碳化温度对2种畜禽粪便水热炭热重特性的影响

来源 :安徽农业科学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:atian_net
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要 [目的]考察碳化温度对水热炭热解特性的影响。[方法]采用热重法对不同碳化温度下的猪粪和牛粪水热炭的热解特性及反应动力学进行研究。[结果]水热碳化温度达到180 ℃时,猪粪水热炭热解DTG曲线出现2个峰,特性参数也发生显著变化,且180 ℃的猪粪水热炭的热解残留率最低。猪粪水热炭热解反应活化能(E)和指前因子(A)均随水热碳化温度的升高而降低,牛粪水热炭热解特性参数和动力学方程中的E和A随碳化温度的增大而增大。[结论]该研究可为猪粪水热炭的制备条件化及应用提供科学依据。
  关键词 猪粪水热炭;牛粪水热炭;热重特性;热解动力学
  中图分类号 S181 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2017)28-0061-04
  Abstract [Abstract]To investigate the influence of carbonization temperature on pyrolysis properties of hydrothermal carbon.[Method]The pyrolysis characteristics and reaction kinetics of swine manure and cow dung hydrochar at different carbonization temperatures were studied by thermal gravimetric analysis.[Result]DTG curves of swine manure hydrochar showed two peaks when carbonization temperature was higher than 180 ℃,and the characteristic parameters also changed significantly,the char yield of biochar at 180 ℃ was the lowest.The reaction activation energy and preexponential factors of the pyrolysis of swine manure hydrochar were decreased with the increase of the temperature of hydrothermal carbonization,however that of the cow hydrochar were increased with the increase of the carbonization temperature.[Conclusion]The study can provide scientific basis for the preparation and application of pig manure hydrothermal carbon.
  Key words Swine manure hydrochar;Cow dung hydrochar;Thermogravimetry characteristic;Pyrolytic kinetics
  畜禽糞便水热炭是以畜禽粪便为原料,在较低的温度、一定的反应时间和压力下进行的水热反应所获得的固体炭材料,主要用于土壤改良,也可以用于储能和制备活性炭等。我国是畜禽养殖大国,全国每年产生畜禽粪污38×108亿t,综合利用率不到60%,最少有15.2亿t粪污浪费,据估算,2020年全国畜禽粪便的产生量将达到42.44×108 t,畜禽粪便引发的环境问题日益严重[1]。
  对于高含水率的畜禽粪便,水热碳化法可实现将其快速处理转化为碳肥。目前水热碳化法已广泛用于处理废弃物生物质[2-5]。Parshetti等[6]采用水热碳化的方式将厨余垃圾制备成吸附性炭材料;赵丹等[7]采用水热碳化技术将剩余污泥制作成污泥炭。有关畜禽粪便水热碳化技术及水热炭特性与应用方面的研究较少[8-9]。
  热重法是在程序控制温度下,测量物质质量与温度关系的一种技术。它广泛应用于无机化学和有机化学、高聚物、冶金、地质、石油、煤焦和生物化学等领域[10-11]。然而,目前关于畜禽粪便水热炭热重的研究鲜见报道。笔者通过热重法分析猪粪水热炭热解失重规律,研究不同碳化温度对猪粪水热炭热解特性的影响,评价不同碳化温度下制备的猪粪水热炭的热稳定性、生物质组成结构差异、挥发分含量差异等特性,旨在为猪粪水热炭的制备条件优化和应用提供理论支持。
  1 材料与方法
  1.1 试验原料
  取自杭州某养殖场的猪粪和牛粪,放入100 mL的水热碳化釜中,将碳化釜置于油浴锅中,设置不同碳化温度(140、160、180、200和220 ℃),停留时间1 h,进行水热碳化,所得到的猪粪水热炭样品依次取名为 PHC-140、PHC-160、 PHC-180、 PHC-200、PHC-220和原料PHC-0,牛粪水热炭样品依次取名为CHC-140、CHC-160、 CHC-180、 CHC-200、CHC-220和原料CHC-0。反应结束后,真空抽滤,得到的固体置于烘箱中,于105 ℃干燥,备用。所有水热炭的主要元素含量见表1。
