行业背景
总述
什么是生物炭（Biochar）？
生物炭是一种通过热解技术将生物质（如农业废弃物、木材或有机材料）在缺氧条件下加热至高温（通常在350°C到700°C之间）制成的黑色、蓬松、质地轻的富碳固态材料，通常以颗粒形式存在，主要由碳、氢、氧、氮等元素组成，碳含量通常超过70%。它具有极低的溶解性，具备高度羧基化和芳香化的结构特征。生物炭的原料来源广泛，包括农业废弃物如鸡粪、猪粪、木屑、秸秆，以及工业有机废弃物和城市污泥等。
生物炭几乎是纯碳，埋到地下后可以有几百至上千年不会消失，等于把碳封存进了土壤，有助于减缓全球变暖，具有改善农业的价值，其高碳含量和多孔结构使得生物炭能够显著改善土壤结构（在砂土中添加生物碳，可以使其储水能力提升92%；而将生物碳加入黏土中，水分的流动速度可以增加到原来的3倍）和肥力、固定大气中的碳以减缓气候变化，并吸附和降解环境中的有害物质（吸收N2O，CO₂的强度为CO₂的300倍），因此在农业、环境修复和气候变化等领域具有重要的应用价值。
2022年，全球生物炭市场规模约为2.31亿美元，预计到2030年将增长至约21.96亿美元，年复合增长率超过10%。目前，生物炭市场主要集中在北美和欧洲，而亚太地区特别是中国和印度，则展现出巨大的增长潜力。使用不同原料生产的生物炭的质量有很大不同，在不同温度下进行热裂解的生物碳，也会产生不同的效应。但通过严格控制热解技术可以创造出具有工程性能和高可靠性的生物炭，这种碳将适用于更复杂的应用，例如取代高需求储能设备（包括锂离子电池和超级电容器）中的石墨和活性炭电极材料。
据知耕研究发现，在应用方面，生物炭的多功能性表现尤为突出。在农业领域，生物炭可作为土壤改良剂，能够显著提高土壤的养分保持能力和作物产量；在环境修复领域，生物炭可用于吸附和固定土壤和水体中的重金属和有机污染物，有效改善污染环境；在工业领域，生物炭可用于能源存储和建筑材料。
生物炭的制备方法
在生物炭的制备过程中，根据所采用的热解技术的差异，生物炭的主要制备方法可以分为热解法和水热炭化法等。制备生物炭时，制备方法受到多个关键因素的影响，包括炭化温度、炭化速率、炭化压力、反应停留时间、使用的催化剂、气体滞留时间以及生物质的种类等。这些因素共同决定了最终生物炭的性质和产量。
■ 热解法：
■ 慢速热解：在较低的温度（300~650℃）和较长的反应时间（通常不到30分钟）下进行，主要生成气体和固态生物炭。慢速热解的特点是生物炭产量高，产率可达到35%。
■ 快速热解：在相对较高的温度和非常快的升温速率下进行，产物停留时间很短，主要生成生物油和少量生物炭，生物炭产率约为12%或更低。
■ 微波热解：利用微波能量直接加热生物质，升温速度快，操作简便。尽管微波热解的生物炭得率低，但具有更高效的能量利用和快速的反应速度。
■ 水热炭化法：
通过在密封系统中将生物质加热至200~300℃的亚临界或超临界水中进行反应，不需要原料干燥预处理，适合处理高水分含量的生物质。水热炭化产物的碳含量较高，过程可控，适用于制备均一的炭材料。
■ 气化法：
使用气化炉在高温下将生物质气化，生成可燃气体，同时产生生物炭。根据是否使用气化剂，可分为有气化剂（如空气、水蒸气、氧气等）和无气化剂（干馏气化）。该方法可显著降低生物炭中其他元素的含量。
■ 活化方法：
■ 酸活化：使用酸（如磷酸、硫酸）处理生物炭，改善其物理特性和吸附容量，增强其化学活性。
■ 碱活化：将生物质或生物炭置于碱性溶液中处理，提升比表面积和孔隙密度，增加带负电物质的吸附能力。
■ 金属浸渍活化：通过在热解前或热解后引入金属或金属盐，赋予生物炭特定的催化和吸附特性。
■ 气体活化：利用气体（如蒸汽、CO₂、臭氧等）在高温下处理生物炭，增加其表面积和孔隙结构。
应用端发展情况
生物炭领域海外主要玩家
■ Airex Energy (加拿大工业绿色碳)
■ BIOSORRA (肯尼亚生物炭创业公司)
■ BYGEN (澳大利亚基于农林废弃物生产高品质活性炭技术公司)
■ Carba (美国使用生物炭的低能量CO₂去除和永久储存公司)
■ Carbo Culture (芬兰利用植物将CO₂转化为稳定碳公司)
■ Carbon Cycle（德国生产高品质生物炭公司）
■ Carbofex（芬兰使用革命性的生物炭产品去除CO₂公司）
■ Circular Carbon(德国生产高品质生物炭公司)
