畜禽廢棄物作為生物質(zhì)能源利用的可行性研究

孫廷岳

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350008）

畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅速向規(guī)模化和集約化發(fā)展，同時也產(chǎn)生了大量畜禽廢棄物，預計2020年中國畜禽廢棄物排放總量將達到42.44億噸[1]。畜禽廢棄物主要是指養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的畜禽糞便以及殘雜等廢棄物，大量未經(jīng)處理的畜禽廢棄物排入環(huán)境中，對環(huán)境造成嚴重的污染，影響畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

生物質(zhì)熱化學轉換技術是將低品位的生物質(zhì)轉化為高品質(zhì)的易儲存、易運輸、能量密度高且具有商業(yè)價值的固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)燃料的技術[3]。通過熱化學處理，畜禽廢棄物可快速轉化為高品質(zhì)的生物質(zhì)燃料，熱效率高，且不會對環(huán)境造成二次污染，是當前較為理想的禽畜廢棄物的處理技術。

目前，國內(nèi)的熱解氣化技術主要用于農(nóng)林廢棄物（如樹木[4-5]、秸稈[6-7]等）與垃圾[8-9]等的處理上，畜禽廢棄物的熱解氣化特性還未見系統(tǒng)的研究。為了獲得畜禽廢棄物熱解氣化過程的基礎數(shù)據(jù)，有必要對畜禽廢棄物的理化特性和熱解特性進行研究。

文中分析了畜禽廢棄物的理化性質(zhì)，研究其作為生物質(zhì)能源的可行性，并通過熱重實驗考察畜禽廢棄物的熱解過程，建立反應動力學方程，求出活化能與頻率因子，為畜禽廢棄物的熱化學利用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

畜禽廢棄物來源于福建省南平市某生物質(zhì)發(fā)電廠，主要為雞糞與稻殼的混合物。該發(fā)電廠將畜禽廢棄物風干后與廢木料混合，作為鍋爐燃料直接燃燒。

試樣先經(jīng)過烘箱烘干后，在空氣中水分平衡，破碎后篩出進行工業(yè)組分、元素、熱值與熱重分析。

1.2 分析方法

2 結果與討論

2.1 畜禽廢棄物的理化性質(zhì)分析

畜禽廢棄物的工業(yè)組分、元素成分及熱值這些理化性質(zhì)對熱解過程有著重要影響。測定這些基本性質(zhì)，有助于了解畜禽廢棄物熱解機理，為畜禽廢棄物的后續(xù)熱化學利用提供依據(jù)。

表1列出了畜禽廢棄物的理化性質(zhì)，包括工業(yè)組分、元素成分與低位熱值。表1同時還列出了生物質(zhì)成型燃料與煙煤的相應指標進行比較。成型燃料與煙煤數(shù)據(jù)均來源于福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院日常檢驗檢測。

表1 畜禽廢棄物、成型燃料與煙煤的理化性質(zhì)

畜禽廢棄物的揮發(fā)分為64.25%，接近于成型燃料，比煙煤要高出一倍多。生物質(zhì)燃料中的碳與氫結合成較低分子的碳氫化合物，遇一定溫度后熱分解而析出揮發(fā)分，含量高的揮發(fā)分一般在250℃～350℃溫度下就大量析出并開始劇烈燃燒。揮發(fā)分高，燃點低，易著火，說明畜禽廢棄物十分適合熱化學處理。畜禽廢棄物固定炭為13.51%，接近于成型燃料，遠低于煙煤，這也可表明畜禽廢棄物的燃料性質(zhì)與成型燃料更為相近。畜禽廢棄物的可燃成分（揮發(fā)分+固定碳）高達77.76%，可認為是一種良好的生物質(zhì)燃料。

畜禽廢棄物的C與O元素分別為40.48%與50.62%，相對于其他兩種燃料，C偏低而O偏高。畜禽廢棄物的S含量（0.47%）低于煙煤（0.62%），推測燃燒或氣化產(chǎn)生的SO2濃度要低于煙煤，有利于環(huán)境排放；然而N元素（3.42%）遠高于煙煤（0.83%），更容易生成NOx。元素組分也更接近于成型燃料。

畜禽廢棄物的低位熱值（LHV）為15.76 MJ/kg。燃料熱值大小實際上與工業(yè)組分及元素成分密切相關。由于畜禽廢棄物的揮發(fā)分高，固定碳低，而且C元素低，O元素高，導致其熱值比成型燃料與煙煤都低。

