餐厨垃圾热解机制解析：动力学行为、产物特性与能量需求优化

本研究针对全球食物浪费导致的温室气体排放（占总量7%）及传统填埋处置的环境风险，创新性地通过热重分析（TGA）与固定床反应器实验，系统探究了废弃餐厨（FW）的热解动力学、温度依赖型产物特性及能量平衡。首次实验测得FW热解能耗（Qpy=1451.93–2836.59 kJ/kgFW），发现700°C下生物油热值（HHV）达37.34 MJ/kg，热解气中CH4占比提升至33.06%，并提出"生物炭/生物油初级燃烧+热解气补燃"的能量自持策略，为设计低碳高效的废弃物资源化系统提供关键技术支撑。

　　研究背景与意义
全球每年产生16亿吨食物垃圾，预计十年内增长32%。在印度，约40%的食物被浪费，人均年浪费量达50公斤。传统填埋处置不仅占用土地，更释放大量温室气体（食物垃圾贡献全球7%碳排放）和渗滤液。热解技术因能同步实现减容（65–85%）和资源回收（生物炭、生物油、热解气），成为废弃物资源化的优选方案。然而，餐厨垃圾（FW）因含碳水化合物、蛋白质、脂质等异质组分，其热解动力学机制复杂，产物特性与温度关联性不明，且关键参数——热解过程能耗（Q_py）缺乏实验数据，制约工业化应用。

研究方法与技术路线
印度阿姆里塔大学农业科学院（Amrita School of Agricultural Sciences）研究人员采集学生食堂餐厨垃圾（含碳水化合物、蛋白质、脂质残留物），通过：

1. 原料表征：工业分析（水分、灰分、挥发分）、元素分析及热值测定
2. 热解动力学：多升温速率（5–20°C/min）热重分析（TGA），结合Friedman、KAS、FWO、Starink模型计算活化能
3. 产物特性解析：在400–700°C固定床反应器中制备产物，表征生物炭（比表面积、官能团）、生物油（GC-MS组分）及热解气（气相色谱）
4. 能量平衡：基于产物热值及反应器数据，计算热解净能耗（Q_py）

核心研究结果

1. Food waste characteristics
   FW含高挥发分（81.13%）、低灰分（2.09%），热值19.74 MJ/kg，是理想热解原料。

2. Thermogravimetric analysis
   FW热解分四阶段：

• 脱水（30–175°C）
• 主降解（175–456°C）：脱卷积分析揭示组分降解区间
  • 蛋白质：175–767°C
  • 碳水化合物：204–352°C
  • 脂质：237–456°C
• 碳化（456–767°C）

1. Kinetic analysis
   平均活化能（E）为171.96–178.72 kJ/mol（四模型），主曲线法表明反应受扩散机制和高阶反应控制。

2. Biochar characteristics

• 400–500°C生物炭：保留羟基/羧基，适合农业应用（如土壤改良）
• 600–700°C生物炭：比表面积增至129.52 m2/g，芳香度高，适用于污染物吸附（亚甲基蓝吸附量达18.24 mg/g）

1. Biooil characteristics
   700°C生物油HHV达37.34 MJ/kg，含醛酮（28.91%）、酯（16.62%）、芳香烃（11.43%），具替代燃料潜力。

2. Pyrogas composition
   热解气热值13.54–20.61 MJ/kg，温度升高显著提升H₂（0.12%→3.79%）和CH₄（16.48%→33.06%），CO₂主导低温段（≤600°C时占49.97–62.73%）。

3. Heat of pyrolysis (Q_py)
   实验测得Q_py为1451.93–2836.59 kJ/kg_FW，占原料热值的7.36–14.37%，填补领域数据空白。

结论与工程意义
本研究首次通过实验量化餐厨垃圾热解能耗，揭示温度对产物特性的调控规律：

1. 能量回收策略：提出"生物炭/生物油初级燃烧→热解气补燃"的分级燃烧方案，700°C下热解气能量可覆盖Q_py的96.3%，实现系统能量自持。
2. 产物定向调控：
   • 低温生物炭（400–500°C）→农业应用
   • 高温生物炭（600–700°C）→环境修复
   • 生物油→高值燃料（HHV 37.34 MJ/kg）
3. 碳中和贡献：每吨FW热解可替代0.45吨标煤，减少1.2吨CO₂当量排放。

该研究发表于《Biomass and Bioenergy》，为设计"废弃物→能源→材料"闭环系统提供理论依据与关键技术参数，推动餐厨垃圾资源化从实验室走向工程应用。