■ Climate Robotics(美国收获农业残留物并将其转化为生物炭的自动化系统公司)
■ DarkBlack Carbon (英国新的热解装置提供的地球认证碳信用和生物炭公司）
■ Earthly_Biochar (英国使生物炭负排放技术公司)
■ ECOERA (瑞典利用生物炭技术去除土壤碳和生物质废物中的生物能源公司)
■ Eco Locked(德国专注于生物炭的碳去除公司)
■ Húmica (墨西哥利用生物炭复兴古老的土壤技术公司)
■ InPlanet (德国再生热带土壤公司)
■ Nationale Bomenbank (荷兰富含生物炭的树木土壤产品公司)
■ NovoCarbo (德国将生物残渣中的C02转化为可再生能源和生物炭公司)
■ Pacific Biochar (美国大型先进生物炭产品，侧重于农业和生态系统管理)
■ Positive Biocarbon (英国使用FSC生物炭固碳公司)
■ Rainbow Bee Eater(澳大利亚从废弃生物质中生产清洁的合成气用于生物炭公司)
■ 案例1：Airex Energy
核心技术与产品:
Airex Energy成立于2008年，是一家哥伦比亚专注于开发和提供世界级的脱碳解决方案的公司。其CarbonFX™技术是由Airex Energy核心运营的一项先进热处理技术，通过将低价值的森林生物质转化为高价值的碳产品来实现脱碳目标。Airex Energy的产品线包括生物炭、生物煤和生物碳，这些产品在农业、能源和冶金等多个行业中应用广泛，提供了显著的环境和经济效益。
商业模式与进展:
Airex Energy近期完成了价值3800万加元的B轮融资，此轮融资由Cycle Capital牵头，并吸引了FTQ Fonds de solidarité加入现有投资者财团。其他参与投资的机构包括Investissement Québec、Desjardins-Innovatech、Export Development Canada（EDC）以及 Cycle Capital。通过这轮融资，Airex Energy 将能够进一步扩大其技术应用和市场覆盖，推动更多行业实现脱碳目标。
■ 案例2：BIOSORRA
核心技术与产品:
BIOSORRA成立于2013年， 是一家专注于CO₂移除和碳封存的公司，通过其独特的生物炭技术为应对气候变化提供解决方案。旨在以最低的投资实现最大化的CO₂去除。此方法不仅有助于碳封存，还通过改善土壤健康支持可持续农业实践。
商业模式与进展:
BIOSORRA专注于与全球南方社区合作，提供经济高效的生物炭生产技术，促进当地可持续农业发展。他们的进展包括优化技术、在多个地区启动项目，以及通过战略合作扩展市场和推动碳中和。
■ 案例3：Carbofex
核心技术与产品:
Carbofex成立于2016年，是一家专注于生物炭生产和应用的公司。Carbofex通过连续热解技术将森林疏伐废弃物的生物质转化为生物炭。其先进系统在无氧环境中加热生物质，生产出高碳含量且稳定的生物炭，能够长期锁住CO₂并改善土壤质量。热解过程中还产生合成气，这种可再生能源用于反应器供能，并为社区提供多余的能源。除了碳捕捉，Carbofex的生物炭还用于增强土壤肥力，帮助水净化，并支持可持续的废物管理。作为碳市场的先驱，Carbofex提供CO₂去除证书（CORCs），为企业提供经过验证的碳抵消方案，积极推动应对气候变化。
商业模式与进展:
Carbofex的商业模式包括生产和销售用于改良土壤和水处理的高效生物炭，同时利用生产过程中产生的合成气提供能源。Carbofex还通过出售碳去除证书（CORCs）参与碳市场，帮助企业实现碳中和。近年来，Carbofex通过提升生产自动化和与国际客户合作，显著扩展了市场和业务能力。凭借多元化的收入来源和不断扩展的市场覆盖，Carbofex在推动全球可持续发展和应对气候变化方面取得了显著的进展。Carbofex共有八项专利，最受欢迎的三个专利主题包括：chemical processes、gas discharge lamps、industrial gases。
■ 案例4：Ecoera
核心技术与产品:
