综述：木质纤维素生物质转化为生物炭：生产技术对生物炭产量及技术经济性的影响概述

《Journal of the Energy Institute》：Lignocellulosic biomass to Biochar: An overview on Impact of Production Technologies on Biochar Yield and Techno-Economics

本文综述了利用热化学转换技术将不同木质纤维素生物质转化为生物炭的过程，分析了温度、原料类型及工艺参数对生物炭产率及特性的影响，比较了慢热解、气化等技术的优劣，探讨了规模化与小型化生产的经济性差异，指出未来需优化工艺、开发适用技术并评估长期环境影响。

　　生物炭技术作为一种多功能材料，正受到全球范围内的广泛关注。它在废水处理、超级电容器储能、土壤改良以及作为负排放技术应对环境挑战等方面展现出巨大的潜力。随着全球对可持续发展和环境保护意识的增强，生物炭的生产和应用正成为解决农业废弃物处理问题的重要途径。本研究旨在对不同类型的木质纤维素生物质通过多种热化学转化方法转化为生物炭的过程进行综述，并探讨其物理化学特性。

农业是印度经济的支柱产业，占其国内生产总值（GDP）的约16.6%。印度农村约70%的人口依赖农业为生，其中超过四分之三的农民属于小规模和小农户。印度在全球范围内是豆类和黄麻的主要生产国，同时也是水稻、甘蔗、小麦、花生和棉花的第二大生产国。因此，每年农业部门都会产生大量农作物残余物，这些残余物主要被用作牲畜饲料、烹饪/取暖燃料、发电等用途。然而，大部分剩余残余物仍被直接在田间焚烧，造成严重的空气污染问题。根据相关数据，2020年印度的农作物残余物生成量约为1043.24百万公吨，其中约356.7百万公吨为剩余生物质。

农作物残余物的焚烧是全球季节性空气污染的主要来源之一，导致有害气体、颗粒物和烟雾的排放。根据印度农业残余物潜力的报告，每年全球范围内焚烧的农作物残余物约4.5亿公吨，造成约120万公吨的甲烷排放。这种焚烧行为不仅对人类健康和环境造成危害，还会导致土壤中关键养分的流失，影响土壤的水分含量、pH值以及可利用磷和有机质。每吨稻草的露天焚烧会造成约25公斤的钾、5.5公斤的氮、2.3公斤的磷和约1.2公斤的硫的损失。因此，寻找一种可持续且环保的农作物残余物处理方案显得尤为迫切。

生物炭的热化学转化成为解决这一问题的有前景技术，吸引了大量科学研究的关注。生物炭是通过在中等温度、低加热速率和延长停留时间下对陆地或藻类生物质进行缓慢热解所获得的高碳密度、多孔固体。它具有多种物理化学特性，如高孔隙率、较大的比表面积、较高的阳离子交换容量、稳定性以及表面功能基团等，使其适用于多种应用场景。目前，用于生物炭生产的热化学技术包括液化、碳化、热解、气化和气化等。其中，热解是最广泛使用的技术，通过在无氧或少量氧气的条件下对有机原料进行分解来制备生物炭。

生物炭的生产技术经历了从简单的点燃和埋藏生物质以产生烟熏碳到先进的窑炉技术的发展历程。这些先进的窑炉能够优化生物炭生产条件，提高生产效率。目前，已经开发出多种小型生物炭生产窑炉，包括砖砌窑、回转窑、鼓式窑、火焰帘窑和顶部进气上排窑等。这些窑炉能够对生产条件进行精确控制，如加热速率、温度、压力和停留时间等，从而影响生物炭的产量和质量。

生物炭的产量和质量受到多种因素的影响，包括所使用的原料类型以及生产条件。例如，较小的生物质颗粒可以增强热传导，但可能导致产量减少，因为它们在热解过程中更容易被快速分解。较低的温度和富含木质素的生物质能够促进更高的固体产量，而较高的温度则有助于碳化，但会导致生物炭产量减少。此外，原料的预处理方式也会影响生物炭的最终特性，如孔隙结构、表面功能基团和元素组成等。

