Python-Based Process Modelling and Optimisation of Pyrolysis Valorisation of Palm Kernel Shells and Empty Fruit Bunches for Biochar Production: A Circular Economy Assessment

在加纳棕榈油产业的核心地带，每天都会产生大量的废弃物。每收获一吨果实，加工过程就会留下两种截然不同的残留物：来自果核的坚硬壳状碎片，以及曾经包裹果实的巨大纤维状果束。目前，这些材料大多被直接丢弃腐烂或被焚烧，这种做法不仅向大气中释放烟雾和温室气体，还浪费了宝贵的资源。科学家们早已知晓，通过一种被称为“热解”的过程，这些残留物可以转化为有用的物质。热解是一种在无氧条件下加热生物质的方法，将其分解为一种被称为“生物炭”的富碳固体材料，同时还会产生气体和油脂。生物炭是一种用途广泛的物质；它可以改善土壤健康、过滤水质，并锁住原本会使地球变暖的碳。然而，要将这一潜力转化为可靠的现实，需要准确掌握运行该过程的方法。温度和加热时长是至关重要的因素，但由于缺乏昂贵且耗时的实验室试错实验，寻找针对这些特定加纳残留物的完美平衡点一直是一个难题。

一支来自加纳大学的研究团队采取了不同的方法，利用计算机建模的力量来破解这个谜题。他们没有在物理实验室里焚烧数千吨的果壳和果束，而是使用一种流行的科学编程语言 Python 构建了一个详细的数字模拟系统。他们创建了一个虚拟模型，模拟棕榈废弃物中的不同部分——纤维素、半纤维素和木质素——在受热时的反应。通过将现有科学文献中的数据输入该模型，他们能够预测在各种条件下能产生多少生物炭。为了确保预测结果的稳健性，他们运行了数千种模拟情景，在废弃物的成分和操作条件中引入了微小的随机变化。这使他们不仅能看到单一的结果，还能看到一个可能的结果范围，从而考虑到现实世界农业中存在的自然不一致性。随后，他们利用先进的数学技术进行搜索，旨在寻找一组最佳的操作条件，以实现生物炭产量的最大化，同时确保其符合严格的碳含量质量标准。

模拟结果揭示了一条清晰且一致的前行路径。研究人员发现，最终产品的质量是限制该过程的最重要因素。为了生产出适合高价值市场和碳信用计划的优质生物炭，材料必须含有至少 60% 的固定碳。这一要求迫使工艺必须在特定的温度下运行，约为 393 摄氏度。如果温度过低，生物炭的纯度就会过低；如果温度过高，固体材料就会分解成气体，从而减少总产量。模型确定，在这一最佳温度下，棕榈仁壳需要加热约 50 分钟，而空果束则需要稍长的 57 分钟。在这些精确的条件下，果壳的生物炭产率为 42.2%，而果束的产率为 38.5%。分析还强调，废弃物中木质素的含量是最大的不确定性来源；因为木质素是植物中最耐热的部分，其含量的变化对最终产量的影响最大。

当研究人员将这些发现应用于加纳典型的棕榈油厂时，经济与环境的图景变得异常清晰。一家每小时处理十吨果束的标准工厂，每年产生的废弃物足以生产超过 5,500 吨生物炭。这不仅仅是一个理论数字；它代表了从废物管理向资源创造的实质性转变。研究计算得出，通过从露天焚烧转向这种热解方法，单个工厂每年可以减少约 31,854 吨二氧化碳当量（CO2e）的排放。这一效益来自两个方面：一是永久锁定在生物炭中的碳，二是避免了通过露天焚烧废弃物所产生的排放。在财务方面，前景同样广阔。即使在生物炭售价较低且碳信用价格偏低的保守市场假设下，该运营也能产生净利润。在更理想的市场情景下，年收入可达超过 300 万美元。空果束比果壳更丰富，它们驱动了该过程的大部分经济价值，成为工厂实现循环经济的主要引擎。

研究结论指出，这一计算框架为西非棕榈油废弃物生物炭生产的商业化提供了一个可靠的蓝图。研究人员证明，无需先进行详尽的物理实验，即可确定实现盈利且环保的过程所需的精确操作条件。主要的约束在于需要维持国际标准所要求的高碳质量，这决定了温度和时间。虽然计算机模型提供了坚实的基础，但作者指出，未来的工作应包括在加纳进行试点规模的测试，以在当地操作条件下验证这些结果，并分析该技术的完整生命周期。目前，模拟证明了曾经被视为负担的废弃物可以转化为珍贵的资产，将显著的环境负债转化为清洁能源、改良土壤和经济增长的来源。