利用废弃咖啡渣中的油脂在小型海洋锅炉中应用的可行性 李泰镐（Tae-ho Lee）， 柳英贤（Young-hyun Ryu）， 赵镇镐（Jin-ho Cho）， 金春光（Chunguang Jin）

《Journal of Marine Science and Engineering》：Feasibility of Using Oil from Spent Coffee Grounds in Small-Scale Marine Boilers Tae-ho Lee, Young-hyun Ryu, Jin-ho Cho and Chunguang Jin

　　摘要：本研究探讨了利用废弃咖啡渣（SCGs）热解油作为替代海洋燃料的潜力，以符合国际海事组织2050年的碳中和目标。设计并制造了一种30升级的小型海洋锅炉，用于比较分析咖啡渣油（CGO）与船用汽油混合燃烧和排气排放特性，混合比例范围从0%到25%。实验结果表明，随着混合比例的增加，氧气和一氧化碳的浓度略有下降，而二氧化碳和氮氧化物（NOx）的浓度则趋于上升。燃烧效率始终维持在约79.2%，证实了CGO作为替代燃料的潜在可行性。然而，研究也发现了仅通过混合难以实现碳中和的局限性。因此，需要进一步研究乳化技术和燃烧优化方法，以解决由于密度差异引起的相分离问题，并减少NOx排放。

1. 引言
在第八十届海洋环境保护委员会（MEPC 80）会议上，国际海事组织通过了到2050年实现船舶净零碳排放的规定[1]。因此，目前正在进行大量研究以减少海运领域的碳排放。在各种解决方案中，生物燃料越来越被认为是碳中和燃料。这是因为从生命周期评估的角度来看，燃烧过程中释放的二氧化碳会被植物重新吸收，从而实现净零总排放。因此，各个领域都在积极研究将生物燃料用作替代燃料[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。Jesus[2]分析了生物燃料技术在2050年实现全球脱碳过程中的多方面作用。Li和Lam[3]利用机器学习预测了将生物燃料用作海洋燃料的结果。Rimkus[4]实验研究了氢气添加对压缩点火发动机中生物燃料燃烧特性的影响。Yeasin等人[5]评估了将人工智能、物联网、区块链和数字孪生等先进数字技术结合到生物质和生物燃料开发中的影响。Kapusta等人[6]从多个角度评估了利用热液液化技术从城市污泥中生产的生物燃料。Leite等人[7]回顾了欧盟可再生能源指令（RED）对葡萄牙运输行业采用生物燃料的影响。此外，Tan等人[8]通过评估与大型藻类（Enteromorpha clathrata）生产的生物燃料相关的环境影响指标和用水量，得出了可持续生物燃料生产策略。Ahmed等人[9]比较了生物燃料与传统化石燃料（如船用柴油油（MDO）、重燃油（HFO）和LNG）在客船中的温室气体和污染物减排效果。Sagin等人[10]证实，在船用柴油发动机中使用生物燃料可以减少NOx、SOx和CO2等主要污染物，并提出了一种向船舶供应生物燃料的策略。Lee等人[11]以及Kim和Lee[12]通过构建基本测试装置，对生物柴油和第二代生物乙醇的应用进行了比较实验验证。

最近在电子燃料（e-fuels）研究方面的进展显示出希望，因为这些燃料可以通过将捕获的二氧化碳回收成合成燃料来实现净零排放[13,14,15,16,17,18]。虽然已经探索了多种替代燃料来减少船舶的CO2排放[19]，但Yeasin等人[13]通过引入膜反应器在Power-to-X技术中将可再生能源转化为e-fuels的角色，评估了e-fuels商业化的潜力。Kumar等人[14]介绍了一种结合直接空气捕获和绿色氢气的e-fuel生产系统。在另一项研究中，Kumar等人[15]比较了使用淡水和氯碱电解生产e-methanol的经济可行性，提出了提高经济可持续性的方法。Mehrara等人[16]评估了结合电气化和碳捕获与储存的Fischer–Tropsch液体燃料生产过程的经济效率。Beckmann等人[17]分析了Power-to-X和e-fuel生产对欧洲国家能源转型和能源独立性的影响。最后，也有报道关于在中小型船舶中使用天然气燃料（如LNG和LPG）的研究[20,21]。

