作者：Omvesh、Harish Alagani、D. Giribabu、Prashant Kumar Srivastava、Thallada Bhaskar、Venkata Chandra Sekhar Palla
机构：Academy of Scientific and Innovative Research (AcSIR)，地址：印度北方邦Ghaziabad市Kamla Nehru Nagar第19区，邮编201002
摘要
随着对可持续能源需求的增加，工业界逐渐开始用可再生燃料替代化石燃料。本研究探讨了炉用油和松木热解油的热物理性质，以及这两种油混合使用的潜力。研究人员评估了含有2.5%至25%热解油的混合物的 calorific value（总热值）、粘度和自燃温度。含有最高10%热解油的混合物显示出约41 MJ/kg的总热值，并且在典型工作温度下具有良好的点火和流动性能。这些特性符合工业燃烧系统的运行要求，为减少对化石燃料的依赖提供了可行的方法，而无需对现有燃烧基础设施进行重大改造。然而，当热解油的比例超过10%时，混合物的总热值显著下降，自燃温度升高，这表明存在实际限制。研究结果表明，低比例（≤10%）的生物油混合使用在现有炉用油系统中是技术上可行的，且改造成本较低。本研究强调了生物油应用的实用局限性，并为工业界逐步引入生物基燃料指明了方向，同时控制了性能风险和运营成本。
引言
重燃料油（HFO），也称为炉用油（FO），因其可靠的燃烧性能和高总热值（约10,000 kCal/kg）而被广泛用于锅炉、熔炉、船舶锅炉和其他工业加热领域[1]。由于其高能量密度和较低的成本，重燃料油在全球工业和船舶加热领域持续受到需求。根据SkyQuest的报告，2024年全球炉用油市场规模约为1930亿美元，预计到2033年将增长至2850亿美元，2026至2033年的复合年增长率（CAGR）为4.4%[2]。尽管如此，对石油基燃料的过度依赖仍带来诸多挑战，包括空气污染、人为温室气体排放以及有限的化石燃料储备[3]。鉴于这些环境问题、价格波动以及化石燃料的有限性[4]，寻找可持续和环保的能源成为关键任务[5]。为了有效减少全球排放和石油使用，目前正考虑替代HFO的方案[6]。因此，将可再生能源纳入现有能源系统已成为应对这些挑战的趋势。这一转变在迪拜举行的COP28气候峰会上得到了加强，近200个国家同意采取措施将全球升温控制在1.5°C以内，这与《巴黎协定》的目标一致。各国政府首次设定了具体目标，包括到2030年将全球可再生能源容量提高三倍[7]。除了政策推动外，研究工作还利用数据驱动工具（如机器学习框架）来优化可再生能源流程，提高系统效率，从而加速低碳燃料的部署[8]。同时，促进生物基燃料融入传统化石燃料能源系统的政策工具和补贴机制也受到重视[9]。
在当前的能源转型背景下，将可再生燃料与石油混合是一种新兴方法，既能减少石油使用，又能保持燃烧性能，在工业能源研究中受到越来越多的关注。热解油（PO），也称为生物油，是从木质纤维素生物质热分解得到的，因其高有机含量、可再生碳来源和减少生命周期碳排放的潜力而成为与传统HFO混合的理想候选者。热解过程能够有效利用各种生物质原料（如林业废弃物），提高材料的可持续性[10]、降低成本并减少温室气体排放[11]。生物油可以直接与石油混合使用，无需对发动机进行额外改造[12]。然而，由于其高粘度、高水分含量和低能量密度，生物油的应用受到限制[13]。因此，关于生物油与HFO系统共燃行为的研究相对较少。例如，Kim等人研究了纯生物油、20%-80%生物油-船用燃料混合物及纯船用燃料在四冲程发动机中的燃烧情况。将生物油与船用燃料（VLSFO – 低硫燃料油）混合使用，解决了生物油在船舶发动机中直接应用的难题[12]。Jin等人研究了低碳燃料（如甲醇或乙醇）与重燃料油混合的脱碳潜力[14]。