研究背景

生物炭被国际公认为极少数可实现十亿吨级二氧化碳移除的负排放技术之一。它可将植物固定的大气碳以稳定固态形式封存数百年乃至数千年，在全球气候治理与实现碳中和进程中具有重要地位。然而，生物炭从实验室走向大规模应用，仍面临连续化生产、过程强化、反应器放大及工艺工程化等关键挑战，亟需建立适配工业化需求的理论体系与技术框架。新兴交叉学科“工程热化学”（Engineering Thermochemistry，ETC）从工程系统全局出发，研究热驱动化学反应及其工程化的科学与技术，交叉融合热化学反应、传热传质、反应工程、过程工程、工业制造等学科方向，为生物质向生物炭及高值碳材料的高效转化提供理论研究新视角，也为迈向十亿吨级生物炭规模化工业生产提供工程化支撑。

成果简介

沈阳化工大学许光文教授团队联合英国爱丁堡大学Ondrej Masek教授、浙江大学王树荣教授等国际知名学者，以工程热化学为主线，系统论述了实现十亿吨级可持续生物炭生产的关键技术、工程挑战以及产业化路径。从生物质热化学反应基础、热化学反应工程、热化学过程工程三个层面出发，全面梳理了生物炭的形成机理、关键调控因素、热解反应器设计、工业化工艺流程、全球技术布局及规模放大挑战。该工作以“Engineering Thermochemistry and Process Technologies to Enable Gigaton-Scale Sustainable Biochar Production”为题发表在SusMat期刊上（DOI:https://doi.org/10.1002/sus2.70079）

图1. 工程热化学实现十亿吨级可持续生物炭生产概述图

主要内容

1.工程热化学驱动生物质热解技术创新工程热化学贯穿生物质热解技术研发全链条，涵盖反应机理、反应动力学、传热传质、多相流动、反应器设计及过程工程等多维度内容。论文指出，生物质热解技术从研究到产业的演进路径清晰：从分子尺度揭示反应机制，在颗粒与反应器尺度优化传递过程，再经由过程放大与中试验证迈向工业生产。

图2. 工程热化学推动生物质热解技术创新与发展. 偶氮基含能材料三种合成路线对比

2.生物炭形成机理及关键调控因素深度解析纤维素、半纤维素、木质素等主要生物质组分的热解行为，从一次热解与二次反应的宏观视角，阐释了生物炭的生成机制。同时，系统更新总结了热解温度、升温速率、颗粒尺寸、原料组成及二次反应等因素对生物炭产率与理化性能的影响规律

图3. 生物炭制备的主要影响因素及其作用规律：（A）热解温度；（B）升温速率；（C-D）颗粒粒径

3.适用于规模化生产的热解反应器创新热解反应器是决定生物炭生产效率与产品质量的核心装备。文章系统对比了固定床、移动床、流化床、回转窑、螺旋反应器及新型复合反应器等典型反应设备，全面评估了气体/固体热载体加热、电加热/外加热、红外、微波、光热、激光及等离子体等多种供热方式的技术特点与适用场景。还深入剖析了各类反应器在处理能力、传热效率、连续运行稳定性与工业放大可行性方面的优势与局限，为未来大型热解装置的选型与设计提供重要参考。

图4. 生物质热解反应器的供热方式：（A）自热式窑炉；（B）气体或固体热载体加热；（C）电加热或红外加热；（D）微波加热；（E）光热；（F）激光热解；（G）等离子体热解

图5. 生物质热解反应器的对比分析

4.绘制全球生物炭技术部署图谱，解析典型工业热解工艺系统梳理全球生物炭产业发展现状与商业化布局，绘制了涵盖主要国家和地区的生物炭生产及热解技术全球部署图。在此基础上，重点剖析了基于回转窑、螺旋反应器和复合反应器等主流工业技术路线的工艺流程、设计特色、工程难点及产业化应用现状，为全球生物炭产业的规模化推进提供对标参考。

图6. 生物炭生产和热解技术的全球部署图谱

图7. 基于回转窑反应器的工业化生物炭生产工艺

5.聚焦工业放大挑战，构建可持续发展路径从实验室走向工业应用，生物炭技术必须跨越热管理、能量综合利用、原料品质波动、经济可行性等工程化鸿沟。论文从工程热化学视角剖析上述放大难题，并探讨了生物炭在环境修复、土壤改良、碳移除、碳交易市场及认证体系等领域的应用前景。

图8. 热解过程的供热与能量：（A）热解反应器的供热途径；（B）生物炭生产的能量流

总结展望

随着全球碳中和进程加速推进，生物炭凭借其独特的碳封存能力、资源循环利用价值及多重环境协同效益，正崛起为最具竞争力的负碳技术之一。未来，应聚焦生物炭大规模制备与应用，持续推动先进热解技术的原始创新，着力开发和推广更高效、更清洁、更经济的高性能生物炭生产工艺与装备。同时，强化基础研究、工艺放大与产业应用的无缝衔接，加速生物炭从实验室走向连续化、智能化、规模化的现代工业轨道，为全球绿色能源转型、资源循环利用及十亿吨级碳移除目标的实现贡献工程热化学力量。