碳化溫度對畜禽糞便水熱炭燃燒特性的影響

周思邈，韓魯佳，楊增玲，馬秋林

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碳化溫度對畜禽糞便水熱炭燃燒特性的影響

周思邈，韓魯佳，楊增玲※，馬秋林

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

大量、集中的畜禽糞便，若不加以合理處理利用極易引發(fā)嚴重的環(huán)境污染問題。該文選擇了集約化程度較高的生豬、奶牛、肉牛、肉雞和蛋雞5種畜禽的糞便作為樣本，研究了水熱碳化溫度對畜禽糞便水熱處理的影響，通過元素分析、工業(yè)分析和熱重試驗，分析了水熱炭的燃燒特性，并比較了不同畜禽糞便水熱炭之間的差異。研究發(fā)現(xiàn)，水熱碳化能夠提高水熱炭的碳元素、固定碳含量，提高高位熱值，降低氫碳比、氧碳比和揮發(fā)分固定碳比的值，得到的水熱炭類似于褐煤。熱重試驗發(fā)現(xiàn)，水熱碳化能夠減小不同畜禽糞便樣品之間的性質(zhì)差異。水熱碳化溫度為180和210 ℃時，除肉雞糞便水熱炭外，其他畜禽糞便水熱炭的綜合燃燒特性指數(shù)均得到提高，5種畜禽糞便中，奶牛和肉牛糞便水熱炭具有更好的燃燒特性。

燃燒；碳化；生物質(zhì)；畜禽糞便；水熱碳化

0 引 言

畜禽養(yǎng)殖的集約化、規(guī)?；l(fā)展導(dǎo)致了畜禽糞便集中、大量的產(chǎn)生，超出了周圍土地的消納能力，如若不加以合理處理利用可能引發(fā)嚴重的環(huán)境污染問題[1-2]。2010年“第一次全國污染源普查報告”結(jié)果顯示，中國畜禽糞便無害化、資源化及商品化處置率僅占29%，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染已經(jīng)成為中國農(nóng)業(yè)面源污染之首[3]。隨著環(huán)境保護意識的增強，畜禽糞便的資源化、無害化利用，越來越引起人們的重視。

畜禽糞便干基的高位熱值大約為12 MJ/kg，可作為燃料直接燃燒提供熱量[4-5]。比如在北方牧區(qū)，牧民們會使用曬干的牛糞作為燃料。然而，畜禽糞便含有大量水分，規(guī)?；曫B(yǎng)過程中為了保持畜/禽舍衛(wèi)生，也會采用水沖的方式清理畜/禽舍，進一步增加了畜禽糞便的含水量，影響了畜禽糞便作為燃料使用途徑的推廣。另外，畜禽糞便中含有N、S、Cl、堿金屬以及堿土金屬等元素，燃燒的過程中可能會引起腐蝕、結(jié)渣等問題[6]。水熱碳化是在180～250 ℃自產(chǎn)生壓力的條件下，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物炭的方法[7]。不需要對生物質(zhì)進行預(yù)先的干燥，能夠提高熱值，而且得到的生物炭具有較強的疏水性[8-9]。經(jīng)水熱處理后，部分堿金屬會溶解到水中[10-12]，能夠改善畜禽糞便的燃燒特性。同時，通過回收過程水中的N、P、K等營養(yǎng)元素，可以提高整個反應(yīng)過程的經(jīng)濟效益[11]。

不同畜禽糞便的組成和含量，往往會因畜禽種類、飼養(yǎng)模式、生長階段、飼料配方及管理水平的不同，而存在較大差異[4]，因此水熱處理得到的水熱炭的特性可能不同。為此，本研究選擇了規(guī)?；潭容^高的生豬、奶牛、肉牛、肉雞和蛋雞的5種畜禽糞便作為原料，對其分別進行水熱碳化處理，探究水熱碳化溫度對畜禽糞便水熱炭燃燒特性的影響，分析不同畜禽糞便水熱炭之間的差異性，以期為畜禽糞便的能源化利用提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品的收集與制備

本研究所在實驗室在公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（農(nóng)業(yè)生物質(zhì)特性及其共享平臺技術(shù)研究，項目編號201003063）支持下，已建立了包含采自華北區(qū)1 086個不同畜禽糞便樣品的數(shù)據(jù)庫，本研究所用的生豬、奶牛、肉牛、肉雞、蛋雞糞便各3個代表性樣品即取自上述數(shù)據(jù)庫。具體的選擇方法為：根據(jù)數(shù)據(jù)庫中5種畜禽糞便的元素組成、工業(yè)組成數(shù)據(jù)，通過Kennard-Stone算法計算樣本之間的歐氏距離[13]。每種畜禽糞便樣品中選取2個差異最大的樣本，然后再選取1個接近總體均值的樣本，即得到3個代表性樣本。

