通过与竹子共同制成颗粒来利用入侵性的凤眼莲：一种低碳生物能源的可持续方法

《Sustainable Chemistry for Climate Action》：Valorization of Invasive Water Hyacinth through Co-Pelletization with Bamboo: A Sustainable Approach for Low-Carbon Bioenergy

　　**Warith Thanglerdsumpan | Keerati Kirasamutranon**

**摘要**
入侵性水葫芦（Eichhornia crassipes）的无控制繁殖在热带地区带来了严重的生态和管理挑战。尽管水葫芦数量众多，但由于其灰分含量高且能量密度低，直接用作固体生物燃料受到限制。本研究探讨了通过无需粘合剂的共压技术将水葫芦与贝奇竹（Dendrocalamus beecheyanus）混合压制成颗粒，以提高生物燃料的质量。贝奇竹是一种木质纤维素生物质，具有高木质素含量、低灰分含量、快速生长和广泛分布的特点。实验中探索了6种不同的水葫芦与竹子的比例（5:0至0:5），并评估了生成颗粒的物理性质（单位密度和总体积密度、细粉含量及机械耐久性）、燃料特性（低位热值和无机灰分含量），并通过水煮测试评估了其燃烧性能。利用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey的HSD检验来识别不同配方之间的显著差异。研究结果表明，增加竹子的比例显著提高了颗粒的机械耐久性、能量密度和热效率，同时减少了无机灰分含量。单位密度和细粉含量在不同混合比例下没有显著差异，而总体积密度随着竹子比例的增加而降低，这主要是由于颗粒形状和堆积行为的变化所致。在所有测试配方中，水葫芦与竹子的比例为2:3和1:4时，颗粒的性能最为均衡，并满足了ISO 17225-6标准对非木质生物质颗粒的要求。这些发现证明了通过共压技术将低质量的水生生物质转化为高质量固体生物燃料的技术可行性。

**引言**
水葫芦（Eichhornia crassipes）是一种生长迅速的水生植物，能够漂浮在水面上。它被归类为入侵物种，并在许多地区迅速扩散，造成了广泛的生态破坏，干扰了农业、灌溉系统和公共健康[2,19,31,41]。在泰国的主要水道中普遍观察到密集的水葫芦群落（图1）。这种快速扩散主要是由于其较高的环境适应性，尤其是在温暖的气候条件下。该植物既可以通过种子进行有性繁殖，也可以通过无性繁殖（分株）。在适宜条件下，少量植株一年内可繁殖到超过一百万株，覆盖面积超过8000平方米。水葫芦的种子可以休眠长达15年，只有在水分充足时才会发芽，这使得长期控制变得复杂[9,37]。

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**图1. 泰国河流生态系统中受水葫芦覆盖的情况**

全球已采取多种控制措施，包括生物防治、化学防治和水文调控方法。生物防治使用如Neochetina eichhorniae和Neochetina bruchi等生物制剂，但这些方法受到生态限制和管理条件的制约[40]。化学防治使用bispyribac钠、草铵膦和草甘膦等除草剂，这些药剂虽然可以减少植物数量，但可能影响非目标物种和周围生态系统[30]。水文调控方法包括淹没和排水，但这些措施只能提供暂时性的抑制效果，因为水葫芦能在各种条件下存活并重新生长。
在泰国，公共工程与城乡规划部下属设立了国家协调中心来管理水葫芦问题。尽管付出了这些努力，但其生物质量仍在持续增加。目前估计每月的水葫芦生物量可达560万吨[2,10]。部分收获的生物质用于堆肥生产、土地改良和手工艺品制作，但这些应用规模有限，未能完全解决累积问题。因此，人们越来越关注将其作为可再生能源的利用。多项研究表明，将水葫芦生物质转化为生物燃料以替代煤炭、石油和天然气是可行的[18,28,29,34,46]。

水葫芦生物质已被用于多种生物能源途径，包括生产沼气、生物乙醇和生物油。然而，这些方法通常需要复杂的预处理、严格的水分控制以及专门的转化系统。相比之下，压制成颗粒是一种更简单且更具可扩展性的方法，可以直接用于现有的燃烧系统。因此，本研究重点探讨了通过共压技术将水葫芦转化为高质量固体生物燃料的实用方法。还有研究表明，将与煤混合燃烧水葫芦可以提高燃烧效率并减少污染物排放[23,42,44,49]。

