生活垃圾制備RDF工藝參數(shù)及其熱特性研究

齊 琪,袁 京,李 赟,張地方,李國學(中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,北京 100093)

生活垃圾制備RDF工藝參數(shù)及其熱特性研究

齊 琪,袁 京,李 赟,張地方,李國學*(中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,北京 100093)

采用生活垃圾生物干化產(chǎn)品作為原料,使用壓型機及熱重分析儀對垃圾衍生燃料(RDF)的成型工藝參數(shù)及熱特性進行研究.結(jié)果表明,使用生活垃圾生物干化物料制備RDF時,最適含水率為30%,最適原料粒徑為＜1mm,最適成型壓強為2MPa.在該制備參數(shù)下,制備的RDF跌落強度可達95%以上,成型效果良好,無體積膨脹現(xiàn)象.原料粒徑1～2mm的RDF熱值較高.原料粒徑影響RDF熱特性,原料粒徑＜1mm的RDF熱特性明顯不同于1～3mm的RDF.一級動力學方程對熱重(TG)曲線擬合效果較好.利用生活垃圾經(jīng)生物干化制備RDF具有較大潛力.

生活垃圾；生物干化；垃圾衍生燃料；成型；熱特性

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展以及人口數(shù)量攀升, 2014年我國生活垃圾年清運量已達到1.7億t[1].垃圾焚燒因其減量化效果好,處理時間短,近年來得到不斷發(fā)展.但是廚余垃圾所占比例不斷增大,造成垃圾含水率過高,熱值下降.這極大地限制了生活垃圾焚燒發(fā)電處理方式的推廣并易引起環(huán)境污染.因此,如何降低生活垃圾含水率,提高其可燃性成為垃圾焚燒處理的當務(wù)之急.生物干化作為一種有效的預(yù)處理手段,可以降低垃圾含水率減小體積,從而提高垃圾篩分效率及熱值[2-3].而生物干化產(chǎn)物又可作為制備垃圾衍生燃料(RDF)的原料,從而使垃圾中的能量得到最大限度地保留[4].國內(nèi)還尚未使用生物干化產(chǎn)物進行 RDF制備.近幾年,對于成型RDF(RDF-5)制備工藝參數(shù)的研究主要集中在含水率、成型壓強以及物料粒徑等方面[5-6].由于不同研究所用原材料及 RDF成型設(shè)備差異較大,導(dǎo)致相關(guān)工藝參數(shù)的最佳范圍并不一致.此外,使用熱重(TG)-微分熱重(DTG)-差示掃描量熱法(DSC)聯(lián)用對RDF進行熱特性分析的文獻極少,相關(guān)文獻主要是對垃圾及其中典型組分進行TG分析[7-8],對餐廚垃圾[9]、污泥[10]和生物質(zhì)[11]熱解,對煤與 RDF或干污泥混燒[12-13]以及土壤有機碳熱穩(wěn)定性等進行 TG-DSC分析[14].因此TG-DTG-DSC聯(lián)用測定RDF熱特性的相關(guān)研究依然是空白.

本文以經(jīng)生物干化預(yù)處理后的生活垃圾為原料制備 RDF.探究制備過程中含水率、物料粒徑及成型壓強對RDF成型性能的影響并對RDF熱特性進行分析.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試生活垃圾取自北京市馬家樓垃圾分選轉(zhuǎn)運站0～80mm粒徑段的混合垃圾,經(jīng)生物干化后所得產(chǎn)品作為RDF成型的原料.在進行生物干化前,人工去除不可燃組分,并添加 15%的秸稈(濕基)作為輔料.混合均勻后,將20kg的物料堆置于容積為 60L的密閉式發(fā)酵罐中進行生物干化試驗,持續(xù) 21d.發(fā)酵罐底部設(shè)有通氣口并可排出滲濾液,頂部設(shè)置有溫度探頭和可以采集氣體組分的采氣孔.所得成型RDF原料包括無法分辨物理組分的有機物,占比為 79.91%(濕基),紙類,塑料和木材的比例分別為12.22%,5.26%和1.39%.將生物干化后物料風干粉碎,同時分離出塑料并獲得粒徑＜3mm物料,用于RDF成型.

