答辩博士：NYAMBURA SAMUEL MBUGUA
指导老师：李骅教授
论文题目：餐厨垃圾和稻秆微波共热解特性、最优工艺及技术经济性研究
答辩委员会：
主席：
鲁植雄教授/博导 南京农业大学
委员：
陈集双教授/博导 南京工业大学
钟志堂研究员/硕导 江苏省农业机械技术推广站
雍阳春教授/博导 江苏大学
方 迪教授/博导 南京农业大学
秘书：
戴芸助理研究员南京农业大学
答辩时间：2024年5月24日14时
答辩地点：南京农业大学浦口校区育贤楼C402
论文简介：
本研究深入探讨了餐厨垃圾和稻秆微波共热解方法及具体应用。主要目标是探索影响微波共热解的过程工艺参数，并分析所得产物的特性和分布。通过科学的实验和分析，确定和优化了餐厨垃圾和稻秆微波共热解的最佳工艺参数。并在此基础上，构建、设计并模拟了一个规模化的基于微波热源的热电联产系统。随后，对其进行了全面的技术经济评估，以验证实施基于微波共热解的热电联产系统的技术可行性和经济可行性。这些评估结果为微波共热解技术的潜力提供了宝贵的理论支撑，为可持续和经济可行的能源解决方案奠定基础。主要研究工作和结果如下：
(1)利用热重分析仪研究餐厨垃圾和稻秆共热解工艺参数对其热重特性的影响。通过改变混合比例、加热速率和催化剂用量，确定餐厨垃圾和稻秆的热动力学特性。分析并表征不同参数条件下的 TG 和 DTG 曲线。分析工艺参数与样品热重特性之间的关系，并使用 Friedman、 Flynn-Wall-Ozawa 和 Kissinger-Akahira-Sunose 等方法研究了过程工艺参数对样品热动力学特性的影响过程和机制。结果表明，餐厨垃圾和稻秆的热解过程包括五个阶段：干燥阶段、预热解阶段、主要热解阶段、凝结聚合反应阶段和缓慢分解阶段。随着餐厨垃圾和稻秆的混合，样品的主要热解阶段最大挥发温度保持不变，但随着样品中餐厨垃圾比例的增加，质量损失增加。同时，活化能、预指数因子、焓和吉布斯自由能随着混合而减少，在混合比例为50%餐厨垃圾和50%稻秆的样品情况下，达到最小值，而熵增加。随着加热速率的增加，样品的主要热解阶段向更高温度区域移动，同时质量损失减少，样品的活化能、预指数因子、焓和吉布斯自由能增加。因此以30 ℃/min分解的样品在所有等转化技术下具有最高的数值，而熵减少。随着催化剂用量的增加，样品的主要热解阶段向较低温度区域移动，伴随着质量损失的增加，活化能、指前因子、焓和吉布斯自由能降低，因此使用 15g催化剂的样品在所有等转化率方法下具有最高熵值。然而，熵随着催化剂用量的增加而增加，使用 15g催化剂的样品具有所有等温转换技术下最高的熵值。因此混合比例、加热速率和催化剂用量的优化，可以进一步促进餐厨垃圾和稻秆的共热解。
(2) 基于热动力学研究结果，对餐厨垃圾和稻秆的微波共热解进行研究。利用微波反应器研究了餐厨垃圾和稻秆共热解的工艺参数。分析了混合比例、微波功率和催化剂量等过程参数之间的相互作用对氢气产量和固定碳含量的影响。值得注意的是，在餐厨垃圾和稻秆的微波共热解过程特性和产品质量中观察到了协同效应，其中协同作用程度在最佳工艺条件下实现最大化。采用气相色谱法研究了气态产物的数量和质量。采用热重分析、微波加热分析、视觉观察和扫描电子显微镜分析的组合方法，提供了生物炭的燃烧行为和作为固体燃料的适用性的定量数据。根据结果，餐厨垃圾和稻秆的混合提高了样品的加热速率，视觉观察证实混合样品经历了完全转化。在最佳混合比例50%餐厨垃圾和50%稻秆的情况下，产生的氢气体积增加到24vol∙%，导致的生物炭固定碳含量增加到67.3wt∙%。此外，产生的生物炭的热稳定性显著提高，但生物炭的表面形态变化不大，所有样品都具有不同形状和大小的多孔表面。