**尽管有这些优势，水葫芦本身的燃料性质仍然有限。**据报道，其热值大约在12.60至14.10 MJ/kg之间[17,32,33,39]，低于ISO 17225-6标准对非木质生物质颗粒规定的14.50 MJ/kg的要求[17]。这一限制要求在实际应用前必须对其性质进行改进。通过与其他生物质材料共压可以提升能量含量、燃烧效率和机械耐久性[24,32]。

**先前的研究一致表明，**混合策略可以改善燃料性能。例如，将水葫芦与木薯渣、咖啡渣或大蒜皮混合使用可以 moderately 提高热值，尽管灰分含量通常仍较高。类似地，基于竹子的共压研究也表明，增加富含木质素的生物质比例可以提高颗粒的耐久性和能量密度，同时减少灰分含量。这些发现强调了生物质选择和混合比例对最终颗粒质量的重要影响，尤其是对于水葫芦与竹子的组合系统。

**在本研究中，**选择竹子作为共压原料以改善生物燃料颗粒的性质。竹子是一种生长迅速的木质纤维素资源，在泰国广泛存在，具有理想的化学成分和结构强度，有利于生产高质量固体生物燃料[42,49]。这种特性弥补了水葫芦的不足之处。因此，预期通过共压技术可以提高颗粒的质量，同时为利用入侵性生物质和促进可再生能源发展提供途径。

本研究探讨了在不使用外加粘合剂的情况下，以6种不同比例（5:0至0:5）将水葫芦和竹子混合压制成颗粒的情况[4,24,25]。评估了混合比例对关键颗粒性质的影响，包括颗粒尺寸、总体积密度、机械耐久性、灰分含量和低位热值（LHV）。分析旨在找出在测试范围内改善燃料性能和颗粒质量的配方。所有颗粒性质均按照ISO 17225-6:2021标准进行评估。由于木材颗粒的分类标准（A类或B类）不适用于非木质生物质系统，因此未对其进行评估。

**材料与方法**
水葫芦样本取自泰国那空帕通府Sam Phran地区的Tha Chin河，该地区水生杂草积累严重[9]。收集的生物质初始含水量超过85%，且物理结构不规则，这些因素降低了干燥效率[15]。为提高干燥效果，将生物质切碎并切成3-5厘米的小块，在泰国3月至5月期间（典型环境温度38-40°C）进行阳光干燥5-10天[9]，直到含水量降至12-18%左右。

竹子（Dendrocalamus beecheyanus）选取自那空省Tha Wang Pha地区的一个管理良好的种植园（参考文献Bunnag和Phuangchik[6]），年龄约为一年，初始含水量约为14.5%，体积密度约为541 kg/m3，切成了长度40毫米、厚度5-10毫米的小段。两种原料均经过机械切碎和研磨，使用筛网筛选出小于5.0毫米的颗粒，适用于颗粒生产。

根据ASAE S269.5标准（ASABE, 2012）测定含水量。样品在105°C下烘干24小时，每3小时使用精度为0.0001克的电子天平记录质量。

水葫芦和竹子的混合比例分别为5:0、4:1、3:2、2:3、1:4和0:5，这些比例涵盖了所有可能的组成范围，并评估了增加竹子比例的影响。每种配方准备了80公斤生物质。混合物在27.5 ± 0.5°C和60 ± 5%的相对湿度下处理48小时，以确保含水量均匀。最终含水量分别为16.21%、16.29%、16.14%、16.62%、16.18%和16.81%。

**颗粒制备**
使用功率为55千瓦的环形压粒机进行颗粒制备，压缩比为6.5，工作压力为180-200 MPa，模具温度介于85°C至120°C之间。系统保持约200 kg/h的生产速率，生成的颗粒直径均匀为6毫米。整个过程由VRP Development Holdings Co., Ltd.负责。生产后的颗粒经过至少7天的稳定处理后才进行后续评估，评估内容包括含水量、挥发物、固定碳、灰分含量和低位热值。热值测量采用标准实验室规程中的弹式量热计进行。

**性能测试**
生成的颗粒呈圆柱形。为了获得代表性数据，对随机选取的20个颗粒样品测量了尺寸和质量。长度（L）和直径（D）采用精度为±0.02毫米的数字游标卡尺测量。由于颗粒两端不规则，测量前用细砂纸打磨表面以使其平整。直径是在每个颗粒的中点测量的，以准确反映其圆柱形状[47]。

