煙草在燃料制備領域的研究現狀與展望

王金棒,池哲翔,李源源,邱紀青,汪志波,張渝婕,王永勝,周雅寧

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院,河南 鄭州 450001;2.國家煙草專賣局,北京 100045;3.中國煙草總公司職工進修學院,河南 鄭州 450008;4.河北中煙工業有限責任公司 技術中心,河北 石家莊 050051

0 引言

我國是煙草種植大國,在煙葉生產及加工過程中,每年都會產生大量的煙草廢棄物,主要包括煙草工業和煙草農業兩類廢棄物。其中煙草工業類廢棄物主要包括工業低次煙葉、霉變煙葉,以及煙葉復烤和卷煙制造過程中產生的短煙梗、梗簽、煙末、煙塵等;煙草農業類廢棄物主要包括煙花、煙芽、煙杈、不適用煙葉(為優化結構在田間打掉的鮮煙葉)、煙稈、級外煙葉(烤壞煙葉、分級和收購中的殘破煙葉等不符合收購標準的煙葉)等。在農業領域,目前70%以上的煙草廢棄物未得到合理利用,通常被丟棄、掩埋或焚燒,不僅造成了資源浪費,還會產生嚴重的環境污染問題。在煙草農業類廢棄物中,煙稈平均占比較大[1],據中國統計年鑒(2021年)顯示,當年我國生產煙葉2.1×106t,按30%的比例計算,可伴隨產生的煙稈就達6.4×105t[2]。前期研究[3]顯示,煙稈的化學成分中纖維素含量約 38.0%～45.0%,與玉米秸稈、稻草秸稈、高粱稈等禾本科植物相似?？梢?從木質纖維素來源看,煙稈可作為農作物秸稈較好的替代原料。若能實現煙草廢棄物的資源化利用,尤其是煙草特色成分含量極低的煙稈類生物質的利用,將會產生巨大的經濟效益,以及良好的社會效益和生態效益。

在煙草廢棄物燃料化開發利用方面,國內外學者已進行了諸多研究,并取得了顯著的成果。鑒于此,本文著重從燃料產品的形態視角對國內外煙草資源燃料化利用的研究現狀進行梳理和總結,旨在為我國煙草行業科研人員在煙草多用途的技術創新、產品研發和技術推廣方面提供參考。

1 煙草源固體燃料

生物質固體燃料是指由生物質未經加工或經簡單加工后以固態形式燃燒的一種燃料,如簡單粉碎后直接用作燃料、生物質成型燃料、生物質炭化燃料等。根據原料的組成特性,煙草源固態燃料可分為直接固體燃料和耦合固體燃料兩種,前者以煙草為單一原料,包括固體成型燃料、生物質炭化燃料兩種;后者制備原料除煙草外,還摻配有其他原料,如煤或其他生物質等,共混燃燒時具有一定的協同作用,可以提高燃料的利用效率。

1.1 直接固體燃料

與煤炭相比,生物質固體成型燃料的燃燒速度更快,硫化物、氮化物、灰塵等釋放量也相對較低,更有利于環境保護[4]。生物質固體成型燃料規?；a和消費主要集中在北美和歐盟,其中,美國是生物質固體成型燃料最大的生產國和出口國,其次是加拿大和拉脫維亞[5]。煙草原料產地分散、體積大、質量輕,其收儲運成本較高,目前主要是將煙草原料粉碎后進行機械加壓,制成一定形狀且密度較大的固體成型燃料,以在解決收集、儲存、運輸困難問題的同時,提高原料的燃燒效率[4,6]。宋春宇等[7]研究發現,在密集烤房中,煙稈壓塊作為燃煤替代在技術上是可行的,能夠滿足烤煙烘烤工藝要求,可節約一定的成本,且烤后煙葉的外觀質量及常規化學成分等指標與燃煤烘烤相當。為減少煙稈成型燃料燃燒時的結渣率,L.Wang等[8]研究發現,在煙稈成型燃料中添加質量分數2%的碳酸鈣(抗結渣劑)可將耐渣性控制在15%以內。我國對煙草廢棄物成型工藝研究相對較晚,由于煙稈的形狀較粗、體積較大且富含木質纖維素,采用螺桿機擠壓成型的過程中普遍存在螺桿等成型零件磨損嚴重、設備維護費用高等工程問題。