为了全面评估生物炭的性能，需要采用多种表征技术。这些技术包括近似分析、元素分析、BET比表面积分析、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、核磁共振光谱（NMR）和拉曼光谱等。近似分析可以测定生物炭的水分、挥发物、固定碳和灰分含量，而元素分析（CHNOS）则可以量化生物炭中的碳、氢、氮、硫和氧含量。BET比表面积分析能够评估生物炭的吸附能力，影响其在过滤、催化和土壤改良中的应用。SEM可以用于研究生物炭的表面形态、孔隙率和微观结构，这些特性对吸附能力和机械性能有重要影响。FTIR光谱可以识别生物炭的表面功能基团，如羧酸和羟基，这些基团影响生物炭与污染物或养分之间的化学相互作用。XRD分析可以研究生物炭的结晶度并识别其中的矿物成分，提供关于生物炭结构稳定性和反应性的见解。TGA可以评估生物炭的热稳定性，通过测量不同温度范围内的重量损失来揭示其在高温下的性能。NMR可以提供关于生物炭分子结构和相互作用的详细原子级信息，有助于更深入地理解其化学行为。拉曼光谱可以研究生物炭的碳结构、结晶相和分子振动，进一步揭示其性能。

在技术经济方面，生物炭的生产具有较高的需求，尤其是在农业和景观应用中作为土壤改良剂。然而，生物炭在农业中的经济使用预计会比其他行业低，这主要是因为需要大量生物炭来实现土壤健康和生产力的改善，而不管其其他环境优势。对于大规模工业单位而言，生物炭的产量通常较高，但其生产成本和环境影响也需要进一步评估。相比之下，小型便携式系统的生物炭生产虽然成本较高，但其产品售价通常也更高，这使得小型系统的生物炭在某些市场具有更高的竞争力。

生物炭的生产和应用面临诸多挑战，其中包括先进的收获技术、改善物流、开发高效的、经济的生物炭生产装置以及生物炭在土壤中的添加方法等。未来的研究应重点聚焦于如何根据特定应用需求调整生物炭的性能，优化热解条件和后处理技术，并探索替代原料以提高生物炭的可持续性、效率和适用性。此外，还需要深入研究微生物活动、矿化作用和生物炭与土壤的相互作用，以更好地理解其在环境和农业中的应用机制。同时，扩大先进生物炭生产的规模，同时减少对环境的影响，以及将太阳能整合到生产过程中，是实现经济可行和可持续运营的关键。改进反应器设计，如鼓式回转窑，也有助于提高生产效率和产品质量。此外，标准化生物炭质量以适应不同的原料类型，并优化生产条件，特别是温度，是提高产量和性能的重要措施。

生物炭在多个领域具有广泛的应用价值，包括废水处理、土壤改良、能量存储和作为燃料来源。其高孔隙率和较大的比表面积使其能够有效吸附废水中的污染物，如芳香化合物和重金属。此外，生物炭的碱性特性有助于提高系统的pH值，从而减少氨的排放并增加土壤的养分含量。在农业应用中，生物炭可以改善土壤结构，提高土壤的保水能力和肥力，同时减少土壤中的病原体和有害物质。在工业应用中，生物炭可以作为超级电容器的储能材料，因其高比表面积和良好的导电性。此外，生物炭还可以作为可再生能源的原料，通过热解过程转化为固体燃料，减少对化石燃料的依赖。

随着对生物炭技术研究的不断深入，其应用前景也愈发广阔。未来的研究应重点聚焦于如何优化生物炭的性能，以满足不同应用场景的需求。这可能包括调整热解条件和后处理技术，以获得所需的孔隙率、比表面积和养分含量。此外，还需要深入研究生物炭的合成路径和机制，以设计更高效的生产装置。同时，探索替代原料，如农业废弃物、林业残余物和城市有机废弃物，将有助于提高生物炭的可持续性。此外，开发复合电极、环保回收方法和基于人工智能的再生策略，将有助于生物炭的长期使用和能量应用。进行生命周期评估、实时质量监测工具和全球统一标准的制定，是实现生物炭大规模应用和国际认证的关键。

综上所述，生物炭技术在解决农业废弃物处理、环境保护和可持续发展方面具有重要价值。通过优化生产技术和条件，以及深入研究其物理化学特性，可以进一步提高生物炭的产量和性能。同时，开发高效的、经济的生物炭生产装置，并探索其在不同领域的应用，将有助于推动生物炭技术的广泛应用。未来的研究应重点聚焦于如何提高生物炭的可持续性、效率和适用性，以满足不断增长的市场需求。此外，还需要加强生物炭的标准化和国际认证，以促进其在全球范围内的推广和应用。