基于响应曲面法的餐厨垃圾水热碳化参数优化.pdf

第 卷第 期 年 月吉林建筑大学学报 收稿日期：作者简介：李承霖（），男，辽宁省大连市，硕士研究生通讯作者：石岩，女，吉林省长春市人，教授，博士 ：基于响应曲面法的餐厨垃圾水热碳化参数优化李承霖，石岩，吴俊全，白皓，李恒吉林建筑大学 市政与环境工程学院，长春 摘要：本文以生物炭为实验材料，其由配比并处理好的餐厨垃圾经水热碳化制备 为寻求制备具有高热值生物炭的最优水热碳化参数组合，本文应用响应曲面法（）优化了水热碳化参数，研究了单因素实验中反应温度、停留时间和液固比对生物炭热值的影响，并对工艺进行了优化，进而确定了最优工艺下的反应温度为 、停留时间为 、液固比为 在上述最优工艺下，制备生物炭的热值最高，为 关键词：餐厨垃圾；水热碳化；响应曲面法（）；生物炭；热值中图分类号：文献标志码：文章编号：（）牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牗 牘 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 爛 牶 牷 牷 牗 牘 牷 牷 引言由于社会经济与科学技术的高速发展，人们的生活质量日益改善，而餐桌的铺张浪费现象也愈发严重 餐厨垃圾，作为典型的生物质废弃物，其有机物质多、含水量高、易酸坏产生污染环境的气体及致病菌，严重危害人们的健康和周围环境 由于餐厨垃圾成分复杂，在厌氧消化前需要进行预处理，这就会导致其周期长、效率低、费用高等问题 ，且存在资源化利用率低、经济效益不够理想等一系列问题 近些年，水热碳化技术对餐厨垃圾的处理开始崭露头角，面对高水量、高油量、高有机质含量的餐厨垃圾此技术也能轻松处理 社会的发展促使人们对生活环境有了更高的追求并逐渐意识到化石能源不可再生的生存问题，这也将产生蝴蝶效应引发各种严重的环境问题，不仅污染物增多，生产超临界的二氧化碳也相应增加，故温室效应将更为严峻 能源的危机情况使得各个国家急迫地寻找洁净而廉价的可再生能源来代替一次能 吉林建筑大学学报第 卷源 因此，一种新型的可再生洁净能源生物质能逐渐进入大众视野，并受到各国的广泛关注 本文采用的一种新的清洁环保方法水热碳化法，其制备出的生物炭热值高，且在密闭空间内反应无污染，未来可将其视为化石能源的第一替代品水热碳化（，缩写为 ）作为目前比较热门的生物质处理技术，具有反应条件温和、能耗低等优点 近年来，水热碳化技术作为一种将废弃生物质转化为高密度碳质材料的高效、有价值的预处理技术，已广泛应用于能源、环境、土壤改良和养分回收等领域 水热碳化过程是一种在密闭容器中进行的热化学反应过程，它是在有水的情况下，利用升高的温度和自身产生的压力下进行反应来破坏或溶解有机废物 其主要是模拟自然条件下的煤化过程，并加速其反应速率（通常为自然条件下的几百倍），将有机固废转化为一种疏松、易碎和均匀的粉末状类煤化产品 它可以有多种用途，是一种高碳、高能量密度的材料，类似于褐煤，与热解和燃烧等热化学转化方式不同的是水热碳化反应不需要对含水高的物质做干燥预处理，因为水既是反应介质又是试剂 其中，亚临界水作为绿色溶剂、试剂和催化剂，可以促进生物质的水解和裂解脱水、脱羧、缩合、聚合、芳构化响应曲面法（，缩写为 ），也称回归设计法，它是一种运用数理统计的科学算法 