生物質炭化燃料,是生物質在無氧密閉條件下經高溫熱解得到的一種固體燃料,制備技術包括熱解炭化、閃蒸炭化和水熱炭化3種[9]。將煙稈制備成炭化燃料可以明顯提升其燃點和能量密度[10],在應用場景方面,不僅可以用作高檔民用燃料,還可替代木炭應用于合金等行業[9]。從制備工藝流程看,煙草源成型炭主要有兩種制備方法:一種是先將煙草原料粉碎、機械擠壓成型,再進行炭化,該方法與固體成型燃料面臨的問題類似,依然是設備磨損較為嚴重,且能耗較大[4];另一種是先將煙草原料炭化,再依次進行粉碎(得炭粉)、炭粉與黏結劑混合和擠壓成型,該方法設備投入成本低、設備磨損小且能耗較低[4],已成為國內外成型炭工藝的研究熱點。

1.2 耦合固體燃料

生物質與其他燃料耦合的典型案例應屬生物質煤。生物質煤通常是先將生物質和煤經粉碎、充分干燥后,加入一定量的脫硫劑,再采用成型機進行高壓制備得到。生物質煤燃燒時,生物質首先燃燒,有利于將CaSO3轉化為CaSO4,進而減少煙氣中硫化物的排放,如硫化物和氮氧化物的排放分別降低了10%～17%和2%～33%[11]。相比單一燃料,耦合燃料除了能緩解空氣污染外,其燃燒特性也得到顯著提升。X.F.Wang等[12]以煙梗與煤為原料制備煙梗型煤,發現煙梗型煤的燃燒效率明顯優于傳統的蜂窩煤,且成本較低。廖稷邦等[13]采用熱分析儀研究了富源煙煤、小龍潭褐煤、宜良煙稈及3種燃料的耦合燃料,發現煙稈可大幅度提升煤粉的著火性能,耦合后煤粉的燃點和最大失重率溫度向低溫區移動,且當煙稈摻混比高于30%時的影響最為顯著。K.L.Cong等[14]利用定制的宏觀熱重分析系統研究了煙稈、低價煤及其共混物的宏觀燃燒特性,發現對于共混燃料,提高煙稈占比更有利于降低其燃盡溫度,且共混燃料的協同作用隨燃燒溫度的升高而增強,煙稈摻配70%時的協同效果最顯著。

煙草原料除了與煤耦合外,也可與其他類型生物質耦合以提升其燃燒性能。茍文濤等[11,15-16]研究發現,木屑與煙稈混合共燃燒時,揮發分和熱值更高,點火時間更短,底灰結渣率更低,燃燒持續時間更長,且以摻配比為50%的燃燒效果最優。溫麗娜等[17]研究發現,秸稈類原料中煙稈、玉米桿、麥秸的干質量熱值相對較高,且煙稈與玉米秸稈以7∶3質量比混合共燃燒時的熱值最高(17 866 J/g),相當于標準原煤的61%。

綜上可知,在固體燃料制備方面,生物質炭化燃料、生物質煤、與其他種類生物質的耦合燃料是未來煙草原料燃料化利用的重點方向。但煙草原料中含有煙堿等煙草特色成分,在具體實踐中并不能簡單當作常規農業類生物質處理,需要進行必要的預處理或后處理工序。煙草原料炭化成型具有運輸存儲方便、CO2零排放、SO2等有毒氣體釋放量低等特點,是一種清潔環保的可再生能源[18]。同時,固體成型燃料的燃燒灰分富含K、Ca、Mg等礦質元素,也可作為肥料用于農業生產?？梢?煙草原料的燃料化利用在多聯產規?；梅矫婢哂幸欢ǖ募夹g優勢。