每个颗粒的质量（m）使用高精度电子天平测定。单位密度（ρu）通过以下公式计算：
$$
\rhu = \frac{m}{V}
$$
其中V为颗粒体积（cm3），m为颗粒质量（g），ρu为单位密度（g/cm3），D为直径（cm），L为长度（cm）。

总体积密度（ρb）通过将颗粒总质量除以测量容器的体积来计算，容器符合ASAE S269.5标准制造[1]。为减少空隙，容器从20厘米高度倾倒三次，然后轻轻添加更多颗粒填充剩余空间，并确保表面与容器边缘平齐[47]。使用电子天平测量填充容器的总质量，根据公式（3）计算总体积密度：
$$
\rb = \frac{mb}{Vb}
$$
其中ρb为总体积密度（g/cm3），mb为容器内的颗粒质量（g），Vb为容器体积（cm3）。

颗粒细粉含量（ρf）通过孔径为3.15毫米的筛网测定。首先使用高精度电子天平称量每批颗粒样品的质量，然后将其放在筛网上并水平摇晃十次，之后称量筛网上剩余的物质质量，计算细粉含量：
$$
\rf = \frac{mg - mf}{mi} \times 100
$$
其中ρf为颗粒细粉含量（%），mi为筛分前的初始质量（g），mf为摇晃后留在筛网上的质量（g）。

颗粒耐久性（ρd）通过EN 15210-1标准评估，以确定颗粒在搬运、储存和运输过程中的抗碎裂和降解能力。随机选取500克颗粒样品，使用高精度电子天平称量初始质量，然后放入旋转搅拌器中以50转/分钟的速度搅拌10分钟。之后用孔径为3.15毫米的筛网分离碎裂颗粒，再次称量剩余完整颗粒的质量。颗粒的耐久性是通过最终质量与初始质量的百分比来计算的，如方程式（5）所示。(5) ρd = (ms/mt) × 100 其中 ρd 是颗粒耐久性（%），mt 是翻滚前的颗粒初始质量（g），ms 是翻滚和筛分后保留的完整颗粒的最终质量（g）。无机灰分含量（Ia）是指完全燃烧后剩余的不燃残留物量，是颗粒燃料质量的关键指标。在本研究中，灰分分析是按照EN 14775 [12]标准进行的。每个坩埚大约使用了3克颗粒样品。首先使用高精度电子天平称量每个样品的重量。然后将样品放入105°C的干燥箱中干燥2小时以去除水分。干燥后，将其在干燥器中冷却至室温以防止从周围环境中吸收水分，之后重新称量以记录干燥后的质量。干燥后的样品经过控制燃烧以消除所有有机物，剩余的残留物被视为无机灰分。灰分含量是通过残留质量与初始干质量的百分比来计算的，如方程式（6）所定义。(6) Ia = (m?/md) × 100 其中 I? 是无机灰分含量（%），m? 是燃烧后的灰分质量（g），md 是燃烧前的样品初始干质量（g）。总热值（Gc）是指完全燃烧过程中每单位质量释放的能量，是颗粒燃料效率的关键指标。在本研究中，使用弹式量热计（IKA C5000型号）来确定颗粒的热值。在测试之前，使用热值为26,535 J/g的苯甲酸颗粒对量热计进行了校准，以确保测量的准确性。这种校准过程确保了颗粒测试期间获得的加热值测量的精度。对于实际测试，从每种混合比例中随机选取颗粒样品，并将其制备成大约1克的样品质量。每种比例进行了五次重复测试，以确保一致性并允许准确计算平均值。

此外，本研究还根据Water Boiling Test (WBT) 4.2.3 [26,43]版本中的程序评估了燃烧过程的热效率和特定燃料消耗。该标准专门设计用于在受控和可重复的条件下评估关键性能参数。WBT协议用于在实验室环境中分析燃烧效率和燃料性能。它提供了标准化程序，以确保在定义的测试条件下结果可靠且可比较。使用WBT方法评估了炉子的热效率（ηth），并通过方程式（7）进行计算。(7) ηth = (mw×(Tb?T?) + meLw) / (mc×LHV) × 100% 其中 ηth 是热效率（%），mw 是加热水的质量（kg），cw 是水的比热容（4.186 kJ/kg·°C），Tb 是沸点（°C），T? 是初始水温（°C），me 是蒸发的水的质量（kg），Lw 是水蒸气的潜热（2,260 kJ/kg），mc 是消耗的燃料质量（kg），LHV 是燃料的低位热值（kJ/kg）。