随着微波功率的增加，样品的加热速率增加，以至于在1900W时，样品的热解速率最高。然而，视觉观察结果显示，以1900W为代表的极高加热速率下热解的样品未经历完全的生物质转化。另一方面，使用最高微波功率为1500W的样品进行热解后，实现了完全转化。同时，氢气体积增加到24vol∙%，生物炭固定碳含量增加到67.3wt∙%。此外，最佳微波功率条件导致形成了热稳定和结构稳定的生物炭，表面光滑，无裂缝。进一步增加微波功率超过最佳值会降低产生的氢气体积，降低生物炭固定碳含量，并导致生物炭的表面聚集和烧结。引入添加剂后，样品的加热速率随着添加剂量的增加而增加。视觉观察证实，所有具有不同添加剂用量的样品均经历了完全燃烧。然而，最佳添加剂用量为15g，氢值增加到28vol∙%，生物炭固定碳含量为71.6wt∙%。在这个用量下，产生的生物炭具有小的质量损失，高点火温度，表明具有高热稳定性，同时显示相对光滑和均匀的表面形态。进一步增加添加剂用量会降低氢气体积和生物炭固定碳含量，同时增加生物炭的裂缝。结果表明，混合比、微波功率和添加剂用量的整体效应对餐厨垃圾和稻秆微波共热解特性有显著影响，可以优化以促进产品性能。
(3) 基于微波共热解的结果，对餐厨垃圾和稻秆的热解工艺参数进行了优化。利用响应面方法优化了餐厨垃圾和稻秆的微波共热解过程参数。分析了混合比例、微波功率和催化剂量等工艺参数之间的相互作用对氢气产量和生物炭固定碳含量的影响。此外，还调查了与燃料特性相关的生物炭性质。将最大氢气体积分数和生物炭中最大固定碳含量作为优化指标，利用多响应参数优化上述两个响应值的拟合函数，并通过实验验证优化模型预测结果，并对试验产物进行理化分析。结果表明，在餐厨垃圾和稻秆的共热解过程中存在轻微的协同作用，其中在最佳混合比下协同作用的程度达到最大。实验结果表明，在混合比例为 49.32%和 50.68%、微波功率为 1458W、催化剂用量为 18.59g的情况下，获得了最佳热解性能。在这些优化参数下，氢气体积分数为 27.59%，生物炭固定碳含量为 71.87%。在最佳条件下，生物质样品在最佳工艺参数条件下的加热过程表现出快速加热的特征，加热速率较高。视觉观察结果证实了所有试验样品均被完全转化。产生的生物炭显示出明显较高的初始温度，表明具有出色的热稳定性。在最佳条件下达到的高温度导致生物炭的无序非晶晶体结构形成干净且广泛的孔隙。此外，生物炭呈现出一种涡层结构和类似石墨的结构，根据优化参数得出的生物炭的氢碳原子比低于0.6。此外，生物炭具有高热稳定性，较高的热值为21.70MJkg-1，碳致密化系数为1.50，能量富集系数为1.33，热值提高率为33%，能量产率为41.23%，燃料比为4.76。
(4) 基于餐厨垃圾和稻秆微波共热解的特性和优化产品分布，设计了一套基于微波的热电联产系统，并进行了模拟和评估。该系统的关键模块包括：预处理子系统、微波共热解和产品分离子系统、热解气体燃烧子系统、蒸汽循环发电子系统和地区供暖水分配子系统。对预处理子部分和微波共热解及产品分离子系统的评估包括干燥、粉碎、混合、微波热解、冷凝和产品分离等辅助过程的实际实验，并将其值与使用 Aspen Plus过程模拟软件设计和模拟的类似子系统的值进行比较。然后，将实验值和模拟值进行相关性分析，以确定设计的预处理子系统和微波共热解和产品分离子系统的准确性。随后，通过比较实验和模拟的数据，调查了增加吞吐量对该系统的影响，从而为扩大该工艺应用规模提供了可靠仿真模型。基于已验证的扩大规模子系统，使用 Aspen Plus过程模拟软件设计了工厂的其他关键子部分。结果显示，基于餐厨垃圾和稻秆共热解的设计的扩大型联合热电厂在技术上是可行的，功率容量为 538kWh，地区供暖水温度为 98℃，流量为 10138.36L/h，生物炭产量为 26.69kg/h。此外，该工厂的锅炉效率为 97.24%，蒸汽循环热效率为 25.64%，电能效率为 25.01%，总体系统联合热电效率为 24.93%。结果表明，联合热电系统具有提供电力、产出用作固体燃料的生物炭的潜力，且满足不断增长的区域供热需求。
