烘焙对生物质理化特性影响综述与秸秆烘焙研究前景分析

谢腾，丛宏斌，赵立欣，邱凌，姚宗路，张天乐，霍丽丽

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.农业农村部规划设计研究院 农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125；3.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

我国秸秆理论资源量达到10亿t左右，其能源化利用对促进我国北方农村地区清洁供暖具有重要战略意义[1-3]。能源化利用技术是秸秆资源利用的最有效方式之一，主要包括直接燃烧、热解气化及厌氧发酵等[4-5]。农作物秸秆能源密度低、燃料特性不佳等，是阻碍秸秆能源化利用的重要原因之一。

烘焙是生物质能利用的常用预处理方法，烘焙预处理后的生物质主要应用于燃烧、热解、气化等[6-7]。烘焙可提高秸秆的燃料品质，表现在热值、能量密度、疏水性、含水率等方面[8-9]。相关学者开展了烘焙预处理对生物质热解特性的影响研究并取得重要研究结论[10-28]，但研究涉及原料广泛，对秸秆烘焙工艺和应用前景的探讨明显不足。

本文旨在阐述近年生物质烘焙技术的研究进展，综述烘焙对生物质燃料特性和热解特性的影响，并针对我国农作物秸秆的能源化利用，分析秸秆烘焙处理要解决的主要技术问题，并对秸秆烘焙研究提出建议，以期为秸秆烘焙技术研究与应用提供参考。

1 烘焙对原料燃料特性的影响

1.1 烘焙对燃料特性的改善

烘焙可提高原料的活化能。Georgios等[13]研究发现烘焙使生物质活化能提高约25%，与Tharaka[14]、Tian[15]等研究结果相似。Singh等[16]研究烘焙对木豆秸秆理化特性的影响，结果表明，O/C、H/C均随着温度的增加而减小；温度为275 ℃，滞留时间为45 min时，木豆秸秆热值增加28.6%；随着烘焙程度的增加，木豆秸秆表现出良好的燃烧特性，半纤维素和纤维素的活化能分别增加32.5%，28.2%。

烘焙可提高生物质热值和能量密度。Cardona等[17]研究温度和滞留时间对桉树残余物烘焙的影响，并且引入新的响应变量能量增益和新测试方法对烘焙进行评价，表明燃料的能量密度比未处理原料增加29%，烘焙后燃料特性与自燃煤相似。Oh等[18]以辣椒秸秆为原料开展烘焙试验，结果表明温度越高和滞留时间越长，质量损失越严重、烘焙后产物热值越高，热值和质量损失线性相关。

烘焙可提高生物质的研磨性能和疏水性能。Chen等[19]研究了烘焙对棉花秸秆热解产物产率和品质的影响，结果表明烘焙可提高棉花秸秆的研磨性能和疏水性，与Li等[10，20]研究结果相似。另外，陈勇等[21]研究发现烘焙可提高玉米秸秆研磨性和疏水性，烘焙固体产物含氧官能团数量减少氧含量大幅降低，固定碳和热值逐渐升高。

烘焙条件对燃料产率的影响。Gabriel等[22]对油棕烘焙产物进行热重特性分析，研究升温速率、烘焙温度和滞留时间对烘焙的影响，结果表明燃料质量产率主要由烘焙温度决定，滞留时间和升温速率对质量产率的影响较小，与叶扬天等[23]研究结果相似。闻蕾等[24]研究烘焙条件对生物质特性的影响，结果表明烘焙滞留时间与燃料产率呈负相关。

1.2 烘焙产生的气相与液相产物

烘焙可明显改善生物质燃料特性，但也会产生气相、液相副产物。Bor-Sen等[25]研究烘焙温度和滞留时间对杏仁壳冷凝产物特性的影响，结果表明随着温度和滞留时间的增加，冷凝液相产物总热值和产率随着温度和滞留时间的升高而增加。Ma等[26]研究木质素烘焙产物的化学结构及特性，研究表明液相产物主要为乙酸、P型、G型酚类。

张雨等[27]研究了温度对烘焙过程中气、液、固三相产物的组成及特性的影响，结果表明随温度升高液相产物中酸类含量先增加后减少，酚类、酮类含量逐渐增加；气体产物有二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和甲烷，其中二氧化碳含量最高。Chen等[28]研究烘焙对固、液、气三相产物的影响，同样发现气体产物主要是CO2(52.9%～73.8%)、CO(26.3%～39.2%)；液体产物主要是水、焦油(酸、呋喃、酮、酚类)等；烘焙温度从210 ℃升到300 ℃，稻壳中9.5%～63.2%氧迁移到气体、液体产物中(H2O>CO2>CO)。表1为烘焙对生物质燃料特性影响的研究方法与主要结论。

