生物質(zhì)廢棄物低溫炭化降低含水率試驗

張涉　陸曉春　李舉　陳思伍　劉志彬

摘要：指出了目前國內(nèi)外對污泥低溫炭化的研究較多，但對于生物質(zhì)廢棄物的低溫炭化處理的研究試驗開展較少。針對垃圾濕組分、垃圾發(fā)酵產(chǎn)沼后的沼渣、污水廠污泥、破碎餐廚垃圾以及濕組分和發(fā)酵液混合樣5種試樣進行了含水降低率試驗，結(jié)果表明：適宜的反應溫度分別為220℃、280℃、230℃、180℃、210℃時，含水降低率分別達到28.73%、40.47%、40.07%、48.90%、44.13%，取得了良好的減量化效果。試驗結(jié)果可應用于垃圾生物質(zhì)處理工程實踐，有利于降低后續(xù)處理成本。

關鍵詞：生物質(zhì)；污泥；低溫炭化；廢棄物

中圖分類號：TU993.3

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10002403

1 引言

改革開放特別是20世紀90年代中后期以來，伴隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化進程的加快，生活垃圾、污泥、農(nóng)林剩余物等典型生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)生量居高不下，年產(chǎn)生量已經(jīng)超過26億t，并且繼續(xù)以年均10%速度增長，但綜合處理率平均不到40%[1]，轉(zhuǎn)化利用率更是不到10%，且堆存量巨大。長期堆存的廢棄物不僅對周邊大氣、水體、土壤及生態(tài)系統(tǒng)帶來了一定程度的破壞，甚至還將對堆放地區(qū)的地下水源形成潛在危害。而目前綜合處理利用技術以填埋、焚燒、堆肥等傳統(tǒng)工藝為主，同樣存在著嚴重的環(huán)境隱患，例如填埋帶來的滲濾液、焚燒所產(chǎn)生的二噁英和煙塵、堆肥累積的重金屬等，都較難根治。生物質(zhì)廢棄物的環(huán)境問題已經(jīng)引起社會的廣泛關注，無害化、減量化處理已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重要問題。

該試驗采用的低溫炭化處理技術，旨在通過前段生物質(zhì)調(diào)質(zhì)結(jié)合后段低溫炭化，在實現(xiàn)對生物質(zhì)廢棄物無害化、減量化處置的同時，保留回收大量炭質(zhì)，提高廢棄物綜合利用率，具有工藝先進和經(jīng)濟性高的雙重特性。相較于傳統(tǒng)填埋、焚燒、發(fā)酵、熱解等生物質(zhì)廢棄物處理工藝，該技術不僅具有資源浪費少、能耗低等優(yōu)勢，更是符合國家所倡導的發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建立可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好型社會的政策。

生物質(zhì)廢棄物含水率高不但導致處理量大，而且給后續(xù)的利用和最終處置增加了很多障礙?？梢哉J為降低含水率是生物質(zhì)廢棄物處理處置需首要解決的問題。采用低溫炭化技術可通過加溫加壓使生物質(zhì)裂解，將其中的水分釋放出來，由普通的機械脫水即可將生物質(zhì)中的部分水份脫除[2]。

2 試樣和方法

2.1 試驗物料

以城市生活垃圾濕組分、垃圾發(fā)酵產(chǎn)沼后的沼渣、污水廠污泥、破碎餐廚垃圾、濕組分和厭氧產(chǎn)沼發(fā)酵液的混合樣5種生物質(zhì)廢棄物為試驗對象。

2.2 試驗方法

將試樣裝入反應器后，分段調(diào)節(jié)電加熱裝置的溫度，反應產(chǎn)物用真空抽濾設備脫水，維持真空度不變；抽濾后產(chǎn)物測定含水率。通過前期的反應時間和反應溫度的探索性試驗，確定反應時間為1.0 h；確定試驗溫度預設范圍，測試預設范圍內(nèi)不同反應溫度條件下的炭化反應脫水后的產(chǎn)物含水率變化情況，并在整理匯總試驗數(shù)據(jù)的基礎上，分析、篩選出可以取得較為理想炭化處理效果的反應溫度條件，優(yōu)選出最佳工藝控制參數(shù)。

2.3 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。反應器為碳鋼材質(zhì)，底部焊接，上部為裝卸料口，采用法蘭壓密；中間為裝料空間，采用調(diào)溫電熱套加熱，外部溫度范圍0～360℃；內(nèi)部插入溫度計和壓力表，密封蓋采用法蘭、螺栓和石墨合金墊片進行密封。使用前經(jīng)過耐壓和密封性能測試。試驗時由頂部裝量口裝入試驗物料并密封，由調(diào)溫電熱套調(diào)節(jié)溫度至試驗溫度，當溫度計顯示到達試驗溫度后開始計時。記錄反應溫度、反應器內(nèi)部壓力及反應時間。該試驗研究主要考察反應溫度的變化對物料含水率的影響。

2.4 分析方法

溫度的測定利用溫度變送器外接顯示儀表測定；含水率的檢測參照《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用監(jiān)測分析方法》規(guī)范執(zhí)行。

2.5 結(jié)果計算

含水降低率計算公式：含水降低率=（試樣含水率-產(chǎn)物含水率）/試樣含水率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 垃圾濕組分炭化結(jié)果分析