采集的鮮樣在–20 ℃冰柜中冷凍保存，取部分樣品在105 ℃條件下烘干24 h測定鮮樣的含水率。烘干后的樣品用旋風(fēng)磨（ZM200，萊馳，德國）粉碎過0.5 mm篩，用密封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 水熱碳化

水熱碳化試驗裝置的簡圖如圖1所示，水熱碳化的反應(yīng)器為Parr 4 523型高溫高壓反應(yīng)釜（Parr，美國）。稱取畜禽糞便鮮樣，換算成干基質(zhì)量為30 g，添加去離子水，使最終固液比達到1∶12。將反應(yīng)筒體固定到反應(yīng)釜支架上，向反應(yīng)釜內(nèi)通氮氣20 min，排出反應(yīng)釜內(nèi)的空氣使其保持惰性氣體氛圍。設(shè)定反應(yīng)溫度，使反應(yīng)釜升高到設(shè)定的反應(yīng)溫度（180、210和240 ℃），保持1 h，待反應(yīng)完成后通冷卻水，使反應(yīng)釜降至室溫，取出物料，過濾。固體在105 ℃條件下烘干24 h，然后粉碎過0.5 mm篩。

1. 氮氣 2. 電加熱爐 3. 控制閥 4. 循環(huán)水 5. 攪拌器 6. 壓力表 7. 熱電偶 8. 溫度控制器 9. 反應(yīng)釜

生豬、奶牛、肉牛、肉雞和蛋雞5種畜禽糞便，分別采用SZ、NN、RN、RJ和DJ來表示，不同溫度水熱碳化得到的畜禽糞便水熱炭通過“樣品HTC反應(yīng)溫度”的形式來表示。例如，SZ HTC 180表示生豬糞便在180 ℃條件下得到的水熱炭。

1.3 檢測和分析方法

1.3.1 元素組成分析

采用元素分析儀（Vario Macro，Elementar，德國）測定元素組成，主要包括碳（C）、氫（H）、氮（N）、硫（S）和氧（O），其中O由差減法計算得到[4]。

1.3.2 工業(yè)組成分析

揮發(fā)分（volatile matter，VM）的測定方法參照ASTM E872-82[14]，灰分（Ash）的測定方法參照ASTM E1755-01[15]，固定碳（fixed carbo，F(xiàn)C）的含量根據(jù)ASTM E870-82[16]計算得到。

1.3.3 熱值分析

高位熱值（HHV）由公式（1）計算得到，式中COD為化學(xué)需氧量，由公式（2）計算[17-18]：

式中C、H、N、S和O為對應(yīng)元素的百分含量。

1.3.4 水熱碳化的炭產(chǎn)率和能量回收率

水熱碳化的炭產(chǎn)率和能量回收率分別由式（3）、式（4）計算得到：

1.3.5 熱重分析

1）熱重試驗

采用SDT Q 600型熱重分析儀（TA，美國）對烘干后的畜禽糞便樣品以及反應(yīng)得到的水熱炭進行燃燒特性試驗。反應(yīng)條件：以合成空氣為載氣，流速為100 mL/min；進樣量為5～6 mg；升溫程序，以10 ℃/min的升溫速率升溫到105 ℃，保持10 min，然后以相同的升溫速率，升溫到900 ℃，得到燃燒失質(zhì)量曲線（TG），求導(dǎo)得到DTG曲線。

2）特征溫度及失質(zhì)量速率定義

1.3.6 綜合燃燒特性指數(shù)

1.3.7 燃燒活化能

生物質(zhì)及生物炭在燃燒反應(yīng)時是一種典型的氣固反應(yīng)，反應(yīng)速率由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制。反應(yīng)速率可用下式描述[22]：

其中，反應(yīng)常數(shù)遵循Arrhenius定律：

式中為轉(zhuǎn)化率，%；為指前因子，min-1；為反應(yīng)活化能，kJ/mol；為通用氣體常數(shù)8.314 J/(K·mol)；為絕對溫度，K。