所有实验都进行了三次重复，并以平均值±标准差的形式报告结果。统计分析使用SPSS 30版（IBM公司，美国阿蒙克）进行。应用单因素方差分析（ANOVA）来评估不同水葫芦与竹子混合比例之间的统计显著差异。当ANOVA检测到显著差异时，应用Tukey的诚实显著差异（HSD）事后检验来识别混合比例之间的成对差异。随后采用回归分析来检查原料组成与关键性能指标之间的关系。为了评估水葫芦与竹子之间的混合比例对低位热值（LHV）、无机灰分含量和其他颗粒性能参数的影响，应用了基于回归的分析。在此分析中，LHV、无机灰分含量、体积密度、机械耐久性、热效率和能量密度被指定为因变量。回归分析使用每种混合比例的重复实验获得的平均值进行。选择水葫芦的质量作为主要指标，因为混合比例是系统地基于这一成分变化的。评估了六种水葫芦与竹子的比例（5:0、4:1、3:2、2:3、1:4和0:5），对应的水葫芦质量分别为80、64、48、32和0千克。散点图显示了自变量和因变量之间的非线性关系。回归分析基于有限的实验数据，旨在用于所测试混合比例内的描述性解释，而不是用于预测或外推。因此，采用了二次回归模型，因为它在所有测试的非线性形式中提供了最佳的拟合度。本研究采用的回归分析遵循Zhang等人[48]提出的通用二次形式，表示为方程式（8）：(8) f(x) = ax2 + bx + c，其中f(x)代表因变量（LHV、无机灰分含量、体积密度、机械耐久性、热效率或能量密度），x表示自变量（混合物中的水葫芦质量），a、b、c是从模型中得到的回归系数。

结果与讨论
本节介绍了在不同水葫芦与竹子混合比例下生产的生物质颗粒的实验结果。讨论包括物理和热性能，如颗粒尺寸、单位密度和体积密度、细粉含量、耐久性、无机灰分含量和总热值。还使用水沸腾测试评估了热性能，重点是热效率和特定燃料消耗。观察到的趋势与材料组成和相关文献进行了讨论，以突出其对生物质燃料应用的影响。除非另有说明，所有结果均以基于三次测量的平均值±标准差的形式报告。

颗粒尺寸随混合比例的变化而变化，直径保持稳定，而长度随竹子含量的增加而增加。所有配方中的颗粒直径范围为6.02至6.07毫米，标准差为±0.02毫米。这些值是通过每种混合比例的20个随机选取的颗粒在三次实验中的平均值±标准差获得的。相比之下，颗粒长度随着竹子比例的增加而逐渐增加。各比例的平均长度分别为31.74 ± 0.09、33.82 ± 0.35、34.54 ± 0.22、36.22 ± 0.26、38.58 ± 0.22和40.46 ± 0.34毫米（图2）。这种趋势与原料成分的差异有关。在本研究中，竹子较高的木质素含量和结构硬度可能增强了颗粒化过程中的粒子间结合，并在致密过程中促进了更长颗粒的形成。

图2. 由水葫芦和竹子混合物制成的颗粒的直径和长度。测量的颗粒尺寸在泰国工业标准（TISI）规定的可接受范围内，该标准符合ISO 17225-6的要求。标准定义了直径为6–10毫米、长度为31.5–40毫米的颗粒[38]。本研究中的颗粒直径符合这一要求。颗粒几何形状影响燃烧行为。先前的研究表明，较小且更均匀的颗粒直径支持更完全和稳定的燃烧，特别是在容量低于500千瓦的小型炉子中[22]。因此，本研究中观察到的一致颗粒直径对实际燃烧应用是相关的。