  1.2 试验方法 试验采用STA409C综合热分析仪。取10 mg左右样品在热重分析仪上,于100 mL/min氮气气氛中以20 ℃/min加热速率进行程序升温热重试验。温度由室温升至670 ℃,系统自动采集数据。
  2 结果与分析
  2.1 畜禽粪便水热炭热解特性
  2.1.1 猪粪水热炭热解特性。
  根据TG曲线拐点(图1a)可见,猪粪水热炭的热解分为3个阶段,第1阶段质量变化较小,先出现失水峰,在50~120 ℃,然后曲线比较平稳;第2阶段为热解峰所对应的温度段,为主要失重阶段;第3阶段,质量变化很小,是缓慢的热解阶段。从DTG曲线(图1b)可见,PHC-0、PHC-140和PHC-160 3个原料的热解只有1个峰,而PHC-180、PHC-200、PHC-220得到的猪粪水热炭热解过程出现了2个失重峰,第1个失重峰不明显,说明水热炭的主要成分从碳化温度180 ℃起发生了变化。   由表2可知,猪粪水热炭热解失重区间在243~396 ℃,PHC-0、PHC-140、PHC-160 3种原料的热解峰对应的温度比较接近,在307~310 ℃,而PHC-180、PHC-200、PHC-220的水热炭热解峰出现在343~356 ℃,比前3种原料的峰发生了后移;前3种原料的最大热解速率随原料的碳化温度升高而减小,从10.6%/min降到9.2%/min,后3种原料也有同样的趋势,从9.6%/min降到6.4%/min;热解温度升到670 ℃时,残留率差别较大,PHC-0、PHC-140、PHC-160 3种原料的热解残留率较接近,而PHC-180、PHC-200、PHC-220的残留率则随水热碳化温度升高而明显升高,残留率最低的是180 ℃水热炭。由于最后残留固体主要由固定碳和无机金属组成,从残留率的特征推测,当水热碳化温度达到180 ℃时,猪粪热解过程中出现了大量的无机金属损失,然后随着碳化温度升高,水热炭中的挥发分减少,残留率升高。碳化温度在160 ℃之前,水热炭热解性质较接近原料,而当碳化温度到达180 ℃时,碳化反应激烈,水热炭产物热解特性出现不同于猪粪的特性。
  2.1.2 牛粪水热炭热解特性。
  由图2可见,牛粪水热炭热解的TG和DTG曲线分为3个阶段,第1个阶段约有10%失重,主要是失水产生的,质量损失主要发生在50~120 ℃,然后曲线变得平稳,失重很小;第2阶段是主要失重阶段,约发生在200~415 ℃,热解峰在此阶段出现;第3阶段质量变化较小,为缓慢的热分解阶段。从TG曲线(图2a)可见,固体残留率随水热炭制备温度的升高而增大,从DTG曲线(图2b)可见,牛粪水热炭的DTG曲线均只有1个热解峰,且热解峰值随着水热炭制备温度的升高而减小。
  由表3可知,牛粪水热炭的主要失重区间在256~395 ℃,热解峰所对应的温度随着水热炭制备温度的升高而略有升高,在336~345 ℃变化不大;CHC-0、CHC-140、CHC-160、CHC-180 4种物料的最大热解速率较接近,在9.1~9.5%/min,而CHC-200时降到7.0 %/min,CHC-220时降到5.6%/min;残留率随着水热炭制备温度的升高而升高,从CHC-0的32.88wt/%升到CHC-220的56.8wt/%,总体残留率均较高。
  2.2 畜禽粪便水热炭热解动力学分析
  2.2.1 动力学参数求解方法。假设在热重分析仪中热裂解反应是一步反应,A(s)→B(s)+C(g)作为热裂解方程,式中,
  A(s)为反应物原固体生物质原料;B(s)为热裂解的固体剩余物——焦炭;C(g)为热解的气体产物C,水蒸气、CO、CO2、H2和一些碳氢化合物等都包括在内。简化反应动力学方程:
  对反应中测得的同一条TG曲线上的数据点进行动力学分析的方法称为单个扫描速率法,分析生物质热解动力学参数经常用到该方法。Coats-Redfern法和Freeman-Carroll法等比较常见,该研究采用Coats-Redfern法。
  式中,ERT≥1,1-2RTE≈1,对一般的反应区和大多数的E值都适用,因此右端的第1项几乎都是常数式,则对作图,能得到一条直线,根据直线的斜率-ER和截距lnARβE(1-2RTE)E和A。
  2.2.2 猪粪和牛粪水热炭热解动力学分析。
  采用一级动力学模型求解热解主要阶段温度区间内猪粪水热炭和牛粪水热炭热动力学参数,获得了较好的线性拟合直线(图3),线性相关性均大于0.98,再由图3的拟合直线方程结合(4)式计算出2种粪便水热炭热解反应动力学参数(表4)。
  由表4可见,碳化温度升高猪粪水热炭热解反应的E、A0均降低。由表5可见,牛粪水热碳化温度升高,牛粪水热炭的E升高,A0也升高。比较表4、5可见,牛粪水热炭热解动力学参数大于猪粪,碳化温度对猪粪和牛粪水热炭热解反应动力学参数的影响相反。与肖瑞瑞等[12]采用同样方法得到的稻草、木屑和树叶的动力学参数比较,该研究中2种粪便水热炭的E和A均偏大,与花生壳、松木屑和谷壳等[13]的动力学参数较接近。
  3 结论
  该研究采用热重法对畜禽粪便水热炭热解特性及反应动力学进行研究,考察了碳化温度对水热炭热解特性的影响,得到以下结论:
  (1)不同碳化温度所制备的猪粪水热炭的DTG曲线可分2类,较低碳化温度(0、140和160 ℃)的猪粪水热炭有1个热解峰,而较高碳化温度(180、200和220 ℃)的猪粪水热炭有2个热解峰,说明碳化温度对猪粪水热炭组成有重要影响;而牛粪水热炭均只有1个热解峰。
