不同類型農(nóng)業(yè)固體廢物制炭及優(yōu)化配比的研究

王海濱，陸 海，李 斌，蔡景行，文美躍

(貴陽市農(nóng)村能源環(huán)保辦公室，貴州 貴陽 550081)

畜禽糞便廢棄物是一個(gè)巨大的環(huán)境污染源，同時(shí)也是一個(gè)巨大的生物質(zhì)資源庫，我國每年產(chǎn)生畜禽糞便高達(dá)26億t，是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家，畜禽糞便化學(xué)耗氧量的排放量達(dá)9118萬t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工業(yè)廢水和生活廢水的排放量［1］;而作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中另一大廢棄物的農(nóng)作物秸稈，年產(chǎn)量已超過7億t，折合成標(biāo)煤約為3.5億t，全部利用可減排CO28.5億t，相當(dāng)于2007年全國CO2排放量的1/8。

目前，我省奶牛存欄量約為2萬頭，每天奶牛產(chǎn)糞量約為800 t，奶牛糞污治理工作刻不容緩;另外，我省年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈約為1000萬t，但幾乎90% 以上的秸稈都做焚燒處理，資源化利用率非常低，政府部門雖然制定各類措施并投入大量人力物力防范秸稈焚燒，但是卻仍然屢禁不止，導(dǎo)致城市空氣受到嚴(yán)重污染，同時(shí)也給交通和民航帶來安全隱患。

2006年，李洪溪利用牛糞添加少量木材加工副產(chǎn)品(主要為松木鋸末和杉木板皮)燒制獲得的活性炭，揮發(fā)物含量為 13.34%、灰分含量11.93%、固定炭74.72%，比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)活性炭節(jié)約木材97.5%。本研究中，將鋸末換成了以農(nóng)作物秸稈(玉米秸)作為主要添加原料，獲得了燒制生物質(zhì)炭的各項(xiàng)工藝參數(shù)，該成果的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，將為我省奶牛場(chǎng)、羊場(chǎng)糞污的無害化處理提供新的發(fā)展思路，并具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

1 材料和方法

1.1 材料準(zhǔn)備

牛糞取自貴陽三聯(lián)乳業(yè)有限公司清鎮(zhèn)市衛(wèi)城奶牛養(yǎng)殖基地，經(jīng)干濕分離機(jī)處理后取固體分離物;羊糞來自修文縣久長(zhǎng)鎮(zhèn)茶山村貴州奶山羊核心良種生態(tài)養(yǎng)殖示范場(chǎng)，經(jīng)清洗和自然風(fēng)干并碾壓粉碎;鋸末來自于木材加工廠;秸稈為粉碎的風(fēng)干玉米秸。

表1 試驗(yàn)樣品的原材料組成Tab.1 Material com position of test samp les

1.2 試驗(yàn)方法

將準(zhǔn)備好的原材料分別在烘干機(jī)中進(jìn)行烘干處理，烘干溫度為220℃，生成的原材料含水量控制在11%左右(范圍8% －12%)，并按照表1中的原材料組成比例進(jìn)行均勻混合，每種樣品總重量為100 kg，然后立即放入制棒機(jī)中高溫(溫度為300℃左右)壓制成30－40 cm長(zhǎng)的表面光滑且無明顯裂紋的柱狀半成品備用，樣品編號(hào)從1#—16#;將制得的試驗(yàn)樣品分別按順序放入炭化窯中(炭化窯面積5m2，距地面高度50－80 cm)炭化，燃燒時(shí)間為3－4 d，最終溫度達(dá)800℃時(shí)進(jìn)行封窯。

生物質(zhì)炭中全水分、灰分和固定碳等理化指標(biāo)委托貴州省冶金有色金屬產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《木炭和木炭試驗(yàn)方法》(GB/T 17664－1999)進(jìn)行檢測(cè)(檢測(cè)報(bào)告為冶有檢字(2014)第320號(hào)和冶有檢字(2014)第389號(hào))。

2 結(jié)果與分析

2.1 以牛糞和秸稈為原材料燒制生物質(zhì)炭的結(jié)果

由表2可見，在以牛糞和玉米秸為原料的所有混合樣中，40%牛糞和60%玉米秸的混合樣(7#)燒制的生物質(zhì)炭固定碳含量最高(71.41%)，灰分含量最低(10.24%)，與郭新芳等［2］研究結(jié)果接近，且高于100%秸稈(8#)和100%鋸末(10#)燒制生物質(zhì)炭的固定碳含量，同時(shí)達(dá)到了國家松木炭一級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(固定碳含量≥70%);而100%牛糞(1#)、90%牛糞和10%玉米秸的混合樣(2#)、80%牛糞和20%玉米秸的混合樣(3#)、70%牛糞和30%玉米秸的混合樣(4#)燒制的生物質(zhì)炭固定碳含量均低于 60%(分別為 56.04%、55.06%、55.18%和64.58%)，均低于國家木炭合格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(固定碳含量≥65%)。

