微波輔助水熱炭化食物殘渣熱液碳的熱解動力學研究

作者單位：北京林業大學

發表期刊：ENERGY

影響因子/區號：8.857/ 1

摘要

食品垃圾沼氣池的處理是制約工業沼氣池發展的一大障礙。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處理與后續熱解相結合的方法制備FWD。首先，在不同的反應溫度、反應時間和固載量下進行MHTC反應，將FWD轉化為水熱碳(hc)。MHTC預處理可以有效地促進前驅油原料的燃料性能，反應溫度是影響前驅油衍生hc性能的最主要因素。在此基礎上，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-木質素結構平臺生物質的熱分解一致。最后確定了前驅油及其代表烴源化合物的熱解動力學參數和可能的反應機理。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級數模型描述。

關鍵詞: 厭氧消化、Digestate、食物浪費、熱解、水熱碳化

1. 簡介

由于人口的增長導致糧食產量的增加和食品回收技術的缺乏，食品垃圾已成為廢棄物的主要來源之一。全球每年產生約13億噸食物垃圾，而中國的食物垃圾數量預計將增加到每年3億噸以上。傳統的食物垃圾處理方法，如填埋或焚燒，會造成嚴重的環境污染。作為兩種傳統處理方法的替代，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、脂類和碳水化合物)轉化為沼氣。沼氣可以進一步升級為生物甲烷，也可以直接燃燒產生熱量和電力。然而，降解物是AD工藝最后產生的主要濕性副產物，由于其水分含量高、容重低、氣味難聞、形狀不規則，被認為是一種難以處理的廢物。傳統的應用，如土壤改良劑或化肥在農田是經濟上不可持續的，不足以滿足嚴格的環境法規[6]。例如，已證實當運輸距離超過10公里時，沼地運輸的總成本(如搬運、烘干、儲存和運輸)將大大超過其肥料價值。此外，FW降解物中病原菌、重金屬、過量氮和化學需氧量(COD)含量較高，若控制不當，可能造成嚴重的環境污染。因此，為實現中國農用植物的可持續發展，迫切需要利用沼渣的替代方案。厭氧消化的能量轉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燃料。為了開發沼氣池中的能量，熱化學技術，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結塊的問題。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注，因為通過熱解可以有效地回收沼渣中的能量，將沼渣轉化為合成氣、生物油和炭[12]。在此背景下，關于食物垃圾的熱解的各種研究已經報道[13]。然而，FW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濟效益能量。水熱碳化(HTC)可以將廢棄生物轉化為類似泥炭的固體產物，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預處理和熱解耦合可以有效地應用于不同類型的濕生物質，而不需要任何能量密集型的干燥步驟。先前的研究已經證明，與直接干燥原始原料[17]相比，進行傳統的HTC和干燥高水分含量的hc具有能量優勢。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能。有幾篇報道研究了htc常規預處理對不同廢棄物生物質熱解行為的影響，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與熱解相結合處理不同廢棄物的可行性生物質。然而，微波加熱已被證明比傳統的加熱[21]更有效。與傳統的HTC工藝相比，微波輔助HTC (MHTC)工藝最近受到越來越多的關注，因為該技術可以提供*的脫水性能和縮短反應時間，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，我們認為與傳統的HTC預處理和熱解相結合相比，微波輔助HTC預處理和熱解相結合的策略可以以更經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發展。遺憾的是，到目前為止，微波輔助HTC預處理與熱解相結合處理食物垃圾消化殘渣的可行性尚不明確。此外，關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(反應溫度、反應時間、固體負載)對FW消解產物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。希望這種方法可以促進沼氣廠基礎設施的發展，促進利用AD沼渣進行能源回收的循環經濟。

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入100ml微波反應釜中，密封釜后轉入加熱裝置中。然后用微波將反應釜加熱到預設溫度(160e260 C)，并維持所需的反應時間(20e120 min)。需要注意的是，這些操作參數通常適用于微波輔助HTC工藝[24e27]。在微波輔助HTC過程中，反應物在280 r/min連續攪拌。反應結束后，反應釜通過內置風扇迅速冷卻至環境溫度。打開反應釜得到得到的漿液，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樣品的質量，Mf表示干原料的質量。

4. 結論

本研究研究了微波輔助HTC(MHTC)預處理和熱解作為一種聯合工藝來對食物垃圾厭氧消化的消化物進行加壓。考察了反應溫度(160e260 C)、反應時間(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預處理可有效提升食物殘渣燃料性能，反應溫度是影響食物殘渣衍生hc性能的關鍵因素。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，FWD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分析，結果表明，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級模型。微波輔助HTC預處理與熱解相結合，可以更有效地推廣到其他高含水率的廢棄生物質中進行能量回收。工藝優化對于復雜的工業過程非常重要。研究結果可為餐廚廢棄物沼渣可持續利用的工藝優化提供理論依據。