近期的学术努力不仅限于简单的燃烧分析，还涉及解决与海洋锅炉系统相关的复杂操作和环境风险。例如，从海洋自主水面船（MASS）的角度出发的研究引入了基于控制理论的模糊Fine–Kinney风险评估，以提高锅炉自动化系统的安全性[22]。此外，还进行了海洋锅炉装置的运行风险评估，以确保船上系统的安全性，为识别潜在故障模式提供了系统框架[23]。在环境影响方面，已经开发了使用改进的Z数值和故障树分析的综合方法来预测船舶锅炉操作造成的空气污染风险[24]。虽然这些研究关注系统安全性和风险预测，但仍迫切需要关于环保替代燃料的实验数据，以从根本上降低与排放相关的风险，这也是本研究的主要焦点。Mohammadpour和Salehi[16]回顾了适用于海洋发动机的液体替代燃料，并为航运行业的脱碳战略提出了燃料转型路线图。正如所示，实现船舶碳中和和减少排放的研究正在各个领域积极进行[17,18,19,20]。目前，船舶使用的化石燃料主要分为三类：船用汽油（MGO）、MDO和高粘度HFO。其中，MGO的粘度最低且质量最高，因此在小型船舶中广泛使用。然而，尽管有各种实现碳中和的努力，但利用独特生物燃料来源的创新方法仍然不足。尽管现有的生物燃料（如藻类油和废弃植物油WVO）具有碳中和优势，但它们常常面临高栽培成本或与食品资源竞争的挑战。相比之下，废弃咖啡渣（SCGs）是一种易于获取且不可食用的生物质来源，全球产量巨大。利用SCG衍生的油不仅可以避免“食物与燃料”的困境，还可以通过升级处理原本会被填埋的副产品，提供可持续的废物管理解决方案。

本研究的新颖之处在于它采用了一种综合方法，在一个专门设计的海洋特定测试平台上评估了之前未充分利用的不可食用生物质来源。与以往主要关注广泛使用的废弃植物油或基于藻类的生物柴油的研究不同，本研究探讨了SCG衍生油的具体燃烧特性，这是一种全球可获取性高但在海洋能源研究中关注度较低的副产品。此外，虽然大多数现有文献依赖于标准工业燃烧器，但本研究使用了一种特别设计的30升级小型海洋锅炉系统，该系统在热力学特性上与实际船载辅助锅炉相似。这种方法为SCGs在实际海洋领域的应用提供了高保真的基准，弥合了通用生物燃料研究与特定海洋工程应用之间的差距。

2. 材料与方法
2.1. 废弃咖啡渣的工业需求和燃料转换案例
咖啡是全球消费最广泛的饮料之一。自20世纪以来，亚洲的咖啡消费年均增长率超过4%，21世纪以来则超过5%[25,26]。韩国是全球第七大咖啡消费国，年总消费量约为230万包（每包60公斤），人均消费量为512杯[26]。最近，国内咖啡豆的消费量每年超过了15万吨，相应地，其副产品SCG的产量预计也会增加。图1比较了主要国家的当前咖啡消费状况[27]。通常，制备一杯美式咖啡需要大约15克咖啡豆。然而，只有少量成分被提取到饮料中，剩余的99%（约14.7克）作为SCG被丢弃[28]。即使在提取浓度较高的浓缩咖啡中，也只有约19%的豆子被利用，其余81%被作为一般废物处理[29]。根据现有数据，韩国每年至少产生10万吨SCG，其中大部分被用作堆肥或处置。尽管难以确定确切的定量数据，但实际产生的数量估计超过了这一数字[30]。除了作为废物外，SCG还因烘焙过程中保留的未燃烧有机化合物而成为化妆品和可再生能源的高价值资源。从技术和经济的角度来看，韩国每年有潜力生产15万吨SCG衍生油。利用这些油制作25%的SCG-MGO混合物，每年可以生产约400万吨替代燃料。虽然这一供应量仅占总燃料消费量的一小部分，但作为应对环境法规的战略响应和多样化可持续海洋能源的创新尝试，其实施是高度合理的。此外，还提出了具体的SCG成型机设计方法[28]。将SCG加工成废物衍生燃料（RDF）的点火性能因干燥方法而异，其作为替代能源的可行性已经得到证明[26]。

