《Biomass and Bioenergy》：Influence of operating conditions on pyrolysis of oil palm mesocarp fibre biomass for sustainable biochar production and energy recovery
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本文聚焦于油棕产业的循环生物经济转型，研究了油棕中果皮纤维(MF)在实验室规模的管式反应器中进行慢速热解的过程。通过采用部分因子实验设计(DoE)，系统评估了温度(300-700?°C)、N2流量(0.5-1 SLPM)、升温速率(5-15?°C min-1)、停留时间(30-90?min)和颗粒尺寸(粒状/压块)等关键工艺参数对生物炭理化性质的影响，并同时评估了生物合成气和生物油的质能潜力。研究发现，温度是影响所有响应的主导因素，在500-700?°C条件下制备的生物炭具有高稳定性，且热解过程理论上可实现能量自给，为哥伦比亚农工业领域的脱碳进程提供了有力支持。
棕榈油是全球产量最大的植物油，但其生产过程中产生了大量的油棕生物质残渣(OPB)，例如空果串(EFB)、中果皮纤维(MF)和棕榈仁壳(PKS)。这些残渣目前主要用于能源生产、堆肥和动物饲料，其价值尚未被充分开发。随着全球能源需求的增长和向低碳经济转型压力的增加，如何高效、高值化地利用这些农业废弃物，推动油棕产业向循环生物经济发展，成为一个亟待解决的关键问题。传统的热化学转化技术，如热解，可以将生物质转化为生物炭、生物油和生物合成气等高价值产品。生物炭因其在环境修复、农业改良、能源储存和工业催化等多领域的广泛应用而备受关注。然而，热解产物的产量和性质强烈依赖于原料特性和操作参数，预测和控制这些输出结果仍具挑战性。尽管已有许多研究探讨了不同生物质的热解，但针对油棕中果皮纤维，系统考察多个操作参数及其交互作用对生物炭理化性质及共生产物能量回收潜力的研究尚不充分。为了填补这一空白，来自英国格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的研究团队，在《Biomass and Bioenergy》期刊上发表了一项研究，系统探究了油棕中果皮纤维(MF-Raw)的慢速热解过程。
研究人员为开展此研究，主要运用了以下几种关键技术方法：首先，采用部分因子实验设计(DoE)结合统计分析软件Minitab，系统筛选和评估了温度、N2流量、升温速率、停留时间和样本尺寸五个因素对热解过程的影响。其次，在实验室规模的卧式石英管反应器中进行批次热解实验，并连接冷凝、气体净化和在线气体分析仪系统，以收集和表征固体(生物炭)、液体(生物油)和气体(生物合成气)产物。第三，通过热重分析(TGA)和元素分析仪分别进行工业分析和元素分析，以确定原料和产物的水分、挥发分、固定碳、灰分以及碳、氢、氮、氧含量。第四，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了原料和生物炭的官能团变化。最后，基于产物产率和高位热值(HHV)计算，进行了系统的质量和能量平衡分析，以评估工艺的能量自给潜力和剩余能量。研究使用的油棕中果皮纤维样本由哥伦比亚北部的Daabon集团提供。
3.1. 生物质原料特性
对原料油棕中果皮纤维(MF-Raw)进行了表征，其水分含量(收到基)为3.35 wt%，挥发分含量高(79.44 wt%, 干基)，固定碳为11.42 wt%，灰分为5.79 wt%。元素分析显示其碳、氢、氮含量(干基)分别为45.96%、6.79%和1.05%，计算出的高位热值(HHV)为20.07 MJ kg-1。这些数据表明MF-Raw是一种适合热解转化的生物质原料。
3.2. 质量平衡
通过标准效应正态概率图分析了各操作因素对生物炭、生物合成气和生物油产率的影响。温度是所有产品产率的最主要影响因素。生物炭产率随温度升高而显著下降，从300°C时的54.26 wt%降至700°C时的27.88 wt%。生物合成气产率则随温度升高而增加，从9.07 wt%增至24.71 wt%。生物油产率在500°C时达到峰值(约50.98 wt%)。停留时间对生物炭和生物油产率有负向影响，但其与温度的交互作用(AD)可部分抵消个体损失。氮气流量、升温速率和颗粒尺寸的主效应相对较弱，但它们与其他因素的交互作用(如BD、BC、CE、DE等)对一些产物产率有显著影响。颗粒尺寸本身对产物产率无显著统计影响。总体而言，热解产物的质量分布主要由温度和停留时间主导。
3.3. 能量平衡
选取了300°C、500°C和700°C三个代表性工况进行能量平衡分析。能量在产品中的分布以生物油(占总能量含量的46.63-56.97%)和生物炭(31.45-52.33%)为主，生物合成气贡献较小(1.04-16.07%)。热解过程所需的外部能量输入(Qpyro)随温度升高而降低，在300°C时最高(5.83 MJ kg-1)，在500°C和700°C时显著降低(约2.06和1.98 MJ kg-1)。分析表明，在所有测试温度下，假设热解能量效率高于50%，利用生物合成气和生物油的能量理论上可满足甚至超过热解过程自身的能量需求，实现能量自给，并产生可用能量盈余(Qusable)。能量盈余在500-700°C时达到最佳(13.75-14.71 MJ kg-1)。
3.4. 官能团分析
通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了原料及300°C、500°C、700°C下制得生物炭的官能团变化。随着热解温度升高，代表O-H、C-H、C=O、C-O-C等官能团的吸收峰强度逐渐减弱甚至消失，表明生物质中的纤维素、半纤维素、木质素等组分在热解过程中发生了热降解。在300°C时，部分官能团仍然存在；到500°C和700°C时，生物炭的谱图趋于平坦，表明形成了高度芳香化和碳化的结构。
此外，文章还通过建立经验模型详细分析了各操作参数对生物炭元素组成(碳、氢、氧)、固定碳含量、H/C原子比、O/C原子比以及挥发分与固定碳比值(VM/FC)等关键性质的影响。结果表明，温度同样是影响生物炭性质的最主要因素。升高温度导致生物炭的碳含量和固定碳含量增加，氢、氧含量以及H/C、O/C原子比下降。在500°C和700°C下生产的生物炭，其H/C原子比和VM/FC比值均低于0.4，表明其具有高稳定性和长期的碳封存潜力。
本研究系统阐明了操作条件对油棕中果皮纤维慢速热解产物分布、性质及能量回收的综合影响。核心结论指出，热解温度是调控过程所有输出的压倒性主导因素。在500-700°C的较高温度下进行热解，可以在获得高稳定性、适合长期碳封存和土壤改良应用的生物炭的同时，实现最佳的产物能量产出和可观的过程能量盈余(13.75-14.71 MJ kg-1)，理论上使能量自给型热解成为可能。这为利用油棕加工残渣生产高附加值生物炭和能源产品提供了明确的工艺窗口。该研究不仅增进了对多参数交互作用下热解过程的理解，而且通过结合实验设计与能量分析，为设计可持续、高效率的生物质转化系统提供了科学依据。研究结果突出了MF衍生生物炭在油棕种植园工业应用中的强大适用性，例如作为土壤改良剂、碳储存载体以及水和养分保持剂，有望为哥伦比亚乃至全球农工业领域的脱碳和循环生物经济发展做出实质性贡献。
