溫度對(duì)城市生活垃圾氣化的影響研究
——以餐廚垃圾中的典型組分米飯為例

陳寧鋒，劉海力

(湖南人文科技學(xué)院 物理與信息工程系，湖南 婁底 417000)

生活垃圾的污染是各國(guó)面臨的一個(gè)重大環(huán)境問(wèn)題，在我國(guó)，城市生活垃圾的年排放量正以高于10%的速度遞增［1］。目前，處理垃圾的主要方法有：衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒、氣化等。其中，氣化法因能夠降低二噁英排放量和重金屬污染，同時(shí)具有減容化與資源化等優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是最具潛力的垃圾處理技術(shù)［2－5］。

城市生活垃圾氣化的理論研究還剛剛起步，目前，有學(xué)者研究了粒度、濕度、組分、催化劑對(duì)城市生活垃圾氣化特性的影響［6］。溫度作為氣化過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，關(guān)于其對(duì)氣化過(guò)程影響的研究還不多。餐廚垃圾在城市生活垃圾中所占比例最高，一般為50%以上［7－9］，但是，鮮有專(zhuān)注于餐廚垃圾氣化的研究報(bào)道。

本文以餐廚垃圾中的典型組分米飯為研究對(duì)象，探討其在不同溫度條件下，氣化時(shí)產(chǎn)生CO、H2、SO2及NO 的情況，得出最佳氣化溫度，為城市生活垃圾的氣化提供一定的理論參考。

一 實(shí)驗(yàn)

(一)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.取樣

從湖南人文科技學(xué)院學(xué)生食堂選取一定量的剩飯菜，把米飯分離出來(lái)。

2.干燥

稱(chēng)取100 克米飯，均勻放在玻璃皿中。然后，放入105℃的電熱烘箱中，干燥2 小時(shí)后，稱(chēng)重。再放入電熱烘箱中，每隔10min 取出稱(chēng)重一次，直到試樣重量幾乎不變?yōu)橹埂?/p>

3.粉碎

把干燥過(guò)的米飯粗略地弄成粒狀，再倒入粉碎機(jī)中粉碎。

4.過(guò)篩

樣品過(guò)80 目篩后，用包裝袋裝好，備用。

(二)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備有：管式爐；德國(guó)testo 公司生產(chǎn)的testo 350－XL 煙氣分析儀，測(cè)定CO、H2、NO和SO2的濃度；氮?dú)?，流量?.1m3/h。

(三)實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別調(diào)節(jié)管式爐的溫度為400℃、500℃、600℃、700℃、750℃、800℃、900℃、1000℃進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn)，每次取物料0.1 克，用小瓷舟裝好，放入管式爐中，迅速把煙氣分析儀插入到管式爐的產(chǎn)氣端。實(shí)驗(yàn)期間，注意觀察煙氣分析儀的測(cè)試數(shù)據(jù)。

(四)測(cè)試的物理量

在每組數(shù)據(jù)中，我們將要測(cè)量的物理量包括：

①濃度峰值，單位(ppmv)。生成氣體濃度的最大值。

②峰值出現(xiàn)時(shí)間，單位(s)。氣體濃度達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

③起始時(shí)間、終止時(shí)間，單位(s)。對(duì)于CO 與H2，將氣體濃度達(dá)到峰值的5%對(duì)應(yīng)的時(shí)間定為起始時(shí)間，下降達(dá)到峰值的5%對(duì)應(yīng)的時(shí)間定為終止時(shí)間；因SO2與NO 的濃度峰值較小，則取其濃度峰值的10%作為定義界線(xiàn)。

需要計(jì)算的物理量包括：

①反應(yīng)時(shí)間，單位(s)。

反應(yīng)時(shí)間(s)= 終止時(shí)間(s)－起始時(shí)間(s)

②平均值，單位(ppmv)。

其中濃度總量(ppmv)等于該氣體濃度對(duì)反應(yīng)時(shí)間的積分，其計(jì)算在Origin 中完成。

③產(chǎn)氣總量，單位(mL)，氣體體積指在常壓下的體積。

在該實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)氣總量的值很小，相比氮?dú)獾牧?，可以忽略不?jì)，我們可以近似地認(rèn)為氮?dú)獾目偭?氣體的總量，所以產(chǎn)氣總量可用下式表示：