城市生活垃圾經(jīng)過超高壓干濕分離后的濕組分[3]經(jīng)過漿化處理，成流質(zhì)狀，含水率在70%～90%之間，炭化溫度分別設定在170～250℃。通過試驗發(fā)現(xiàn)含水降低率最大在220℃出現(xiàn)，170℃時含水降低率雖也有高點出現(xiàn)，但考慮到炭化后物質(zhì)穩(wěn)定化和無害化的需求，不做考慮。高于220℃時降低率反而降低，說明過高的溫度會影響到炭化脫水效果，在220℃反應溫度下含水率降低率達28.73%（圖2）。

3.2 沼渣炭化結(jié)果分析

垃圾濕組分經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)沼后產(chǎn)生的沼渣，也是需要處理的生物質(zhì)廢棄物。經(jīng)過低溫炭化試驗發(fā)現(xiàn)，炭化溫度在280℃時降水效果最佳，含水率降低率達到40.47%。且在250℃～300℃溫度范圍內(nèi)先高后低（圖3）。

3.3 污泥炭化結(jié)果分析

城市污水廠污泥作為試樣，根據(jù)不同的反應溫度條件，進行炭化反應，在190～270℃溫度范圍試驗結(jié)果如圖4所示。含水率降低率隨著溫度升高先高后低，再升高。污泥低溫熱化學機理研究表明，300 ℃以下發(fā)生的熱化學轉(zhuǎn)化反應主要是污泥中的脂肪族化合物（主要含炭 、氫元素及少量氧）的轉(zhuǎn)化[4]。但過高的溫度需要消耗過多的能源，經(jīng)濟性下降，同時炭得率隨著溫度升高成下降趨勢[5]，根據(jù)試驗結(jié)果，考慮工程應用時的經(jīng)濟性，可知230℃是污泥低溫炭化反應的適宜溫度。

3.4 餐廚垃圾炭化結(jié)果分析

將破碎餐廚垃圾作為試樣，反應溫度和含水降低率的關系如圖5所示。餐廚垃圾炭化反應含水降低率隨著反應溫度的升高而升高，在185℃時達到高值，隨后溫度升高含水降低率增加很小?？紤]到高溫對能源需求量大，確定餐廚垃圾的適宜炭化溫度為185℃，在此溫度下餐廚垃圾含水降低率達到48.9%。

3.5 濕組分和發(fā)酵液混合樣炭化結(jié)果分析

考慮到濕組分采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣回收廢棄物能量的需求，濕組分發(fā)酵后產(chǎn)生的發(fā)酵液和沼渣都需要處理，該試驗對濕組分和厭氧產(chǎn)沼發(fā)酵液按質(zhì)量配比2∶1進行混合，得到的混合樣進入反應器進行低溫炭化，所得數(shù)據(jù)顯示混合樣脫水效果在210℃達到高值，低于濕組分與沼渣單獨作為試樣時的低溫炭化降水適宜溫度，且脫水效率更高，含水降低率達到44.13%。通過垃圾濕組分及其發(fā)酵液的混合，達到了生物質(zhì)廢棄物的協(xié)同處理，同時又降低能源消耗，處理效果更好（圖6）。

4 結(jié)語

試驗研究了5種生物質(zhì)廢棄物試樣進行低溫炭化反應，得出結(jié)論如下。

（1）低溫炭化處理對生物質(zhì)廢棄物具有良好的脫水效果。

（2）反應適宜溫度范圍為180～280℃，含水降低率達到了28.73%～48.90%。

（3）在反應溫度范圍內(nèi)，不同試樣的含水率降低率具有不同的特性，含水降低率對應反應溫度的變化，分別存在單峰、雙峰和多峰的特征。

（4）由此引起的減量效果明顯，顯著減少后端處置的廢棄物量，減少運輸及處置費用。

（5）生物質(zhì)廢棄物的處理可實現(xiàn)協(xié)同化，構設廢棄物的集中減量，變填埋處置為污水處理，環(huán)境污染可控。

國內(nèi)垃圾分類收集、轉(zhuǎn)運及處理推進困難，垃圾分類工作進程緩慢。對原生垃圾進行干濕分質(zhì)分類，濕組分通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼和低溫炭化處理，同時協(xié)同處理餐廚垃圾和污水廠污泥等生物質(zhì)廢棄物，可以達到節(jié)能減排和保護生態(tài)環(huán)境的目的，具有很高的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]

佚 名. 《廢物資源化科技工程十二五專項規(guī)劃》的通知[N]. 國際商報，2012-07-13（B02）.

[2]于洪江，楊金凱. 污泥低溫碳化技術的中試研究[J]. 中國建設信息（水工業(yè)市場），2009（3）：55～57.

[3]周穎君，鄧云盼，胡 洋，等. 高壓擠壓技術預處理分離城市混合生活垃圾的研究[J]. 環(huán)境工程，2016（9）：110～113.

[4]何品晶，邵立明，陳正夫，等. 污水廠污泥低溫熱化學轉(zhuǎn)化過程機理研究[J]. 中國環(huán)境科學，1998（1）：40～43.

[5]何品晶，顧國維，邵立明，等. 污水污泥低溫熱解處理技術研究[J]. 中國環(huán)境科學，1996（4）：254～257.