Doggart等，2020年；Mwampamba等，2013年；Rahman等，2024年）。这种情况加剧了森林砍伐和不可持续的森林资源利用。因此，将当地可用的农业废弃物（如稻壳、椰壳和棕榈仁壳）转化为生物质 briquettes 可以提供可持续的替代燃料，同时解决农业废弃物管理问题。此外，生物质燃料被认为是碳中性的能源，因为它们的使用不会显著增加净温室气体排放，有助于实现全球可持续发展目标（Marland，2010年；Zhang，2025年）。
尽管人们对生物质 briquettes 作为替代烹饪燃料的兴趣日益浓厚，但许多研究集中在单一农业废弃物上，尤其是稻壳，这些 briquettes 通常具有较高的灰分含量和相对较低的燃料质量（Ahiduzzaman和Sadrul Islam，2016年；Awulu等，2018年；Sunnu等，2023年；Yirijor和Bere，2024年；Yunusa等，2025年）。很少有研究探讨将稻壳与高能量农业废弃物结合使用以提高 briquettes 的性能（Jume等，2024a年）。特别是，将稻壳与椰壳和棕榈仁壳（两种富含木质素的生物质资源）混合的潜力在坦桑尼亚可持续烹饪能源的背景下尚未得到充分研究。
因此，本研究旨在评估使用淀粉、粘土和糖蜜等粘合剂，将炭化稻壳与椰壳和棕榈仁壳混合制成的生物质 briquettes 的生产和性能，重点关注其物理化学性质、热值、燃烧特性和机械耐久性。研究结果有望为农业废弃物的可持续能源生产和改进的废弃物管理提供见解。

**材料与方法**
**原材料和样品**
生物质原料（包括椰壳、棕榈仁壳和稻壳）以及粘合剂（如淀粉、糖蜜和粘土）从当地供应商处获取（图1）。

**仪器**
实验室规模的颚式破碎机（型号：KSJ，K. S. Jandu & Sons）和机械粉碎机（型号：KSJ300，K. S. Jandu & Sons）用于将炭化生物质粉碎成适合 briquetting 的均匀颗粒。6400自动等温燃烧仪（型号：6400，Parr Instrument Co.，Moline）用于测定总热值（GCV）。热风烤箱（型号：BT563，B-TEX Engineering，印度）用于测量水分含量。热重分析仪（型号：SDTGA1200，HunanSundy Science and Technology Co. Ltd.）用于评估灰分、水分和挥发性物质含量。炊具用于在受控环境中评估燃烧时间和速率。生产增强型生物质 briquettes 需要使用多种关键设备：Eco-Carbonizer用于生物质的热转化，磨粉机（型号：YW-420，郑州英旺机械有限公司）用于将炭化生物质研磨到所需粒度，混合器（型号：WRH，罗河瑞豪智能设备有限公司）用于将研磨材料与粘合剂混合。压块机（型号：ZZXM-4，河南中州重工科技有限公司）用于将混合原料压制成 briquettes。

**方法**
**生物质材料的准备和预处理**
具体包括椰壳、锯末、棕榈仁壳和稻壳的排序、干燥和炭化过程。首先手动去除杂质（如石头和不可燃物质），然后晒干约三天，使水分含量降至12%至8%（Sunnu等，2023年；Yuliah等，2017年）。在缺氧环境下进行炭化，将生物质转化为木炭（Ahmad和Sulaiman，2021年）。每批材料为30公斤，放入内反应器（窑）中，并用倒置漏斗形盖子覆盖（图2）。加热至400–500°C并保持5至6小时，确保完全炭化（Afrianah等，2023年；Ahmad和Sulaiman，2021年）。炭化后的材料自然冷却至50°C以下，持续9至12小时，以防止自燃。在压块之前，收集样品进行初步实验室分析，以评估基本燃料质量参数，如水分含量、挥发性物质、固定碳和热值。