二 結(jié)果分析

(一)城市生活垃圾氣化生成CO 的特性

米飯?jiān)诓煌瑴囟葪l件下氣化，產(chǎn)生氣體CO 的情況，如圖1 及表1 所示。

圖1 米飯?jiān)跉饣^(guò)程中CO 的排放特性

表1 米飯?jiān)诓煌瑴囟认職饣蒀O 的情況

由圖1 及表1 可以看出：在氣化過(guò)程中，CO 的排放曲線(xiàn)存在一個(gè)峰值，且峰值的出現(xiàn)時(shí)間隨著氣化溫度的上升逐漸提前。當(dāng)氣化溫度分別為400℃與500℃時(shí)，CO 的體積濃度很小，峰值分別僅為336ppmv 與735ppmv，峰值出現(xiàn)的時(shí)間分別為212s與150s；當(dāng)氣化溫度為600℃時(shí)，CO 排放峰值出現(xiàn)的時(shí)間為122s，峰值為2899ppmv；當(dāng)氣化溫度為700℃時(shí)，CO 排放峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前至92s，峰值也上升至14486ppmv；當(dāng)溫度上升至750℃時(shí)，峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)于700℃只略為提前，為90s，但峰值卻迅速上升至21260ppmv，相對(duì)于700℃時(shí)有較明顯的增加，說(shuō)明CO 的生成主要集中在此溫度范圍；當(dāng)氣化溫度繼續(xù)增加到800℃時(shí)，CO 排放峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前至70s，而此時(shí)峰值卻下降至16600ppmv；當(dāng)反應(yīng)溫度分別為900℃和1000℃時(shí)，峰值分別為14300ppmv 和14417ppmv，峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為52s 與42s。由此可見(jiàn)，CO 的排放濃度峰值在750℃時(shí)最大，當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，CO 的濃度峰值反而開(kāi)始下降。此外，我們還能發(fā)現(xiàn)，起始時(shí)間及終止時(shí)間隨溫度的升高而逐漸提前(750℃除外)，這是因?yàn)闇囟仍礁?，反?yīng)速率越快。

從表1 中還可以看出：在400℃時(shí)，CO 的產(chǎn)量非常低，僅1.258mL；當(dāng)溫度等于600℃時(shí)，CO 總量明顯增加，達(dá)到5.193mL；當(dāng)溫度為750℃時(shí)，CO產(chǎn)量達(dá)到最大值29.615mL；當(dāng)溫度大于750℃時(shí)，CO 的產(chǎn)量有所減少。因此，單從產(chǎn)生CO 的角度，可選取750℃左右作為運(yùn)行溫度，避免過(guò)高運(yùn)行溫度導(dǎo)致能量浪費(fèi)及產(chǎn)氣量的降低。

(二)城市生活垃圾氣化生成H2的特性

米飯?jiān)诓煌瑴囟葪l件下氣化，產(chǎn)生可燃?xì)怏wH2的情況，如圖2 及表2。

圖2 米飯?jiān)跉饣^(guò)程中H2的排放特性

表2 米飯?jiān)诓煌瑴囟认職饣蒆2的情況

從圖2 及表2(其情況與圖1、表1 相似)可看出，H2的排放濃度峰值和產(chǎn)氣總量，在750℃達(dá)到最大值，再提高反應(yīng)溫度，H2的產(chǎn)氣總量卻下降。因此，選取750℃這個(gè)溫度范圍作為運(yùn)行溫度。

(三)城市生活垃圾氣化生成SO2的特性

米飯?jiān)诓煌瑴囟葪l件下氣化，產(chǎn)生有害氣體SO2的情況，如圖3 及表3。

圖3 米飯?jiān)跉饣^(guò)程中SO2的排放特性

表3 米飯?jiān)诓煌瑴囟认職饣蒘O2的情況

由圖3 及表3 可以看出：在低溫區(qū)(400－500℃)，幾乎沒(méi)有SO2的產(chǎn)生。在600℃時(shí)，產(chǎn)生較少的SO2；當(dāng)溫度上升到700℃時(shí)，在圖中出現(xiàn)了相對(duì)明顯的峰，峰值出現(xiàn)的時(shí)間為148s，峰值濃度為23ppmv；當(dāng)溫度上升到750℃時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的峰值，其反應(yīng)速率也大大降低，曲線(xiàn)趨于平緩；但當(dāng)溫度上升至800℃時(shí)，峰值又出現(xiàn)了，出現(xiàn)的時(shí)間提前至106s，峰值濃度也上升至33ppmv；900℃與1000℃時(shí)峰值出現(xiàn)的時(shí)間分別為88s 與84s，峰值出現(xiàn)的時(shí)間減少，但另一方面，SO2的排放濃度達(dá)到峰值后迅速下降至較低水平，說(shuō)明高溫雖然提高了反應(yīng)速率，但SO2的排放總量取決于樣品中的硫含量以及氧含量，當(dāng)硫在高溫下迅速轉(zhuǎn)化為SO2后，樣品中的硫和氧也迅速耗盡，導(dǎo)致SO2的排放量迅速下降。