2.2 以羊糞和鋸末為原材料燒制生物質(zhì)炭的結(jié)果

由表2可見，在以羊糞和鋸末為原料的所有混合樣中，60%羊糞和40%鋸末的混合樣(12#)燒制的生物質(zhì)炭固定碳含量最高(90.08%)，灰分含量最低(5.03%)，遠(yuǎn)高于100%秸稈(8#)和100%鋸末(10#)燒制生物質(zhì)炭的固定碳含量，同時(shí)達(dá)到了國家硬闊葉木炭?jī)?yōu)級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(固定碳含量≥85%);而100%羊糞(16#)燒制的生物質(zhì)炭固定碳含量最低(60.21%)，灰分含量則最高(35.17%)。

表2 生物質(zhì)炭主要質(zhì)量指標(biāo)分析Tab.2 Analysis ofmain quality indexes of charcoal

3 討論

3.1 生物質(zhì)熱解制炭過程實(shí)際上是生物質(zhì)原料在高溫缺氧條件下的熱解過程。生物質(zhì)原料的可燃部分主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，炭化時(shí)纖維素和半纖維素釋放出揮發(fā)份物質(zhì)，木質(zhì)素最后轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄌ肌Ｅ?、羊糞的主要化學(xué)成分是木質(zhì)素和纖維素，可作為制取生物質(zhì)炭的原料。

炭化原料應(yīng)選擇灰分含量低、木質(zhì)素含量高的原料，原料灰分含量低，生物質(zhì)炭的灰分含量一般較低，這有利于提高生物質(zhì)炭的品質(zhì)，原料木質(zhì)素含量高有利于增加生物質(zhì)炭的產(chǎn)量［3］。從牛糞、羊糞、玉米秸和鋸末的化學(xué)組成可知，木質(zhì)素含量羊糞(26.28%)＞牛糞(23.72%)＞鋸末(19.44%)＞玉米秸(15.42%)，纖維素含量鋸末(77.28%)＞玉米秸(32.00%)＞牛糞(20.92%)＞羊糞(6.81%)，而灰分含量牛糞(22.10%)＞羊糞(18.29%)＞玉米秸 (4.70%)＞鋸末(2.73%)［4－5］。本試驗(yàn)將不同原材料按一定比例進(jìn)行混合，混合樣可獲得比單一組分原材料更優(yōu)的木質(zhì)素、纖維素和灰分含量，這將有利于燒制出固定碳含量高、灰分含量低的優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)炭。

3.2 木炭的發(fā)熱量與固定碳含量有關(guān)，一般當(dāng)固定碳含量在75% ～80%時(shí)，發(fā)熱量為7000～7500 kcal/kg;固定碳含量達(dá)80% ～85%時(shí)，發(fā)熱量為7500～8000 kcal/kg，固定碳含量是衡量木炭質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。在牛糞與玉米秸混合樣和羊糞與鋸末混合樣中，隨著玉米秸和鋸末占比的增加，燒制獲得的生物質(zhì)炭固定碳含量大多呈現(xiàn)上升趨勢(shì)且增加明顯，但100%牛糞燒制的生物質(zhì)炭中固定碳含量高于100%玉米秸燒制的生物質(zhì)炭中固定碳含量，可見，在牛、羊糞中添加一定的玉米秸或秸稈，有助于提高燒制生物質(zhì)炭中固定碳含量，但合適的原材料配比可能對(duì)固定碳含量的增加具有更為重要的影響。

［1］相俊紅，胡 偉.我國畜禽糞便廢棄物資源化利用現(xiàn)狀［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2006(2):59－63.

［2］郭新芳，朱躍成，郭建平.畜禽糞便綜合利用與資源節(jié)約型生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2009(30):603－605.

［3］胡 威.利用高溫?zé)煔鉄峤獬尚蜕镔|(zhì)制炭的研究［D］.昆明理工大學(xué)，2013.

［4］王金主，王元秀，李 峰，等.玉米秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測(cè)定［J］.山東食品發(fā)酵，2010(3):44－47.

［5］陳永輝，蔡海燕.纖維素和木質(zhì)素含量對(duì)稻草、鋸末熱解及燃燒特性的影響［J］.能源工程，2009(1):38－42.