**淀粉制备**
淀粉粉与冷水混合后加热至沸腾以诱导糊化，生成粘稠浆液。粘土与水按1:1的比例混合并静置约30分钟，分离出上清液。糖蜜无需预处理。

**压碎和压块**
将炭化生物质研磨至0.1毫米至3毫米的颗粒大小。在压块之前，评估炭化材料的质量，包括灰分浓度、水分含量、固定碳和热值。由椰壳、棕榈仁壳和稻壳组成的 biochar 复合材料与粘合剂（如木薯淀粉、粘土和糖蜜）按指定比例混合（表1），并成对组合（表2）。在150 psi的压力下进行压缩，理想的水分含量为20%至25%，使用压块机压制成固体生物质 briquettes。然后将 briquettes 在60°C的烤箱中干燥48小时（Lestari等，2017年）。流程图见图3。

**表1. 稻壳（RH）biochar briquettes 的配方，包含不同比例的淀粉、糖蜜和粘土作为复合粘合剂，以及相应的 biochar 与粘合剂的比例。**
| RH Biochar（重量%） | Starch（重量%） | Molasses（重量%） | Clay（重量%） | Biochar: Binder |
|-------------|-----------|------------|-----------|-----------|
| 80 | 20 | 20 | 80:20 | 75 |
| 75 | 25 | 25 | 75 | 25 |
| 70 | 30 | 30 | 70:30 | 70 |
| 60 | 30 | 30 | 70:30 | 60 |
| 50 | 50 | 50 | 60:40 | 50 |
| 60 | 40 | 50 | 60:40 | 70 | 50 |
| 50 | 50 | 50 | 60:40 | 70 | 30 |

**表2. 稻壳（RH）biochar 与其他 biochar 类型（椰壳和棕榈仁壳）的混合比例，以及用于 briquettes 配方的复合 biochar 与粘合剂的比例。**
| RH biochar: Other Biochar | RH biochar: Other Biochar | Composite Biochar: Binder |
|--------------|-----------------|-----------------|
| 50:50 | 60:40 | 80:20 |
| 50:50 | 50:50 | 75:25 |
| 70:30 | 60:40 | 70:30 |

**图3. 从生物质废弃物生产 briquettes 的工作流程，包括关键阶段：炭化、压碎、原材料分析、与粘合剂混合、压块、干燥和最终 briquettes 质量分析。**
本研究中使用的粘合剂与 biochar 比例基于先前的 briquettes 研究（Duangkham和Thuadaij，2023年；Gumban等，2024年；Lomunyak等，2024年）和初步实验试验，旨在实现最佳的 briquettes 强度和燃烧性能。在生物质 briquetting 中，通常使用20–30%的粘合剂比例，以确保足够的颗粒粘附性并保持可接受的燃料性能。然而，文献中报告的最佳粘合剂含量因生物质原料、粘合剂类型和加工条件而异。例如，Ngene等（2024年）报告的有效粘合剂水平为5–15%，而Nonsawang等（2024年）建议使用10–15%，Gumban等（2024年）通过统计优化确定最佳比例为41.14%。这些差异表明粘合剂需求取决于原料和工艺，而非固定不变。初步压块试验表明，与淀粉和糖蜜相比，粘土需要稍高的比例才能实现足够的 briquettes 内聚力和结构稳定性。因此，实验设计中包含了RC70配方（70%稻壳 biochar和30%粘土）。

**元素分析和能量分析**
实验室分析包括对单一炭化生物质材料和混合生物质材料的样品进行测量。根据美国标准测试方法（ASTM），在TIRDO能源实验室评估了元素组成（固定碳（FC）、挥发性物质（Vm）、水分含量（Mc）和灰分含量（Ac）以及能量（总热值（GCV）等特性。此外，结果还根据坦桑尼亚国家标准（TZS 3545:2024）进行了评估，该标准规定了 briquettes 的以下限值：灰分 ≤ 27%，水分 ≤ 10%，挥发性物质 ≤ 25%，固定碳 ≥ 44%，总热值（GCV）≥ 4300 kcal/kg。该标准基于ISO 17225-1:2021制定，适用于坦桑尼亚的家庭能源应用。元素参数的计算公式如下：