從表3 中數(shù)據(jù)我們可以看出：SO2的生成很緩慢，反應(yīng)時(shí)間都在200s 以上；由于SO2的產(chǎn)量較低，在反應(yīng)過(guò)程中波動(dòng)性較大，溫度對(duì)SO2的排放沒(méi)有明顯的影響規(guī)律，在600℃及750℃時(shí)產(chǎn)量相對(duì)較少，分別為0.052mL 及0.054mL。因此，如果單從減少SO2的角度，溫度為600℃與750℃較好。

(四)城市生活垃圾氣化生成NO 的特性

米飯?jiān)诓煌瑴囟葪l件下氣化，產(chǎn)生有害氣體NO 的情況，如圖4 及表4。

圖4 米飯?jiān)跉饣^(guò)程中NO 的排放特性

表4 米飯?jiān)诓煌瑴囟认職饣蒒O 的情況

由圖4 可以看出：在氣化過(guò)程中，當(dāng)溫度不高(600℃－800℃)時(shí)，NO 的排放濃度曲線(xiàn)較平坦；在高溫度區(qū)(900℃，1000℃)，呈現(xiàn)出一個(gè)較明顯的尖峰。900℃時(shí)，峰值出現(xiàn)的時(shí)間為34s，峰值濃度為21ppmv；1000℃時(shí)，峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前至26s，峰值濃度也上升至40ppmv。與SO2的排放特性比較相似的一點(diǎn)是，高溫(900℃－1000℃)時(shí)，在排放峰值過(guò)后NO 的排放濃度下降得比較迅速。

從表4 中數(shù)據(jù)我們可以看出：NO 的產(chǎn)生時(shí)間較長(zhǎng)，都在250s 以上；溫度對(duì)NO 產(chǎn)量影響不大，從600℃至1000℃的6 個(gè)溫度點(diǎn)中(900℃除外)，產(chǎn)生的NO 量比較接近。

三 結(jié)論

以餐廚垃圾中的典型組分米飯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選取了400℃、500℃、600℃、700℃、750℃、800℃、900℃及1000℃等8 個(gè)溫度點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)氣中的主要可燃?xì)怏wCO 與H2和主要有害氣體SO2與NO 進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了以下結(jié)論：

第一，CO 與H2的排放量在750℃時(shí)達(dá)到最大值，再提高反應(yīng)溫度，可以增快產(chǎn)氣速率，但無(wú)法提高產(chǎn)量。因此，可選取750℃左右的溫度作為氣化運(yùn)行溫度。

第二，SO2與NO 的產(chǎn)量較低，溫度對(duì)它們的排放特性影響不大。在600℃及750℃時(shí)，SO2產(chǎn)氣總量相對(duì)較小，分別為0.052mL 及0.054mL；溫度的增加并不會(huì)影響NO 的產(chǎn)氣總量，只是當(dāng)溫度較高(900℃－1000℃)時(shí)，NO 排放濃度曲線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰，而溫度較低時(shí)，濃度曲線(xiàn)較平緩。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2004［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2005：438－439.

［2］高寧博，李?lèi)?ài)民.固體廢棄物氣化處理半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯浚跩］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30(8)：1111－1117.

［3］李建新.國(guó)內(nèi)城市生活垃圾特性及其處理技術(shù)研究［J］.熱力發(fā)電，2006，35(1)：11－14.

［4］Yao Binyang，Vida N Sharifia，Jim Swithenbank，et al.Converting moving－grate incineration from combustion to gasification－ numerical simulation of the burning characteristics［J］.Waste Management，2007，27(5)：645－655.

［5］池涌，鄭皎，金余其，等.模擬垃圾流化床氣化特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(29)：59－63.

［6］羅思義.城市生活垃圾破碎機(jī)的研制及粒徑對(duì)垃圾熱解氣化特性的影響研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2010.

［7］Zhao Wei，Ester van der Voet，Zhang Yufeng，et al.Life cycle assessment of municipal solid waste management with regard to greenhouse gas emissions：Case study of Tianjin，China［J］.Science of the Total Environment，2009，407：1517－1526.

［8］He Maoyun，Hu Zhiquan，Xiao Bo，et al.Hydrogen－rich gas from catalytic steam gasification of municipal solid waste (MSW)：Influence of catalyst and temperature on yield and product composition［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34：195－203.

［9］Xiao Gang，Ni Mingjiang，Chi Yong，et al.Gasification characteristics of MSW and an ANN prediction model［J］.Waste Management，2009，29：240－244.