不同類型農業固體廢物制炭及優化配比的研究

王海濱，陸 海，李 斌，蔡景行，文美躍

(貴陽市農村能源環保辦公室，貴州 貴陽 550081)

畜禽糞便廢棄物是一個巨大的環境污染源，同時也是一個巨大的生物質資源庫，我國每年產生畜禽糞便高達26億t，是世界上農業廢棄物產出量最大的國家，畜禽糞便化學耗氧量的排放量達9118萬t，遠遠超過工業廢水和生活廢水的排放量［1］;而作為農業生產中另一大廢棄物的農作物秸稈，年產量已超過7億t，折合成標煤約為3.5億t，全部利用可減排CO28.5億t，相當于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，每天奶牛產糞量約為800 t，奶牛糞污治理工作刻不容緩;另外，我省年產農作物秸稈約為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，導致城市空氣受到嚴重污染，同時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品(主要為松木鋸末和杉木板皮)燒制獲得的活性炭，揮發物含量為 13.34%、灰分含量11.93%、固定炭74.72%，比傳統方法生產活性炭節約木材97.5%。本研究中，將鋸末換成了以農作物秸稈(玉米秸)作為主要添加原料，獲得了燒制生物質炭的各項工藝參數，該成果的進一步推廣應用，將為我省奶牛場、羊場糞污的無害化處理提供新的發展思路，并具有廣闊的應用前景和推廣價值。

1 材料和方法

1.1 材料準備

牛糞取自貴陽三聯乳業有限公司清鎮市衛城奶牛養殖基地，經干濕分離機處理后取固體分離物;羊糞來自修文縣久長鎮茶山村貴州奶山羊核心良種生態養殖示范場，經清洗和自然風干并碾壓粉碎;鋸末來自于木材加工廠;秸稈為粉碎的風干玉米秸。

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

1.2 試驗方法

將準備好的原材料分別在烘干機中進行烘干處理，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行均勻混合，每種樣品總重量為100 kg，然后立即放入制棒機中高溫(溫度為300℃左右)壓制成30－40 cm長的表面光滑且無明顯裂紋的柱狀半成品備用，樣品編號從1#—16#;將制得的試驗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，燃燒時間為3－4 d，最終溫度達800℃時進行封窯。

生物質炭中全水分、灰分和固定碳等理化指標委托貴州省冶金有色金屬產品質量監督檢驗站參照中華人民共和國國家標準《木炭和木炭試驗方法》(GB/T 17664－1999)進行檢測(檢測報告為冶有檢字(2014)第320號和冶有檢字(2014)第389號)。

2 結果與分析

2.1 以牛糞和秸稈為原材料燒制生物質炭的結果

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］研究結果接近，且高于100%秸稈(8#)和100%鋸末(10#)燒制生物質炭的固定碳含量，同時達到了國家松木炭一級質量標準(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量標準(固定碳含量≥65%)。

2.2 以羊糞和鋸末為原材料燒制生物質炭的結果

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#)燒制的生物質炭固定碳含量最高(90.08%)，灰分含量最低(5.03%)，遠高于100%秸稈(8#)和100%鋸末(10#)燒制生物質炭的固定碳含量，同時達到了國家硬闊葉木炭優級質量標準(固定碳含量≥85%);而100%羊糞(16#)燒制的生物質炭固定碳含量最低(60.21%)，灰分含量則最高(35.17%)。

表2 生物質炭主要質量指標分析Tab.2 Analysis ofmain quality indexes of charcoal

3 討論

3.1 生物質熱解制炭過程實際上是生物質原料在高溫缺氧條件下的熱解過程。生物質原料的可燃部分主要由纖維素、半纖維素和木質素構成，炭化時纖維素和半纖維素釋放出揮發份物質，木質素最后轉變為固定碳。牛、羊糞的主要化學成分是木質素和纖維素，可作為制取生物質炭的原料。

炭化原料應選擇灰分含量低、木質素含量高的原料，原料灰分含量低，生物質炭的灰分含量一般較低，這有利于提高生物質炭的品質，原料木質素含量高有利于增加生物質炭的產量［3］。從牛糞、羊糞、玉米秸和鋸末的化學組成可知，木質素含量羊糞(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］。本試驗將不同原材料按一定比例進行混合，混合樣可獲得比單一組分原材料更優的木質素、纖維素和灰分含量，這將有利于燒制出固定碳含量高、灰分含量低的優質生物質炭。

3.2 木炭的發熱量與固定碳含量有關，一般當固定碳含量在75% ～80%時，發熱量為7000～7500 kcal/kg;固定碳含量達80% ～85%時，發熱量為7500～8000 kcal/kg，固定碳含量是衡量木炭質量好壞的重要指標。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，燒制獲得的生物質炭固定碳含量大多呈現上升趨勢且增加明顯，但100%牛糞燒制的生物質炭中固定碳含量高于100%玉米秸燒制的生物質炭中固定碳含量，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炭中固定碳含量，但合適的原材料配比可能對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狀［J］.現代農業裝備，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約型生態農業技術研究［J］.農業現代化研究，2009(30):603－605.

［3］胡 威.利用高溫煙氣熱解成型生物質制炭的研究［D］.昆明理工大學，2013.

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

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