利用乳木果饼和果壳制备的成型燃料质量评估

《South African Journal of Chemical Engineering》：ASSESSMENT OF THE QUALITY OF BRIQUETTES PRODUCED FROM SHEA CAKE AND SHELLS

　　

乳木果饼和乳木果壳是加纳北部乳木果油工业产生的主要但未充分利用的残余物，代表了一种本地丰富的生物质资源，可升级为更清洁的固体燃料。本研究旨在系统评估由乳木果饼和果壳生产的成型燃料的物理化学、机械和燃烧质量。研究在塔马利市和萨格尼古市进行。从10个加工中心收集的残余物制备了复合样品（约330公斤果壳和270公斤饼），并使用全因子设计（2×3，三次重复；18种产品）生产成型燃料，变量包括原料类型（仅饼、仅壳、壳+饼）和粘结剂系统（纸、粘土、纸+粘土），粘结剂含量为10%、20%和30%。材料经日晒干燥，研磨至2.5毫米，在1500 psi压力下压缩成圆柱形成型燃料，并风干三周。纸基粘结成型燃料表现出极高至高易燃性，具有最高的高位发热量（HHV）（特别是90%果壳和10%纸的样品达19.5 MJ/kg），以及最低的灰分含量（3.5–4.0%），适用于高效的家庭烹饪。相比之下，富含粘土的成型燃料实现了更高的压实度和最长的燃烧时间（长达60分钟），但降低了HHV并增加了灰分，适合持续加热应用。这表明，优化、标准化的生产可以使乳木果废料成型燃料成为一种实用的循环经济途径，以扩大乳木果生产社区的可再生家庭和小规模工业能源选择。

**论文解读：乳木果废料成型燃料的理化与燃烧性能评估研究**

**研究背景与问题**
全球范围内，特别是发展中国家，仍有超过三十亿人依赖传统生物质燃料（如薪柴和木炭）进行烹饪和取暖。这种对木材燃料的持续依赖与森林砍伐、荒漠化及社会经济挑战加剧密切相关。在加纳，尽管家庭对木材燃料的依赖从2010年的73.9%降至2021年的54.3%，但森林砍伐仍是一个重大问题，该国已失去约20%的森林覆盖，被列为全球森林砍伐最严重的国家之一。木材燃料的燃烧还会释放有害污染物，加剧呼吸系统等健康问题。因此，迫切需要可持续且环保的能源选择，以满足家庭和小规模工业能源需求，同时减轻对森林生态系统的压力。农业生物质废弃物已被认为是生产固体燃料的可行、经济且环保的原料。生物质成型燃料由压实的农业残余物制成，因其一致的燃烧特性和减少生物质废弃物的能力，已成为传统化石燃料的可行替代品。

在更广泛的生物质背景下，乳木果饼和果壳是西非稀树草原地区乳木果油工业的重要但未充分利用的副产品。乳木果油生产产生大量固体废物，特别是乳木果饼和果壳，这些废物通常被丢弃、焚烧或在当地低效地用作低质量燃料。这些残留物带来了废物管理挑战，同时也是乳木果产区未充分利用的可再生能源资源。先前研究表明，乳木果残留物具有适用于能源应用的有利理化特性，包括较高的碳含量、较低的硫浓度和相对较高的热值，表明其适合作为清洁的固体生物燃料。然而，在优化和统一评估乳木果副产品生产的成型燃料质量方面仍存在障碍。不同研究在工业分析、元素分析、燃烧行为和点火性能方面的差异表明，成型燃料质量受原料成分、加工方法和粘结剂选择变化的影响。此外，方法学上的差异，如不一致的测试方案和变化的实验条件，限制了现有研究结果的可比性和普遍性。尽管现有文献对生物质致密化、热解条件和成型燃料生产的粘结剂选择提供了广泛的见解，但关于这些因素对乳木果饼和果壳制成的成型燃料的机械、物理化学和燃烧性能的协同效应的实证证据仍然零散。鉴于乳木果副产品的地理普遍性和已确定的能源潜力，对传统农业残余物的研究占主导地位，导致对乳木果副产品的实证关注不足。这一差距限制了乳木果废料最佳成型工艺的开发，并阻碍了其作为可持续固体燃料的更广泛接受。本研究通过系统分析其物理化学和性能特性，评估了由乳木果饼和果壳制成的成型燃料的质量，旨在通过解决方法学缺陷和整合成型燃料质量知识，改善乳木果副产品作为可再生能源的可持续利用。