2 煙草源液體燃料

生物質液體燃料是指由生物質資源制成的液態燃料,如生物柴油、燃料乙醇等,是一種可再生的清潔能源。根據制備過程,其制備方法包括直接提取法、熱化學轉化法和發酵法3種。不同制備方法所得液態燃料的組成有較大差異,以煙草為原料,直接提取法所得液體燃料主要是煙草固有的油脂;熱化學轉化法所得燃料主要是生物質大分子裂解產物,產物收率、組成分布等受熱解工藝條件、是否添加催化劑等因素影響較大;發酵法所得燃料主要是乙醇。

2.1 直接提取法

煙草原料富含油脂,煙葉和煙草種子中油脂含量分別占其干重的1.7%～4.0%和40%～50%[19],可以通過直接提取技術得到生物油。S.Alagic等[20]采用超臨界CO2技術對3種煙草進行了提取,均得到富含C25～C33正構烷烴的提取物,收率為0.4%～1.0%。為進一步提升生物油的提取量,V.Andrianov等[21]采用生物技術對煙草DGAT基因和LEC2基因進行了改造,煙葉中油分含量提高了20倍,單位干重(即細胞除去水分的質量)煙葉含油量由1.7%～4.0%提升至5.8%～6.8%。A.Fatica等[22]培育出一種非轉基因的能源煙草品種Solaris,盡管長勢矮小,但花序較多,種子富含油脂,每100 g干物質植株中可產油脂7.92 g ,遠高于同等條件下的草類(2.88 g)和豆科植物(2.64 g)。

2.2 熱化學轉化法

熱解技術是指在隔絕空氣或通入少量空氣條件下,利用熱能切斷生物質大分子的化學鍵,使之轉變為低分子物質的過程,也是制備生物質液體燃料的重要技術,主要包括快速熱解、慢速熱解和反應性熱解3種工藝[23]。早在2007年,A.E.Pütün等[24]在固定床反應器中分別采用慢速熱解(7 ℃/min)和快速熱解(300 ℃/min)工藝系統研究了煙草熱解產物的組成和收率情況,發現兩種工藝條件下的最佳熱解溫度均為550 ℃,相應生物油的最大收率分別為27%和30%,但快速熱解法得到的生物油具有更高的熱值(29.59 MJ/kg)和氫碳比(1.53),且氮和硫含量低,富含C12～C17直鏈烷烴,與標準柴油類似。為推進熱解技術的產業化,相關學者還研究了流化床工藝,如C.J.Booker等[25-26]采用流化床中試裝置研究發現,在500 ℃保留5 s得到的生物油收率最高,為43.4%。B.C.Yan等[27]采用流化床反應器分別對煙葉和煙稈進行了熱解處理,發現生物油的最佳反應溫度為400 ℃,且煙稈源生物油的收率高于煙葉,最高為67.47%;兩種生物油的主要成分均為雜環化合物和酸,幾乎不含類似卷煙煙氣的有害成分,且煙葉生物油還含有更多種類的香味成分。

從技術經濟性考慮,聯產技術相比單純生物油的制備技術更具優勢。在生物炭和熱解油聯產技術開發方面,V.Strezov等[28]采用慢速熱解(5 ℃/min)技術制備煙草生物炭,并對500 ℃副產的生物油進行了成分分析,發現生物油中煙堿的峰面積占比最大(占13.5%),且富含酸性物質(峰面積占72%),主要是酚類和脂肪酸,并不適合直接用作燃料,使用前還需要作相應的提質處理。B.Onorevoli等[29]以煙草種子提取后的殘渣為原料,先將其在700 ℃短時間內進行炭化,再制備成生物炭,整個過程副產生物油的收率為37.6%,高于同等條件下稻殼、桃核、?？N子等其他生物質原料。B.C.Yan等[27]以煙稈和煙葉為原料,采用固定床反應器在350～650 ℃研究了其熱解產物的燃料特性,發現400～500 ℃熱解溫度較為適宜,且所制備煙草源焦炭的熱值優于煤炭,熱解得到的生物油在閃點、密度、黏度等指標與煤油、柴油、變壓器油類似。在煙堿與生物油聯產技術開發方面,對于植物中高附加值化工成分的提取,相比傳統溶劑法,熱解技術的成本更低,且更加簡便、安全[30]。2015—2018年,M.M.Hossain等[30-33]開發了系列機械流化床工藝技術,煙草生物油的收率為44.8%～49.0%,煙堿的回收率為104%～109%;當反應器溫度為275 ℃時,生物油中煙堿的質量分數為25%,且煙堿的回收率為92%。