利用Coats-Redfern近似方法處理可得[24-25]：

2 結(jié)果與分析

2.1 水熱碳化反應(yīng)溫度對炭產(chǎn)率、能量回收率、元素組成和工業(yè)組成的影響

反應(yīng)溫度是影響水熱碳化炭產(chǎn)率和能量回收率的重要因素[7-8,23]。圖2顯示的是5種畜禽糞便的炭產(chǎn)率和能量回收率隨反應(yīng)溫度的變化趨勢。從圖中可以看到，5種畜禽糞便的炭產(chǎn)率都隨著反應(yīng)溫度的升高而減小，其中，生豬、奶牛和肉牛3類畜禽糞便的碳產(chǎn)率相差較小，180 ℃時分別為：67.34%±11.2%，64.55%±1.93%和65.9%±4.38%，顯著大于肉雞和蛋雞畜禽糞便的碳產(chǎn)率54.61%±16.93%和58.05%±10.41%。它們之間的差距隨著反應(yīng)溫度的升高而減小，240 ℃時生豬、奶牛、肉牛、肉雞和蛋雞畜禽糞便對應(yīng)的碳產(chǎn)率分別為54.3%±5.70%、49.33%±2.78%、50.7%±3.63%、45.83%±19.32%和49.69%±9.77%。與碳產(chǎn)率不同，能量回收率隨著反應(yīng)溫度的變化規(guī)律并不一致。奶牛和肉牛糞便的能量回收率隨著反應(yīng)溫度的增加不斷減小，而生豬、肉雞和蛋雞糞便則在反應(yīng)溫度為210 ℃時得到了最大能量回收率，分別為65.45%±3.22%、60.72%± 10.77%和64.43%±10.42%，低于奶牛和肉牛糞便在反應(yīng)溫度為180 ℃時的71.07%±1.23%和71.93%±13.71%。Afolabi Olu-wasola等[7]和Kim Daegi等[8]在研究人的排泄物和厭氧污泥的水熱碳化試驗時，也發(fā)現(xiàn)在200和220 ℃時的能量回收率高于180 ℃。對于木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)來說，能量回收率通常會隨著反應(yīng)溫度的增大而減小[26]。這可能與生豬、肉雞和蛋雞糞便比奶牛和肉牛糞便含有較多的脂質(zhì)、蛋白等可提取物有關(guān)[7]。

表1給出的是不同種類畜禽糞便及其水熱碳的元素分析和工業(yè)分析?？偟膩砜?，5種畜禽糞便的C元素和FC含量都隨著反應(yīng)溫度的升高而增大，因為隨著溫度的升高脫羥基、羧基反應(yīng)得到加強，H、O元素的脫除，使得C含量相對增加[27]。而碳元素的保留率，卻隨著反應(yīng)溫度的增大而不斷減小，且反應(yīng)溫度由180 ℃升高到210 ℃時，略微減小，由210 ℃升高到240 ℃時，則劇烈減小。水熱碳化之后，水熱炭的HHV較原料增大，且隨著反應(yīng)溫度的升高不斷增大。其中，SZ HTC 180的C元素含量和HHV，以及RN HTC 180 的FC含量均略低于原料的對應(yīng)含量，SZ HTC 180和DJ HTC 180的碳元素的保留率略低于SZ HTC 210和DJ HTC 210，可能是由于樣本量較少，分析得到的標準差較大引起。圖3是5種畜禽糞便原料及其水熱炭的范式圖，從圖中可以看出水熱炭中的H/C和O/C均隨著反應(yīng)溫度的升高不斷減小，向左偏下一點的方向移動，主要發(fā)生了脫羥基和脫羧基的反應(yīng)，生成的氣體主要是CO2[27]。水熱碳化之后得到的生物炭，在范式圖中到達了褐煤的區(qū)域[28]。

注：SZ，生豬糞便；NN，奶牛糞便；RN，肉牛糞便；RJ，肉雞糞便；DJ，蛋雞糞便。下同。

從工業(yè)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分（VM）的含量隨著反應(yīng)溫度的升高不斷減少，而固定碳（FC）的含量則不斷增大，使得VM/FC的比值不斷減小，有助于提高燃燒時的穩(wěn)定性[29]。另一方面，因部分有機物（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成液體產(chǎn)物，而大部分灰分保留在水熱炭中，導(dǎo)致灰分的相對含量增大。但是，大部分堿金屬（如：K、Na），以及部分S、Cl元素會溶解到水中，使得灰分的熔點升高，能夠降低燃燒時結(jié)渣的影響[30]。

表1 5種畜禽糞便及其水熱碳的元素分析和工業(yè)分析

注：S元素的含量未在表中給出；a通過差減法計算得到；b碳元素的保留率=水熱炭的碳元素含量/原料的碳元素含量*炭產(chǎn)率；d干燥基。

Note: The content of S was not shown in the table;aDetermined by difference;bRemained yield of C = (the content of C in hydrochar / the content of C in raw material) * hydrochar yield;ddry basis.

