微波輔助水熱炭化食物殘渣熱液碳的熱解動力學(xué)研究

作者單位：北京林業(yè)大學(xué)

發(fā)表期刊：ENERGY

影響因子/區(qū)號：8.857/ 1

摘要

食品垃圾沼氣池的處理是制約工業(yè)沼氣池發(fā)展的一大障礙。為降低干燥成本，促進能量回收，本研究采用微波輔助水熱炭化預(yù)處理與后續(xù)熱解相結(jié)合的方法制備FWD。首先，在不同的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和固載量下進行MHTC反應(yīng)，將FWD轉(zhuǎn)化為水熱碳(hc)。MHTC預(yù)處理可以有效地促進前驅(qū)油原料的燃料性能，反應(yīng)溫度是影響前驅(qū)油衍生hc性能的最主要因素。在此基礎(chǔ)上，通過熱重實驗研究了FWD和3個代表性FWD衍生烴的熱解行為。fwd衍生hc的熱分解與纖維素-木質(zhì)素結(jié)構(gòu)平臺生物質(zhì)的熱分解一致。最后確定了前驅(qū)油及其代表烴源化合物的熱解動力學(xué)參數(shù)和可能的反應(yīng)機理。FWD和3種hc的表觀活化能平均值為85.181e106.499 kJ/mol。FWD和三種碳氫化合物的熱解過程分別可以用三維擴散模型和反應(yīng)級數(shù)模型描述。

關(guān)鍵詞: 厭氧消化、Digestate、食物浪費、熱解、水熱碳化

1. 簡介

由于人口的增長導(dǎo)致糧食產(chǎn)量的增加和食品回收技術(shù)的缺乏，食品垃圾已成為廢棄物的主要來源之一。全球每年產(chǎn)生約13億噸食物垃圾，而中國的食物垃圾數(shù)量預(yù)計將增加到每年3億噸以上。傳統(tǒng)的食物垃圾處理方法，如填埋或焚燒，會造成嚴重的環(huán)境污染。作為兩種傳統(tǒng)處理方法的替代，厭氧消化(AD)被認為是減少食物浪費和生產(chǎn)可再生能源的zuijia選擇之一。它可以在缺氧的條件下，通過微生物將FW中的生物可降解成分(蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物)轉(zhuǎn)化為沼氣。沼氣可以進一步升級為生物甲烷，也可以直接燃燒產(chǎn)生熱量和電力。然而，降解物是AD工藝最后產(chǎn)生的主要濕性副產(chǎn)物，由于其水分含量高、容重低、氣味難聞、形狀不規(guī)則，被認為是一種難以處理的廢物。傳統(tǒng)的應(yīng)用，如土壤改良劑或化肥在農(nóng)田是經(jīng)濟上不可持續(xù)的，不足以滿足嚴格的環(huán)境法規(guī)[6]。例如，已證實當(dāng)運輸距離超過10公里時，沼地運輸?shù)目偝杀?如搬運、烘干、儲存和運輸)將大大超過其肥料價值。此外，F(xiàn)W降解物中病原菌、重金屬、過量氮和化學(xué)需氧量(COD)含量較高，若控制不當(dāng)，可能造成嚴重的環(huán)境污染。因此，為實現(xiàn)中國農(nóng)用植物的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要利用沼渣的替代方案。厭氧消化的能量轉(zhuǎn)換效率食物垃圾通常只有40e50%左右，因為食物垃圾中的大部分有機成分是不可生物降解的。一半以上的能量被保留在沼渣中，使其成為理想的能源生產(chǎn)燃料。為了開發(fā)沼氣池中的能量，熱化學(xué)技術(shù)，如熱解[9]、燃燒[10]或氣化[11]在沼氣池處理中受到了越來越多的關(guān)注，因為其處理時間短，且不存在細菌群落[6]。在這些選擇中，沼渣燃燒需要解決燒結(jié)結(jié)塊的問題。以H2、CO、CH4和CO2為主要成分的合成氣的氣化處理在焦油還原方面存在缺陷。相比之下，熱解引起了越來越多的關(guān)注，因為通過熱解可以有效地回收沼渣中的能量，將沼渣轉(zhuǎn)化為合成氣、生物油和炭[12]。在此背景下，關(guān)于食物垃圾的熱解的各種研究已經(jīng)報道[13]。然而，F(xiàn)W殘渣含水率高(高達95%)是熱解處理的最大障礙。干燥前處理會消耗大量的原料，嚴重影響整個過程的經(jīng)濟效益能量。水熱碳化(HTC)可以將廢棄生物轉(zhuǎn)化為類似泥炭的固體產(chǎn)物，命名為水熱碳(hc)，在容易的溫度(180e250 C)和自生壓力下的水相[14,15]。HTC預(yù)處理和熱解耦合可以有效地應(yīng)用于不同類型的濕生物質(zhì)，而不需要任何能量密集型的干燥步驟。先前的研究已經(jīng)證明，與直接干燥原始原料[17]相比，進行傳統(tǒng)的HTC和干燥高水分含量的hc具有能量優(yōu)勢。Burgueteet al.[18]還證實，干燥作為固體燃料的hc比干燥潮濕的原料更節(jié)能。有幾篇報道研究了htc常規(guī)預(yù)處理對不同廢棄物生物質(zhì)熱解行為的影響，如沼渣[19]，污水污泥[12]或松木鋸末[20]。這些研究成功地證明了HTC與熱解相結(jié)合處理不同廢棄物的可行性生物質(zhì)。然而，微波加熱已被證明比傳統(tǒng)的加熱[21]更有效。與傳統(tǒng)的HTC工藝相比，微波輔助HTC (MHTC)工藝最近受到越來越多的關(guān)注，因為該技術(shù)可以提供*的脫水性能和縮短反應(yīng)時間，通過提高原料的加熱速度，從而提高效率和降低能耗[22]。因此，我們認為與傳統(tǒng)的HTC預(yù)處理和熱解相結(jié)合相比，微波輔助HTC預(yù)處理和熱解相結(jié)合的策略可以以更經(jīng)濟的方式最大限度地利用原始沼氣池的能量，并促進沼氣廠的可持續(xù)發(fā)展。遺憾的是，到目前為止，微波輔助HTC預(yù)處理與熱解相結(jié)合處理食物垃圾消化殘渣的可行性尚不明確。此外，關(guān)于微波輔助宏達電熱解碳氫化合物的詳細熱解行為的信息仍然非常有限。因此，本文研究了微波輔助電溶法與熱解法相結(jié)合的處理食物垃圾AD的方法。本研究的目的是:(1)研究微波輔助HTC條件(反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、固體負載)對FW消解產(chǎn)物hcs特性的影響;(ii)研究不同熱解條件下碳氫化合物的熱解行為;(iii)初步了解FW熱解所得hc的熱解動力學(xué)。希望這種方法可以促進沼氣廠基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，促進利用AD沼渣進行能源回收的循環(huán)經(jīng)濟。