(5) 基于所设计的大型微波联合热电联产系统，对该系统进行了全面的技术经济性评估。该评估深入研究了项目的经济可行性和潜在盈利性的各个关键方面。首先，对投资成本进行了深入考虑，包括设备采购、安装和初始运营设置方面的支出。同时，对收入预测进行了细致分析，考虑了发电、区域供热水和工厂生成的生物炭销售所带来的预期收入。此外，评估还考虑了中国现行的税收法规，确保合规并准确反映与项目相关的财务义务。对项目的财务表现进行了净现值、内部收益率、回收期和盈利指数等财务指标的评估，以评估项目随时间的财务表现。评估的结果表明，所设计的热电联产系统具有较好的经济可行性和盈利性。在吞吐量为100kg/h、混合比为49.32（餐厨垃圾）比50.68（稻秆）、微波功率为1458W和添加剂量为18.59kg的情况下，该项目展现出有效的经济性能。值得注意的是，净现值在系统运行后的第八个完整年度后变为正值，盈利指数为 1.18，成本回收期为 6年，内部收益率为 14.012%。此外，发电的平均成本分析结果显示为0.43元/千瓦时，这表明基于微波的联合热电系统在保持操作效率和维护成本稳定的情况下，具有竞争性的发电潜力。这些结论表明该项目具有可靠的财务可行性，并为其实践提供科学支撑。
主要创新点如下：
（1）本研究分析了不同参数条件下的热重和一级热重剖面以及动力学参数，并对样品的热重性质与工艺参数之间的关系进行了分析，研究了工艺参数对样品性质的影响过程和机制。厨余食物和稻草的脱挥过程包括五个阶段：干燥阶段、预热解阶段、主要热解阶段、凝聚聚合反应阶段和缓慢分解阶段。混合厨余食物和稻草后，样品的主要热解阶段保持不变，但随着厨余食物比例的增加，样品的质量损失增加。随着加热速率的增加，样品的主要热解阶段向较高温区移动。随着添加剂量的增加，样品的主要热解阶段向较低温区移动。混合比例、加热速率和添加剂量对厨余食物和稻草的脱挥特性均有显著影响。因此，混合比例、加热速率和添加剂量可以优化以促进厨余食物和稻草的共热解。
（2）本研究使用微波反应器调查了厨余食物和稻草共热解的工艺参数。分析了混合比例、微波功率和添加剂量之间的相互作用对氢气体积和生物碳固定含量的影响。在工艺特性和产品质量方面观察到了厨余食物和稻草微波共热解的协同效应，其中协同程度在最优值时最大化。在最佳混合比例为50％厨余食物和50％稻草时，氢气体积为24体积％，生物碳固定含量为67.3重量％。在最佳微波功率为1500瓦时，氢气体积为24体积％，生物碳固定含量为67.3重量％。在最佳添加剂量为15克时，氢气体积为28体积％，生物碳固定含量为71.6重量％。确定了混合比例、加热速率和添加剂量的整体效应对厨余食物和稻草微波共热解特性具有显著影响。
（3）本研究基于厨余食物和稻草微波共热解的特性和优化产品分布，设计、模拟和评估了一座基于微波的联合热电厂。通过比较实验和模拟数据，使用Aspen Plus过程模拟软件设计了电厂的其他关键子部分。结果表明，基于厨余食物和稻草共热解的设计的扩大规模的联合热电厂在技术上是可行的，具有538千瓦的功率容量，98℃的区域供热水温度和10138.36升/小时的流量，以及26.69千克/小时的生物炭生产。此外，该电厂的锅炉效率为97.24％，蒸汽循环热效率为25.64％，电效率为25.01％，整体系统联合热电效率为24.93％。结果表明，联合热电系统具有潜力提供电力、生物炭用作固体燃料和区域供热，以满足不断增长的需求。
