焙燒

大部分生質物的利用方式為直接燃燒，但因組成複雜與含水率不均，造成燃燒 速率不穩定與影響熱能釋放，故於燃燒前先進行處理，使其燃燒速率快、熱量釋放 穩定並易於儲存、運輸，才可稱為良好的替代能源。而焙燒技術為現行較常使用前

處理方式，如圖 4 所示，焙燒後生質物具有體積小且均一、能量密度高、含水率

低、運送及儲存方便等經濟性優點。焙燒為溫和之預熱解(Mild pyrolysis)或較高溫 之無氧乾燥技術(High temperature drying)。其應用原理為將生質物於常壓、缺氧的 環境之下逐漸加熱，升溫速率<50 °C /min，之後維持溫度 200-300 °C，經過約 30 min- 5 hr 處理，使其進料物有限度揮發及碳化，可有效減少生質物體積、水分及揮 發性有機物，並降低H/C 比與 O/C 比、增加其熱值及疏水性，發熱量也能增加 20- 25 % (Bergman et al., 2005)。

圖4、焙燒生質物成品性質(Bergman et al., 2006) Fig.4 Product quality of torrefied biomass. (Bergman et al., 2006)

2.3.1 焙燒處理的優點

Fig.5 A typical mass-and energy balance of the torrefaction process on as received basis.

(E:energy unit; M: mass unit.) (Bergman et al., 2005) 焙燒

2.3.2 焙燒處理產物

焙燒技術是熱化學法，在200-300 °C、1 atm 且缺氧環境下操作，且加熱速率 通常較低( <50°C / min)、持溫時間較長( >1hr)，獲得的產物有固體的生質媒、液體 的焦油及有機揮發物、氣體等，其中生質媒是此製程的主要產物，而液體與氣體可 作為此製程提供燃料熱源的原料，是環保且節能的製程。焙燒過程類似熱裂解系統，

生質物之化學結構產生改變，室溫下會有不同的液體揮發物產生；與熱裂解系統的 不同之處，在於焙燒產品主要為固體，稱之為焙燒物或焙燒生質物。如以質量比例 來看，焦炭(Char)所占比例最大，其餘重要反應產物可分為 CH3COOH、CH3OH、

CO2與CO 等。經過冷凝後，液態產物會呈現黃色；相較於未處理的生質物，所有

非固體反應物皆有較高含氧量。因此，焙燒生質物中的 O/C 比例遠低於未經焙燒

處理生質物的比例，此即焙燒生質物熱值提高之原因(Bergman et al., 2005)。

2.3.3 焙燒分解機制

木本和草本生質物主要由 3 種聚合物結構組成，分別為纖維素、半纖維素和

木質素，統稱為木質纖維素。如圖6 所示，焙燒過程中會發生許多反應，並有不同

的反應途徑。這些反應途徑可概分為幾個主要的反應階段(Bergman et al., 2005)。

圖6、木質纖維素材料在熱解前之加熱過程中之主要物理化學現象(Bergman et al., 2005)

Fig. 6 Main physico-chemical phenomena during heating of lignocellulosic materials at pre-pyrolytic conditions (torrefaction). (Bergman et al., 2005)

每種聚合物在焙燒過程中都可以觀察到類似圖 6 的反應規則。在溫度狀態 A

中，生質物發生物理乾燥；當溫度升高到狀態 C 時，聚合物分解，縮短的聚合物

在固體結構內凝聚；溫度進一步升高到狀態 D，完整聚合物和在狀態 C 中形成的

固體結構產生有限度的脫揮發和碳化。溫度進一步升高到狀態E，聚合物及在狀態

D 中形成的固體產物產生大量的脫揮發和碳化。對於木質素，還可觀察到狀態 B，

其結構組成發生軟化，變成良好的黏合劑，這對生物質緻密化非常有利。圖6 藍線 將焙燒溫度其分成低溫(< 250 °C)和高溫(> 250 °C)狀態(Bergman et al., 2005)。

一般情形下，半纖維素是最具反應性的聚合物，其次是木質素，而纖維素是最 耐熱的。在較低的焙燒溫度下，主要的生質物分解來自半纖維素有限的脫揮發和碳 化。對於木質素和纖維素，除了結構中的化學變化之外，則可能有輕微的分解，但 是不會有顯著的質量損失。在較高的烘焙溫度下，半纖維素大量分解，產生揮發物 與焦炭狀固體產物，木質素和纖維素則發生有限的脫揮發和碳化作用，因此整體反 應相形劇烈。總體而言，溫度狀態的轉變是屬於漸進的，在焙燒過程中，大量的脫 揮發分和碳化仍然被視為是緩慢的的過程。溫度轉換狀態取決於生物質的類型和 性質，尤其半纖維素的反應性與其分子結構有非常大的關聯，如闊葉樹木材反應就 較針葉樹木材更強。一般在半纖維素可觀察到相對劇烈的轉變，但對於木質素和纖 維素而言，轉變的發生則相對漸進、不容易觀察到(Bergman et al., 2005)。