**关键技术方法**
本研究在加纳北部地区的塔马利市和萨格尼古市进行，样本来源于当地10个乳木果油加工中心。研究采用了实验研究设计、因子设计和描述性研究设计相结合的方法。原料样本（约330公斤果壳和270公斤饼）经日晒干燥、研磨至2.5毫米粒径后，采用全因子设计进行成型燃料制备。实验设计为2×3因子（两个因素，各三个水平，三次重复），共产生18种产品。自变量为原料类型（仅饼、仅壳、壳+饼）和粘结剂系统（纸、粘土、纸+粘土），粘结剂添加水平设定为10%、20%和30%。所有混合物均在1500 psi（10.34 MPa）的恒定压力下压缩成圆柱形成型燃料，随后风干三周。对成品成型燃料的质量评估包括堆积密度、水分含量、易燃性、热值（高位发热量，HHV）、灰分含量、挥发分含量和燃烧持续时间等指标，并采用单因素方差分析（ANOVA）进行统计分析。

**研究结果**
**4.1 成型燃料质量评估**
研究对18种不同配方的成型燃料进行了全面的质量评估，主要结果总结如下：
* **堆积密度**：成型燃料的密度在760至990 kg/m³之间。富含粘土的样品（如A3: 70%饼+30%粘土；C3: 35%饼+35%壳+30%粘土；F3: 70%壳+30%粘土）密度最高，表明其压实度更好，结构更稳定。而纸基粘结的样品（如B2, B3, E2, E3）密度最低，结构相对疏松。
* **水分含量**：所有样品的水分含量在5.5%至8.2%之间，处于较低水平。纸基样品（B和E系列）水分含量相对更低。较低的水分含量有利于提高易燃性和热值。
* **易燃性**：根据点火时间，易燃性被分为极高、高、中等、低、极低等级。纸基成型燃料（B和E系列）表现出最高的易燃性，这归因于纸张作为轻质、易点燃材料的存在。粘土基样品易燃性较低。
* **热值（高位发热量，HHV）**：热值范围在15.5至19.5 MJ/kg之间。纸基粘结的样品显示出最高的热值，特别是B1（90%饼+10%纸）和E1（90%壳+10%纸），分别达到19.2 MJ/kg和19.5 MJ/kg。相反，富含粘土的样品（如C3和F3）热值最低。
* **灰分含量**：灰分含量在3.5%至7.4%之间。纸基成型燃料的灰分含量最低（3.5–4.0%），有利于清洁燃烧和减少灰渣处理。粘土基成型燃料的灰分含量较高（如C3和F3约为7.4%）。
* **挥发分含量**：挥发分含量在57%至74%之间。纸基样品（如B3和E3）挥发分含量最高（73-74%），这导致其燃烧迅速、易燃性高。壳+粘土样品（F系列）挥发分含量最低（57–60%），燃烧更慢。
* **燃烧持续时间**：燃烧时间在28至60分钟之间。粘土基样品（如F3和C3）燃烧时间最长（分别达60分钟和55分钟），适合需要持续供热的场合。纸基样品（如B1, B2, E1）燃烧时间最短（28-30分钟），因其高易燃性和快速能量释放特性。

**讨论与结论**
**讨论部分**：研究人员将本研究结果与现有文献进行了对比和讨论。在密度方面，高粘土含量带来的高密度与Isah等人（2021）关于乳木果壳高固定碳增强机械强度的报告一致，但与Tanko等人（2023）关于过量粘土可能导致脆性的发现存在差异，这可能源于粘结剂分散性和压实压力的不同。水分含量低于10%有利于快速点火，这与Senchi和Yusuf（2020）的结论相符，而纸基样品的高易燃性可由其高挥发分和低水分含量解释（Umar等人，2021）。热值结果与Mohammed和Adeoti（2023）报告的未碳化乳木果壳成型燃料热值（19.5 MJ/kg）相似，证实了乳木果残留物的高能潜力。纸基样品高热值与高挥发分促进燃烧效率的观点一致（Umar等人，2021），而粘土基样品热值较低则支持了矿物粘结剂虽增强结构但可能降低总能量输出的观点（Tanko等人，2023）。低灰分含量（特别是纸基样品）与Senchi和Yusuf（2020）的报告一致，有利于清洁燃烧。高挥发分含量（如B3和E3）解释了其快速点火和较短燃烧时间，而粘土基样品中适中的挥发分与高固定碳结合则实现了更稳定、持久的燃烧（Isah等人，2022021）。燃烧时间与密度/粘结剂类型的关联表明，需要在机械耐久性、燃烧效率和空气流通性之间取得平衡。

**结论**：研究表明，利用乳木果饼和果壳生产的成型燃料具有良好的生物燃料潜力。纸基粘结成型燃料具有更高的热值、更快的点火速度和更低的灰分含量，适合家庭烹饪等需要快速高效供能的场合。粘土基粘结成型燃料则具有更高的密度和更长的燃烧持续时间，适合需要持续加热的工业应用。粘结剂的类型和比例显著影响成型燃料的能量性能和结构质量，因此优化生产工艺至关重要。所生产的成型燃料的理化性质符合国际公认的固体生物燃料质量指标，证实了其在商业化和推广方面的可行性，特别是在家庭和小规模工业能源市场。总体而言，该研究支持将乳木果废料成型燃料化作为一种基于循环经济的途径，以应对农村能源贫困，增强环境可持续性，并支持加纳的可再生能源转型。