减污降碳目标下农林废弃物的回收利用

孙王虎 孙誉宁 杨彤 刘晨

摘要 农业、林业生产中的生物质废弃物价值低、体积大、质地乱、含水量大，回收成本高，焚烧处理则会直接产生二氧化碳、粉尘等污染物，还田、填埋不仅会产生二氧化碳，还会产生温室效应更强的甲烷。针对这一难题，项目组在大量研究的基础上发明了一种就地破碎、碳化、筛分、回收的设备，实现了农林废弃物回收的就地化、无机化、同质化和轻量化，并在此基础上，将碳化产物用来生产碳基材料，然后将碳基材料用于大量的建筑工程，提出了农林废弃物资源化利用的新路径。其中，生物质废弃物的收集是前提，合理的碳化工艺是保障，碳基材料的广泛应用是关键，减污降碳是目的。该路径不仅有利于实现碳达峰、碳中和，还能节约资源，具有较高的经济、生态与社会效益。

关键词 生物质；温室气体；碳基材料；碳化

中图分类号：X71 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）04–0150-04

美国工程院院士David T·Allen 指出，“大气中每千克甲烷的气候暖化效应是每千克二氧化碳暖化效应的120倍。虽然随着排放时间的增长，它会在大气中发生反应产生二氧化碳，但即使在排放20年后，每千克甲烷的暖化效应仍是二氧化碳的84倍，100年后仍是二氧化碳的28倍。因此，它在短期之内是非常强势的温室气体，需要我们给予极大的关注。”中国科学院刘毅研究团队的研究也表明，“在20年尺度范围内，甲烷的增温潜势是二氧化碳的84倍。甲烷的寿命仅有8～11年（约为二氧化碳的1/10），其减排能在较短时间内实现抑制全球升温过快的目的。”美国环境保护署的数据显示，在100年的时间里，一分子甲烷造成的温室效应将是一分子二氧化碳的28～36倍。大气中的甲烷浓度已经从2006年的1 775亿分之一上升至2017年的1 850亿分之一”。据世界气象组织发布的最新数据，2021年大气中甲烷浓度是1750年的5倍。由此可见，无论是在温室效应还是在排放加速方面，人们在关注二氧化碳排放的同时，不能忽视甲烷。

在2021年联合国气候大会上，《中美联合宣言》明确指出，“两国特别认识到，甲烷排放对于升温的显著影响，认为加大行动控制和减少甲烷排放是21世纪的必要事项。”大会召开期间，美国与欧盟还发起了由102个国家共同签署的“全球甲烷承诺”，计划到2030年，将全球甲烷排放量在2020年的基础上至少减少30%。

为了减少甲烷的排放，国内外学者进行了大量的研究，从能源、农业、废弃物三大方面入手进行甲烷减排已成为业内共识。生物质在缺氧的环境内被降解并产生甲烷的过程俗称沼气发酵。研究表明，在总排放源中，生物源占80%，其余的20%被称为非生物源，生物源的甲烷排放成为重中之重[1]。农业的甲烷和二氧化氮排放分别占全国的50%和92%，通过改良饲料可以减少奶牛和其他反刍动物在消化食物时产生甲烷，但是人们正在释放更多的化石燃料排放，同时燃烧更少的木材和其他生物质，也是导致甲烷增加的重要原因之一，因为燃烧产生的是二氧化碳，而生物质厌氧反应就会产生甲烷[2-4]。新西兰科学家Sara Mikaloff-Fletcher也认为“最令人担忧的可能性是那些我们几乎无法控制的可能性，气温升高可能会促使湿地释放更多的甲烷，而大气化学成分的变化可能会减缓甲烷的分解速度。”生物质，尤其是农林废弃物的处理由此成为甲烷减排的关键问题。

农林废弃物主要包括农业、林业生产中的废弃物，广义上应该包括残存在土壤中的植物根系、落叶等生物质。这些物质富含有机碳在漫长、复杂的变化过程中分解成化学性质稳定的单质碳的比例极小，绝大多数生成了二氧化碳、甲烷等碳的化合物，如“垃圾填埋的危害性远大于焚烧”就是这个原因。北方黑土地多主要因为气温低，有机质降解的速度慢，有机质聚集的速度大于降解的速度。秸秆还田不仅有利于土壤团聚体的形成，改善土壤结构和提高土壤肥力，还能够增加耕地的净碳汇。但有研究表明，双季稻区推行保护性耕作的主要措施旋耕秸秆还田对温室效应的贡献最大，秸秆不还田和免耕均有利于减小温室效应，因为免耕措施中秸秆多数处在有氧环境，大大降低了甲烷的生成概率。从温室效应的角度来看，与其生成甲烷，不如转化为二氧化碳[5-9]。

