初始含水量对蒙古栎（Quercus mongolica）热解过程中产物分布、燃料性质及能量回收的影响

《Journal of the Energy Institute》：Effect of Initial Moisture Content on Product Distribution, Fuel Properties, and Energy Recovery during Torrefaction of Quercus mongolica

热解碳化过程中初始水分含量对蒙古栎固体、液体及气体产物产率及特性的影响研究。通过260℃热解30分钟发现，随着初始水分含量增加，固体产率降低而液体产率升高，干燥条件促进碳富集和热值提升，但实际应用中15-25%水分含量可平衡燃料性能与过程效率。

　　

朴顺荣|杨智旭|李在忠

韩国国家森林科学研究所森林工业材料部门

摘要

热解是一种有效的预处理技术，可以提高木质生物质的燃料性能；然而，在实际条件下，初始含水量对热解过程的影响尚未得到充分理解。本研究使用蒙古栎（Quercus mongolica）这一典型的硬木物种，探讨了初始含水量对热解行为和产品特性的影响。热解在260°C下进行30分钟，初始含水量分别为0%、15%、25%和35%。随着含水量的增加，固体产率降低，而液体产率增加，气体产率相对稳定。无水条件促进了脱水和脱羧反应，从而提高了碳含量和固定碳含量，使能量产率最高。相反，较高的含水量引发了吸湿辅助反应，抑制了挥发作用，降低了固体产物中的碳浓度。元素分析和近似分析显示，随着含水量的增加，挥发性物质含量增加，燃料比降低。热解固体的高位热值相对于原始生物质有所提高，但在较高含水量下逐渐下降。值得注意的是，在15%和25%的含水量条件下，热值没有统计学上的显著差异。液体产物主要由呋喃类和丁香酚类酚类化合物组成，这反映了硬木生物质的结构特性，而气体产物主要由CO₂组成。总体而言，尽管零含水量热解获得了最高的燃料质量，但15–25%的初始含水量在燃料性能和工艺效率之间提供了最实用的平衡。

引言

生物质作为一种可再生且碳中性的能源资源，因其能够减少对化石燃料的依赖而受到持续关注[1]、[2]、[3]、[4]。在各种生物质资源中，木质生物质被认为是一种有前景的固体燃料，因为它具有相对稳定的供应量，并且与现有的燃烧和热回收系统高度兼容[5]、[6]、[7]。然而，原始木屑直接用作燃料时存在一些局限性，包括能量密度低、含水量高以及由于物种、粒度和储存条件的不同而导致的性质不均匀[8]、[9]。为了克服这些缺点，热解被提出作为一种有效的预处理技术。热解通常在200–300°C的较低温度下进行，通过热处理去除水分并引发部分挥发和脱氧，从而提高固体燃料的热值和能量密度[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。因此，热解后的生物质具有更高的疏水性和更好的可研磨性，从而改善了储存和处理性能，使其可以作为煤炭的替代品或共燃燃料。

最近的研究和综述也强调，热解的效果在很大程度上取决于热处理前的原料特性，因为生物质的不易热解性、亲水性和不均匀性直接影响预处理要求、工艺控制和最终产品的一致性。特别是，木质纤维素生物质的高含水量会增加热化学转化成本，使储存和处理更加复杂，并使得在实际操作条件下难以标准化预处理条件[15]、[16]。

基于这些原因，过去几十年里对热解进行了广泛的研究，大多数研究集中在工艺温度和停留时间对固体燃料性能、质量产率、能量产率和反应机制的影响上[13]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。虽然这些研究有助于深入了解热解行为，但它们通常使用含水量非常低的生物质或经过烘干处理的原料，以确保实验的可重复性和简便性[12]、[25]。这种实验倾向有助于分离热处理强度的影响，但也意味着实际原料含水量的作用往往被简化或仅被视为一个预处理问题。最近的研究表明，热解前的水分管理并非一个简单的操作步骤：干燥强度会影响燃烧效率、排放行为、能源需求以及热解产品的质量一致性，而深度干燥研究进一步表明，内部水分迁移、颗粒尺度扩散阻力和干燥质量可以改变生物质在热处理过程中的行为[15]、[26]。因此，实际条件下木质生物质的内在特性（尤其是初始含水量）对热解行为和产品特性的影响尚未得到充分研究。