1.2 RDF 成型及方法

1.2.1 RDF成型設(shè)備 RDF成型設(shè)備為自行研制的壓型機.由壓型主體和顯示控制器兩部分組成,一次可壓制4個RDF圓柱形產(chǎn)品,示意如圖1.

圖1 RDF壓型機示意Fig.1 Schematic diagram of RDF moulding machine1.手動升降搖輪;2.電機;3.壓型桿;4.壓型模具; 5.方形出料孔;6.壓力傳感器; 7.顯示控制箱

1.2.2 指標測定和方法 跌落強度:參照MT/T-2004[15]. RDF體積較小,直徑和高分別為 16mm和10～15mm(由于成型壓強不同).故將10mm作為跌落后粒徑的標準.RDF跌落強度為跌落后最大直徑＞10mm的顆粒質(zhì)量總和占RDF原始質(zhì)量的百分比.

元素分析:采用元素分析儀測定(vario MACRO cube元素分析儀,德國).

工業(yè)成分分析:參照GB/T212-2008[16].

熱特性檢測:使用球磨儀對放置30d后的成型RDF進行粉碎并過100目篩.將所得粉末狀樣品使用ZDHW-YT8000型微機全自動量熱儀測量熱值.

使用HITACHI公司的STA7200型熱重分析儀進行熱分析實驗.測定條件為:升溫速率10℃/min,進氣總流量375mL/min,進氣中N2與O2流量之比4:1,在 25～950℃范圍內(nèi)進行線性程序升溫.最后,使用TA7000Job Gallery軟件對所得的TG、DTG和DSC曲線進行分析.各處理設(shè)置3次重復(fù)(n=3).

使用excel 2010軟件求解活化能E,指前因子A和相關(guān)系數(shù)R2[17-18].主成分分析(PCA):使用R-studio軟件中的 vegan程序包進行[19].聚類分析:使用R-studio軟件中的vegan和stats程序包進行[20].顯著性分析:使用 Excel 2010軟件進行顯著性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 RDF元素含量、工業(yè)成分分析和低位熱值

不同粒徑RDF物料的相關(guān)指標如表1所示.經(jīng)生物干化后,RDF物料的高揮發(fā)分和低固定碳特性與 Sever等[21]的研究結(jié)果一致,其主要原因由于轉(zhuǎn)運站前端篩分和干化后分離出輕質(zhì)塑料類垃圾.與煤相比,RDF中固定碳及碳元素含量較低,未來RDF-5可以直接采用與煤摻燒或與分離出來的塑料類組分混合后再與煤摻燒的方式,將更有利于持續(xù)燃燒且環(huán)境效應(yīng)更好[22].

未添加塑料組分,RDF原料仍保持較高的低位熱值(表 1).其原因在于,生物干化之前已分離出不可燃組分.秸稈作為生物干化輔料又可提高物料熱值[23-24];生物干化過程中,基本去除含水率高的廚余垃圾組分,混合垃圾整體含水率降低至 30%～40%;風干粉碎后,熱值進一步提高,燃燒穩(wěn)定.原料粒徑 1～3mm的 RDF低位熱值高于15MJ/kg,即達到美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)對于RDF-5熱值的要求[25].

表1 不同粒徑原料的性質(zhì)Table 1 The related properties of different particle size raw material

2.2 原料含水率、粒徑和壓強對成型 RDF跌落強度的影響

一般將跌落強度大于 95%作為成型性能優(yōu)良的范圍.由圖 2可見,當原料含水率為 10%時,RDF成型性能均較差,其原因為水分含量低,粘結(jié)性較差.隨著含水率升高及粒徑變小,對應(yīng)的最適成型壓強下降,反之最適成型壓強上升.因此,隨著粒徑減小和含水率逐漸升高,跌落強度也呈增大趨勢,可達 95～100%.綜合表明,控制含水率為30%,原料粒徑＜1mm,所需成型壓強最小,成型性能好(表2).

相比與前人的研究結(jié)果[6,26],本研究制得RDF跌落強度更高,可達95%以上.原因是物料性質(zhì)不同.本研究沒有使用煤混原料以及大量塑料組分[6,26].物料經(jīng)充分粉碎,性質(zhì)均一,故水分的粘結(jié)作用較強.且塑料含量少,故 RDF沒有體積膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)[27].因此,本研究制得 RDF成型效果好,在生產(chǎn)實踐中有利于長距離運輸.

