生物質熱解炭化及其資源利用進展

孫書晶，曾 旭

（1.遼寧省固體廢物管理中心，遼寧沈陽 110161；2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

生物質熱解炭化及其資源利用進展

孫書晶1，曾 旭2

（1.遼寧省固體廢物管理中心，遼寧沈陽 110161；2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

生物質能源是一種可再生的清潔能源。介紹了生物質熱解炭化的技術方法，以及生物質炭資源化利用的進展，以期為生物質的資源化利用提供參考借鑒。

生物質；熱解炭化；生物質炭；資源利用

1 生物質熱解炭化技術

生物質原料在無氧或缺氧或是存在惰性氣體作為保護氣的條件下進行高溫熱解，最后生成生物質炭。這些生物質原料主要包括農作物秸稈、樹枝、城鎮生物質廢棄物等。在生物質熱解炭化的過程中，一般是采用封閉式的裂解爐，因此除了能夠生成富碳的生物質炭和可燃氣實現資源化利用以外，還能夠實現廢棄物的無害化，因此，從環保的角度講，生物質炭化工藝是一種理想的生物質能源資源化利用技術。

生物質熱解炭化其主要優點是能源轉化的效率高、能源消耗量少。生物質熱解后的主要產物是固體的生物質炭，液體產物主要是焦油，氣體產物一般是二氧化碳、一氧化碳和水等。在生物質的熱解炭化過程中，其主要影響因素是生物質原料的種類、熱解設備的選型、熱解的溫度、升溫的速度以及保護氣的構成等。不同的熱解條件下，對產生的生物質炭的性能會有較大的影響，其影響到的生物質炭的主要性能包括，固定碳含量、孔隙結構及官能團特性等。目前，生物質熱解炭化的研究較多，技術工業化的主要問題是如何選擇合適的熱解設備、確定熱解的工藝參數，使得產生的生物質炭能量密度較高、形狀規則、含濕率低，提高生物質炭資源化產品的附加值。近年來出現大量利用生物質廢棄物制備生物質炭的研究，例如，以大葉合歡種子莢為原料制備了微孔活性碳；以稻殼灰為原料制備了活性炭；以杏仁殼、椰子殼和核桃殼等制備了多孔碳材料，以活化木屑制備了介孔碳材料。此外，還有利用雞糞等用于生物質炭的制備研究，相對而言，采用木質纖維素類生物質制備生物質炭較容易實現，且制得的生物質炭吸附性能較好。因此，為了制備高效能的生物質炭，需針對不同的原料開發不同的生物質炭制備工藝。

2 生物質炭的資源化利用方式

2.1 農業資源化利用

生物質熱解炭化產生的生物質炭具有多孔性的結構，同時具有較大的比表面積，在生物質炭的表面還含有較多的含氧官能團，添加到土壤中，能夠顯著提高土壤的交換活性，有利于土壤中的養分離子的遷移、轉化，從而提高了土壤的肥力。目前，在該方面的研究也較多，大量的研究表明，生物質炭添加到土壤中，或者與畜禽糞便堆肥或者與化學肥料混合后制成肥料，生物質炭能夠固定肥料中的養分元素，使得有機養分吸附到生物質炭的表面，減小了養分的流失，延長了農作物利用養分的時間從而增加了肥效。

2.2 重金屬污染土壤的修復

由于生物質熱解產生的生物質炭一般都是呈堿性，因此，在土壤中能夠與重金屬離子形成沉淀，或者是將重金屬離子吸附到生物質炭的表面，從而避免了農作物對重金屬離子的吸收，因此也常常被用作重金屬污染土壤的修復劑。劉瑩瑩等的研究表明，小麥秸稈、玉米秸稈、花生殼等熱解產生的生物質炭對Cd和Pb的吸附非常明顯，其吸附量分別可以達到26.32，76.92 mg/g。Beesley的研究表明，生物質炭的添加能夠大幅降低土壤孔隙水中Cd、Zn的含量。因此，生物質炭能夠在重金屬污染土壤的修復中得到資源化利用。由于不同的重金屬其吸附特性不同，因此在利用生物質炭修復重金屬土壤的過程中需要進行針對性的生物質炭的選擇，以及施用的工藝參數和條件，如pH值等。

2.3 在廢水處理中的應用

隨著經濟的快速發展，產生了大量的難降解有機廢水，這些廢水如不能得到很好的處理，對環境會產生交大的環境風險。在這些高濃度難降解有機廢水的處理過程中，吸附法是一種具有廣泛適用性和高效的方法，其主要優勢是價格低廉、效率高、無二次污染、工藝簡單等，目前常用的吸附劑有活性炭、膨潤土、硅藻土等。生物質炭由于具有多孔性的結構，同時具有較大的比表面積，在生物質炭的表面還含有較多的含氧官能團，因此，可作為吸附劑用于廢水的處理。Mise等研究了利用芒果皮熱解炭化制得的生物質炭對六價鉻離子的吸附，結果表明，六價鉻的去除效果較好。Demiral等研究了橄欖渣熱解制得的生物質炭，也表現出了非常好的吸附效果。

2.4 在超級電容器中的應用

超級電容器是一種建立在界面雙電層理論基礎上的全新電容器，早期主要是利用碳材料作為電極材料。這些碳材料主要包括多孔碳、活性炭、石墨等。生物質炭具有來源廣泛、價格低廉、環境效益好等優點，在超級電容器中的應用也日益受到重視。生物質炭具有良好的化學惰性、高導電性、較大的比表面積，此外生物質炭表面還含有大量的—OH和—COOH等含氧官能團，因此，在超級電容器中的應用逐漸引起了科研工作者的關注。

3 結束語

我國目前生物質廢棄物的資源化利用率總體較低，在生物質炭的資源化利用方法研究活躍，目前一些技術研究相對較多。例如，生物質炭的制備工藝，制造設備，如何提高生物質炭的產品性能；此外，還需進一步拓展生物質炭的資源化利用領域，以期促進該項技術的推廣應用前景；在工業化利用方面還有一些技術難題需要持續研究，以期實現生物質炭的高效利用。

[1] 孫振鈞.中國生物質產業及發展取向[J].農業工程學報.2004，20（5）：1-5.

[2] 周中仁，吳文良.生物質能研究現狀及展望[J].農業工程學報.2006，21（12）：12-15.99.

Biomass Pyrolysis Carbonization and its Resource Utilization

Sun Shu-jing，Zeng Xu

Biomass energy is a renewable clean energy.This paper introduces the technical methods of biomass pyrolysis and carbonization，and the progress of resource utilization of biomass carbon，so as to provide reference for the utilization of biomass.

biomass；pyrolytic carbonization；biomass carbon；resource utilization

S216

：A

：1003–6490（2017）04–0207–01

2017–04–05

孫書晶（1972—），男，遼寧莊河人，助教，主要研究方向為固廢處理及資源化 。