Ecoera成立于2007年，是一家具备完整流程的生物炭合成公司。Ecoera专注于通过其Millennium生物炭碳去除系统，将生物质高效转化为生物炭和合成气，以实现永久碳封存。该系统在无氧条件下对生物质进行热解，生成的生物炭能够长期锁定碳，而合成气则用于区域供热。Ecoera 生产的生物炭经过第三方认证，符合欧洲生物炭证书的严格标准，具有极高的碳稳定性。此外，他们开发了一个全面的碳审计追踪平台，能够详细记录碳从生物质到土壤的整个封存过程，确保碳去除的可靠性和可验证性。他们在南瑞典的Hammenhög运行着欧洲最大的生物炭生产设施之一，使用先进的PYREG GmbH设备，推动大规模的生物炭生产和碳去除。
商业模式与进展:
Ecoera 通过出售碳去除证书（CORCs）以供企业在碳市场上交易，实现真正的碳中和。他们在南瑞典运营欧洲最大的生物炭生产设施，支持全球范围的碳封存和可持续发展。
生物炭领域国内主要玩家
在中国，活性炭将是未来的大势发展方向。虽然活性炭行业起步相对较晚，但近年来已经显示出强劲的增长势头。相较于全球，中国的活性炭行业在技术创新和市场应用上正在迅速赶超和追赶。在活性炭领域，目前我国从事活性炭的企业主要为国有企业、大型民营企业和新兴技术企业，目前国内已有圣泉集团、元力股份等企业布局。
■ 案例1：圣泉集团
核心技术与产品:
圣泉集团成立于成立于1994年，产品包括铸造辅助材料、酚醛树脂、电子化学品和生物质四大板块其中酚醛树脂、呋喃树脂产销量规模位居国内第一。圣泉集团利用秸秆作为主要原料，开发生物基碳技术，其副产品包括纤维素、纳米纤维素、糠醛、乙酸和钾盐等。这些副产品不仅丰富了生产链条，还有效利用了农业废弃物资源，推动了循环经济和可持续发展的实践。
商业模式与进展:
公司拟采用自主研发的圣泉生物溶剂技术，投资24.80亿元建设年产10万吨生物基硬碳负极材料项目，该项目旨在打造生物质精炼一体化产业集群，通过技术创新和生产能力扩展，促进环保和可持续发展，同时提升公司在新能源领域的市场竞争力和全球影响力。
■ 案例2：元力股份
核心技术与产品:
元力股份成立于1999年，是目前国内木质活性炭龙头企业，持续拓展高分散硅胶、二氧化硅市场2011年在深圳创业板上市，是国内规模最大的木质活性炭龙头企业之一。其生物炭产品以椰子壳类为生物质基材料，与益海嘉里在东南亚合作建设厂中厂，目前正在建设小试线，同时开发毛竹类硬碳前驱体。
商业模式与进展:
元力股份是世界上目前能产业化生产碱活化法超级电容炭的少数企业之一，目前已实现300吨/年产能，向国内外数十家客户提供产品及技术服务，系国内首家电容炭产品通过多家超级电容器厂家测评并批量稳定使用中。
■ 案例3：泰然生物
核心技术与产品:
山东泰然生物成立于2011年，隶属于山东泰然集团，公司不断延伸产业链形成集分布式能源热电联产、生物炭、生物质刺激活性因子、生物质液体肥生产及生物质热解开发利用为一体的高效循环经济企业。其生物炭的核心技术包括优化的热解工艺和结构调控，通过高温处理农业废弃物如秸秆和木屑，转化为碳含量高达70%以上的固体材料。其产品具有极低的溶解性和羧基、芳香化结构，适用于广泛的应用场景，包括农业的土壤改良、环境的污染物吸附和工业的高性能材料。
商业模式与进展:
山东泰然生物是目前世界上规模最大、技术最成熟、技术最先进的33万吨/年生物质热解项目，并不断延伸产业链，形成了集生物质发电、生物活性高效有机液体肥、生物质炭基肥、有机农业观光园区于一体的产业体系。目前该产品已批量稳定上市。
总结
知耕认为，目前生物炭行业面临着发展机遇与挑战并存的局面。当前，国内硬碳和电容碳产品依赖进口的现状限制了产业的规模化发展，而生物质资源丰富、生产技术成熟的特点为行业发展提供了坚实基础。然而，行业在技术创新和市场应用上仍需克服诸多难关，如生物质原料的多样性选择和环境因素对产品质量的影响。
生物炭行业未来的发展前景非常乐观。首先，推动生物基碳原料的国产化将是解决依赖进口问题的关键步骤，特别是活性炭等关键材料的自主生产。其次，生物炭在超级电容器和钠离子电池等新能源领域的应用正在迅速扩展，展示出巨大的市场潜力和可持续发展的优势。此外，生物炭因其优异的性能特点，如高导电性、安全性和环保性，受到市场的广泛认可，为产业快速发展打下了坚实基础。
为了实现行业的长远发展，知耕建议行业各方持续推动技术创新和跨学科融合，从分子设计等高级技术层面寻找突破口，提升产品的性能和竞争力。同时，加强产业链的整合和合作，促进市场导向的产品应用深化，助力生物基碳行业在国内外市场上的领导地位，引领产业变革的新时代。
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