大多数利用SCG作为燃料来源的研究主要集中在回收产品、堆肥或固体燃料上[31]。因此，将SCG转化为液体生物燃料以实现碳中和的研究仍然严重不足。然而，一些开创性的研究重新评估了SCG作为能源的潜力，展示了生物柴油提取过程的经济可行性和效率[32]。其他研究通过热解同时生产液体和固体燃料取得了创新成果[33]。尽管关于使用SCG混合物在发动机中直接转化燃料的研究有限，Yim等人[34]确认了在拖拉机柴油发动机中使用SCG热解油（CGO）与丁醇混合的可行性；然而，他们报告称大多数排放量反而增加而非减少。Park等人[35]在压缩点火发动机中使用了15%的SCG混合燃料，并观察到尽管颗粒物浓度低于柴油，但氮氧化物（NOx）排放量略有增加。Kim等人[31]分析了不同干燥方法下RDF的点火性能。我们的研究团队之前分析了将MGO与CGO以高达30%的比例混合后获得的样品的稳定性[36]。此外，还通过分析粘度（这对海洋燃料的质量有显著影响）进行了燃料转型的初步可行性评估[37]。

2.2. 30升级小型海洋锅炉系统的设计与制造
由于质量普遍较低，海洋燃料通常具有相对较高的粘度，且其物理化学性质对温度非常敏感[38]。为了解决这些燃料处理挑战并模拟实际船上集成情况，实施了以下专门的预热和循环系统[39]。实验框架内安装了两个容量均为约10升的独立样品储存罐。这种分离方式可以精确测量消耗流量，并防止燃料转换测试过程中成分之间的交叉污染。为了提高燃料供应管道与现有辅助锅炉模块的效率和兼容性，安装了旁路系统、循环用的齿轮泵、0.2千瓦的盘管型电热器以及用于数据采集的电子涡轮流量计。

此外，主锅炉单元采用了一个总容量为30.8升的小型模型。这是一个优化后的缩比设计，保持了与商用海洋辅助锅炉的核心热力学特性一致，与之前我们研究团队研究的1吨标准燃烧室或300升实验室规模燃烧测试单元相比[38,40]。虽然为了实验室方便缩小到30升，但系统架构（包括燃烧室几何形状和传热表面）经过特别设计，以确保关于燃料雾化和燃烧稳定性的实验结果对于放大到更大的船载系统仍然具有相关性。该单元在底部集成了给水泵、辅助给水罐、安全阀和自动控制系统，考虑了实验室内的空间效率。为了简单的比较测试，还实施了单独的管道系统，以便通过开环方法直接排放，而不是使用循环模式。锅炉系统的详细规格列在表1 [41]中。表1. 锅炉实验装置的详细规格。这些规格是基于使用MGO，在蒸汽压力为3.5 kg/cm2和给水温度为20°C的条件下制定的。此外，为了最大限度地提高与传统海洋辅助锅炉系统的热力学循环相似性，并展示其在实际船上的应用性，该装置配备了单独的热交换器、空气冷却冷凝器、冷凝水储罐（串联罐）和安全阀。另外，为了方便无间隙地获取各种运行数据，包括产生的蒸汽流量、热交换能力和燃料消耗量，在8-15 A的管道部分安装了温度和压力传感器。此外，设计还允许在100 A大小的烟气烟囱（烟道）中安装探头。图2显示了制造的锅炉系统的完整组装图 [39]。图2. 实验室规模的30升海洋锅炉实验装置。2.3. 准备不同含量的SCG–MGO混合燃料样品本研究使用的CGO样品是通过使用倾斜滑带给热解生产的，生产能力约为15.5 kg/h [42,43]。这种热解得到的CGO的热值低于传统柴油；然而，它大约是先前研究中报道的木质热解油的两倍，并且达到了与丁醇相当的水平 [37,38]。制备的CGO和用于混合的MGO的物理化学性质列在表2 [34,37,44]中。表2. MGO和CGO之间的燃料特性比较。这两种燃料根据其重量比例使用高速搅拌器进行混合。制备了四种燃料样品，CGO的含量从0%到25%不等。