在其他熱化學技術開發方面,2016年,F.G.Barla等[19]研發了一種水熱液化技術,可在幾秒內將煙草纖維素轉化為葡萄糖、纖維二糖、低聚糖等水解產物,結合發酵技術可同時制備得到生物柴油和燃料乙醇。

相比單一的熱化學直接轉化過程,研究者們也開始關注熱化學條件下添加劑或催化劑的協同促進作用。催化劑可以改變煙草的熱解過程,降低其熱解溫度,進而調整生物油的化學組成,相關添加劑主要包括金屬氧化物和金屬氯化物兩種。M.K.Akalin等[34]研究了金屬氧化物(Al2O3、Fe2O3)和金屬氯化物(AlCl3、SnCl4)對煙草熱解行為的影響,發現添加劑的用量和熱解溫度是影響熱解產物分布的重要因素,在低溫(300 ℃)條件下,添加劑的催化效應占主導,熱解溫度更低,降低至100 ℃,且得到的生物油沸點也相對較低,生物油中酚類、醛類、酮類和醇類化合物明顯增多,并新產生了丙二醇、3-呋喃甲醇等一些常規熱化學直接處理條件下不存在的成分。C.R.Cardoso等[35]采用裂解分析儀結合氣相色譜儀研究了ZnCl2和MgCl2對煙草廢棄物熱解油組成的影響,發現煙草單獨熱解得到的生物油中煙堿和4-戊-1-醇的含量較高,600 ℃和700 ℃的峰面積分別占36%和16%;向煙草原料中添加質量分數10%的MgCl2,可明顯提高熱解油中含氧、酮類和醛類化合物的含量,而添加質量分數10%的ZnCl2則可顯著提高熱解油的十六烷含量。C.R.Cardoso等[36]還進一步研究了這兩種金屬氯化物的添加量對煙粉高溫(500 ℃)熱解油組成的影響,發現當MgCl2添加量為5%時,所得產品富含乙酸和酚類化合物,當添加量提升至20%時,產品富含糠醛;當ZnCl2添加量為10%時,所得生物油的燃燒性能最佳?？梢?添加劑是影響煙草熱解油組成的重要因素,進而影響熱解油后續的應用場景,其中,MgCl2催化條件下得到的熱解油后續更適用于高附加值化工產品的生產,而ZnCl2催化條件下的熱解油更適合用作運輸燃料等[36]。

2.3 發酵法

目前,國內生物質乙醇的發酵原料主要為糧食作物,如甘蔗、甜菜、陳化糧等,成本相對較高,且糧食是人類賴以生存的重要戰略資源,因此,基于糧食的燃料乙醇在規模上受到一定程度的限制。以煙草及其廢棄物為原料制備燃料乙醇不僅有利于環保,還能變廢為寶,實現資源的重復利用。

煙草源燃料乙醇主要是由煙草原料中的木質纖維素通過生物化學法轉化而來,包括預處理、酶解和發酵3個環節[37]。預處理是最初也是最為關鍵的環節,目的主要是破壞煙草原料中的天然木質素,還可部分分解木質素和半纖維素,以提升后續酶解和發酵的效果。預處理方法眾多,根據方法原理可分為物理法、化學法、物理化學法和生物法4種,其中物理法中應用較多的有研磨、切屑等,化學法中有酸、堿或氧化劑催化分解等[38-39]。酶解環節主要是將纖維素和半纖維素水解成可被發酵菌種利用的單糖。發酵環節主要是釀酒酵母發酵,可將酶解得到的單糖進一步轉化為乙醇。