Kass等人研究了生物柴油与VLSFO混合对系统稳定性和燃烧特性的影响[15]。结果表明，生物柴油的添加比例在5%-20%范围内时，混合燃料的物理性质和燃烧性能适合在船舶发动机中使用[16]。Anastasiya和Sergey研究了生物油与重质和轻质原油的兼容性，发现生物油与轻质原油不兼容[17]。Kuan等人使用悬浮滴液装置研究了HFO与污泥生物油混合的燃烧特性[18]，但发现污泥生物油的HHV仅为HFO的四分之一，且氮和硫含量较高，对环境造成更大污染[18]。Michael等人研究了高酸性生物油与高粘度HFO的兼容性、稳定性和燃烧特性[19]。Hou等人研究了Lauan木材热解油与HFO混合在300 kWth熔炉中的燃烧和排放特性[20]。文献显示，近期用于混合的生物油通常碳产率较低且水分含量较高，而高碳产率的生物油合成方法尚未得到充分探索。本研究选择松木作为原料，因其丰富、高挥发性碳含量和低水分含量，有利于提高生物油的产率[21]。
本研究评估了多种燃料混合物的热物理性质（包括粘度、水分含量、自燃温度和总热值），以优化工业应用中的燃料组合。将热解油成功应用于这些领域有助于减少环境影响，同时保持能源的可靠性和性能。本研究的新颖之处在于，所使用的低粘度生物油是通过直接蒸馏热解液体获得的，并作为HFO的补充燃料。这种生物油的硫含量远低于HFO，氮含量也极低，有助于减少SOₓ和NOₓ排放。生物油的有机产率高于现有文献报道的值[20, 21]，且水分含量较低。本研究采用的方法包括弹式量热计、自燃温度仪、粘度计、元素分析、ultimate分析、核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和气相色谱-质谱（GC-MS）。研究结果为将低水分生物质热解油可控地融入基于重燃料的能源系统提供了实用见解，同时保持了燃烧可靠性和操作兼容性。
部分内容
生物质原料的制备
本研究使用的松木来自印度北阿坎德邦的Pauri Garhwal地区。首先将松木在阳光下晾干，然后粉碎并筛分以获得粒径小于250 μm的颗粒。样品在VRAS-0046烤箱中于80°C下干燥48小时，随后密封保存直至实验完成。
表征技术
本研究采用了多种技术，包括使用ELTRA热重分析仪进行元素分析以测定水分含量等。
松木的特性分析
通过元素分析测定了松木的水分、灰分、挥发分和固定碳含量（见表2）。松木的挥发分含量（约87.09 wt%）高于稻壳（约52.7 wt%）。在三种原料（松针[22]、Ulva lactuca[23]和稻壳[24]）中，松木的挥发分含量最高，导致液体产率较高。松木的水分含量约为3.32 wt%，低于热解所需的10 wt%[25]。
结论
本研究表明，松木热解油与HFO的共燃是一种有前景的混合方案，适用于工业和船舶锅炉系统。在400°C下加热60分钟后，可获得约54 wt%的热解液体。通过蒸馏去除轻质成分和水（<4 wt%），得到约35 wt%的有机组分。该有机组分的硫含量（0.17%）和氮含量极低，适合用于燃料混合。GC-MS分析进一步证实了这一结论。
作者贡献声明
Harish Alagani：撰写、审稿与编辑、实验设计、数据分析。
Giribabu D：验证、实验设计、数据分析、数据管理。
Omvesh Yadav：初稿撰写、软件开发、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构思。
Venkata Chandra Sekhar Palla：撰写、审稿与编辑、可视化处理、项目监督、数据分析、概念构思。
Prashant Kumar Srivastava：方法论设计、实验设计、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