**水分含量**
水分含量表示样品中的水分量，直接影响其燃烧效率和储存稳定性（Matú?等，2015年）。水分含量是根据ASTM D3173标准使用公式(1)确定的。(1) Mc = (W2 - W3) / (W2 - W1) × 100%，其中，Mc是水分含量（重量百分比），W1是空坩埚的重量（克），W2是加热前样品和坩埚的重量（克），W3是加热后样品和坩埚的重量（克）。

挥发性物质
挥发性物质被定义为生物质在加热后以气体形式释放的成分，不包括水分。挥发性物质的评估遵循ASTM测试编号D3176进行。样品的重量损失百分比是使用公式(2)计算的（Osei Bonsu等人，2020年）：(2) Vm = (W2 - W3) / (W2 - W1) × 100% - Mc。在此背景下，Vm代表挥发性物质（重量百分比），Mc表示同一样品的水分含量（重量百分比），W1表示加热前样品和坩埚的质量（克），W2表示加热后样品和坩埚的质量（克）。

灰分含量
灰分含量是在完全燃烧后剩余的无机矿物残留物，会降低材料的热量和热值（Puri等人，2024年）。根据ASTM D1102标准进行评估（Owino等人，2024年），使用公式(3)计算。(3) Ac = (W3 - W1) / (W2 - W1) × 100%，其中；Ac是灰分含量（重量百分比），W1是空坩埚的重量（克），W2是加热前样品和坩埚的重量（克），W3是加热后样品和坩埚的重量（克）。

固定碳
固定碳代表在释放挥发性物质后剩余的固体可燃残留物，显著影响燃烧速率和热输出（Racero-Galaraga等人，2024年）。它是根据ASTM D3172标准使用公式(4)通过差值确定的。(4) FC = 100 - Mc - Vm - Ac，其中；FC是固定碳（重量百分比），Vm是挥发性物质（重量百分比），Mc是水分含量（重量百分比），Ac是灰分含量（重量百分比）。

总热值
总热值（GCV）代表生物质样品完全燃烧时释放的总热量（Abrar等人，2023年）。它是使用氧气弹量热计（型号6400）根据ASTM D5865标准确定的。

基于最高的热值、最低的灰分含量和优异的机械稳定性，确定了最佳配方。

机械和燃烧特性
抗碎性
抗碎性（SR）或耐久性指数，量化了机械强度，特别是承受处理、运输和储存过程中的物理冲击、掉落或撞击而不碎裂成小碎片或产生过多颗粒的能力。它是根据ASTM D440-86（2002年）中描述的抗碎指数来评估的，通过计算细颗粒或碎片的重量百分比与压块初始重量的关系（Chaiklangmuang等人，2008年；Osei Bonsu等人，2020年），如下面的公式(8)、(9)所示。(8) %Wl = (W1 - W2) / W1 × 100%，(9) SR = 100 - %Wl，其中，Wl是掉落前的压块重量（重量百分比），W2是掉落后的压块重量，SR是抗碎性。

防水性
这指的是压块在接触水分或浸入水中时抵抗吸水并保持结构完整性的能力。它是通过公式(10)、(11)确定的。(10) Wg = (W2 - W1) / W2 × 100%，(11) WR = 100% - Wg，其中，Wg是压块吸收的水分（重量百分比），W1是浸入前的压块初始重量，W2是浸入后的压块最终重量。

点火时间
点火时间（IT）是压块开始燃烧所需的时间。它决定了压块的可燃性。当观察到第一个可见的点火迹象时计算得出，如公式(12)所示。(12) Ignition_time = t1 - t2，其中，t1是压块点火的时间（分钟），t0是燃烧器点燃的时间（分钟）。

燃烧速率
燃烧速率（BR）是在指定时间内在空气中燃烧的压块质量。它是使用下面的公式(13)计算的：(13) BR = (W1 - W2) / t，其中W1是燃烧前的燃料重量（克），W2是完全燃烧后的燃料重量（克），t是燃料完全燃烧所需的总时间。

结果和讨论
碳化原材料的特性
碳化原材料的性质（表3）在确定所生产压块的总体性能中起着关键作用。元素分析和能量分析显示，来自稻壳、椰壳和棕榈仁壳的生物炭之间存在显著差异（图4）。稻壳生物炭表现出相对较高的灰分含量，这是由于其显著的二氧化硅成分。这种高矿物含量通常会降低压块的能量密度，并可能影响燃烧性能。