煙草源燃料乙醇的研究主要聚焦在如何提高整個生物煉制過程中乙醇的產量方面,其中,預處理方法類研究最多。2002年,C.Martín等[39]依次將煙稈碎片經205 ℃蒸氣處理、酶解和面包酵母發酵,得到燃料乙醇,收率為0.38～0.39 g/g。為進一步提高煙稈中纖維素的酶解性(可及性和可酶解量),2008年,C.Martín等[40]開發了濕法氧化預處理技術,發現預處理結合酶解技術可將煙稈水解物中的總葡萄糖含量由2.5%提升至56.1%,但在預處理環節也同時會產生抑制酵母發酵的有害成分,如乙酸、甲酸、酚類化合物等,如何消除這些有害物質是后續在發酵環節提升乙醇產量的關鍵。謝兆鐘等[41]基于制糖發酵法,分別采用溶劑萃取、酸性螯合劑將煙草廢棄物中抑制乙醇發酵的油溶性成分(茄尼醇和煙草凈油)和水溶性成分(果膠和單寧)去除,再進行常壓發酵,經蒸餾得到質量濃度高達96%的乙醇,但并未明確乙醇的具體收率。在酸性預處理方法開發方面,謝麗萍等[42]開發了酸催化水解預處理技術,以煙草下腳料為原料,采用質量分數為50%的硫酸作為催化劑處理100 min,而后分別對過濾液和非過濾液進行釀酒酵母發酵,兩種條件下乙醇的質量濃度分別達到1.09 g/L和1.23 g/L,產量分別為54.5 g/kg和61.5 g/kg。在堿性預處理方法開發方面,研究[43]顯示,濃堿可解構煙草原料的結構,進而提高纖維素的生物可轉化性。S.Sarbishei等[43]將煙草廢棄物通過氨水浸泡去除煙堿,干燥后依次進行濃堿預處理、酶解和凍土毛霉絲狀真菌發酵,乙醇收率由44.4%提升至約97.0%(基于理論收率計算),這也是目前文獻報道的最高值。但由于該過程中使用了大量的化學試劑,會產生大量廢液,盡管研究者在工藝上使用了酶固定化技術,但增加了廢液回收利用工序,未來能否產業化利用仍需技術經濟性測算。相比于單一的預處理方法,2022年,K.Sophanodorn等[37]聯合采用了物理和化學兩種預處理方法,以煙稈為原料,依次經水熱處理、CaO堿處理進行脫木質素預處理,而后再進行酶解和酵母發酵,發酵48 h的乙醇收率最高,為75.74 g/L。

另外,隨著生物技術的發展與成熟,研究者也開始嘗試采用生物技術調整煙草植株的物質基礎,進而提升發酵環節乙醇的產量。2013年,研究[44]表明通過生物技術調整煙草中的特定蛋白質(硫氧還蛋白),調整后煙葉中的淀粉和可發酵糖量分別增加了700%和500%,認為煙草有望取代小麥、玉米等糧食作物成為燃料乙醇的理想原料。2014年,I.Farran等[45]采用葉綠體表達系統在商業煙草品種(Virginia Gold和Havana 503B)中高效表達了硫氧還蛋白,相比野生型煙草,煙葉中淀粉、可溶性糖含量和煙稈中可發酵糖含量顯著提高,煙株水解物依次經熱預處理、酶解和酵母發酵,乙醇產量可提升20%～40%。

綜上可知,在傳統煙草資源利用方面,熱化學轉化制生物油是其研發的重點,包括直接熱解、催化熱解兩種,其中,后者在液體燃料組成調控方面具有一定優勢。發酵法燃料乙醇的制備技術主要聚焦在預處理環節,濃堿預處理在提升乙醇收率方面效果顯著,但經濟性還有待評估。未來,基于生物技術的煙草能源新品種的開發是煙草燃料化利用的重要研究方向。