圖2 粒徑＜1mm、1～2mm和2～3mm物料的跌落強度變化Fig.2 The variation of fall strength of RDF using raw material of ＜1mm, 1～2mm and 2～3mm particle size

表2 不同粒徑對應(yīng)的最佳含水率、成型壓強Table 2 The best moisture content, molding pressure for different particle sizes raw material

2.3 RDF熱特性

2.3.1 RDF熱重(TG)、微分熱重(DTG)和差示掃描量熱(DSC)曲線 對原料粒徑分別為＜1mm、1～2mm和2～ 3mm的RDF進行TG、DTG和DSC分析,不同處理設(shè)置3次重復(fù),熱特性圖譜如圖3.

TG曲線的相關(guān)指標如表3所示. TG曲線出現(xiàn)4個失重段,約在 30～100℃,250～330℃,420～540℃和 630～700℃范圍內(nèi).4個失重段出現(xiàn)的原因可能是水分、以纖維素類物質(zhì)為主的揮發(fā)分、固定碳和塑料類物質(zhì)及比固定碳更難分解的揮發(fā)性物質(zhì)的析出.Robinson等[28]將RDF的TG曲線分為二次水分散發(fā)階段(80～180℃),纖維素分解階段(180～380℃),塑料分解階段(400～560℃)以及難分解的揮發(fā)分(＞580℃).這與本實驗結(jié)果高度吻合.本實驗中第 2失重段(纖維素分解階段)的失重百分比最大.這是由于前期生物干化過程中添加秸稈作為輔料,且纖維素類物質(zhì)在短期干化過程中不易被微生物降解,從而提高了纖維素類物質(zhì)的比重.

圖3 不同原料粒徑RDF的熱重(TG),微分熱重(DTG)和差示掃描量熱(DSC)曲線Fig.3 Thermogravimetric (TG), differential thermogravimetric (DTG) and differential scanning calorimetric (DSC) curves of RDF with different particle sizes

表3 不同原料粒徑RDF熱重曲線(TG)相關(guān)指標Table 3 The related indexes of thermogravimetric curve raw material with different particle size

DTG曲線相關(guān)指標如表4.DTG曲線出現(xiàn)4個峰.第2、3和4峰的峰值溫度分別在293～297℃、452～466℃和 647～670℃.對于第 2、第 3峰最大失重速率隨原料粒徑的增大而增大.這可能是因為粒徑大,灰分含量減小,單位時間內(nèi)可析出物質(zhì)百分比增加.Cheng等[29]的研究結(jié)果表明煤的最大燃燒速率與煤的熱值、碳含量和灰分有關(guān).蒲舸等[7]用城市生活垃圾混合樣品得到DTG曲線也出現(xiàn)明顯雙峰峰形.

DSC曲線相關(guān)指標如表5所示.DSC曲線出現(xiàn)2個放熱峰,粒徑1～2mm物料的單位質(zhì)量放熱量和低位熱值均最大,分別為 1.79×104mJ/mg和17.61MJ/kg(表5和表1).

表4 不同原料粒徑RDF微分熱重曲線(DTG)相關(guān)指標Table 4 The related indexes of differential thermal analysis curve of raw material with different particle size

表5 不同原料粒徑RDF差示掃描量熱曲線(DSC)相關(guān)指標Table 5 The related indexes of differential scanning calorimetric curve of raw material with different particle size

2.3.2 不同物料粒徑RDF熱特性的主成分分析(PCA)和聚類分析 將表3、表4和表5所含的相關(guān)熱特性指標進行PCA和聚類分析,結(jié)果分別如圖4和圖5所示.兩種分析方法均表明粒徑＜1mm的 RDF的熱特性可以明顯與粒徑為1～3mm的RDF分開. PCA第1和第2主成分軸一共可解釋 81.67%的熱特性曲線變化,表明所選熱特性指標對于 RDF熱特性的表征能力很強.

對于包括著火點,TG曲線第4失重段結(jié)束外推點及溫度差,DSC曲線第1峰面積以及DSC曲線第2峰溫度差在內(nèi)的5個指標(表3、表4和表 5),原料粒徑＜1mm與原料粒徑為 1～3mm時存在顯著差異(P＜0.05).表明這 5個指標的變化可能是導(dǎo)致熱特性總體發(fā)生變化的重要原因.其中,粒徑可以改變著火點的現(xiàn)象在煤中也已發(fā)現(xiàn)[30].