  (2)碳化温度对猪粪水热炭的热重特性参数影响不同,140和160 ℃水熱炭与原料的接近,碳化温度的影响较小,而较高的碳化温度(180、200和220 ℃)对猪粪水热炭的热解特性产生影响较大,再结合热重曲线可知,当碳化温度到达180 ℃后,猪粪发生了显著的碳化反应。而牛粪水热炭随着制备温度的升高呈规律变化。牛粪水热炭的热解温度高于猪粪水热炭,说明牛粪水热炭比猪粪水热炭更加稳定。
  (3)猪粪水热炭热解的活化能和指前因子随制备温度的升高而降低,而牛粪的相反。牛粪水热炭的热解动力学活化能大于猪粪水热炭。
  参考文献
  [1]中华人民共和国农业部.关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案[A].2016.
  [2] DAI L C,WU B,TAN F R,et al.Engineered hydrochar composites for phosphorus removal/recovery:Lanthanum doped hydrochar prepared by hydrothermal carbonization of lanthanum pretreated rice straw[J].Bioresour technology,2014,161:327-332.   [3] NONAKA H,FUNAOKA M.Decomposition characteristics of softwood lignophenol under hydrothermal conditions[J].Biomass and bioenergy,2011,35(4):1607-1611.
  [4] REZA M T,ROTTLER E,HERKLOTZ L,et al.Hydrothermal carbonization (hydrochar) of wheat straw:Influence of feedwater pH prepared by acetic acidand potassium hydroxide[J].Bioresour technology,2015,182:336-344.
  [5] ZHANG J H,LIN Q M,ZHAO X R.The Hydrochar characters of municipal sewage sludge under different hydrothermal temperatures and durations[J].Journal of integrative agriculture,2014,13(3):471-482.
  [6] PARSHETTI G K,CHOWDHURY S,BALASUBRAMANIAN R.Hydrothermal conversion of urban food waste to chars for removal of textile dyes from contaminated waters[J].Bioresource technology,2014,161(11):310-319.
  [7] 趙丹,张琳,郭亮,等.水热碳化与干法碳化对剩余污泥的处理比较[J].环境科学与技术,2015,38(10):78-83.
  [8] DAI L C,TAN F R,WU B,et al.Immobilization of phosphorus in cow manure during hydrothermal carbonization [J].Journal of environmental management,2015,157:49-53.
  [9] GHANIM B M,PANDEY D S,KWAPINSKI W,et al.Hydrothermal carbonisation of poultry litter:Effects of treatment temperature and residence time on yields and chemical properties of hydrochars [J].Bioresource technology,2016,216:373-380.
  [10] EISENREICH N,SCHULZ O,KOLECZKO A,et al.Comparison of kinetics,oxide crystal growth and diffusivities of nanoand micrometersized copper particles on oxidation in air[J].Thermochimica acta,2017,65(4):93-100.
  [11] RUEDAPRDN~EZ Y J,TANNOUS K.Thermal decomposition of sugarcane straw,kinetics and heat of reaction in synthetic air[J].Bioresource technology,2010,211:231-239.
  [12] 肖瑞瑞,杨伟,陈雪莉,等.三种常见生物质热解动力学特性的研究[J].化学世界,2012,53(11):663-668.
  [13] 米铁,陈汉平,杨国来,等.农林生物质废弃物的热重实验研究[J].太阳能学报,2008,29(1):109-113.