3 煙草源氣體燃料

生物質氣化是生物質熱解制備燃料的另一種表現形式。為了提高燃氣的產量,在熱解過程中通常添加空氣、H2、水等氣化劑,生物質在高溫(700 ℃以上)環境中能夠與氣化劑發生不完全氧化反應,進而生成高能量密度的氣體燃料,包括CO、CH4、H2及其他小分子碳氫化合物等[46]。燃料的組成與氣化劑種類密切相關,當氣化劑為空氣時,產物為CO等低熱值氣體[46-47];當氣化劑為H2和氫化物時,產物為高熱值氣體;當氣化劑為O2和水蒸氣時,產物主要為CH4和H2[46-47]。所得氣體產物經處理后除直接燃燒應用外,還可作為平臺化合物進行深加工生產各類化工原料。目前,煙草源氣體燃料主要是H2和沼氣兩種。

3.1 制備H2

早在1999年,J.M.Encinar等[48]采用熱解技術對比研究了玉米、向日葵、葡萄、煙草廢棄物轉化為燃料的可行性,發現4種原料熱解產生的焦炭熱值均較低,但在低溫條件下,采用煙草廢棄物制氫具有一定的原料優勢。為提升燃氣中H2的占比,N.Ayas等[49]開發了直接催化熱解制氫技術,裝置為上升氣流氣化爐,催化劑為Na2CO3,在最優條件(溫度650 ℃、40%催化劑添加量)下單位質量(kg)煙草廢棄物可產H26.06 mol。在蒸氣重整熱解制氫方面,M.Klaas等[50]開發了基于煙稈熱解炭的水蒸氣重整制氫技術,裝置為鼓泡流化床,綜合考慮重整氣中H2的占比、H2相對于生物質和相應焦炭質量的收率,煙草原料經熱解炭制備H2的產率相對較高,在650 ℃時H2(以焦炭質量計)的收率最高,為14.9%。田甜等[51]采用固定床反應器研究了617～1435 ℃范圍內煙稈的水蒸氣重整制氫性能,發現溫度是影響氣化過程的重要因素,且重整過程主要發生了均相反應和非均相反應,低于917 ℃時,溫度的升高可以同時促進兩種反應的進行,H2產率快速升高;917 ℃時,非均相反應進行充分,潛在產氫率達到極大值;當溫度高于917 ℃時,升溫主要促進均相反應進行,H2產率升高緩慢;當溫度達到 1327 ℃時,均相反應速率加快,反應進行完全,不再受溫度影響,H2產率最大為 0.97 m3/kg。在催化輔助制氫方面,T.G.Madenoglu等[52]采用亞臨界和超臨界水氣化技術對比研究了煙稈和棉稈的催化制氫性能,催化劑分別為天然礦物催化材料Trona、Dolomite和Borax,發現在600 ℃條件下Trona的催化效果最好,煙稈的H2收率比對照組增加了42.9%,且由于煙稈中較低的木質素含量(13.4%),故在同等條件下煙稈產H2的收率普遍高于棉稈。

3.2 制備沼氣

沼氣技術(厭氧消化技術)是一種通過生物化學轉化法對生物質資源加以利用的技術,旨在通過厭氧消化制備CH4,技術較為成熟。資料顯示,煙草廢棄物厭氧消化技術最早可追溯到1986年,單位質量(kg)煙稈可產生物氣(Bio-gas)270～300 L[53]。其中,生物氣是發酵產生氣體的總稱,含有CH4。1995年,K.K.Meher等[53]采用10 m3的中試設備研究了水力保留時間(HRT)對煙稈室溫厭氧發酵的影響,當HRT為15 d時,單位質量(kg)煙稈可產生生物氣169～282 L。除常規厭氧消化外,陳智遠等[54]還探索了煙稈的干法產CH4技術,在38 ℃條件下對煙稈進行批量發酵,CH4的產率為333 mL/g,與稻草的發酵結果相近。另外,A.Gonzlez-Gonzlez等[55]探索了新鮮煙葉沼氣化的可行性,采用活性污泥在中溫條件對其進行半連續厭氧消化,每噸鮮煙葉的CH4收率僅為(53.84±15.48) Nm3,尚未達到經濟性標準。

