南京林业大学夏常磊、葛省波等ECM:热源和机器学习分析在废弃物热解转化增值方向的研究进展

背景介绍

由于可持续性挑战的增加，从废弃资源转化而来的合成燃料被认为是传统化石燃料的重要替代品。作为一种面向未来的能源，合成燃料应该取代以石油为基础的液体，其可以从热转换的方法中获得，通常包括热解、燃烧、气化和液化。Ong HC等人利用TG-FTIR分析了两种生物质与煤共混的协同作用，发现与其他两种热转化方式，即与燃烧和气化技术相比，热解具有更好的热化学转化效率。

现有许多类型的原料，从木材和草本生物质(如锯屑、实木、松针和甘蔗渣)到城市固体废物(废旧轮胎和塑料)、食品加工残渣(豆饼和废油)和工业废料(污水污泥和废纸)已被热解为增值能源产品。如何提高合成油的产率成为了近些年的研究重点，因此对影响合成油产率的因素进行深入分析具有重要意义。

南京林业大学夏常磊、葛省波在知名期刊《Energy Conversion and Management》上发表了题为“Progress in pyrolysis conversion of waste into value-added liquid pyro-oil, with focus on heating source and machine learning analysis”的综述文章。该综述研究了不同热源(直接热、太阳热、红外热、微波热)对热解油产量的影响，并对主要工艺参数，即升温速率和最终温度对反应机理的影响加以讨论，重点介绍了微波加热作为一种较新的技术在热解中的应用，特别是微波加热的机理、利用微波吸附剂进行废物热解的新型加热方式和途径。同时利用机器学习技术统计分析了以往的众多热解案例和实验结果，建立了线性回归模型，为扩大工业能源应用中废弃物热解规模提供了有益帮助。

图文解读

文章要点

要点一：温度和升温速率显著影响来自废料的热解油产量

多数研究表明，热解油产率随温度的升高而先升高，但当温度升高到超过一定范围时产率降低。

在对以往研究的回顾过程中发现了三个相互矛盾的结果，即1）较高的升温速率导致较高的产油率，2)较高的升温速率导致较低的产油率，3)较高的升温速率导致初始产油率上升，然后降低或保持不变。

要点二：微波热解与微波加热机理

通过对比三种热源(直接加热、太阳能加热和微波加热)，得出微波加热是获得最高产油率的最有效热源。微波加热主要有两种机制，即偶极极化和离子传导。与传统热解通过传热对原料进行加热相比，微波加热是利用原料颗粒与电磁波的相互作用直接对原料进行容积式瞬时加热。在微波反应过程中利用吸附剂可以进一步促进传热，加速原料降解，提高产油率。

加入吸附剂（如常用的碳化硅）后，将传统的加热模式(图2a)和微波的加热模式(图2b)结合起来，形成了如图2c所示的新型微波加热模式。原料样品的电磁特性与微波场之间的物理相互作用在将废料微波转化为热解油的过程中起着至关重要的作用。

图2. 三种热解方法的加热模式比较：a. 常规热解，b. 微波热解，c. 加入吸附剂的微波热解

要点三：机器学习技术在热解变量分析中的应用

根据59个热解案例的182个观测数据，建立了基于5个输入变量(原料类型、原料大小、升温速率、最终温度和热源)的机器学习回归模型，即线性回归、多项式回归和非线性偏最小二乘回归模型。

对均方根误差的比较表明，多项式回归法是最优的方法，其均方根误差最小。因此，多项式回归模型可作为热解生产管理的指导方法。

要点四：影响产油率的关键热解参数的重要性排序

决策树分析是多个预测变量对目标变量贡献的示意图表示，它可以显示输入变量对目标影响的重要性排序。

在本研究中，重要性排序为:原木进料尺寸＞原木升温速率＞升温速率＞温度＞原料大小＞加热源＞原料类型。

图3. 决策树分析结果-影响目标变量的重要性

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114638

#往期推荐#

本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：biomass12345）

为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。

进群方式：添加小编为好友（微信号：biomass12345），邀请入群。

请备注：姓名+单位+研究方向。

另外，本公众号还友情为国内外有需求的实验室免费发布招聘信息，也可为学术机构发布相关学术会议信息。