由畜禽廢棄物的理化性質(zhì)分析可知，畜禽廢棄物的性質(zhì)接近于生物質(zhì)成型燃料，可視為一種生物質(zhì)資源加以利用。

2.2 畜禽廢棄物的熱分解過程

為了獲取畜禽廢棄物的熱解過程，使用微機差熱天平對畜禽廢棄物的熱失重過程進行了研究。圖1顯示了畜禽廢棄物在升溫速率為10K/min條件下的TG-DTG曲線。

圖1 畜禽廢棄物在升溫速率10 K/min下的TG-DTG曲線

畜禽廢棄物的熱分解過程主要有三個階段：

熱分解第一階段是由室溫升至501.34K (T1)：該階段前段的TG曲線有一個較緩下降坡，這段為原料的脫水過程，DTG曲線也出現(xiàn)了小的失水峰，峰值溫度θ1與峰值失重速率U1分別為350.2K與-0.59%/min（“-”代表失重，下同）；后端失重速率變小并趨于平穩(wěn)。該階段的總失重速率為7.60%。

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 13.0軟件統(tǒng)計分析，計量資料以（）描述，組間比較采用因素方差分析，技術資料采用χ2，P＜0.05為差異有顯著性。

第二階段的溫度范圍為501.3K(T1)-617.9K (T2)：該階段為畜禽廢棄物熱解的主要階段，TG曲線急劇下降，DTG曲線出現(xiàn)了大的失重速率峰，最高失重速率U2達到了-4.42%/min（θ2=601.9 K），該階段總失重比例ΔTG2為35.61%。該階段是由于畜禽廢棄物受熱分解出大量的揮發(fā)分，導致原料重量迅速下降。

在熱分解的第三階段，TG曲線下降坡度變緩，該階段主要是木質(zhì)素等不易揮發(fā)的有機物質(zhì)的熱分解，并形成了較多的炭。

由以上結果可知，畜禽廢棄物的熱解過程與生物質(zhì)成型燃料十分相似[10]，說明畜禽廢棄物同樣具有生物質(zhì)燃料的熱解特性。

2.3 畜禽廢棄物的熱解動力學研究

文中采用動力學分析對畜禽廢棄物的熱解過程進行分析，并利用Coats-Redfern法計算出畜禽廢棄物的活化能E及頻率因子A，用來評價畜禽廢棄物熱利用的可行性。已經(jīng)有文獻報道了生物質(zhì)熱解反應動力學的推導過程[10]，得到：

采用Coats-Redfern法，經(jīng)整理后得到：

采用Coats-Redfern法擬合出的曲線顯示出良好的線性關系。將圖2整理并計算后，獲得了畜禽廢棄物的活化能E、頻率因子A和相關系數(shù)R等，詳見表2。

圖2 畜禽廢棄物在升溫速率10K/min下的擬合曲線

表2 畜禽廢棄物的反應動力學參數(shù)

對于溫度范圍為501.34K-617.69K的主熱解階段，用試驗所得的TG曲線模擬畜禽廢棄物的反應動力學，得到了良好的相關性，擬合出的反應動力學方程為y=-5.5876-4520.2x，頻率因子A為169.23min-1，相關系數(shù)R為0.9974，說明可采用一級動力學模型來描述畜禽廢棄物的熱解過程。畜禽廢棄物的活化能低至37.58kJ/mol，活化能越低，說明反應越容易進行，表明畜禽廢棄物的熱解反應易于進行。因此畜禽廢棄物采用熱化學方法利用是可行的。

3 結論

文中研究了畜禽廢棄物的理化性質(zhì)、熱解特性及反應動力學，得出以下結論：

（1）工業(yè)組分、元素成分與熱值的分析結果表明，畜禽廢棄物的燃料性質(zhì)接近于生物質(zhì)成型燃料，認為是一種可利用的生物質(zhì)資源。

（2）畜禽廢棄物的熱解過程與成型燃料類似，同樣存在脫水、快速熱解與緩慢失重三個階段。

（3）采用Coats-Redfern法計算出畜禽廢棄物熱解過程符合一級動力學模型，且活化能低，說明熱解過程十分容易進行。

雖然畜禽廢棄物的揮發(fā)分、固定炭與熱值等關鍵指標比其他兩種常用燃料偏低，但是它作為廢棄物，已經(jīng)有很好的生物質(zhì)燃料的性質(zhì)，具備良好的熱化學轉換潛力。在實際的利用過程中，應根據(jù)他們本身具有的特性，采取相應措施來克服這些特性對熱化學轉換過程的負面影響。