在能源煙草新品種開發方面,2019年,A.Fatica等[22]基于開發的能源煙草新品種Solaris進行厭氧發酵,每噸生物質可產生物氣(290.0±75.0) Nm3,其中CH4的產量為(168.0±47.0) Nm3,占生物氣總量的58%,相比其他作物,該煙草品種的CH4產量處于中等偏上水平,具有一定商業應用價值。

煙草的熱解不僅能夠產生生物油、H2,也能產生CH4,C.H.Wang等[56]采用TG-MS技術研究了水、HCl和NaOH預處理對煙稈熱解產CH4性能的影響,發現NaOH預處理的效果最佳,可顯著提高合成氣中CH4的產量,同時降低焦油的生成量,且研究還發現,燃料氣體主要來源于木質素的熱解,無機元素的存在可明顯抑制熱解過程中芳烴類化合物的形成。

綜上可知,煙草源氣體燃料主要是H2和沼氣(CH4)兩種。H2的制備技術有直接熱解、催化熱解、重整制氫(蒸氣重整制氫、熱解碳+重整制氫、催化重整制氫)等,以重整制氫研究最多,且相比其他農作物原料具有一定的原料優勢。沼氣(CH4)的制備主要采用傳統的厭氧消化技術,技術較為成熟,從經濟性上看,煙草及其廢棄物(如煙稈等)的沼氣化利用效果明顯優于新鮮煙葉。此外,煙草經堿處理再熱解也能得到富含CH4的生物氣,這為煙草源CH4的制備提供了另一種途徑。

4 結論與展望

本研究梳理和綜述了煙草及煙草廢棄物的燃料化利用研究進展,指出煙草源燃料包括固體燃料、液體燃料和氣體燃料3種。固體燃料的制備,以固體成型燃料和生物質炭化燃料為主,煙草原料可與其他燃料進行協同耦合,通過各自優勢互補來提高燃料整體利用效率,主要通過煙草原料與煤或其他生物質等進行耦合來制備固體燃料;煙草原料炭化成型也是極具發展潛力的一種清潔環保燃料,燃燒后的灰分可作為肥料用于農業生產。液體燃料的制備,以燃料乙醇和熱化學法制備生物油為主,催化熱解制備生物油是未來重點的發展方向,而燃料乙醇的制備關鍵環節依舊是原料的預處理技術,在整個技術鏈上尚未取得根本性突破。氣體燃料的制備,以H2和CH4為主,其中,重整制氫具有一定的原料優勢;在CH4制備方面,沼氣化技術較為成熟,煙草原料熱解產CH4技術進一步拓寬了CH4的來源途徑。

煙草及煙草廢棄物中含有煙堿等煙草特有活性成分,在燃料化利用過程中不能簡單借鑒大農業領域相應的生產技術,還需增加相應的前處理或后處理工序,以保證能源產品的高效、安全生產。煙草原料的化學組成隨種類有所差異,可根據不同來源原料的組成特點進行有機調控,進一步提高煙草廢棄物燃料化利用的效率。在發酵法生物燃料制備過程中,鑒于部分生物活性物質的抑制作用,同時部分生物活性物質又兼具較高的利用價值,聯產技術是今后煙草燃料化利用的重點方向,即對煙草原料進行提取得到高附加值的生物活性成分,而后根據提取殘余物的物化特性進行原料的合理復配,再進行生物燃料的制備。此外,靶向能源用途,基于生物技術煙草新品種的開發也是未來煙草燃料化利用的重要研究和產業化利用方向。