表3. 碳化生物质原材料的初步分析结果。
材料类型 Ac (%) Mc (%) Vm (%) FC (%) GCV (Kcal/Kg)
椰壳 2.0 2.3 16.0 79.7 387
稻壳 41.5 5.3 15.0 38.2 393
棕榈仁壳 5.5 3.3 18.0 73.2 642

相比之下，来自椰壳和棕榈仁壳的生物炭含有较低的灰分比例和较高的固定碳含量，使它们更适合用作压块配方中的高能量成分。这些材料以其密集的木质纤维素结构和较高的碳化效率而闻名，这有助于提高热值和燃烧稳定性。因此，这些原材料之间的物理化学成分差异为探索旨在提高整体燃料质量的混合压块配方提供了坚实的基础。

稻壳压块的性能
仅使用碳化稻壳并采用不同粘合剂生产的压块的性能特性在表4中总结。结果显示，根据粘合剂类型和粘合剂-生物炭的比例，燃料、燃烧和机械性能有显著变化。

表4. 使用不同粘合剂制备的稻壳生物炭压块的元素、能量、物理和燃烧性能。
样品ID 生物炭：粘合剂比例
Ac (%) Mc (%) Vm (%) FC (%) GCV (Kcal/Kg) BR (g/min) WR (%) SR (%) IT (min)
RS80 80;20 淀粉 41 41 54 038 59 46 47 77.5
RS75 75;25 淀粉 39 72 13 43 53 63 62 75 6.5
RC70 70;30 黏土 52 62 12 12 44 12 54 63
RC75 75;25 黏土 47 72 12 62 84 63 56 61
RM80 80;20 糖蜜 40 71 63 73 65 45 58 67 6.5
RM75 75;25 糖蜜 38 81 63 83 74 26 59 65 5.5
标准 ≤27 ≤10 ≤25 ≥44 ≥43 00 ≤10 ≥80 ≥80 ≤10

稻壳压块的灰分含量在38%到52%之间，远高于推荐的压块标准≤27%（图5）。最高的灰分含量出现在使用黏土粘合剂的RC70（52%）和RC75（47%）中，而最低的灰分含量记录在RM75（38%）和RS75（39%）中。较高的灰分含量主要归因于稻壳生物质中天然较高的二氧化硅成分。过量的灰分会减少压块的有效可燃部分，并在燃烧过程中形成隔热层，从而阻碍燃烧效率。压块的含水量在4%到8%之间，符合推荐的≤10%的生物质压块限值。最低的含水量出现在RS80（4%）中，而最高的含水量出现在RM75（8%）中。保持含水量在这个范围内有利于稳定的燃烧和储存稳定性（Yiga等人，2023年）。

挥发性物质含量在15%到21%之间，符合压块燃料≤25%的可接受限值。然而，作为燃料质量重要指标的固定碳含量在21%到40%之间，低于推荐的≥44%的标准。最高的固定碳含量出现在RS80（40%），其次是RM75（38%）和RM80（37%），而最低的值记录在RC70（21%）中。较低的固定碳水平降低了压块的总体能量密度和持续燃烧潜力。与固定碳结果一致，稻壳压块的总热值（GCV）在2441到3859 kcal/kg之间，低于推荐的压块标准≥4300 kcal/kg。最高的能量含量记录在RS80（3859 kcal/kg），其次是RM75（3742 kcal/kg）和RM80（3654 kcal/kg），而RC70表现出最低的热值（2441 kcal/kg）。这些相对较低的能量值主要与燃烧过程中形成的隔热层和稻壳生物炭较低的固定碳含量有关。