注：HTC-180，180 ℃得到的水熱炭；HTC-210，210 ℃得到的水熱炭；HTC-240，240 ℃得到的水熱炭。下同。

總的來說，水熱碳化提高了畜禽糞便的HHV，減小了畜禽糞便的VM/FC，提高了灰分的熔點使得水熱碳化之后的畜禽糞便水熱炭更適合當作燃料來使用。為了得到較高的炭產(chǎn)率、碳元素的保留率和能量回收率，水熱碳化反應(yīng)溫度應(yīng)該控制在180～210 ℃之間，這時畜禽糞便的炭產(chǎn)率為50%～67%，碳元素的保留率為54%～69%，能量回收率為56%～72%。

2.2 5種畜禽糞便水熱碳化前后燃燒特性分析

2.2.1 TG/DTG曲線分析

以10 ℃/min的升溫速率升溫到105 ℃，并保持10 min，為樣品的干燥階段，表現(xiàn)為樣品水分蒸發(fā)，質(zhì)量緩慢下降。圖4中的不同畜禽糞便及其水熱炭的燃燒失質(zhì)量圖，均以干燥階段后的質(zhì)量為起始點。第1個失質(zhì)量峰對應(yīng)著揮發(fā)分的析出及燃燒階段，質(zhì)量變化明顯，曲線變化陡峭；第2個失質(zhì)量峰對應(yīng)著固定碳燃燒階段，曲線變化幅度略低于前一階段；最后為燃盡階段，微量固定碳在灰分中繼續(xù)緩慢燃燒，直至燃盡，曲線平滑。

比較同一個樣品不同反應(yīng)溫度得到的水熱炭的TG/DTG曲線可以發(fā)現(xiàn)：揮發(fā)分的析出及燃燒階段由畜禽糞便原料的105～400 ℃減小到水熱炭的105～370 ℃，從表2給出的燃燒特性的統(tǒng)計值可以看出，不同畜禽糞便及其水熱炭的max1則向高溫方向移動，由原料的284～308 ℃升高到水熱炭的312～320 ℃；于此相反，固定碳燃燒階段由原料的400～560 ℃減小到水熱炭的370～520 ℃，不同畜禽糞便及其水熱炭的max2則向低溫區(qū)移動，由原料的435～483 ℃減小到水熱炭的404～435 ℃；并且，水熱碳化縮小了不同畜禽糞便max1和max2之間的溫度差異，有利于在實際過程中混合在一起應(yīng)用。這是由于水熱反應(yīng)破壞了生物質(zhì)原有的結(jié)構(gòu)，使得一些容易揮發(fā)的組分溶于水中，然后生成了更為穩(wěn)定的芳香碳。從工業(yè)組成中的揮發(fā)分含量也可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，揮發(fā)分的含量不斷減少。同時發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分燃燒階段的最大燃燒速率大于固定碳燃燒的速率，因為揮發(fā)分的含量較固定碳含量高。

圖4 5種畜禽糞便及其水熱炭的燃燒TG和DTG圖

Fig 4 TG and DTG curves of five kinds of livestock and poultry manures and their hydrochars

表2 5種畜禽糞便及其水熱碳的燃燒特性統(tǒng)計表

由表2可以看出，水熱炭的著火點T隨著碳化溫度的增大不斷提高。5種畜禽糞便的著火點T，由原料的222～251 ℃提高到HTC 240 ℃條件下的256～276 ℃，著火點的增大提高了儲存時的安全性。此外，水熱碳化之后的水熱炭的燃盡溫度T比原料的低，使得水熱炭更容易燃盡，有利于當作燃料來應(yīng)用。