生物质中的初始含水量通常被视为需要在过程早期去除的水分；然而，它可以在整个过程中以多种方式参与热解反应[25]、[27]、[28]、[29]。水分不仅需要潜热来蒸发，直接影响工艺能量效率，还可能与其他脱水及脱羧反应竞争，或者在某些条件下通过吸湿辅助反应促进液体和气体产物的形成[30]、[31]、[32]、[33]。最近的研究提供了实验证据支持这一观点。例如，改变热解前木屑的初始含水量会改变氢含量、挥发性物质、固定碳含量、气体组成以及燃烧相关行为，表明含水量是优化热解以获得所需产品特性的关键参数。干热解和湿热解的比较研究也表明，水分的存在会显著改变碳保留量、能量产率、点火行为以及液体产物的组成，包括乙酸、糠醛和酚类等氧化合物。这些发现表明，水分不仅仅是一个需要蒸发的被动负担，而是一个影响产品分布和燃料升级路径的过程相关变量[16]、[26]。随着含水量的增加，脱水反应可能相对占据主导地位，从而影响碳富集程度、氧去除效率和固体产物的整体能量回收率。尽管生物质预处理和热解过程中水分的作用越来越受到关注，但大多数研究主要集中在干燥策略、湿润气氛或干热解与湿热解的比较上，而将初始含水量作为干热解主要变量的研究仍然有限[34]、[35]、[36]。

在实际工业应用中，木质生物质通常根据供应链、储存条件和季节变化含有不同水平的水分。在连续操作过程中保持生物质处于烘干状态需要额外的干燥成本和能源投入。从工业角度来看，这个问题不容忽视。最近的分析指出，原材料的预处理，尤其是生物质干燥，占据了热解生物质生产成本的很大一部分，而干热解系统通常是为低含水量原料设计的，通常需要在热升级前进行预干燥。因此，了解热解性能在实际含水量范围内的变化对于实验室解释以及经济和操作相关性至关重要[16]、[37]。因此，为了正确评估热解过程的性能和适用性，有必要超越理想化的干燥条件，考虑不同含水量下的反应行为和产品特性。从这个角度来看，系统地研究初始含水量如何影响固体燃料质量、产品分布和能量回收行为对于建立现实和高效的热解操作条件至关重要。

因此，本研究探讨了不同初始含水量下木质生物质的热解过程，并系统分析了水分变化对固体、液体和气体产物的产率、燃料性能以及能量回收特性的影响。与许多仅强调热解温度、停留时间或通用干燥预处理的研究不同，本研究将初始含水量作为核心实验变量，评估其对产品分布以及热解固体燃料的质量和能量性能的影响。通过定量阐明初始含水量在热解过程中的作用，本研究旨在为定义平衡工艺性能和适用性的实际和高效热解操作条件提供基本见解。

部分摘录

原料准备

在本研究中，使用了蒙古栎（Quercus mongolica），这是一种在韩国广泛分布的落叶硬木物种，作为实验原料[38]。样品来自树龄超过30年的Q. mongolica树木，收获后经过风干处理。为了确保热解过程中的样品均匀性，所有生物质样品在处理前都进行了机械粉碎，仅选取了尺寸在10至25毫米之间的颗粒。

含水量对热解过程中质量产率的影响

热解产物的质量产率根据初始含水量有所不同（图2）。在干燥条件下（0%含水量），固体产率最高，为83.74%，而液体和气体产率分别为9.80%和6.46%。当含水量增加到15%时，固体产率降至76.84%，液体产率增加到17.55%，同时气体产率略微下降至5.61%。

这一趋势表明...

结论

本研究使用蒙古栎（Quercus mongolica）这一典型的硬木物种，系统地研究了初始含水量对热解行为和产品特性的影响。全面评估了固体、液体和气体产物的产率、燃料性能、化学组成和能量回收特性，以阐明热解过程中的水分作用。

质量产率的分析显示，随着含水量的增加...

作者贡献声明

朴顺荣：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、概念化。杨智旭：验证、研究、正式分析、概念化。李在忠：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论、资金获取、概念化

声明和声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究生成或分析的所有数据都包含在发表的文章及其补充信息文件中。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家森林科学研究所（项目编号：FP0900-2022-01-2026）的支持。