压块的燃烧性能表现适中（图6）。燃烧速率在2到6 g/min之间，RM75表现出最高的燃烧速率（6 g/min），而RC70最低（2 g/min）。点火时间在5.5到9分钟之间，处于可接受的≤10分钟的范围内。使用糖蜜粘合剂生产的压块点燃得更快（5.5–6.5分钟），与使用淀粉（6.5–7.5分钟）和黏土粘合剂（8–9分钟）相比，表明使用糖蜜时燃烧启动有所改善。机械耐久性也在压块之间有所不同。防水值在54%到64%之间，而抗碎性在61%到77%之间，两者都低于推荐的≥80%的标准。最高的防水性（64%）和抗碎性（77%）出现在RS80中，表明稻壳压块的结构完整性相对较好。然而，整体机械强度仍然有限，表明仅使用稻壳生产的压块在处理和运输过程中更容易破碎。

总体而言，尽管使用淀粉和糖蜜粘合剂生产的稻壳压块表现相对较好（Achebe等人，2018年；Millogo等人，2022年），但大多数评估的性能指标并未完全达到推荐的压块标准，特别是在灰分含量、热值和机械耐久性方面。压块的热值在2441到3859 kcal/kg之间（≈10,200–16,150 kJ/kg），处于或略高于基本家庭烹饪的最低能量要求（≈10,000–12,000 kJ/kg），但仍然低于高效烹饪性能的推荐范围（≈14,000–16,000 kJ/kg）（Bhattacharya等人，2002年；Inegbedion和Ikpoza，2022年；Krajnc，2015年）。这些结果表明，虽然单独使用稻壳压块可能适用于低能量家庭烹饪应用，但其高灰分含量和中等能量密度限制了整体燃料质量，强调了通过混合更高能量的生物质材料来提高性能的必要性。

表5展示了使用碳化稻壳与椰壳和棕榈仁壳混合物生产的压块的元素组成、热值、燃烧特性和机械性能。结果表明，与仅使用稻壳生产的压块相比，混合压块的性能有明显改善，特别是在灰分含量、固定碳、热值和机械耐久性方面。

表5. 使用混合生物质材料生产的碳化生物质压块的质量。
样品ID 生物炭：粘合剂 生物质混合物比例
Ac (%) Mc (%) Vm (%) FC (%) GCV (Kcal/Kg) BR (g/min) WR (%) SR (%) IT (min)
CR40 75:25 60:40 20 71 85 55 27 75 95 98
PR40 75:25 25 62 24 74 74 16 93 99
CR50 75:25 50:50 30 72 24 14 22 53 89 17
PR50 75:25 33 62 23 94 05 14 87 89 6
标准 ≤27 ≤10 ≤25 ≥44 ≥43 00 ≤10 ≥80 ≥80 ≤10

元素分析结果显示，混合压块的灰分含量在20%到33%之间，远低于仅使用稻壳生产的压块（图7）。在测试的配方中，CR40（40%稻壳和60%椰壳）表现出最低的灰分含量（20%），其次是PR40（25%），而CR50和PR50的灰分含量分别为30%和33%。灰分含量的降低归因于椰壳和棕榈仁壳的矿物含量较低，而稻壳天然富含二氧化硅。相应地，固定碳含量显著增加，范围在39%到55%之间，CR40表现出最高的固定碳含量（55%），其次是PR40（47%）。较高的固定碳通常表示燃料质量的提高，因为它代表了燃烧过程中负责持续产生热量的可燃部分。

混合压块的能量含量也显著提高（图7）。总热值在4051到5277 kcal/kg之间，CR40记录的最高值（5277 kcal/kg），与纯稻壳压块相比增加了大约37–116%，超过了推荐的≥4300 kcal/kg。PR40也显示出较高的热值（4741 kcal/kg），增加了约22–94%。相比之下，CR50和PR50的热值较低（4225和4051 kcal/kg），并且灰分含量相对较高，表明与40:60混合物相比性能较低。尽管如此，这些改进的能量性能归因于椰壳和棕榈仁壳中较高的木质素和固定碳含量，这增强了能量密度（Osei Bonsu等人，2020年；Yiga等人，2023年）。稻壳中较高的灰分含量可能导致在大批量使用时产生质量较差的压块（Aransiola等人，2019年；Dinesha等人，2019年；Sani等人，2020年）。