表1总结了所研究混合比例下颗粒属性的平均值和统计分组。单位密度和体积密度之间的关系在图3中呈现。

表1. 不同水葫芦（WH）：竹子（BB）比例下的颗粒属性的平均值（±标准差）和Tukey HSD分组。
| WH:BB | 单位密度（kg/m3） | 体积密度（kg/m3） | 耐久性（%） | 细粉含量（%） | LHV（MJ/kg） | 灰分（%） | 热效率（%） | 能量密度（GJ/m3） |
|-------|------------|--------------|------------|--------------|-----------|-----------|---------------|
| 5:0 | 1.11 ± 0.02 | 680 ± 8 | 91.2 ± 3.1 | 0.34 ± 0.03 | 13.61 ± 0.13 | 9.74 ± 0.13 | 23.31 ± 0.07 |
| 4:1 | 1.25 ± 0.02 | 672 ± 9 | 94.5 ± 1.2 | 0.31 ± 0.02 | 14.22 ± 0.13 | 8.29 ± 0.13 | 24.53 ± 0.08 |
| 3:2 | 1.13 ± 0.02 | 666 ± 7 | 96.0 ± 0.9 | 0.27 ± 0.01 | 15.80 ± 0.13 | 6.83 ± 0.13 | 27.60 ± 0.09 |
| 2:3 | 1.17 ± 0.02 | 657 ± 8 | 96.2 ± 0.8 | 0.49 ± 0.04 | 16.50 ± 0.13 | 5.25 ± 0.13 | 26.41 ± 0.08 |
| 1:4 | 1.26 ± 0.02 | 646 ± 6 | 96.8 ± 0.4 | 0.35 ± 0.02 | 18.07 ± 0.13 | 3.17 ± 0.13 | 28.98 ± 0.07 |
| 0:5 | 1.32 ± 0.02 | 645 ± 7 | 97.1 ± 0.3 | 0.33 ± 0.02 | 11.64 ± 0.06 | 1.32 ± 0.02 | 645 ± 7 |

单位密度随着竹子比例的增加略有增加，但在各种配方中统计上没有变化（p > 0.05）。数值范围为1.11 ± 0.02至1.32 ± 0.02 g/cm3，表明单个颗粒的固有紧凑性相当。相比之下，体积密度随着竹子含量的增加而显著下降（p < 0.05）。从5:0比例的680 ± 8 kg/m3下降到0:5比例的645 ± 7 kg/m3。Tukey的HSD测试（表1）进一步表明，竹子含量较高的配方（1:4和0:5）形成了较低密度的组。这种行为与颗粒几何形状的变化有关，而不是材料本身的致密化。在本研究中，竹子比例的增加导致了更长的颗粒（图2），这在体积填充过程中增加了颗粒间的空隙。因此，填充效率降低，导致体积密度降低。稳定单位密度与下降的体积密度之间的差异可以用填充因子效应来解释。尽管单个颗粒保持了结构完整性，但它们增加的长度和降低的形状均匀性限制了批量存储中的填充效率。先前的研究也报告了颗粒几何形状对体积密度的类似影响[5]。

所有配方都满足了ISO 17225-6:2021对非木质生物质颗粒的要求。尽管体积密度有所下降，但所有数值仍高于最低要求600 kg/m3。

图4显示了所研究混合比例下的颗粒耐久性和细粉含量。颗粒耐久性随着竹子比例的增加而增加，并且在不同配方之间有显著差异（p < 0.05）。最高值出现在0:5比例（97.11 ± 0.26%），而最低值出现在5:0比例（91.21 ± 3.1%）。Tukey的HSD测试（表1）进一步表明，富含竹子的配方（1:4和0:5）形成了最高耐久性组，而以水葫芦为主的颗粒表现出较低的耐久性。

图4. 由水葫芦和竹子混合物制成的颗粒的耐久性和细粉含量。这种趋势与原料成分有关。在本研究中，竹子较高的木质素含量可能增强了颗粒化过程中的粒子间结合，从而提高了机械强度和抗破裂性。之前已有研究报道了木质素含量、结合行为和颗粒耐久性之间的类似关系[16,20]。在标准合规性方面，5:0和4:1配方未达到ISO 17225-6的最低耐久性要求（≥ 96%）。相比之下，3:2、2:3、1:4和0:5比例的值分别为96.07%、96.21%、96.82%和97.11%，符合标准。

细粉含量在所有配方中保持较低，且没有显著差异（p > 0.05）。数值范围为0.27%至0.49%，其中3:2比例最低，2:3比例最高。所有值均低于ISO 17225-6的最大限制（≤ 1%），表明具有良好的机械完整性。

