食用菌培养基废弃物热解研究

摘要

随着食用菌产业的不断发展，食用菌培养基废弃物问题日益突出，如何有效地利用食用菌培养基废弃物资源，近年来受到了国内外广泛的关注和重视。目前食用菌培养基废弃物的利用主要集中于燃料、农作物基肥、饲料添加剂等，通过热化学转化技术将其转化为燃气、生物油、生物炭等研究甚少。本文提出了利用食用菌培养基废弃物热解生成燃气，目的在于开发食用菌培养基废弃物资源，开辟一条食用菌培养基废弃物利用的新途径，使食用菌生产实现“资源—生产—消费—再生资源”的循环产业模式。本文首先对食用菌培养基废弃物进行热解动力学研究，然后在此基础上，在固定床反应器中系统的研究了食用菌培养基废弃物的热解情况，考察了反应温度、粒径、催化剂对食用菌培养基废弃物热解反应的影响，并对气体、液体、固体产物进行了分析。同时采用CDS5200型裂解仪-气相色谱仪-质谱仪（Py-GC/MS）联用分析技术，研究裂解温度和时间对食用菌培养基废弃物裂解产物组成及其含量的影响，并通过GC-MS在线分析裂解的液相产物。主要研究内容和成果如下:
　　(1)利用热重分析仪对食用菌培养基废弃物热解反应动力学进行了研究，研究表明:随着升温速率的提高，热解反应速率明显加快，最大热解速率增大，其对应的温度也向高温区偏移，升温速率在10、20、30℃/min时，最大质量损失速率处的温度分别为333.0℃、344.5℃、352.8℃，对应的最大失重率分别为64.19％、65.82％、62.24％。随着粒径的不断增大，热解最大质量损失速率处的温度不断提高，粒径分别为0.15～0.30 mm、0.30～0.80 mm和0.8～1.25 mm时，最大质量损失速率处的温度为344.5℃、349.1℃和349.2℃。添加催化剂之后，发现反应的活化能相比无催化剂条件下有大幅度降低，添加10wt.％ K2CO3催化剂活化能相比10wt.％ CaO降低的幅度更大，说明K2CO3催化剂相比CaO催化剂更有利于食用菌培养基废弃物的热解反应。
　　(2)在固定床反应器中，研究了研究温度、粒径、停留时间对食用菌培养基废弃物产物的影响，结果显示:升高温度、适当降低原料粒径、适当延长停留时间有利于提高燃气产量。随着温度的升高，CO含量减少，CO2含量增多，H2含量先增加后减少，而CH4含量先减少后增加，其他气体由于组分较少，变化不明显。通过GC-MS分析发现提高温度焦油中物质种类出现大幅度下降，不带支链的多苯环结构物质比如苯、萘、苊、菲、荧葸和芘等的总比例显著增加。
　　(3)在固定床反应器中，研究不同类别催化剂如CaO、K2CO3、ZnCl2对食用菌培养基废弃物热解产物的影响。研究结果表明:加入不同种类催化剂后，热解气体组成变化较大，其中H2的含量（体积分数）显著增加，而CO2的含量明显下降;添加CaO催化剂，H2的含量比无催化剂条件下增加了64.72％;当K2CO3催化剂加入量为20％时，H2含量为22.25％;ZnCl2能有效提高CH4和C2H4的含量，分别提高了9.67％和40.54％。催化剂的加入可以使焦油组成变简单，含量变低。当停留时间为23.015 min时，高附加值产物2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚含量在30～60％。
　　(4)利用Py-GC/MS方法对食用菌培养基废弃物进行热裂解实验研究。研究发现，当裂解时间为10 s，热解温度低于500℃时，随着裂解温度的升高，热解产物种类和产率都相应增加;当温度高于500℃时，热解产物种类基本保持稳定，仅产物产率有所变化;当裂解温度达到600℃时，高附加值产物收率最大，其中苯酚为4.42％、2，3-二氢苯并呋喃为11.67％、4-乙烯基-2-甲氧基苯酚为8.59％、2，6-二甲氧基苯酚为4.70％、N-苯基-2-萘胺为6.37％。当裂解温度为400℃时，热解产物种类相对较少，便于分离和提纯高附加值产物。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．2．1 项目来源与经费支持

1．3 生物质热解反应过程及机理

1．3．1 生物质热解反应过程

1．3．2 生物质热解反应机理

1．4 国内外生物质热解研究状况

1．5 生物质热解影响因素

1．5．1 温度对生物质热解的影响

1．5．2 升温速率对生物质热解的影响

1．5．3 物料特性对生物质热解的影响

1．5．4 停留时间对生物质热解的影响

1．5．5 催化剂对生物质热解的影响

1．6 主要研究内容和技术路线

1．6．1 主要研究内容

1．6．2 技术路线

1．7 生物质热解产气评价指标

1．8 论文创新点

第二章 食用菌培养基废弃物热重分析

2．1 引言

2．2 实验装置和方法

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验方法

2．2．3 食用菌培养基废弃物动力学分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 食用菌培养基废弃物热重分析

2．3．2 升温速率对食用菌培养基废弃物热解过程的影响

2．3．3 粒径对食用菌培养基废弃物热解过程的影响

2．3．4 催化剂对食用菌培养基废弃物热解过程的影响

2．4 本章小结

第三章 食用菌培养基废弃物热解研究

3．1 引言

3．2 实验原料、装置和方法

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验装置

3．2．3 实验方法

3．2．4 焦油收集与分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 温度对食用菌培养基废弃物热解的影响

3．3．2 粒径对食用菌培养基废弃物热解的影响

3．3．3 停留时间对食用菌培养基废弃物热解的影响

3．4 本章小结

第四章 食用菌培养基废弃物催化热解研究

4．1 引言

4．2 实验原料、装置和方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 催化剂类型对食用菌培养基废弃物热解气体组成的影响

4．3．2 催化剂的用量对食用菌培养基废弃物热解气体组成的影响

4．3．3 催化剂类型对食用菌培养基废弃物热解焦油组成的影响

4．3．4 催化剂类型对食用菌培养基废弃物热解固体产物的影响

4．4 本章小结

第五章 食用菌培养基废弃物Py-GC／MS热裂解研究

5．1 引言

5．2 实验原料、装置和方法

5．2．1 实验原料

5．2．2 实验装置

5．2．3 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 裂解温度对食用菌培养基废弃物热解图谱结构的影响

5．3．2 裂解温度对食用菌培养基废弃物裂解产物含量的影响

5．3．3 裂解时间对食用菌培养基废弃物热解图谱结构的影响

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

在读期间学术研究

致谢