燃烧性能（图8）进一步展示了混合压块的行为。燃烧速率在3.5到6 g/min之间，PR40表现出最高的燃烧速率（6 g/min），而CR40的燃烧速率最低（2 g/min）。点火时间在5.5到9分钟之间，处于可接受的≤10分钟的范围内。使用糖蜜粘合剂生产的压块点燃得更快（5.5–6.5分钟），而使用淀粉（6.5–7.5分钟）和黏土粘合剂（8–9分钟）的压块点燃较慢，表明使用糖蜜时燃烧启动有所改善。机械耐久性也在压块之间有所不同。防水值在54%到64%之间，而抗碎性在61%到77%之间，两者都低于推荐的≥80%的标准。最高的防水性（64%）和抗碎性（77%）出现在RS80中，表明稻壳压块的结构完整性相对较好。然而，整体机械强度仍然有限，表明仅使用稻壳生产的压块在处理和运输过程中更容易破损。

总体而言，尽管使用淀粉和糖蜜粘合剂生产的稻壳压块表现相对较好（Achebe等人，2018年；Millogo等人，2022年），但大多数评估的性能指标并未完全达到推荐的压块标准，特别是在灰分含量、热值和机械耐久性方面。压块的热值在2441到3859 kcal/kg之间（≈10,200–16,150 kJ/kg），处于或略高于基本家庭烹饪的最低能量要求（≈10,000–12,000 kJ/kg），但仍低于高效烹饪性能的推荐范围（≈14,000–16,000 kJ/kg）（Bhattacharya等人，2002年；Inegbedion和Ikpoza，2022年；Krajnc，2015年）。这些结果表明，虽然单独使用稻壳的压块可能适用于低能量家庭烹饪应用，但其高灰分含量和中等能量密度限制了整体燃料质量，强调了通过混合更高能量的生物质材料来提高性能的必要性。尽管CR50和PR50的点火速度相对较慢，燃烧速率也较为适中，与CR40和PR40相比有所下降，但它们仍然保持了适合家庭烹饪应用的稳定燃烧特性。下载：下载高分辨率图片（297KB）下载：下载全尺寸图片图8. 混合生物质煤球的物理和燃烧测试。除了燃料特性的改善外，这些混合煤球还表现出较强的机械性能。防水性能在87%到95%之间，抗碎性能在89%到99%之间，超过了推荐的最低标准80%。CR40的防水性能最高（95%），而PR40的抗碎性能最高（99%）。虽然CR50和PR50的机械强度略低于40:60的混合物，但其数值仍高于可接受的范围，表明它们在处理、储存和运输过程中具有足够的耐久性。总体而言，将稻壳与椰壳和棕榈仁壳混合使用显著提高了物理耐久性和燃料质量。即使50:50的混合物性能相对较低，它们仍然适用于家庭能源应用，这突显了生物质混合是一种有效策略，可以克服稻壳的局限性。

与以往研究的比较
本研究中获得的混合煤球的性能特征与之前关于基于稻壳的复合煤球的研究结果一致。混合煤球的 calorific 值在4051到5277 kcal/kg之间，这一范围与类似的生物质压块研究结果相符（Inegbedion和Ikpoza，2022年）。例如，由稻壳与椰壳混合制成的煤球的 calorific 值据报道在17到21 MJ/kg之间（约4060–5018 kcal/kg），这表明与纯稻壳煤球相比，其能量密度有所提高（Jamilu等人，2020年；Saneewongnaayutaya等人，2022年）。同样，多项研究表明，增加高碳生物质残渣（如椰壳或棕榈仁壳）的比例可以提高煤球的燃料质量，因为这些残渣含有较高的木质素和固定碳含量。例如，稻壳-棕榈仁壳煤球的 calorific 值可达16.9–19.2 MJ/kg（约4040–4590 kcal/kg），证实了将稻壳与高能量生物质材料混合的有益效果（Jume等人，2024b年）。除了能量含量的提高，先前的研究还记录了复合生物质煤球在物理和机械耐久性方面的增强。据报道，由混合农业残渣制成的优化煤球的防水性能超过90%，机械耐久性超过95%，表明在运输和储存过程中具有很强的抗碎性（Ni?o等人，2020年；Sunnu等人，2023年）。因此，本研究的结果与这些发现相符，证实了生物质混合是提高煤球燃料质量和结构稳定性的有效策略。