其他文献
摘要 [目的]对GRAS认证的枯草芽孢杆菌发酵所得N-乙酰神经氨酸进行分离纯化,获得安全性高的目的产物。[方法]通过沸水浴破壁、菌液分离、活性炭脱色、乙醇分步沉淀除杂、乙酸结晶以及重结晶等工艺对枯草芽孢杆菌基因工程菌株经培养所得的N-乙酰神经氨酸发酵液进行分离纯化。[结果]分离纯化后,N-乙酰神经氨酸纯度在96.0%以上。[结论]研究结果为N-乙酰神经氨酸应用于食品、保健品等领域提供了质量保障。 
期刊
摘要 [目的]探讨富源花魔芋的最佳N、P、K施用量。[方法]采用大棚盆栽和“3414”试验方案共设计14个N、P、K施用量处理,研究不同处理对富源花魔芋产量的影响。[结果]基础肥力处理①的产量(收获时单株大芋重量)为184.53 g,是处理⑥的37.99%;处理B13的产量最高为696.20 g,生长系数为6.94,比处理①增产277.28%;处理④的产量最低为295.00 g,生长系数为2.90
期刊
摘要选择海参产业上升期为研究阶段,以海参加工品作为研究对象商品,针对大连地区海参加工的大型企业及该地区海参加工品市场进行实地调研。通过对事例企业养殖生产、加工、销售等经营活动以及对大连海参加工品市场的现状分析,论证了加工企业的企业经营战略对海参市场整体扩大所起到的作用,证明了加工企业的一系列经营活动是水产品市场快速扩大的主要原因之一。  关键词加工企业;海参;产业扩大;经营活动  中图分类号S-9
期刊
摘要 [目的]研究早期水分胁迫对水稻干物质积累和氮素吸收利用的影响。[方法]以一季中稻为试验材料,在大棚内开展了轻度水分胁迫(QX)和重度水分胁迫(ZX)对不同生育时期不同器官影响的盆栽试验。 [结果]2种水分胁迫处理均明显抑制了水稻不同时期的干物质量。分蘖期,CK组根、茎、叶干物质相对QX和ZX处理有不同程度(121.1%~211.2%)的增加。CK组穗重最大,为53.21 g/盆,其相对QX和
期刊
摘要 [目的] 探明不同生产条件下穗数、粒数、粒重对产量的影响。[方法] 对通粳981在不同密度和肥料条件下形成的产量及其构成因子进行回归、相关和通径分析。[结果] 穗数、粒数和粒重对产量均有极显著的增产效应,其增产效应从大到小依次为穗数、粒数、粒重,其中穗数对产量起主要作用;但在基本苗较多或施N量较大的情况下,穗数和粒数的增产作用都很重要。[结论] 农业生产中可针对不同生产栽培条件,从产量构成因
期刊
摘要 [目的]研究不同生长条件对青稞产量、品质的影响。[方法]采集4个青稞品种,分别在西藏、甘肃、山西3个地区进行对比种植,对青稞中的水分、灰分、淀粉、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、可溶糖、碳水化合物、β-葡聚糖以及砷、铅、汞12项指标进行检测。[结果]与原产地青稞种植产量相比,在山西省种植的青稞产量仅占其44%~73%;在同一地区种植的品種,其粗蛋白、粗纤维、水分、灰分、粗脂肪、可溶糖、碳水化合物等各
期刊
摘要 [目的]筛选适合黑龙江西部干旱区种植的糜子品种,提升该地区糜子产量水平。[方法]在黑龙江西部干旱地区,通过垄作栽培的方法,采用完全随机试验设计,以近些年培育出的6个优质糜子品种为试验材料,进行品比筛选试验。[结果]不同糜子品种的农艺性状和产量不同,株高较高、穗粒数较多的品种为赤黍8号;千粒重较重、籽粒饱满的品种为榆糜2号;产量较高的粳糜子品种为固糜21号,较榆糜2号、陇糜12号分别高9.26
期刊
摘要针对生物统计学课程的特点,从理论与实践相整合的角度出发,修订了教学内容和教学大纲,整合了统计原理及实验设计原则与实践案例数据分析教学,整合了实践案例统计分析理论讲解与计算机统计软件的操作教学,整合了理论内容的全英文教授与课堂提问讨论、网络教学平台等多种互动交流练习,培养中外合作办学项目学生应用统计原理解决实践问题及应用生物统计专业英语交流的能力。  关键词生物统计学;理论与实践整合;中外合作办
期刊
摘要 特用玉米是一类具有专用性、优质性、高效性特点的玉米类型。特用玉米产业化发展对调整玉米种植结构具有重要意义。就特用玉米国内外的生产现状、特性和经济价值以及发展特用玉米的前景进行了阐述,并对我国特用玉米的产业化发展提出对策,以期为今后特用玉米的发展提供依据。  关键词 特用玉米;产业化;发展对策  中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2017)28-0039-03
期刊
摘要 寒富苹果是沈阳农业大学育成的中晚熟优良抗寒品种,2010年分别在山东泰东及莱州小草沟,琅玡岭定植,栽培表现良好。介绍了寒富苹果在山东苹果主产区的引种表现及优质高效栽培技术,以期进一步推广应用该品种。  关键词 寒富;引种;栽培技术  中图分类号 S661.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2017)28-0052-03  Abstract Hanfu apple is a g
期刊