2.2.2 綜合燃燒特性分析

采用綜合了樣品的著火特性和燃盡特性的綜合燃燒特性指數(shù)S，來反映樣品的燃燒特性，S值越大，說明樣品的燃燒特性越佳[19]。由表2中S的計算值可以看出，不同原料在不同反應(yīng)溫度條件下的水熱炭相對于原料的綜合燃燒特性指數(shù)的變化規(guī)律是不盡相同的：在180和210 ℃條件下，生豬和蛋雞糞便水熱炭的S值略有增大，奶牛糞便水熱炭的S值顯著增大，肉牛糞便水熱炭的S在180 ℃條件下增大，而在210 ℃條件下則差異不明顯，肉雞糞便水熱炭的S值均減??；從S值的大小上來說，奶牛和肉牛水熱炭的S值均高于生豬、肉雞和蛋雞3種畜禽糞便得到的水熱炭。另外隨著反應(yīng)溫度的繼續(xù)增大，在240 ℃時5種畜禽糞便的水熱炭的綜合燃燒特性指數(shù)均小于原料，可以發(fā)現(xiàn)過高的碳化溫度對于提高畜禽糞便的綜合燃燒特性是不利的?？偟膩碚f，為了得到燃燒特性良好的水熱炭，生豬糞便的水熱碳化溫度應(yīng)在210 ℃，此時的能量回收率也為最大值65.45%；奶牛、肉牛和蛋雞糞便的水熱碳化溫度應(yīng)在180 ℃，對應(yīng)的能量回收率分別為71.07%、71.93%和61.82%。而肉雞糞便水熱炭的S值均小于原料，故水熱碳化不能提高其燃燒特性。

2.2.3 燃燒活化能分析

采用反應(yīng)級數(shù)=1進行動力學(xué)方程的擬合，計算過程中的決定系數(shù)2均在0.95以上，表明可以采用一級反應(yīng)動力學(xué)研究畜禽糞便及水熱炭的燃燒動力學(xué)。

由表3可見，所有樣品在揮發(fā)分析出和燃燒階段的活化能均高于固定碳燃燒階段的活化能，揮發(fā)分的析出及燃燒階段的活化能范圍在40.60～81.12 kJ/mol，固定碳燃燒階段的活化能范圍在17.72～51.79 kJ/mol。這主要因為揮發(fā)分的析出及燃燒階段溫度較低，分子運動慢，需要大量的熱量增大分子活性；同時，樣品中各組分熱解也需要大量熱量，因而活化能較高。在固定碳燃燒階段，熱解反應(yīng)已基本完成，同時熱解產(chǎn)生的焦炭具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于氧氣分子與碳元素的充分接觸，且前階段樣品已完成了預(yù)熱過程，從而樣品在固定碳燃燒階段的活化能較低[22,31]。水熱炭在2個階段的活化能均低于畜禽糞便原料，可能是由于水熱反應(yīng)提高了水熱炭的孔隙率，有利于氧氣的擴散。在揮發(fā)分析出和燃燒階段奶牛和肉牛糞便水熱炭的活化能比生豬、肉雞、蛋雞畜禽糞便水熱炭的活化能高，可能是由于奶牛和肉牛畜禽糞便原料中木質(zhì)纖維素成分含量較高，得到的水熱炭與木質(zhì)纖維素類水熱炭類似更為致密引起[22]。

表3 5種類畜禽糞便及其水熱碳的燃燒活化能

3 結(jié) 論

本文分別對5種畜禽糞便進行了不同反應(yīng)溫度（180、210和240 ℃）條件下的水熱碳化試驗，并對得到的水熱炭進行了元素分析、工業(yè)分析和燃燒熱重分析。研究發(fā)現(xiàn)，炭產(chǎn)率和碳元素的保留率隨著反應(yīng)溫度的增大而不斷減小；而能量回收率隨反應(yīng)溫度變化的規(guī)律并不一致，奶牛和肉牛糞便的能量回收率隨著反應(yīng)溫度的增加不斷減小，生豬、肉雞和蛋雞糞便則在反應(yīng)溫度為210 ℃時得到了最大能量回收率；為了得到較高的炭產(chǎn)率、碳元素的保留率和能量回收率，水熱碳化反應(yīng)溫度應(yīng)該控制在180～210 ℃之間，這時畜禽糞便的炭產(chǎn)率為50%～67%，碳元素的保留率為54%～69%，能量回收率為56%～72%。水熱碳化能夠提高畜禽糞便的C元素和FC含量，提高熱值，降低H/C、O/C和VM/FC的比值，得到的水熱炭類似于褐煤。熱重試驗發(fā)現(xiàn)，水熱碳化使不同畜禽糞便的max1向高溫方向移動，由畜禽糞便原料的284～308 ℃，增大到水熱碳化之后的312～320 ℃；max2向低溫方向移動，由原料的435～483 ℃，減小到398～435 ℃；同時，水熱碳化縮小了max1和max2的溫度區(qū)間，減小了不同畜禽糞便原料之間的性質(zhì)差異。5種畜禽糞便相比，奶牛和肉牛的糞便的炭產(chǎn)率、能量回收率和水熱炭的綜合燃燒特性指數(shù)都較高，得到的水熱炭更適合當作燃料使用。