总体而言，本研究的结果表明，与许多先前报道的基于稻壳的煤球相比，特别是在 calorific 值和机械耐久性方面，其性能相当或有所提高。混合煤球的 calorific 值为4051–5277 kcal/kg，处于或略高于类似研究报道的范围。本研究的一个关键优势是系统地评估了燃料特性（近似组成和 calorific 值）和机械耐久性（防水和抗碎性能），使用了当地可获得的农业残渣。然而，该研究的一个局限性在于没有评估燃烧排放和长期储存稳定性，这可以在未来的研究中加以考虑。

与传统烹饪燃料的比较
本研究中生产的煤球的燃料特性表明，它们可以作为传统烹饪燃料（如柴火和木炭）的可行替代品。在包括坦桑尼亚在内的许多发展中国家，尽管木炭和柴火会导致森林砍伐和环境退化，但它们仍然是主要的家庭能源来源（Mwampamba等人，2013年；Doggart等人，2020年）。由农业残渣制成的生物质煤球提供了一个有吸引力的替代方案，因为它们利用了当地可获得的废弃物，同时提供了相当的燃烧性能。本研究中混合煤球的 calorific 值（4051–5277 kcal/kg）处于通常报道的生物质煤球范围之内（Achebe等人，2018年；Kebede等人，2022年），并且接近传统木炭的较低范围，后者通常的 calorific 值根据木材种类和炭化条件在5000–8000 kcal/kg之间（Shiferaw等人，2017年；Bhattacharya等人，2002年）。这些结果表明，混合煤球具有足够的能量密度，适用于家庭烹饪应用。此外，煤球中相对较高的固定碳含量和适中的挥发性物质有助于烹饪过程中的稳定燃烧和持续的热量释放。

对可持续发展的能源、环境和社会经济影响
**能源影响**
本研究的发现对可持续能源发展具有重要意义，特别是在农业残渣丰富的地区。将稻壳、椰壳和棕榈仁壳转化为煤球为利用农业废弃物提供了有效途径，同时减少了对传统燃料（如柴火和木炭）的依赖（FAO，2010年；Heriyanti等人，2025年；Mwampamba等人，2013年）。在许多发展中国家，木炭生产是森林砍伐和森林退化的主要驱动因素，尤其是在城市对烹饪燃料的需求持续增加的情况下（Doggart等人，2020年；Sunnu等人，2023年）。使用当地可获得的农业残渣和低成本的粘合剂使得煤球生产过程在经济上可行，适用于小规模和社区基础的能源生产系统。此外，本研究中使用的环保炭化器（窑炉）通过将产生的合成气成分（CO、CH4和H2）循环回燃烧室来维持炭化过程，从而提高了能源效率，减少了废物和对外部能源的依赖。此外，该系统还产生了热解油（木醋或木酸），这种副产品可以作为肥料生产的工业原料，或在食品加工行业中用作调味剂或着色剂（F. B. de Albuquerque等人，2024年；Mail等人，2021年）。

**环境和废物管理影响**
农业残渣（如稻壳、椰壳和棕榈仁壳）通常被视为废物，在许多农村地区通过露天焚烧或无控制地倾倒进行处理。将它们转化为煤球提供了一种环保的废物管理方法，将农业副产品转化为有用的能源资源（Cordova等人，2026年）。这种方法减少了生物质残渣的露天焚烧，而露天焚烧会向大气中释放颗粒物和甲烷（Dhote等人，2022年；Ramdas等人，2025年）。此外，将当地可获得的生物质废物转化为煤球有助于提高资源利用效率，并促进农业残渣的循环利用（Subashini等人，2026年）。炭化过程中产生的合成气可以用作清洁能源，有助于能源回收并帮助缓解气候变化的影响（Bachmann等人，2023年）。此外，煤球燃烧产生的灰烬由于其矿物质含量，可以作为一种土壤改良剂，从而减少废物处理问题，并支持循环资源利用（A. R. L. Albuquerque等人，2021年；Dinesha等人，2019b年；Hansted等人，2023年）。