表1 烘焙对生物质燃料特性影响的研究方法与主要结论Table 1 Research methods and main conclusions on the effects of torrefaction on the characteristics of biomass fuels

2 烘焙对秸秆热解特性的影响

2.1 烘焙对热解炭的影响

烘焙不仅可以改善生物质燃料特性，作为预处理方法，还有助于提高生物质热解产物的品质。Bai等[29]研究烘焙对小麦秸秆热解特性的影响，发现烘焙提高小麦秸秆炭固定碳含量、热值、燃料比，减少氧含量以及H/C和O/C比；液体产物乙酸含量减少，甲酯含量提高。Zhang等[30]研究发现烘焙温度与热解炭产率呈正相关，与液体产率呈负相关，对气体产物影响较小；烘焙对热解炭燃料特性影响较小，对热解炭孔隙度和内部结构有着重要的影响，烘焙预处理后所得生物炭比表面积增加且孔隙率结构得到扩展，烘焙温度280 ℃，所得生物质热解炭比表面积可达到 2 679 m2/g，孔体积为1.888 3 cm3/g。陈涛等[31]研究酸洗-烘焙预处理对生物质热解产物的影响，结果表明联合预处理可减少稻壳中碱金属和碱土金属含量，增加固定碳含量、热值，减少H、O元素含量。

烘焙可改变热解炭化学结构。Neupane等[32]研究烘焙对松树枝热解的影响，发现烘焙使半纤维素脱乙酰、分解，木质素中醚键断裂、脱甲氧基化，与Ravishankar等[33]研究结论相似，导致生物炭中环芳烃含量增加；非催化裂解中酚类化合物含量与烘焙温度呈正相关，呋喃类化合物含量与烘焙温度呈负相关；催化裂解中烘焙温度225 ℃、滞留30 min和烘焙温度250 ℃、滞留15 min时芳香烃增加明显，热解炭产量是非催化裂解的1.6倍。Zheng等[34]研究烘焙对催化裂解的影响，结果发现烘焙减少芳香族化合物产量，与Chen等[35]的研究结果相似，提高半纤维素和木质素快速催化裂解过程中苯、甲苯、二甲苯的选择性，这与Zhang[30]、Ravishankar[33]等研究结论相似。烘焙对生物质热解炭的疏水性有一定影响。Gogoi等[36]研究烘焙预处理对槟榔果壳热解特性的影响，发现烘焙后槟榔果壳热解炭中金属离子As有较高的去除效率。

2.2 烘焙对热解液体产物的影响

郝宏蒙[37]、杨晴[38]、Cheng[39]等研究烘焙预处理对小麦秸秆热解特性的影响，发现烘焙预处理减少热解油中水分和酸类含量，提高酚类含量，热解油品质提高，与Suchada等[40]研究结果相似。Sun等[41]研究烘焙对烟草秸秆热解的影响，发现经烘焙预处理后热解油中酚类和酮类分别增加到62%，42%；酸类的含量从35%降低到4%；芳香烃含量达到22%。Gogoi等[36]研究烘焙预处理对槟榔果壳热解特性的影响，发现经烘焙后热解槟榔果壳得到的生物油脂肪族类和酚类含量更高。

Chen等[42]研究橡胶树木屑烘焙预处理对其热解特性的影响，发现热解生物油中的含氧化合物(如：酸和醛)的含量随着烘焙温度的升高而降低，表明高温烘焙会降低生物油中的氧含量。Zhang等[43-44]研究稻壳酸洗-烘焙两级预处理对其热解特性的影响，发现稻壳反应活化能提高，热解油中酚类糖类含量增加，高热量的小分子组分的增加提高生物油的稳定性，这有利于生物油的储存和后续利用。

陈涛等[31]研究酸洗-烘焙预处理对生物质热解产物的影响，发现浸渍烘焙预处理减少秸秆中碱金属含量，进一步改善了生物油中苯、甲苯、二甲苯相对含量。Xin等[45]研究烘焙对高含水率草本植物热解的影响，结果表明烘焙使得高位热值提高8.1%～39.5%，280 ℃烘焙使热值提高到23.3 MJ/kg；烘焙减少热解油中有机官能团的含氧量和酸类含量。江洋等[46]研究烘焙对秸秆热解特性的影响，发现烘焙温度为290 ℃时，烘焙可提高生物油品质，降低热解油的产率。

Xu等[47]研究烘焙对热解油提质的影响，结果表明烘焙对半纤维素的组成成分影响较大；液体产物主要是酸类和酚类，经过烘焙后热解油中酸类从34.5%降低到13.17%，酚类浓度由21.24%增加到59.9%。胡志超等[48]研究酸洗-烘焙二级预处理对玉米秸秆热解特性的影响，结果表明酸洗对钠、钾、镁等金属离子去除效率分别达到97.53%，81.38%，84.86%，290 ℃ 时两级预处理热解油产率提高127.66%。表2为烘焙对生物质热解特性影响的研究方法与主要结论。