圖4 RDF熱特性曲線相關(guān)指標的主成分分析Fig.4 Principal components analysis of related indexes of thermal characteristic curve of RDF

原料化學性質(zhì)是不同粒徑RDF熱特性差異產(chǎn)生的重要原因.廢棄物中含能物質(zhì)的多少取決于有機可燃組分的比例[31].原料粒徑＜1mm時,碳元素較低,灰分含量較高.這與 Kok等[32]粒徑越小灰分越大的研究結(jié)果一致. RDF原料在制備時需粉碎過篩.在篩上與篩下物分離的過程中,不同粒徑范圍內(nèi)的RDF原料化學組成(元素含量、工業(yè)成分)發(fā)生變化.同時,Chouchene等[33]的研究結(jié)果表明,橄欖廢棄物燃燒后的灰分含量隨粒徑的增加而降低.與粒徑＜1mm的RDF相比,原料粒徑1～2mm時,RDF的低位熱值及單位質(zhì)量放熱量均較高.

圖5 RDF熱特性曲線相關(guān)指標的聚類分析Fig.5 Hierarchical cluster of related indexes of heating characteristic curve of RDF

2.3.3 不同物料粒徑 RDF的 TG 曲線擬合 對不同粒徑RDF的TG曲線劇烈失重段進行一級動力學方程擬合,所得結(jié)果如表 6.相關(guān)系數(shù)R2＞ 0.90,表明一級動力學方程擬合效果較好.原料粒徑＜1mm物料活化能較高,表明其發(fā)生反應(yīng)較為困難.這一結(jié)果也高于秦成等[34]對垃圾中各組分TG曲線進行一級動力學方程擬合的結(jié)果.而原料粒徑1～2mm和2～3mm物料其活化能均小于100kJ/mol,這與二者DTG曲線的高失重速率結(jié)果相一致.李季等[35]對垃圾中的各組分單獨進行熱解,發(fā)現(xiàn)同一組分在不同溫度范圍內(nèi)熱解所需要的活化能相差1～2個數(shù)量級.本研究中,同一RDF樣品在不同溫度段的活化能均在同一數(shù)量級,證明不同溫度范圍,RDF析出反應(yīng)發(fā)生的難易程度接近.煤在＜300℃的條件下進行燃燒,活化能較高,為(81±3)kJ/mol.而 RDF在 250～330℃條件下,活化能基本小于50kJ/mol.表明與煤相比,RDF的低溫燃燒反應(yīng)容易發(fā)生[36].

表6 一級動力學方程相關(guān)參數(shù)Table 6 Related parameters of first order thermal kinetics

3 結(jié)論

3.1 綜合考慮 RDF成型效果及燃燒熱值,建議最佳成型工藝參數(shù)為:含水率30%,粒徑1～2mm,對應(yīng)成型壓強2MPa.

3.2 所有 RDF的 TG曲線均出現(xiàn) 4個失重段,DTG曲線和DSC曲線出現(xiàn)兩個明顯的峰.粒徑1～2mm的RDF的低位熱值及單位質(zhì)量放熱量均最高.

3.3 主成分分析和聚類分析表明:原料粒徑＜1mm的RDF熱特性明顯不同于原料粒徑為1～3mm的RDF.

3.4 使用一級動力學方程對 TG曲線擬合效果較好(R2＞0.90).

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Processing parameters and thermal characteristics of RDF based on municipal solid waste.

QI Qi, YUAN Jing, LI Yun, ZHANG Di-fang, LI Guo-xue*(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100093, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：1051～1057

A refuse derived fuel (RDF) molding machine and a Thermogravimetric Analyzer were used to investigate parameters in RDF molding processes and thermal characters of RDF products, respectively. In the process of preparing RDF using bio-drying products, the appropriate parameters of moisture content, particle size and molding pressure were 30%, ＜1mm and 2MPa, respectively. The range of falling strength of RDF was 95～100% under such condition, which meant high efficiency of molding without any volumetric expansion. The heat value of RDF was relative higher when particle size is 1～2mm than that of others. Thermal characteristics of RDF with the particle size of ＜1mm were remarkably different from those with the particle size of 1～3mm. The fitting of TG curve was great using first order kinetics equation. The results indicated a great potential of preparing RDF using municipal solid waste after bio-drying.

municipal solid waste；bio-drying；refuse derived fuel；molding；thermal character

X705

A

1000-6923(2017)03-1051-07

齊 琪(1992-),女,陜西渭南人,中國農(nóng)業(yè)大學碩士研究生,主要研究方向為固體固體廢棄物處理與資源化.

2016-08-01

固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室開放課題資助(SWR-2014-005);國家自然科學基金資助項目(41275161)

* 責任作者, 教授, ligx@cau.edu.cn