2.2. FW digestate的微波輔助HTC

每次微波輔助HTC測試在2.45 GHz,1000 W微波反應(yīng)器(XH-8000 Plus，北京祥鵠科技有限公司)中進行。在一個典型的過程中，干燥的FW沼渣與適量的水混合，得到2 ~ 25%的不同固體負荷。將攪拌充分后的混合液轉(zhuǎn)入100ml微波反應(yīng)釜中，密封釜后轉(zhuǎn)入加熱裝置中。然后用微波將反應(yīng)釜加熱到預(yù)設(shè)溫度(160e260 C)，并維持所需的反應(yīng)時間(20e120 min)。需要注意的是，這些操作參數(shù)通常適用于微波輔助HTC工藝[24e27]。在微波輔助HTC過程中，反應(yīng)物在280 r/min連續(xù)攪拌。反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜通過內(nèi)置風(fēng)扇迅速冷卻至環(huán)境溫度。打開反應(yīng)釜得到得到的漿液，通過真空過濾裝置將HC樣品從漿液中分離出來。然后在105 C的烤箱中干燥12小時。每次測試進行3次，將產(chǎn)品混合在一起，以獲得足夠的樣品進行進一步分析和熱解測試。 HC的收率計算如下:yield?Ms Mf 100%(1)其中Ms表示固體HC樣品的質(zhì)量，Mf表示干原料的質(zhì)量。

4. 結(jié)論

本研究研究了微波輔助HTC(MHTC)預(yù)處理和熱解作為一種聯(lián)合工藝來對食物垃圾厭氧消化的消化物進行加壓?？疾炝朔磻?yīng)溫度(160e260 C)、反應(yīng)時間(20e120 min)和固載量(2e25 wt%) 3個因素對MHTC熱液碳(hc)收率和元素組成的影響。MHTC預(yù)處理可有效提升食物殘渣燃料性能，反應(yīng)溫度是影響食物殘渣衍生hc性能的關(guān)鍵因素。在熱重分析儀上研究了FWD和三種具有代表性的FWD衍生烴的熱解行為。由于MHTC過程中促進碳水化合物的增溶，F(xiàn)WD衍生hc的熱分解與原FWD不同。采用Flynn-Wall-Ozawa (FWO)法和通用積分法進行熱解動力學(xué)分析，結(jié)果表明，3種FWD衍生烴的表觀活化能平均值(94.912e106.499 kJ/mol)高于原FWD (85.181 kJ/mol)。FWD的熱分解可以用三維擴散機理來描述，而FWD衍生的hc的熱分解均遵循反應(yīng)級模型。微波輔助HTC預(yù)處理與熱解相結(jié)合，可以更有效地推廣到其他高含水率的廢棄生物質(zhì)中進行能量回收。工藝優(yōu)化對于復(fù)雜的工業(yè)過程非常重要。研究結(jié)果可為餐廚廢棄物沼渣可持續(xù)利用的工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。