表2 烘焙对生物质热解特性影响的研究方法与主要结论Table 2 Research methods and main conclusions on the effects of torrefaction on biomass pyrolysis

2.3 烘焙对热解气体产物的影响

陈登宇等[49]研究烘焙对玉米秸秆热解特性的影响，发现烘焙对热解气中CH4和H2有一定促进作用，可燃气的热值逐渐增大。车庆丰等[50]研究烘焙对棉花秸秆热解的影响，结果表明随着烘焙温度(200～300 ℃)的升高热解气体产物中CO的产量从51%减少到34%；生物油中芳香烃含量随烘焙温度的升高呈先增大后减少趋势；烘焙能有效降低积炭产生。江洋等[46]研究烘焙对秸秆资源热解特性的影响，发现烘焙温度为290 ℃时，O/C和H/C分别降低约55%和45%；随温度增加，氢气、甲烷含量增加。

3 秸秆烘焙技术研究前景分析

3.1 工艺基础研究方面

秸秆烘焙预处理的影响因素包括原料、烘焙温度、升温速率、滞留时间，其中任一因素都影响热解过程及热解产物分布。相关学者在生物质烘焙预处理对热解产物特性方面已有一定的研究基础，系统研究了烘焙温度、升温速率木质原料燃料特性与热解特性影响，对秸秆烘焙的相关研究还不够系统、深入。秸秆烘焙工艺基础研究方面，应重点解决以下问题。

3.1.1 烘焙对秸秆燃料特性的研究 研究烘焙对降低秸秆含氧量、提高固定碳含量、疏水性、能量密度等方面的影响规律与燃料特性改善机制；研究烘焙工艺条件对液相产物组分影响规律，尤其需分析液相产物中污染组分的形成机制，以尽可能减少污染物的产生。研究烘焙工艺条件对气体产物中的可燃气组分影响规律和可燃气组分的形成机制。

3.1.2 烘焙预处理对秸秆热解特性的研究 研究不同烘焙预处理工艺对秸秆热解特性影响规律，探明秸秆预处理对秸秆品质提升的作用机制，尤其是分析烘焙处理对热解液体组分影响的相关研究较少，而焦油的提质与利用是影响秸秆热解技术推广的重要因素。因此，需分析烘焙预处理后，秸秆热解液体产物的组分分布，加强烘焙预处理对秸秆热解液相产物组分影响与作用机理方面的研究。

3.2 技术应用研究方面

烘焙可改善生物质燃料特性，且烘焙预处理可有效提高热解产物品质，但秸秆烘焙技术应用推广中，仍需进一步开展研究。①研究烘焙处理对秸秆燃料特性改善的同时，综合考虑烘焙处理成本、燃料运输成本、燃料特性改善程度等要素，综合评价秸秆烘焙后能源化利用的应用价值和推广前景。②研究烘焙预处理对秸秆热解物质流和能量流的影响，综合评价烘焙预处理的经济成本、能源成本、环境成本等要素，研究烘焙预处理对秸秆热解的可行性，提出基于秸秆烘焙预处理的秸秆热解工艺路线与应用模式，并开展不同模式的技术经济适用性分析。

4 结论

(1)烘焙可有效改善生物质的燃料性能，主要体现在含水率、固定碳含量、能量密度和疏水性等的改善；烘焙温度对于液体、气体副产物组分具有一定的影响，因气体与液体产物既有资源属性又有污染属性，优化烘焙工艺，减少污染物排放是影响秸秆烘焙技术推广应用的重要因素。

(2)烘焙预处理对生物质热解产物的分布及其特性具有明显影响，生物质热解炭产率增加，主要是由于烘焙使得半纤维素和部分纤维素分解，大量未分解的木质素和一部分纤维素经历热解过程，而木质素热解产物以生物炭为主；热解液体产物中酸类和水分含量减少，酚类和酮类含量增加；经预处理后烘焙后热解气中一氧化碳、二氧化碳含量降低，甲烷和氢气含量提高，热解气品质提高。

(3)相关学者在生物质烘焙预处理对热解产物特性方面的研究已经有一定的基础，但对秸秆烘焙的相关研究还不够系统深入。研究烘焙预处理对秸秆热解物质流和能量流的影响，综合评价烘焙预处理的经济成本、能源成本、环境成本等要素，研究烘焙预处理对秸秆热解应用的可行性，有助于秸秆烘焙预处理技术推广。