微波辅助水热炭化食物残渣热液碳的热解动力学研究

作者单位：北京林业大学

发表期刊：ENERGY

影响因子/区号：8.857/ 1

摘要

食品垃圾沼气池的处理是制约工业沼气池发展的一大障碍。为降低干燥成本，促进能量回收，本研究采用微波辅助水热炭化预处理与后续热解相结合的方法制备FWD。首先，在不同的反应温度、反应时间和固载量下进行MHTC反应，将FWD转化为水热碳(hc)。MHTC预处理可以有效地促进前驱油原料的燃料性能，反应温度是影响前驱油衍生hc性能的最主要因素。在此基础上，通过热重实验研究了FWD和3个代表性FWD衍生烃的热解行为。fwd衍生hc的热分解与纤维素-木质素结构平台生物质的热分解一致。最后确定了前驱油及其代表烃源化合物的热解动力学参数和可能的反应机理。FWD和3种hc的表观活化能平均值为85.181e106.499 kJ/mol。FWD和三种碳氢化合物的热解过程分别可以用三维扩散模型和反应级数模型描述。

关键词: 厌氧消化、Digestate、食物浪费、热解、水热碳化

1. 简介

由于人口的增长导致粮食产量的增加和食品回收技术的缺乏，食品垃圾已成为废弃物的主要来源之一。全球每年产生约13亿吨食物垃圾，而中国的食物垃圾数量预计将增加到每年3亿吨以上。传统的食物垃圾处理方法，如填埋或焚烧，会造成严重的环境污染。作为两种传统处理方法的替代，厌氧消化(AD)被认为是减少食物浪费和生产可再生能源的zuijia选择之一。它可以在缺氧的条件下，通过微生物将FW中的生物可降解成分(蛋白质、脂类和碳水化合物)转化为沼气。沼气可以进一步升级为生物甲烷，也可以直接燃烧产生热量和电力。然而，降解物是AD工艺最后产生的主要湿性副产物，由于其水分含量高、容重低、气味难闻、形状不规则，被认为是一种难以处理的废物。传统的应用，如土壤改良剂或化肥在农田是经济上不可持续的，不足以满足严格的环境法规[6]。例如，已证实当运输距离超过10公里时，沼地运输的总成本(如搬运、烘干、储存和运输)将大大超过其肥料价值。此外，FW降解物中病原菌、重金属、过量氮和化学需氧量(COD)含量较高，若控制不当，可能造成严重的环境污染。因此，为实现中国农用植物的可持续发展，迫切需要利用沼渣的替代方案。厌氧消化的能量转换效率食物垃圾通常只有40e50%左右，因为食物垃圾中的大部分有机成分是不可生物降解的。一半以上的能量被保留在沼渣中，使其成为理想的能源生产燃料。为了开发沼气池中的能量，热化学技术，如热解[9]、燃烧[10]或气化[11]在沼气池处理中受到了越来越多的关注，因为其处理时间短，且不存在细菌群落[6]。在这些选择中，沼渣燃烧需要解决烧结结块的问题。以H2、CO、CH4和CO2为主要成分的合成气的气化处理在焦油还原方面存在缺陷。相比之下，热解引起了越来越多的关注，因为通过热解可以有效地回收沼渣中的能量，将沼渣转化为合成气、生物油和炭[12]。在此背景下，关于食物垃圾的热解的各种研究已经报道[13]。然而，FW残渣含水率高(高达95%)是热解处理的最大障碍。干燥前处理会消耗大量的原料，严重影响整个过程的经济效益能量。水热碳化(HTC)可以将废弃生物转化为类似泥炭的固体产物，命名为水热碳(hc)，在容易的温度(180e250 C)和自生压力下的水相[14,15]。HTC预处理和热解耦合可以有效地应用于不同类型的湿生物质，而不需要任何能量密集型的干燥步骤。先前的研究已经证明，与直接干燥原始原料[17]相比，进行传统的HTC和干燥高水分含量的hc具有能量优势。Burgueteet al.[18]还证实，干燥作为固体燃料的hc比干燥潮湿的原料更节能。有几篇报道研究了htc常规预处理对不同废弃物生物质热解行为的影响，如沼渣[19]，污水污泥[12]或松木锯末[20]。这些研究成功地证明了HTC与热解相结合处理不同废弃物的可行性生物质。然而，微波加热已被证明比传统的加热[21]更有效。与传统的HTC工艺相比，微波辅助HTC (MHTC)工艺最近受到越来越多的关注，因为该技术可以提供*的脱水性能和缩短反应时间，通过提高原料的加热速度，从而提高效率和降低能耗[22]。因此，我们认为与传统的HTC预处理和热解相结合相比，微波辅助HTC预处理和热解相结合的策略可以以更经济的方式最大限度地利用原始沼气池的能量，并促进沼气厂的可持续发展。遗憾的是，到目前为止，微波辅助HTC预处理与热解相结合处理食物垃圾消化残渣的可行性尚不明确。此外，关于微波辅助宏达电热解碳氢化合物的详细热解行为的信息仍然非常有限。因此，本文研究了微波辅助电溶法与热解法相结合的处理食物垃圾AD的方法。本研究的目的是:(1)研究微波辅助HTC条件(反应温度、反应时间、固体负载)对FW消解产物hcs特性的影响;(ii)研究不同热解条件下碳氢化合物的热解行为;(iii)初步了解FW热解所得hc的热解动力学。希望这种方法可以促进沼气厂基础设施的发展，促进利用AD沼渣进行能源回收的循环经济。

