畜禽粪便热解特性试验研究

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随着畜禽养殖业的蓬勃发展,相应的粪污处理问题也引起了人们越来越多的关注。目前,畜禽粪便处理技术存在方法单一、容易造成二次污染等问题。热解技术处理畜禽粪便在有效降低环境负担的同时可以得到生物油、热解气以及固体炭等有较高利用价值的产品,因而日益受到重视。但是目前国内关于畜禽粪便热解特性的研究还比较少,本文在对畜禽粪便化学组成等基本特性进行系统测定的基础上,进行了畜禽粪便热解特性的试验研究,并在实验室条件下利用小型流化床进行了猪粪的热解液化试验,分析了热解温度、猪粪粒径和进料速率等因素对热解产品产率的影响,为畜禽粪便热解处理技术的进一步研究提供基础数据。主要得到以下结论:畜禽粪便(干燥基)中纤维素含量(3.75%~20.92%)低于秸秆中纤维素含量,半纤维素含量与秸秆没有差别,其含量在23.35%~28.20%之间,猪粪中木质素含量较低(7.57%±4.09%),鸡粪中木质素含量(13.39%±2.57%)跟秸秆中木质素含量差别不大,牛粪和羊粪中木质素含量(分别为23.72%和26.28%)则高于秸秆;四种畜禽粪便(风干基)具有几乎相同的工业分析成分,其中挥发分、固定碳和灰分平均含量分别为63.31%、13.00%和20.97%。在所测定的畜禽粪便(干燥基)中,猪粪的热值较高,比玉米秸的低位热值稍高,其低位热值达17.12MJ·kg-1,牛粪、鸡粪和羊粪的热值略低,但低位热值也都在11MJ·kg-1以上。畜禽粪便在风干状态下可以作为一种生物质原料进行热解。不同动物粪便热解总体规律是一致的,从室温到200℃左右,热解进行比较缓慢;温度在200~450℃之间时,热解反应十分剧烈,猪粪、牛粪、鸡粪和羊粪在225~345℃阶段质量损失量占整个热解失重量的63.13%~76.13%;温度达到500℃以上时,热解又变的较为缓慢,直到热解结束。不同动物粪便的热解活化能有一定差别,其值在65~180kJ·mol-1之间,频率因子在104~1015min-1之间。热解气体红外分析结果表明,畜禽粪便热解气体产物集中在250~500℃之间析出,猪粪、鸡粪和羊粪于350℃处附近气体析出最为剧烈,牛粪于500℃处气体析出最为剧烈,气体产物中主要成分有H2O,CO,CO2和CH4等。猪粪的热解液化试验结果表明,温度对热解产物分布有较大影响,随着温度的升高,固体炭产率下降而气体产率增加,生物油产率的变化则有一个极点,当温度低于450℃时,生物油产率随着温度的增加而增大,在450℃左右生物油产率达到最大值,超过500℃时,生物油产率随着温度增加而减少;试验还发现,粒径小于1mm的猪粪颗粒对热解生物油产率没有明显影响,增大原料的进料速率可以提高生物油产率。对热解前后固体样品部分物质含量分析发现,固体炭中N总量明显少于原料中N总量,而K、P、Cu、Zn则大部分保存在固体产物中。
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