选择这个特定范围是为了符合韩国关于替代石油燃料的规定，该规定仅当非石油物质的含量低于30%时才承认乳化或混合燃料。混合过程在室温下进行，将两种燃料放入搅拌器中，并以超过4000 rpm的速度搅拌至少10分钟。为了确保燃烧数据的可靠性，在测试之前立即使用高速机械搅拌器对这些样品进行了彻底均匀处理。尽管由于物理性质的差异，CGO-MGO混合物会表现出长期的分离现象，但特别监控了一小时的稳定期，以确保燃料在整个燃烧分析期间保持足够均匀的状态。作者目前正在分别研究化学添加剂和表面活性剂，以克服这些稳定性挑战，以便在商业规模上应用。这一观察表明，未来的研究应该探讨稳定策略，例如使用添加剂或乳化剂来提高混合稳定性。图3显示了按照含量制备的实际样品与普通船用燃料油的比较。图3. 制备的CGO–MGO混合物（0–25%含量）与纯MGO和标准船用燃料的外观比较。2.4. 实验装置和方法为这项比较研究设计的30 L级锅炉系统配备了容量非常小的燃烧器，这排除了比例控制的可能性；因此，它以简单的开-高-关模式运行。因此，燃料转换测试在固定的100%负荷（最大运行条件）下进行，没有进行单独的负荷调整。虽然这种单一负荷条件不能完全代表大型海洋锅炉的可变负荷曲线，但它被选中是为了确保实验的可重复性最高，并为比较不同燃料混合物的燃烧特性提供一个稳定的基线。为了确保一致的热负荷并提高实验的可重复性，燃料流速严格保持在2.67 kg/h，燃料喷射压力在整个燃烧测试过程中始终稳定在9.1巴。所有实验几乎在相同的环境和操作条件下进行。在初始点火阶段进行了充分的空气吹扫，并使用烟气分析仪 [45] 进行了测量。数据采集参数包括废气温度以及氧气（O2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx）的含量。根据空气污染过程测试标准，测量协议涉及记录5分钟内的连续测量平均值，重复三次 [46]。尽管CO2 officially 不被归类为大气污染物，但由于便于同时监测，仍对其进行了测量。表3列出了使用烟气分析仪 [45,46] 测量的参数和标准测试方法。表3. 每种排放成分的测量范围和标准测试方法。图4显示了使用制造的海洋锅炉进行每种SCG燃料混合物的比较实验设置和分析过程的示意图。该程序涉及在两个单独的储罐之间更换燃料，循环水以开环配置连续排放到船外。图4. 燃料样品比较燃烧分析的实验设置。3. 结果 3.1. 废气排放特性使用不同SCG含量（0–25%）的制备燃料样品在30 L小型锅炉中进行的比较燃烧测试的结果显示在图5a-d中。纯MGO（0% SCG）的氧气浓度（O2）约为10.0%，但当SCG含量达到25%（CGO25）时略有下降至9.33%。CO排放也略有减少，从MGO的1093.4 ppm降至CGO25的1018.1 ppm。相比之下，CO2排放从MGO的8.0%增加到CGO25的约8.54%。总体而言，随着SCG含量的增加，CO2排放呈上升趋势，表明将原始CGO与MGO简单混合在实现海洋应用中的碳中和方面存在固有限制。此外，NOx浓度从MGO的15.6 ppm显著增加到CGO25的54.6 ppm。这种随着SCG混合比例增加而增加的NOx排放与之前关于陆基低硫柴油的研究结果一致。通常，由于混合不稳定性，数据采集遇到了挑战，导致几个测量参数出现相对较大的偏差。这些结果表明，CGO与MGO的简单比较燃烧是复杂的，需要通过进一步的实验研究进行优化。图5. MGO与CGO25混合物的废气排放特性比较：(a) 氧气，(b) 二氧化碳，(c) 一氧化碳，以及(d) 氮氧化物。3.2. 废气温度特性纯MGO的废气温度约为290.2 °C，而CGO25的废气温度则增加了约6.1%，达到309.2 °C。尽管当将SCG混合物应用于锅炉时可能会预期有轻微的热输出增加，但MGO和SCG的混合物在燃烧稳定性方面可能被视为负面因素。