图5展示了所选混合比例下的颗粒代表照片，说明了颗粒表面外观和颜色的变化，这些变化与在高竹子比例下观察到的机械耐久性改善一致。这些差异与原料成分有关。在本研究中，竹子较高的木质素和半纤维素含量可能增强了颗粒化过程中的粒子间结合。生物质颗粒中的结合涉及固体桥梁的形成、粒子间的吸引和机械互锁[16,20]。这些机制在高温下变得更加有效。在颗粒化过程中，大约85°C以上的温度会促进生物质成分的玻璃化转变行为，尤其是木质素和半纤维素。木质素在较宽的温度范围内（60–200°C）表现出转变行为，而半纤维素在类似宽广的温度范围内（-23至200°C）软化[21,35]。这种热软化增强了生物质基质内的粘合和内聚作用。正如本研究所观察到的，这些效应有助于提高结构完整性和减少细小的颗粒形成。两种原料之间的组成差异进一步解释了观察到的行为。贝奇竹比水葫芦含有更多的木质素和更少的灰分，这支持了更强的结合力和更稳定的颗粒结构。相比之下，水葫芦的木质素含量较低，灰分含量较高，这可能会限制结构的强化。此外，竹子的木质素主要由硬木物种典型的香草酰和丁香酰单元组成，而水葫芦则含有更高比例的对香芹酰单元[27]。这些结构差异与富含竹子的配方中的更强结合力有关。因此，2:3和1:4的混合比例产生的颗粒具有更高的耐久性，这与本研究中获得的实验结果一致。因此，这些配方似乎更适合实际的生物质能源应用。

为了评估燃烧性能，主要使用了低热值（LHV）作为指标。LHV和灰分含量是根据三次测量的平均值报告的。LHV代表了考虑燃烧过程中与水蒸气相关的热量损失后的净可用能量。随着竹子比例的增加，LHV也随之增加。最低值出现在5:0的比例，为13.61 MJ kg-1，而最高值出现在0:5的比例，为18.99 MJ kg-1（图6；表1）。中间混合比例（4:1、3:2、2:3和1:4）分别产生了14.22、15.80、16.50和18.07 MJ kg-1的值。Tukey的HSD检验确认了配方之间的显著差异（p < 0.05），每个比例形成了一个独特的统计组。

这种趋势与原料组成有关。在本研究中，竹子较高的木质素含量和较低的灰分含量使其能量密度高于水葫芦。获得的LHV值与基于水葫芦的固体生物燃料报告的值一致。先前的研究报道，与木薯淀粉污泥混合的压块能量密度为14.58–15.66 MJ kg-1[32]，使用废弃咖啡渣和淀粉粘合剂制成的颗粒能量密度约为17.1 MJ kg-1[45]，以及与大蒜皮混合的压块能量密度约为14.42 MJ kg-1[7]。在这项研究中，水葫芦-竹子颗粒在没有使用外部粘合剂的情况下达到了高达16.50 MJ kg-1的能量密度，表明与竹子共同颗粒化可以提高能量含量，同时避免额外的粘合剂。

根据ISO 17225-6标准，非木质生物质颗粒需要最低LHV为14.5 MJ kg-1。3:2、2:3和1:4的配方满足或超过了这一要求，证明了它们适用于固体生物燃料应用。更高的LHV值也意味着更好的能源替代潜力。用这些颗粒替代化石燃料可能按比例减少化石燃料产生的CO?排放。尽管完整的生命周期评估超出了本研究的范围，但这种比较提供了将水葫芦升级为固体生物燃料的潜在气候效益的初步指示。

除了LHV之外，还评估了无机灰分含量，因为它影响燃烧性能和系统维护。随着竹子比例的增加，灰分含量下降，并且在不同配方之间有显著差异（p < 0.05）。最高值出现在5:0的比例（9.74%），而最低值出现在0:5的比例（1.53%）。中间比例（4:1、3:2、2:3和1:4）分别显示了8.29%、6.83%、5.25%和3.17%的值。Tukey的HSD检验表明每个配方形成了一个独特的统计组。竹子含有较低的灰分，这有助于减少混合颗粒中的残留灰分。类似的行为也已在与低灰分木质纤维素材料的共同颗粒化中报告[4,24]。较低的灰分含量支持更清洁的燃烧，并降低燃烧系统中的结渣和维护问题风险。