2021年12月23日，《Nature》在线发表了中国农业农村部沼气科学研究所能源微生物创新团队的最新成果，研究发现了一种来自油藏的新型产甲烷古菌，可在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷基烃产生甲烷，成为产生甲烷的第5条途径，突破了产甲烷古菌只能利用简单化合物生长的传统认知——产甲烷古菌仅能通过乙酸发酵、二氧化碳还原、甲基裂解和氧甲基转化4条途径。该项成果提高了人们对产甲烷古菌碳代谢功能的认知，也对土壤固碳的安全性提出了质疑。

农林废弃物的还田、填埋处理，不仅会产生二氧化碳，还会产生温室效应更强的甲烷，而焚烧处理会直接产生二氧化碳、粉尘等污染物，回收利用则因其价值低、體积大、质地乱、含水量大而导致回收成本高、可操作性低[10]。

1 废弃物的回收路径

无机化是指有机碳通过碳化转化为无机碳。有机碳化学性质不稳定，在一定条件下会发生氧化、分解、裂解、微生物发酵等作用，释放出二氧化碳、甲烷等温室气体。而单质碳，如煤、石墨、碳纤维等，在常温条件下，化学性质不活泼。无机化有机碳可有效避免有机碳的二次排放。

同质化是指通过破碎与碳化，使化学、物理性质杂乱的农林废弃物转化为高碳原料。无论是农业秸秆，还是花草树木，经过破碎，其形状、尺寸就能趋同，再经过干燥、碳化，这些物质中的水分挥发就能排出，最终转化为高含碳量的骨料与粉体。

就地化是指就地进行农林废弃物的分拣、破碎、干燥、碳化、收集，不仅能大大减小原料体积和重量，简化原料的分类、收集、转运，还能发展出独立的回收产业，减轻市政环卫等部门的压力。此外，就地化也是为了便于碳化产物被筛分后的尾料、废料就地还田、施肥，以改良土壤。由于经过高温处理后，所有病虫害都被杀灭，易分解的有机物也基本实现了无机化，极大地减少了二次排放与植物病虫害。傅伟军等人的研究也表明，农业废弃物以生物炭（主要是无机碳）的形式利用能直接增加土壤碳库，并且通过改变土壤理化性质和微生物群落结构使甲烷一氧化氮排放减少并新增 SOC，带来可观的减排增汇量。生物炭还能通过增加土壤肥力起到增产作用，并且不会引起病虫害，相比直接还田、好氧堆肥、厌氧发酵和焚烧发电等利用方式，生物炭更全面地发挥了废弃物的资源属性，负面效应少。

轻量化是指通过碳化之后产生的骨料与粉体为绝干状态，重量轻，而且体积也大大缩小，便于运输和储存，降低了固废回收利用的成本。

为了实现上述目标，项目组在大量研究的基础上发明了一种就地破碎、碳化、筛分、回收的设备，其工艺流程见图1。

2 生物质的碳化机理

碳化是指在绝氧、高温的条件下发生热解反应，组成生物质、有机物的聚合物断裂成小分子的挥发物并析出，导致碳剩余和单质碳的形成。根据前期的研究成果，将碳化分为前置处理、初级碳化、中度碳化、深度碳化、高温碳化和改性碳化6个阶段。其中，前置处理是对原料进行分拣、破碎、筛分、修饰、成型等处理，是保障碳化顺利进行，保证碳化产物的形状、尺寸、品质满足技术要求的关键。

2.1 初级碳化

初级碳化的温度为20～200 ℃，对原料进行脱气和干燥，并开始热解，产生的气体主要是水蒸气和挥发物，由于木材内无定形区内水分的流失，导致相邻纤维素之间形成了新的氢键，使得纤维排列更加紧密，而此时热降解反应并未占据主导地位，因此热处理材质的抗弯强度和弹性模量有所增加，碳化产物为绝干状态，竹木材质的强度、耐腐蚀、抗变形等性能增强，并保持原有肌理，适宜制造竹木材质的装饰材料。