这是因为燃料中的氧气促进了燃烧，而生物燃料的复杂分子结构可能导致后燃烧现象。此外，燃烧室内热传递特性的变化共同作用，导致燃烧气体的显热排放不稳定，没有充分的热交换。图6显示了每个样本的废气温度与环境空气供应温度的比较。图6. 废气温度比较。3.3. 燃烧效率燃烧效率定义为燃烧室内实际释放的热量与燃料热值的比率 [11,40]，可以使用各种方法来确定。在这项研究中，燃烧效率是根据烟气分析仪制造商提供的参数 [11,45] 使用方程式 (1) 和 (2) 计算的。(1) (2) 其中qA、FT和AT分别代表烟气损失率、烟气温度和环境供应空气温度。A2是一个燃料特定的常数，对于MGO（被归类为轻质油）其值为0.680。B1是一个无量纲校正常数，设置为0.007。未考虑用于校正排气温度低于露点时的常数Kk。根据方程式 (2)，MGO的燃烧效率约为79.2%。虽然观察到了微小的数值变化（范围从79.2%到80.1%），但这些差异在实验误差范围内被认为是统计上不显著的。这表明，在当前的实验条件下，SCG含量对整体燃烧效率的影响可以忽略不计，因为CGO的富氧性质有效地弥补了燃料基质的变化。图7总结了燃烧效率的结果。图7. 燃烧效率比较。4. 结论在这项研究中，使用定制制造的30 L级小型海洋锅炉系统实验性地研究了MGO–CGO混合物的燃烧和排放特性。主要结论如下：废气排放特性：随着SCG混合比的增加，CO2排放略有上升趋势，从MGO的8.0%增加到CGO25的8.54%。相比之下，O2浓度从10%降低到9.33%。此外，原始测量的CO排放也略有减少，从1093.4 ppm降至1018.1 ppm。尽管由于燃料性质，烟气中的直接CO2浓度略有增加，但CGO本质上是一种来自生物质的碳中性燃料。从生命周期的角度来看，燃烧过程中排放的CO2被咖啡植物生长过程中封存的碳所抵消。因此，基于生命周期假设，其中生物质成分被认为是碳中性的，加入25%的CGO混合物被认为有可能通过抵消化石碳来减少净生命周期CO2排放，尽管在当前实验条件下观察到尾气排放有轻微增加。NOx排放特性：原始测量的NOx排放从MGO的15.6 ppm增加到CGO25的54.6 ppm，这与之前的研究结果一致。这种增加主要归因于CGO中固有的燃料结合氮，它是燃料NOx形成的直接前体。此外，燃料结合的氧气含量与升高的NOx水平之间存在强烈相关性；增加的氧气浓度加速并加剧了燃烧，导致局部火焰温度升高，从而促进了热NOx的形成。然而，需要注意的是，如果这些NOx水平超过严格的国际海事法规（例如IMO Tier III），采用SCG衍生燃料可能会遇到类似于氢气混合时遇到的实际挑战。因此，为了确保高比例CGO混合物的商业可行性，进一步整合后处理技术（如选择性催化还原（SCR）或废气再循环（EGR）系统将是有效减少这些排放的关键。废气温度：MGO的废气温度约为290.2 °C，而CGO25的废气温度增加了约6.1%，达到309.2 °C。尽管将SCG混合物应用于锅炉时可能会预期有轻微的热输出增加，但MGO和SCG的混合物在燃烧稳定性方面可能被解释为负面因素。这是因为燃料中的氧气促进了燃烧，而生物燃料的复杂分子结构可能导致后燃烧现象。此外，燃烧室内改变的热传递特性共同作用，导致燃烧气体的显热排放不稳定，没有充分的热交换。图6显示了每个样本的废气温度与环境空气供应温度的比较。3.3. 燃烧效率燃烧效率定义为燃烧室内实际释放的热量与燃料热值的比率 [11,40]，可以使用各种方法来确定。在这项研究中，燃烧效率是根据烟气分析仪制造商提供的参数 [11,45] 使用方程式 (1) 和 (2) 计算的。(1) (2) 其中qA、FT和AT分别代表烟气损失率、烟气温度和环境供应空气温度。A2是燃料特定的常数，对于MGO（被归类为轻质油）其值为0.680。B1是一个无量纲校正常数，设置为0.007。