在实验设计中需要找到目标因素（）与各因子（）之间的定量规律，从而找出各因子（）水平的最佳组合 由于实验组数少、能生成质量较好的多元线性回归方程并能建立出更准确地空间曲面图形等优点，其在实验模拟中得到广泛应用 材料和方法 仪器和材料仪器：水热反应釜（）；自动量热仪（）；天平（）；粉碎机（）；离心机（）；过滤机（）；烘干箱（）材料：餐厨垃圾原料均采购于吉林建筑大学内超市经配比处理所得 ，经过烘干、研磨作为实验材料 方法 水热碳化法将配比好的餐厨垃圾用粉碎机粉碎，过 目筛子烘干备用 称适量原料与 去离子水混合放入反应釜中设置反应参数进行水热碳化实验，反应结束后用过滤机进行过滤分离出固体烘干即为生物炭将生物炭用自动量热仪测量所得即为热值 单因素实验法控制单一变量测试影响生物炭热值的因素 控制液固比（即水与餐厨垃圾之比）：将去离子水与原料（餐厨垃圾）配比成 ，；控制反应温度：将水热反应釜温度参数设置为 ，；控制停留时间：将水热反应釜时间参数设置为 ，响应面实验法影响餐厨垃圾水热转化为生物炭的热值因素较多，例如反应温度、停留时间、原液 值、含水率和液固比等 本文则在单因素实验的基础上，利用响应曲面法（）考虑了水热碳化参数反应温度、停留时间和液固比对制备生物碳热值的综合影响，其响应曲面实验因素与水平见表 表 响应面实验因素与水平 水平反应温度 停留时间 液固比（）第 期李承霖，石岩，吴俊全，白皓，李恒：基于响应曲面法的餐厨垃圾水热碳化参数优化 结果与分析 单因素实验结果与分析 反应温度由图 可知，生物炭热值随着反应温度的升高，表现出逐渐升高的变化 反应温度在 附近时，制备生物炭的热值最高 温度由 升至 时，制备生物炭的热值只是小幅度提高，其原因是该温度下餐厨垃圾刚完成水解反应并未完全凝聚成核生成生物炭 继续提高温度由 到 时，制备生物炭的热值则有了较大程度的提高，其原因是餐厨垃圾中的无机物逐渐转移到液相中，固相中的小分子逐渐缩合形成生物炭，最后进一步聚合在生物炭表面生成二次炭 实验表明，餐厨垃圾水热碳化过程中随着温度的升高先后发生水解、脱水、缩合、再聚合等反应 所以当反应温度达到 时，制备生物炭的热值最高?图 反应温度对生物炭热值的影响?图 停留时间对生物炭热值的影响?图 液固比对生物炭热值的影响 停留时间由图 可知，制备生物炭的热值随停留时间的增加而呈先升后降的趋势 停留 时制备生物炭的热值达到最高 当停留时间由 增至 后，热值增至 ，说明延长停留时间可提高缩合反应的强度，产生更多的生物炭 当停留时间继续延长后，热值出现一定程度的降低 归因于生物炭的溶解，说明在一定范围内增加停留时间可提升生物炭的热值，超出一定范围后，继续增加停留时间，反而会使生物炭的热值出现负增长 因此，选择停留时间 为反应最佳条件 液固比在水热碳化过程中去离子水既是原料的溶剂又是水热反应的催化剂 产生 和 ，推动脱水、脱氢、脱羧、脱氧等反应的发生 在实验中保持去离子水的含量不变，逐渐减少餐厨垃圾的含量如图 所示，生物炭的热值随液固比的增加而呈先降后升再降的趋势 减少去离子水与原料为 时生物炭的热值降低，发生此现象原因是原料的浓度降低提高了有机物的饱和度，溶剂的增加也加大了体系中小分子物质的聚合难度随着原料浓度的继续降低，去离子水含量相对升高，增加了催化剂的浓度，变相提高溶液中 和 的浓度，提高了生物炭的热值 因此，选择液固比为 为反应最佳条件 吉林建筑大学学报第 卷 响应面实验优化结果与分析 响应面设计与结果响应面实验设计及结果见表 表 响应面实验设计及结果 实验号反应温度水平 停留时间水平 液固比水平 实验热值（）实验号反应温度水平 停留时间水平 液固比水平 实验热值（）响应曲面模型建立及回归方程分析应用 软件分析表 数据，建立多元回归模型 拟合得到以生物炭热值（）为目标函数的二次多项回归模型：热值 （）式中，和 分别为表 中的对应值由表 可知，?