2.2 中度碳化

中度碳化的温度为200～300 ℃（与欧规5中的碳化界线300 ℃、北美288 ℃基本一致），生物质与其他部分有机物会发生热分解反应，尤其是半纤维素（200～260 ℃）、纤维素（260～ 310 ℃）等不稳定的成分开始发生分解，其内部结构开始消失，向芳香族结构变化，产生少量的醋酸等液体，以及二氧化碳、一氧化碳、甲烷等可以点燃的混合气体。由于纤维素大分子链断裂形成小分子，破坏了木材的骨架结构，物理结构开始被破坏，由此降低了木材的力学强度。

2.3 深度碳化

深度碳化的温度为300～450 ℃，多数有机物会发生剧烈的热分解反应，如木素发生热解（310～450 ℃），产生甲烷、二氧化碳、一氧化碳、醋酸、焦油等物质，释放出一定的反应热能，由于大量C-O和C-C键的断裂，开始形成碳氢结构、碳化层，导致质量下降，结构变化大，如聚酚结构消失（400～410 ℃），芳香族结构向多环芳香化，单质碳含量逐步提高。

2.4 高温碳化

高温碳化的温度为450～600 ℃，主要发生裂解和芳香化反应，产生一氧化碳、二氧化碳、甲烷等小分子物质，留下大量孔隙，碳網络收缩，随温度的升高，气化成分逐渐减少，已完全形成挥发物，温度对碳含量的影响开始减弱，质量失重趋向稳定，碳含量占90%以上。

2.5 改性碳化

改性碳化的温度为600 ℃以上，多为二次碳化，是根据需要，将以上的碳化产物进行筛分、成型等处理后，并在一定的压力、修饰、包裹等条件下进行碳化，以改变碳基原料的微观结构，提高其性能。

（1）烧结碳化。在一定的条件下进行高温烧结，能显著提高碳基材料的力学性能。如烧结温度从650 ℃升高至800 ℃，木陶瓷的抗压强度从0.21 kN/cm2提高至0.88 kN/cm2。烧结碳化温度多为800 ℃以上，碳化产物抗压强度高。

（2）扩孔碳化。在400 ℃以下时，由于生物质中的气体还未完全溢出，碳的多孔结构尚未形成，此时在试验中基本无法测出木炭的碳化比表面积。因此，生产活性炭就需要采用扩孔碳化，将温度控制在950 ℃左右，以扩大碳的比表面积；

（3）闭孔碳化。由于碳化过程中气体的析出，导致许多孔隙相互连通，不利于保温，就需要对原料进行包裹，使孔隙封闭。

（4）结晶碳化。高温碳化的产物多为无定形碳，是石墨层形结构的分子碎片大致相互平行而又无规则地堆积在一起，力学性能差，因此需要通过结晶碳化，实现其分子的结晶或微结晶。

上述碳化阶段，初级碳化、中度碳化适用于木材热处理，中度碳化、深度碳化适宜固体废弃物的就地回收，深度碳化、改性碳化多被应用于功能材料的制造。碳化工艺因原料、碳化产物的品质需求不同而不同，碳化产物也因碳化工艺的差异而不同，既有骨料又有粉体，需要物尽其用，节约资源。

图1中碳化工艺适用于初级碳化至深度碳化，主要被用于农林废物的就地回收处理，具体碳化温度通过程序设定后，由设备自动控制。高温碳化、改性碳化的产物品质好、价值高，适宜在工厂内进行，其生产工艺取决于碳化产物的性能要求。

在碳化过程中，有的为吸热反应，有的为释放反应热，一般420 ℃以下总体上为吸热反应。为了节约能源，不仅要充分利用余热、废热，还要从挥发物中分离出可燃气体，被用于碳化加热，以实现节能目标。为了避免碳化过程中造成环境污染，不仅碳化中析出的可燃气体、毒害气体必须注入设备内燃烧，最终的尾气排放前需要进行清洗、净化，碳化中生成的混合液体也需进行分离、净化与利用。

3 碳基材料的应用

碳基材料是以碳为主要化学成分的材料，广义上的碳基材料既包括以有机碳为主的木质材料，如木材、竹胶板等，又包括晶体结构不同的各种碳单质材料，如石墨、碳纤维等。碳基材料按形态分为板材、杆材、块材、卷材、涂料、粉体，其中，杆材有木格栅、碳化木等，卷材有旋切木皮等。研究以碳基板材、块材为主。

3.1 碳基板材

碳基板材按构造、饰面状况又分为一体板、毛面板、装饰板，又可根据饰面材质和颜色进一步细分一体板、饰面板，如真石漆外墙板、乳胶漆内墙板、塑胶面楼梯板、烤漆柜门板等。从这些细分类型可见板材的力学性能要求高。