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Influence of hydrothermalcarbonizationtemperature on combustion characteristics of livestock and poultry manures

Zhou Simiao, HanLujia, YangZengling※, Ma Qiulin

(100083,)

With the rapid development of livestock and poultry breeding, China has become the largest producer of animal manure worldwide. If the animal manure was not effectively utilized, it could cause serious environmental pollution. Hydrothermal carbonization (HTC) is a promising pretreatment method in disposing high moisture content bio-wastes, involving the decomposition and carbonization of biomass material in water medium at desired temperature (generally 180- 250℃) and autogenous pressure (2-10 MPa). In this paper, 5 kinds of livestock and poultry manure, i.e. swine manure (SZ), dairy cattle manure (NN), beef cattle manure (RN), broiler manure (RJ), and layer chicken manure (DJ), were selected as samples. The effect of temperature on HTC of the livestock and poultry manures was studied. The hydrochar was produced in a laboratory scale semi-batch 1L Parr autoclave reactor (Model 4523, Parr Instrument Co., USA). Approximately 30 g manure (in dry basis; solid-to-liquid ratio was 1:12) was loaded into the reactor vessel, which was then sealed and purged with nitrogen 5 times to displace headspace gases, and the autoclave was heated to desired temperature (180, 210, 240 ℃).The uniformity of treatment throughout the manure sample was ensured by a rotor, which rotated inside the reactor at a constant speed of 100 rpm. The reactor was held at final temperature for 60 min and then quickly cooled down to room temperature. The hydrochar was recovered as solid residue by vacuum filtration and dried in an oven at 105 ℃ for 24 h. The produced hydrochars were characterized and their fuel qualities were evaluated, including proximate analysis, elemental analysis and combustion behaviors evaluation. The differences between different livestock and poultry manures were compared. The char yields were decreased with the increasing of reaction temperature, from 67.34%±11.2%, 64.55%±1.93%, 65.9%±4.38%, 54.61%±16.93% and 58.05%±10.41% at 180 ℃ to 54.30%±5.70%, 49.33%±2.78%, 50.70%±3.63%, 45.83%±19.32%, and 49.69%±9.77% at 240 ℃ for SZ, NN, RN, RJ and DJ, respectively. The hydrochar of NN and RN, got the maximum energy yields at 180 ℃, which were 71.07%±1.23% and 71.93%±13.71%, respectively. The hydrochar of SZ, RJ and DJ, got the maximum energy yields at 210 ℃, which were 65.45%±3.22%, 60.72%±10.77% and 64.43%±10.42%, respectively. It was found that HTC can improve the content of carbon (C), fixed carbon (FC) and higher heating value (HHV), and decrease the molar ratios of oxygen and hydrogen to carbon (H/C and O/C) and the ratios of volatile matter to fixed carbon (VM/FC). In the van Krevelen diagram, the resulted hydrchars are similar to lignite. The thermogravimetric experiment found that the peak temperature at volatile devolatilization and combustion phase moves to higher temperature range, from 284-308 ℃ for manures to 312-320 ℃ for hydrochars. On the contrary, the peak temperature at FC combustion phase moves to lower temperature range, from 435- 483℃ for manures to 398-435 ℃ for hydrochars. The HTC can narrow the difference between different livestock and poultry manures and make the hydrochars more similar. The hydrochars from cow and beef cattle manures have higher char yield, energy yield and composite combustion characteristic index compared with other manures.

combustion; carbonization; biomass; livestock and poultry manures; hydrothermal carbonization

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.030

X705; S216

A

1002-6819(2017)-23-0233-08

2017-06-28

2017-08-15

教育部“創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”（IRT_17R105）；北京市農(nóng)業(yè)科技項目（20170150）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（奶牛）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（CARS-36）

周思邈，博士生，主要從事生物質(zhì)資源與利用研究， Email：simiao_zhou@cau.edu.cn

楊增玲，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)資源與利用研究，Email：yangzengling@cau.edu.cn