不同类型农业固体废物制炭及优化配比的研究

王海滨，陆 海，李 斌，蔡景行，文美跃

(贵阳市农村能源环保办公室，贵州 贵阳 550081)

畜禽粪便废弃物是一个巨大的环境污染源，同时也是一个巨大的生物质资源库，我国每年产生畜禽粪便高达26亿t，是世界上农业废弃物产出量最大的国家，畜禽粪便化学耗氧量的排放量达9118万t，远远超过工业废水和生活废水的排放量［1］;而作为农业生产中另一大废弃物的农作物秸秆，年产量已超过7亿t，折合成标煤约为3.5亿t，全部利用可减排CO28.5亿t，相当于2007年全国CO2排放量的1/8。

目前，我省奶牛存栏量约为2万头，每天奶牛产粪量约为800 t，奶牛粪污治理工作刻不容缓;另外，我省年产农作物秸秆约为1000万t，但几乎90% 以上的秸秆都做焚烧处理，资源化利用率非常低，政府部门虽然制定各类措施并投入大量人力物力防范秸秆焚烧，但是却仍然屡禁不止，导致城市空气受到严重污染，同时也给交通和民航带来安全隐患。

2006年，李洪溪利用牛粪添加少量木材加工副产品(主要为松木锯末和杉木板皮)烧制获得的活性炭，挥发物含量为 13.34%、灰分含量11.93%、固定炭74.72%，比传统方法生产活性炭节约木材97.5%。本研究中，将锯末换成了以农作物秸秆(玉米秸)作为主要添加原料，获得了烧制生物质炭的各项工艺参数，该成果的进一步推广应用，将为我省奶牛场、羊场粪污的无害化处理提供新的发展思路，并具有广阔的应用前景和推广价值。

1 材料和方法

1.1 材料准备

牛粪取自贵阳三联乳业有限公司清镇市卫城奶牛养殖基地，经干湿分离机处理后取固体分离物;羊粪来自修文县久长镇茶山村贵州奶山羊核心良种生态养殖示范场，经清洗和自然风干并碾压粉碎;锯末来自于木材加工厂;秸秆为粉碎的风干玉米秸。

表1 试验样品的原材料组成Tab.1 Material com position of test samp les

1.2 试验方法

将准备好的原材料分别在烘干机中进行烘干处理，烘干温度为220℃，生成的原材料含水量控制在11%左右(范围8% －12%)，并按照表1中的原材料组成比例进行均匀混合，每种样品总重量为100 kg，然后立即放入制棒机中高温(温度为300℃左右)压制成30－40 cm长的表面光滑且无明显裂纹的柱状半成品备用，样品编号从1#—16#;将制得的试验样品分别按顺序放入炭化窑中(炭化窑面积5m2，距地面高度50－80 cm)炭化，燃烧时间为3－4 d，最终温度达800℃时进行封窑。

生物质炭中全水分、灰分和固定碳等理化指标委托贵州省冶金有色金属产品质量监督检验站参照中华人民共和国国家标准《木炭和木炭试验方法》(GB/T 17664－1999)进行检测(检测报告为冶有检字(2014)第320号和冶有检字(2014)第389号)。

2 结果与分析

2.1 以牛粪和秸秆为原材料烧制生物质炭的结果

由表2可见，在以牛粪和玉米秸为原料的所有混合样中，40%牛粪和60%玉米秸的混合样(7#)烧制的生物质炭固定碳含量最高(71.41%)，灰分含量最低(10.24%)，与郭新芳等［2］研究结果接近，且高于100%秸秆(8#)和100%锯末(10#)烧制生物质炭的固定碳含量，同时达到了国家松木炭一级质量标准(固定碳含量≥70%);而100%牛粪(1#)、90%牛粪和10%玉米秸的混合样(2#)、80%牛粪和20%玉米秸的混合样(3#)、70%牛粪和30%玉米秸的混合样(4#)烧制的生物质炭固定碳含量均低于 60%(分别为 56.04%、55.06%、55.18%和64.58%)，均低于国家木炭合格质量标准(固定碳含量≥65%)。

2.2 以羊粪和锯末为原材料烧制生物质炭的结果

由表2可见，在以羊粪和锯末为原料的所有混合样中，60%羊粪和40%锯末的混合样(12#)烧制的生物质炭固定碳含量最高(90.08%)，灰分含量最低(5.03%)，远高于100%秸秆(8#)和100%锯末(10#)烧制生物质炭的固定碳含量，同时达到了国家硬阔叶木炭优级质量标准(固定碳含量≥85%);而100%羊粪(16#)烧制的生物质炭固定碳含量最低(60.21%)，灰分含量则最高(35.17%)。

表2 生物质炭主要质量指标分析Tab.2 Analysis ofmain quality indexes of charcoal

3 讨论

3.1 生物质热解制炭过程实际上是生物质原料在高温缺氧条件下的热解过程。生物质原料的可燃部分主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，炭化时纤维素和半纤维素释放出挥发份物质，木质素最后转变为固定碳。牛、羊粪的主要化学成分是木质素和纤维素，可作为制取生物质炭的原料。

炭化原料应选择灰分含量低、木质素含量高的原料，原料灰分含量低，生物质炭的灰分含量一般较低，这有利于提高生物质炭的品质，原料木质素含量高有利于增加生物质炭的产量［3］。从牛粪、羊粪、玉米秸和锯末的化学组成可知，木质素含量羊粪(26.28%)＞牛粪(23.72%)＞锯末(19.44%)＞玉米秸(15.42%)，纤维素含量锯末(77.28%)＞玉米秸(32.00%)＞牛粪(20.92%)＞羊粪(6.81%)，而灰分含量牛粪(22.10%)＞羊粪(18.29%)＞玉米秸 (4.70%)＞锯末(2.73%)［4－5］。本试验将不同原材料按一定比例进行混合，混合样可获得比单一组分原材料更优的木质素、纤维素和灰分含量，这将有利于烧制出固定碳含量高、灰分含量低的优质生物质炭。

3.2 木炭的发热量与固定碳含量有关，一般当固定碳含量在75% ～80%时，发热量为7000～7500 kcal/kg;固定碳含量达80% ～85%时，发热量为7500～8000 kcal/kg，固定碳含量是衡量木炭质量好坏的重要指标。在牛粪与玉米秸混合样和羊粪与锯末混合样中，随着玉米秸和锯末占比的增加，烧制获得的生物质炭固定碳含量大多呈现上升趋势且增加明显，但100%牛粪烧制的生物质炭中固定碳含量高于100%玉米秸烧制的生物质炭中固定碳含量，可见，在牛、羊粪中添加一定的玉米秸或秸秆，有助于提高烧制生物质炭中固定碳含量，但合适的原材料配比可能对固定碳含量的增加具有更为重要的影响。

［1］相俊红，胡 伟.我国畜禽粪便废弃物资源化利用现状［J］.现代农业装备，2006(2):59－63.

［2］郭新芳，朱跃成，郭建平.畜禽粪便综合利用与资源节约型生态农业技术研究［J］.农业现代化研究，2009(30):603－605.

［3］胡 威.利用高温烟气热解成型生物质制炭的研究［D］.昆明理工大学，2013.

［4］王金主，王元秀，李 峰，等.玉米秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的测定［J］.山东食品发酵，2010(3):44－47.

［5］陈永辉，蔡海燕.纤维素和木质素含量对稻草、锯末热解及燃烧特性的影响［J］.能源工程，2009(1):38－42.