在建筑工程中，碳基板材适宜被制作成墙板之类的构件。结构构件按受力特征可以分为受弯构件、受压构件、受拉构件、受扭构件等。构件受到直接作用（荷载）与间接作用，就会产生内力（如轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形，其最主要的强度指标是拉力、压力。钢筋混凝土就是以钢筋抗拉、混凝土抗压而构成的一种组合材料，因此，碳基材料受力因子也可以分为抗拉因子和抗压因子。板材、杆件等碳基材料是以抗拉强度大、耐腐能力强、耐热温度高的纤维为抗拉因子，如碳纤维、玻纤维、玄武岩纤维、钢丝等，以碳基骨料为抗压因子，以胶结材料将抗拉因子和抗压因子胶结在一起而构成的复合材料，具有突出的轻质高强、节能环保等技术优势。

3.2 碳基块材

碳基块材是以胶结材料将碳基骨料粘接在一起制成方块形状的材料，如碳基砌块、碳基渗水地砖等。碳基块材对骨料的性能要求不高，而且应用范围广，可大量消耗农林废弃物，减少环境污染，并将巨量的碳封存在材料中。

以加气混凝土砌块为例，原建工部建筑科学研究院于1958年开始研究，1962年起建筑科学研究院与北京有关单位研究并试制了加气混凝土制品，2020年我国蒸压加气混凝土生产企业已达2 000家左右，行业产能已攀升至2.8亿m3，实际产量1.9亿m3，最近几年的产能与产量情况如图2所示。

加气混凝土砌块是一种轻质多孔的建筑材料，保温、隔热、防火性能良好，可锯、可钉、可刨，并具有一定抗震能力。碳基砌块不仅具有加气混凝土砌块的优点，还防水、防腐、节能、环保，技术优势更加显著。

3.3 生态效益

目前，我国每年森林采伐、木材加工等过程产生的林业废弃物约1.4亿t，林木修枝等过程产生的林业废弃物为1亿t，农业秸秆约为6.5亿t。这些生物质废弃物处理不善就会产生数十亿t的碳排放。以碳基砌块代替混凝土砌块，不仅可以促进大量农林废弃物的回收利用，还能达到碳封存的目的。以含碳量60%、年产量以1亿m3计算，每年碳基砌块的固碳量达0.42亿t，超过了目前全球43个大型捕获与封存（CCS）项目综合固碳能力的总和3 700万t/年。

4 结论

（1）推行减污降碳既不能急功近利，不考虑在漫长的物理、化学、生物作用下有机碳的二次排放，又不能顾此失彼，只考虑二氧化碳的排放而忽视甲烷的危害。

（2）从上述碳化机理的研究可以看出，采用合适的碳化工艺处理农林废弃物，能科学地实现有机碳的无机化，不仅能大大减少温室气体的排放，还能避免甲烷的产生。

（3）碳化产物用来生产建筑材料，不仅技术可靠，还能实现农林废弃物的资源化利用，更能减少水泥、钢材等高污染、高能耗材料的使用。

（4）采用碳化产物生产建筑材料的效益，不仅要计算传统的经济账，还要计算碳交易的收益，以及节约资源、减少污染的社会效益。

为了实现碳达峰、碳中和的目标，农林废弃物的科学处理问题不仅十分必要，还十分迫切。

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責任编辑：黄艳飞

AbstractWith the characteristic of low-value， large-volume， disordered texture， high water content and high recovery cost， the incineration of biomass waste in agricultural and forestry production will directly produce pollutants such as carbon dioxide and dust， and returning to farmland and landfill will produce carbon dioxide and methane with stronger greenhouse effect. In view of this issue， we develop an equipment for on-site crushing， carbonization， screening and recycling， which achieves the localization， inorganic， homogeneity and lightweight in agricultural and forestry waste recycling. On this basis， the carbonization products are used to produce carbon based materials， and then used in massive construction projects， establishing a new path for the resource utilization of agricultural and forestry waste. In this study， with collection of biomass waste as the premise， by reasonable carbonization process， the extensive application of carbon based materials was the key to achieve pollution and carbon emission reduction. This path was not only conducive to achieving carbon peak and carbon neutralization， but also can save resources， with important economic， ecological and social benefits.

Key words Biomass; Greenhouse gases; Carbon based materials; Carbonization

基金项目 国家自然科学基金项目“长三角地区既有建筑外墙的装配化改造模式研究”（51878588）。

作者简介 孙王虎（1967—），男，安徽安庆人，正高级建造师，主要从事绿色建筑技术研究。