2.2. FW digestate的微波辅助HTC

每次微波辅助HTC测试在2.45 GHz,1000 W微波反应器(XH-8000 Plus，北京祥鹄科技有限公司)中进行。在一个典型的过程中，干燥的FW沼渣与适量的水混合，得到2 ~ 25%的不同固体负荷。将搅拌充分后的混合液转入100ml微波反应釜中，密封釜后转入加热装置中。然后用微波将反应釜加热到预设温度(160e260 C)，并维持所需的反应时间(20e120 min)。需要注意的是，这些操作参数通常适用于微波辅助HTC工艺[24e27]。在微波辅助HTC过程中，反应物在280 r/min连续搅拌。反应结束后，反应釜通过内置风扇迅速冷却至环境温度。打开反应釜得到得到的浆液，通过真空过滤装置将HC样品从浆液中分离出来。然后在105 C的烤箱中干燥12小时。每次测试进行3次，将产品混合在一起，以获得足够的样品进行进一步分析和热解测试。 HC的收率计算如下:yield¼Ms Mf 100%(1)其中Ms表示固体HC样品的质量，Mf表示干原料的质量。

4. 结论

本研究研究了微波辅助HTC(MHTC)预处理和热解作为一种联合工艺来对食物垃圾厌氧消化的消化物进行加压。考察了反应温度(160e260 C)、反应时间(20e120 min)和固载量(2e25 wt%) 3个因素对MHTC热液碳(hc)收率和元素组成的影响。MHTC预处理可有效提升食物残渣燃料性能，反应温度是影响食物残渣衍生hc性能的关键因素。在热重分析仪上研究了FWD和三种具有代表性的FWD衍生烃的热解行为。由于MHTC过程中促进碳水化合物的增溶，FWD衍生hc的热分解与原FWD不同。采用Flynn-Wall-Ozawa (FWO)法和通用积分法进行热解动力学分析，结果表明，3种FWD衍生烃的表观活化能平均值(94.912e106.499 kJ/mol)高于原FWD (85.181 kJ/mol)。FWD的热分解可以用三维扩散机理来描述，而FWD衍生的hc的热分解均遵循反应级模型。微波辅助HTC预处理与热解相结合，可以更有效地推广到其他高含水率的废弃生物质中进行能量回收。工艺优化对于复杂的工业过程非常重要。研究结果可为餐厨废弃物沼渣可持续利用的工艺优化提供理论依据。