**对可持续发展的社会经济和政策影响**
利用农业残渣生产煤球也带来了重要的社会经济机会。低成本生物质资源（如椰壳、棕榈仁壳和稻壳）的可用性使得可以开发分散式的煤球生产系统，这在农村社区创造了就业机会，特别是在生物质收集、加工和营销方面。这些活动可以在创造农村收入的同时满足当地能源需求（Perdana等人，2025年；Roghan等人，2025年；Subashini等人，2026年）。这些好处符合全球可持续性优先事项，特别是可持续发展目标（SDG）7（负担得起的清洁能源，目标7.1）、可持续发展目标12（负责任的消费和生产，目标12.2）和可持续发展目标13（气候行动，目标13.2），这些目标强调可再生能源的采用、可持续资源管理和气候变化缓解（Blair等人，2021年）。此外，本研究的发现支持非洲联盟2063年议程，该议程促进非洲向环境可持续和气候适应型经济的转型（联盟，2025年）。在国家层面，这种方法与坦桑尼亚2024-2034年国家清洁烹饪战略一致，该战略旨在增加现代和可持续烹饪解决方案的普及，同时减少对传统生物质燃料的依赖（能源部，2024年）。通过将农业残渣转化为有用的能源产品，煤球技术有助于国家能源战略和循环经济的更广泛原则。

**结论**
本研究评估了单独使用稻壳以及与椰壳和棕榈仁壳结合使用不同粘合剂生产的生物质煤球的性能。结果显示，仅使用稻壳制成的煤球具有较高的灰分含量（38–52%）和相对较低的 calorific 值（2441–3859 kcal/kg），限制了其燃料质量和机械耐久性。尽管这些数值在基本家庭烹饪的最低能源要求范围内或略高，表明它们适用于低能量应用（如煮沸），但 calorific 值低于约2400 kcal/kg的煤球不适合有效的烹饪。这一限制，加上高灰分含量，突显了性能改进的必要性。将稻壳与高能量生物质材料混合使用显著改善了煤球的性能。优化后的配方CR40（40%稻壳和60%椰壳）表现出最佳的整体性能，灰分含量为20%，固定碳含量为55%， calorific 值为5277 kcal/kg，超过了推荐的≥4300 kcal/kg的标准，相比纯稻壳煤球能量提高了约37–116%。同样，PR40（40%稻壳和60%棕榈仁壳）也表现出良好的性能，灰分含量为25%，固定碳含量为47%， calorific 值为4741 kcal/kg，能量增加了约22–94%。混合煤球的燃烧特性也有所改善，燃烧速率为3.5–6 g/min，点火时间为4–7分钟，表明适合家庭使用。机械耐久性显著提高，防水性能达到95%，抗碎性能达到99%，确保在处理、储存和运输过程中不易破碎。尽管50:50的混合物（CR50和PR50）在能量含量和灰分减少方面表现相对较低，但它们仍然具有可接受的燃烧和机械性能，适合家庭烹饪。这些发现证实，将稻壳与椰壳或棕榈仁壳混合使用有效地克服了其局限性，特别是高灰分含量和低能量密度的问题。生产的煤球提供了一种可持续且经济高效的替代品，有助于农业废弃物的利用，提高家庭能源安全，并减轻对森林资源的压力。未来的研究应重点优化粘合剂比例、排放特性和大规模生产的可行性，以支持在坦桑尼亚和其他发展中国家的商业化及更广泛的采用。

**作者贡献声明**
Kevin Nsolloh Lichinga：写作 – 审稿与编辑、验证、方法论、数据分析、概念化。
Rahel Elibariki：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、研究调查、资金获取、数据分析、概念化。
Kunda Sikazwe：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、数据分析、概念化。
Augustino Alfred Masse：写作 – 审稿与编辑、方法论、数据分析、数据管理。
Hubert Shija：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取。

**资助**
本研究工作得到了REPOA和TIRDO的资助，资助编号为：DSR/REPOA/0310/CST/386。