畜禽粪便热解特性研究

摘要

近年来畜禽养殖业开始迅猛发展，畜禽粪便引起的环境污染也越来越严重。目前，畜禽粪便的处理技术效率不高，并且容易造成二次污染，而采用热解技术来对畜禽粪便进行处理具有明显的优势，不仅可以有效地降低环境负担，还能使热效率提高，同时得到生物油、固体炭以及热解气等有较高利用价值的产品。但是目前国内关于畜禽粪便的热解特性的研究还比较少。本文以猪粪、牛粪、鸡粪三种畜禽粪便为研究对象，对它们的工业成分、元素成分和热值等基本特性进行了系统测定和分析，并进行了畜禽粪便的热解特性分析和热解动力学分析。主要得到以下结论:　　1)猪粪、牛粪、鸡粪三种畜禽粪便（干燥基）的工业成分几乎相同，其中挥发分含量分别为68.18％、69.84％、69.53％，牛粪的挥发分最高，热解会比猪粪和鸡粪进行得充分。三种畜禽粪便（干燥基）的各元素含量相差也不大，主要以C和O为主，H、N元素含量较低，S元素含量最低，猪粪、牛粪和鸡粪的C和H元素含量之和分别为48.15％、50.14％、43.94％，牛粪的为最高，因此牛粪热解可能会比猪粪和鸡粪产生更多的气体燃料。对三种畜禽粪便（干燥基）热值分析的结果表明，猪粪和牛粪的热值相当，高位热值分别为16.93KJ/g和16.86KJ/g，低位热值分别为15.35KJ/g和15.34KJ/g，均高于鸡粪，因此猪粪和牛粪热解所需的温度可能低于鸡粪。　　2)对热解TG和DTG曲线分析得出，升温速率20℃/min下三种畜禽粪便中猪粪和牛粪挥发分释放难易程度相当，均较鸡粪容易，牛粪的最大热解速率最高，最终残留固体最少;随着温度升高，热解产物的生成量增加，在200～400℃热解产物的生成速率最快，热解最剧烈;随着升温速率的增加，牛粪的起始降解温度、最大热解速率及所对应的温度均增加，挥发分更容易析出，但是最终固体残留物也增多。　　3)采用三种方法进行了畜禽粪便的热解动力学分析，其中FWO法得出了牛粪在不同转化率下的热解动力学参数，发现牛粪的热解活化能随转化率的逐渐增加而降低，转化率为60％时，活化能最低，为157.86KJ/mol，各转化率下热解活化能的平均值为170.60KJ/mol。通过Coats-Red fern积分法确定了三种畜禽粪便的动力学模型均为D6三维扩散模型，机理函数f(a)=3/2（1-α）4/3[(1-α)-1/3-1]-1，求得猪粪的活化能E为87.8KJ/mol，频率因子A为3.5×106min-1;牛粪在升温速率为10℃/min、20℃/min、30℃/min时，活化能E分别为101.5KJ/mol、101.0KJ/mol、102.5KJ/mol，频率因子A分别为4.3×107min-1、2.6×107min-1、3.9×107min-1;鸡粪的活化能E为68.2K J/mol，频率因子A为3.3×104min-1。Kissinger微分法得到牛粪热解活化能E为132.63KJ/mol，频率因子A为1.58×1011min-1。三种方法比较得出FWO求得的活化能值最高，实验误差最小，对畜禽粪便热解动力学分析的效果最优。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 生物质能利用技术

1．2．1 生化转化技术

1．2．2 热化学转化技术

1．3 畜禽粪便热解研究进展

1．3．1 畜禽粪便的利用现状

1．3．2 生物质热解机理研究现状

1．3．3 畜禽粪便热解研究进展

1．4 本文研究的主要内容和技术路线

1．4．1 课题研究内容

1．4．2 技术路线

2 畜禽粪便的基本特性分析

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验仪器

2．2．3 试验方法

2．3 结果与分析

2．3．1 畜禽粪便的工业分析

2．3．2 畜禽粪便的NCHSO元素分析

2．3．3 畜禽粪便的热值分析

2．4 本章小结

3 畜禽粪便热解特性的研究

3．1 试验目的

3．2 材料与方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验仪器和方法

3．3 畜禽粪便的热解特性

3．3．1 品种对热解过程的影响

3．3．2 温度对热解过程的影响

3．3．3 升温速率对热解过程的影响

3．4 本章小结

4 畜禽粪便热解动力学的研究

4．1 热解动力学研究的基本方程

4．2 热解动力学研究方法

4．2．1 FWO积分法

4．2．2 Coats-Redfern积分法

4．2．3 Kissinger微分法

4．2．4 三种热解模型的比较

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