远远小于 ，表明该模型有显著的差异 ，表明所生成的热值回归方程与对应的响应值有 的相符程度 其中 ，由 值可知，影响生物炭热值的主次因素为反应温度 停留时间 液固比 由 软件计算得出：当反应温度为 、停留时间为 和液固比为 时，制备的生物炭热值最高，其生物炭热值的最大预测值为 表 响应曲面模型的方差分析 来源平方和自由度均方和值值模型?反应温度水平?停留时间水平?液固比水平?残差 失拟项 纯误差 总误差 注：，差异显著 响应曲面交互作用及结果分析图 为反应温度、停留时间和液固比 个因素对制备生物炭热值交互影响的响应面图和等高线图 由图第 期李承霖，石岩，吴俊全，白皓，李恒：基于响应曲面法的餐厨垃圾水热碳化参数优化 可知，对反应温度因素，图（）和图（）影响的响应面图呈先升后降的变化，对停留时间和液固比两个因素，图 （）图 （）影响的响应面图呈逐渐升高的变化，其等高线均较为密布 由此可见，这 个因素的交互影响均很明显，对制备生物炭热值的影响有重要作用 图中 ，分别代表热值、反应温度、停留时间和液固比?图 三因素对生物炭热值的交互影响 结果验证将餐厨垃圾水热碳化参数条件调整为反应温度 、停留时间为 、液固比为 ，在此条件下反复进行实验 次实验表明测得制备生物炭热值的平均值为 ，其与预测值 相差不大，表明该结果符合客观实际，故应用响应面法优化餐厨垃圾水热碳化参数合理可行 结语（）餐厨垃圾采用水热碳化法制备环保型高热值生物炭，单因素实验表明，反应温度、停留时间和液固比 个单因素对餐厨垃圾水热碳化制备高热值生物炭均有明显影响，分别在反应温度为 、停留时间 、液固比为 时，制备生物炭的热值均达到最高值 吉林建筑大学学报第 卷（）通过响应面法，并利用 软件进行数据分析，优化出当餐厨垃圾水热碳化工艺条件为反应温度 、停留时间为 和液固比为 时，所得的生物炭热值达到最高值 （）水热碳化法具有设备简单、成本低、耗时少的特点 ，既为废弃生物质的环保处理提供了新的研究方法，又为餐厨垃圾制备清洁固体燃料替代一次能源的研究提供了实验数据（）合理运用数学模型能够准确、清晰地反映出反应温度、停留时间和液固比 个单因素对餐厨垃圾水热碳化制备生物炭热值的交互影响，更能快速得到最优工艺条件，具有一定的理论和实践意义参考文献 许晓锋，林琦 我国餐厨垃圾资源化处理技术现状及建议措施 环境与发展，（）：，（）：，：王耀军 国内餐厨垃圾处理现状与发展趋势分析 节能与环保，（）：王腾飞 餐厨垃圾水热碳化机制及生物炭的清洁和成型提质特性研究 长沙：湖南大学，田宜水，单明，孔庚，麻林巍，邵思 我国生物质经济发展战略研究 中国工程科学，（）：，：，（）：，：，：，：，：，（）：，：吕锦怡，解晓双，何彩桥，栾崇林 学校食堂餐厨垃圾组分及生化指标分析 深圳职业技术学院学报，（）：赵坤 餐厨垃圾水热碳化工艺及产物性质研究 北京：中国石油大学，（）：（），：，：，：