随着竹子比例的增加，热效率也提高，并且在不同配方之间有显著差异（p < 0.05）。Tukey的HSD检验显示，富含竹子的颗粒（1:4和0:5）形成了最高效率组，而以水葫芦为主的颗粒（5:0和4:1）效率较低。如图7所示，热效率从5:0比例的23.31%增加到1:4比例的28.98%，中间值分别为4:1的24.53%、3:2的27.60%和2:3的26.41%。这些值在用水沸腾测试评估的生物质燃料的典型范围内。热效率的提高与燃烧行为有关，而不仅仅是LHV。在本研究中，含有竹子的颗粒由于挥发性物质的释放受到调节，并且由于木质素和固定碳含量的增加而形成了更多的炭，因此表现出更稳定的燃烧。相比之下，富含半纤维素的水葫芦倾向于快速挥发并早燃，这会降低火焰的稳定性。富含竹子的配方中更多的炭形成支持了更持续的热释放和改善的燃烧稳定性。

随着竹子含量的增加，能量密度也增加，并且在不同配方之间有显著差异（p < 0.05）。值从5:0比例的9.25 GJ m-3变化到0:5比例的11.98 GJ m-3，中间值分别为4:1的9.56 GJ m-3、3:2的10.53 GJ m-3、2:3的10.84 GJ m-3和1:4的11.64 GJ m-3。Tukey的HSD检验确认了富含竹子的配方形成了一个高能量密度的独特组。这种能量密度的增加与改善的包装特性和竹子较高的内在能量含量有关。实际上，更高的能量密度提高了储存和运输效率。先前的研究也报告了类似的趋势[8,14,36]。此外，技术经济分析表明，具有更高能量密度和耐久性的燃料可以降低固定成本和可变成本[13]，支持优化竹子-水葫芦颗粒配方的实际效益。

此外，还分析了水葫芦和贝奇竹的化学组成，包括纤维素、半纤维素、木质素和灰分含量。表2总结了这些结果，展示了化学组成对燃烧行为的影响以及每种材料用于生物质颗粒生产的适用性。表2显示了本研究中使用的两种主要生物质原料水葫芦和贝奇竹的化学组成比较。由于纤维素、半纤维素、木质素和灰分对燃烧行为和燃料颗粒质量的直接影响，检查了这四个关键成分。贝奇竹含有显著更高的纤维素比例（39–48%），而水葫芦为23.2–29.4%，这对热能生产有利，因为纤维素是一种可燃化合物，有助于提高热值。此外，贝奇竹的木质素含量也更高（23–27%），作为一种天然粘合剂，增强了颗粒的耐久性和燃烧稳定性。相比之下，水葫芦含有更多的半纤维素（33.8–42.8%），而贝奇竹为21–32%。半纤维素在相对较低的温度下分解，导致挥发性物质的快速释放和早期点燃行为。这影响了燃烧动态和火焰稳定性，而不是降低燃料的内在能量含量。此外，水葫芦的灰分含量（5.3–12.4%）明显高于贝奇竹（1.2–2.4%），可能导致燃烧系统内灰分积累，从而对整体燃料性能产生负面影响。

应用二次回归模型来描述混合比例与LHV之间的关系。模型系数包括一个截距19.0835、一个线性项-0.0781和一个二次项0.0001。模型性能指标，包括R2和统计显著性，在表2中进行了总结。模型在统计上显著（F = 331.61，p < 0.001），表明组成与LHV之间存在非随机关系。在研究的范围内，增加水葫芦的比例与LHV的降低相关。由水葫芦制成的颗粒（5:0）显示出最低值（13.61 MJ kg-1），而竹子颗粒（0:5）显示出最高值（约19 MJ kg-1）。这种差异与原料组成有关。在本研究中，竹子含有更多的木质素，有助于更高的能量产出，而水葫芦含有较少的木质素和更多的纤维，导致较低的热值。还应用二次模型对无机灰分含量进行了分析。与线性拟合相比，二次模型更好地代表了观察到的数据。回归方程包括一个截距1.4561、一个线性系数0.1227和一个二次系数-0.0002。如表3所总结的，模型显示出高拟合度（R2 = 0.996）并在统计上显著（F = 976.78，p < 0.001）。

表3总结了描述性二次回归模型，该模型将水葫芦的质量与所研究混合比例内的颗粒属性相关联。独立变量、目标函数、回归方程和R2值、p值分别在表3中列出。所有回归模型在统计上都是显著的（p < 0.05），R2值介于0.791到0.996之间，表明与实验数据总体一致。这些模型适用于测试的混合比例范围，不适用于超出此范围的外推。