未考虑用于校正排气温度低于露点时的常数Kk。根据方程式 (2)，MGO的燃烧效率约为79.2%。虽然观察到轻微的数值变化（介于79.2%到80.1%之间），但这些差异在实验误差范围内被认为是统计上不显著的。这表明，在当前的实验条件下，SCG含量对整体燃烧效率的影响可以忽略不计，因为CGO的富氧性质有效地弥补了燃料基质的变化。图7总结了燃烧效率的结果。4. 结论在这项研究中，使用定制制造的30 L级小型海洋锅炉系统实验性地研究了MGO–CGO混合物的燃烧和排放特性。主要结论如下：废气排放特性：随着SCG混合比的增加，CO2排放略有上升趋势，从MGO的8.0%增加到CGO25的8.54%。相比之下，O2浓度从10%降低到9.33%。此外，原始测量的CO排放也略有减少，从1093.4 ppm降至1018.1 ppm。尽管由于燃料性质，烟气中的直接CO2浓度略有增加，但CGO本质上是一种来自生物质的碳中性燃料。从生命周期的角度来看，燃烧过程中排放的CO2被咖啡植物生长过程中封存的碳所抵消。因此，基于生命周期假设，其中生物质成分被认为是碳中性的，加入25%的CGO混合物被认为有可能通过抵消化石碳来减少净生命周期CO2排放，即使在当前实验条件下观察到尾气排放有轻微增加。NOx排放特性：原始测量的NOx排放从MGO的15.6 ppm增加到CGO25的54.6 ppm，这与之前的研究结果一致。这种增加主要归因于CGO中固有的燃料结合氮，它是燃料NOx形成的直接前体。此外，燃料结合的氧气含量与升高的NOx水平之间存在强相关性；增加的氧气浓度加速并加剧了燃烧，导致局部火焰温度升高，从而促进了热NOx的形成。然而，需要注意的是，如果这些NOx水平超过严格的国际海事法规（例如IMO Tier III），采用SCG衍生燃料可能会遇到类似于氢气混合时遇到的实际挑战。因此，为了确保高比例CGO混合物的商业可行性，进一步整合后处理技术（如选择性催化还原（SCR）或废气再循环（EGR）系统对于有效减少这些排放将是必不可少的。废气温度：MGO的废气温度增加了约6.5%，从MGO的290.2 °C增加到CGO25的309.2 °C。尽管混合燃料的热值低于纯MGO，但这种温度增加是由于“后燃烧”现象所致。由于生物燃料的复杂分子结构，燃烧并没有在主燃烧室内完全完成，而是延伸到烟囱。这种延迟的燃烧过程减少了锅炉内的有效热交换停留时间，导致烟气在热能被完全吸收之前以更高的温度排放。燃烧效率：MGO的燃烧效率约为79.2%，在增加SCG混合比时只有微小的变化（在小数位以内）。这种稳定性表明，CGO的富氧性质促进了高效燃烧，弥补了燃料组成和热值的变化。在当前的实验条件下，SCG混合对整体燃烧效率没有显著影响。燃料稳定性和分离：如燃料性质分析中所观察到的，由于两种组分之间的密度和极性差异，SCG–MGO混合物表现出快速的分离现象。虽然这种不稳定性对长期储存构成了挑战，但通过利用30 L级锅炉系统的连续循环和机械混合模块确保了燃烧过程中的燃料供应均匀，实验测试成功进行。然而，如第2.3节中所述，引入化学稳定技术（如专用乳化剂或表面活性剂）对于这些燃料的商业和实际应用是不可或缺的。本研究提供了评估这些添加剂在后续研究中效果所需的基本基础数据。总之，该研究表明，由咖啡渣制成的油作为一种可持续的替代海洋燃料具有潜力，前提是能够建立足够且稳定的供应链。然而，在实际应用和商业推广方面，必须克服两个关键挑战：一是影响燃料稳定性的快速相分离现象，二是燃烧过程中氮氧化物（NOx）排放量显著增加的问题。虽然本研究没有直接与其他生物燃料（如FAME或HVO）进行定量比较，但作者认为这是需要进一步研究的关键领域。因此，未来的研究应重点开发化学添加剂以提高长期储存稳定性，并对多种生物燃料混合物进行性能对比评估。此外，整合先进的减排技术对于确保 cbg（咖啡渣油，此处可能为CGO的误写）在海洋行业的环境效益和商业可行性至关重要。