微波輔助水熱炭化食物殘?jiān)鼰嵋禾嫉臒峤鈩?dòng)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(hào)：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(jìn)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(shí)間和固載量下進(jìn)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(jìn)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(guò)熱重實(shí)驗(yàn)研究了FWD和3個(gè)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(tái)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(dòng)力學(xué)參數(shù)和可能的反應(yīng)機(jī)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?xì)浠衔锏臒峤膺^(guò)程分別可以用三維擴(kuò)散模型和反應(yīng)級(jí)數(shù)模型描述。

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

1. 簡(jiǎn)介

由于人口的增長(zhǎng)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(lái)源之一。全球每年產(chǎn)生約13億噸食物垃圾，而中國(guó)的食物垃圾數(shù)量預(yù)計(jì)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(huì)造成嚴(yán)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(rèn)為是減少食物浪費(fèi)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(guò)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(jìn)一步升級(jí)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(rèn)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(jì)上不可持續(xù)的，不足以滿足嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)[6]。例如，已證實(shí)當(dāng)運(yùn)輸距離超過(guò)10公里時(shí)，沼地運(yùn)輸?shù)目偝杀?如搬運(yùn)、烘干、儲(chǔ)存和運(yùn)輸)將大大超過(guò)其肥料價(jià)值。此外，F(xiàn)W降解物中病原菌、重金屬、過(guò)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(yán)重的環(huán)境污染。因此，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)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?yàn)槭澄锢械拇蟛糠钟袡C(jī)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(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)槠涮幚頃r(shí)間短，且不存在細(xì)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(wèn)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(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(bào)道[13]。然而，F(xiàn)W殘?jiān)矢?高達(dá)95%)是熱解處理的最大障礙。干燥前處理會(huì)消耗大量的原料，嚴(yán)重影響整個(gè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行傳統(tǒng)的HTC和干燥高水分含量的hc具有能量?jī)?yōu)勢(shì)。Burgueteet al.[18]還證實(shí)，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(bào)道研究了htc常規(guī)預(yù)處理對(duì)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(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)樵摷夹g(shù)可以提供*的脫水性能和縮短反應(yīng)時(shí)間，通過(guò)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(rèn)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(jì)的方式最大限度地利用原始沼氣池的能量，并促進(jìn)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?jiān)目尚行陨胁幻鞔_。此外，關(guān)于微波輔助宏達(dá)電熱解碳?xì)浠衔锏脑敿?xì)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(shí)間、固體負(fù)載)對(duì)FW消解產(chǎn)物hcs特性的影響;(ii)研究不同熱解條件下碳?xì)浠衔锏臒峤庑袨?(iii)初步了解FW熱解所得hc的熱解動(dòng)力學(xué)。希望這種方法可以促進(jìn)沼氣廠基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，促進(jìn)利用AD沼渣進(jìn)行能源回收的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

2.2. FW digestate的微波輔助HTC

每次微波輔助HTC測(cè)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(jìn)行。在一個(gè)典型的過(guò)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(fù)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(shí)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(guò)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(guò)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(guò)真空過(guò)濾裝置將HC樣品從漿液中分離出來(lái)。然后在105 C的烤箱中干燥12小時(shí)。每次測(cè)試進(jìn)行3次，將產(chǎn)品混合在一起，以獲得足夠的樣品進(jìn)行進(jìn)一步分析和熱解測(cè)試。 HC的收率計(jì)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(lái)對(duì)食物垃圾厭氧消化的消化物進(jìn)行加壓?？疾炝朔磻?yīng)溫度(160e260 C)、反應(yīng)時(shí)間(20e120 min)和固載量(2e25 wt%) 3個(gè)因素對(duì)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?jiān)剂闲阅埽磻?yīng)溫度是影響食物殘?jiān)苌鷋c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(guò)程中促進(jìn)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(jìn)行熱解動(dòng)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(kuò)散機(jī)理來(lái)描述，而FWD衍生的hc的熱分解均遵循反應(yīng)級(jí)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(jìn)行能量回收。工藝優(yōu)化對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過(guò)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)。