廚余垃圾與不同燃料物混燒排污及熱值效應(yīng)分析

程俊偉 黃明琴(遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563000)

廚余垃圾與不同燃料物混燒排污及熱值效應(yīng)分析

程俊偉 黃明琴
(遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563000)

以原煤、焦炭、秸稈、橡膠和塑料作為廚余垃圾摻混原料，CO、NOX、混燒熱值、底灰比率作為分析對(duì)象，通過溫度和摻混比梯度研究了其各自的焚燒效應(yīng)及污染物排放量關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果顯示：廚余垃圾摻混原煤和焦炭混燒樣在600～800℃低溫范圍內(nèi)CO產(chǎn)量最大，可達(dá)3.2～3.4mg，在1000℃左右達(dá)熱解平衡，CO產(chǎn)量最小。隨垃圾和原料樣摻混比增加，原煤和焦炭CO產(chǎn)量逐漸降低，秸稈、橡膠和塑料樣平緩升高。摻混原煤和焦炭雖對(duì)減少CO產(chǎn)量影響較小，而秸稈、橡膠和塑料樣可抑制CO的不完全燃燒和熱解產(chǎn)量；秸稈混燒樣的NOX在溫度和摻混比梯度中都表現(xiàn)出最高的產(chǎn)出量。以污染物CO和NOX為參考相，廚余垃圾摻混橡膠和塑料混燒最為理想，污染物產(chǎn)出量遠(yuǎn)小于其他原料，且溫度在800～900℃、摻混比為5:5范圍內(nèi)為最適宜燃燒條件。以熱能和重金屬回收為參考相，摻混焦炭樣底灰比重最高，重金屬富集度較為集中，內(nèi)能發(fā)熱量可滿足再利用和回收要求。

廚余垃圾；混燒；摻混比；溫度；熱值

廚余垃圾主要是指人們生活中餐前餐后排放的食品類相關(guān)廢物，成分復(fù)雜[1]，生物質(zhì)含量較高，含水量高，極易酸敗腐爛，產(chǎn)生惡臭性氣體。隨著生活水平的不斷提高，產(chǎn)量呈直線式遞增，不僅在全國主要城市范圍內(nèi)影響巨大[2]，而且正逐漸成為小型縣鄉(xiāng)城鎮(zhèn)的環(huán)境問題[3]。目前，國內(nèi)外對(duì)廚余垃圾的處理方式較為多樣，主要包括衛(wèi)生填埋[4]、堆肥利用[5]、生物產(chǎn)沼[6]和焚燒[7]等方式，但受填埋和堆肥反應(yīng)周期過長，生物產(chǎn)沼相關(guān)技術(shù)成熟度欠缺等因素影響，加之“垃圾包圍城市”等環(huán)境問題日益突出，能夠快速、量化解決垃圾儲(chǔ)備的方式正被廣泛研究和使用。

針對(duì)廚余垃圾含水率和有機(jī)質(zhì)含量高、發(fā)熱量低等焚燒缺陷，國內(nèi)外很多學(xué)者做了基礎(chǔ)提升性研究，但大多集中于垃圾脫水干燥預(yù)處理[8]、燃燒粒徑破碎度[9]、生物質(zhì)燃料制備[10]以及焚燒污染煙氣分析處理等方面，對(duì)選擇現(xiàn)有原料進(jìn)行配比混燒的研究十分稀少，缺乏實(shí)際應(yīng)用效果。

本文以原煤、焦炭、秸稈、橡膠和塑料作為廚余垃圾摻混對(duì)象，以CO、NOX、混燒熱值、底灰比率等四個(gè)方面作為分析對(duì)象，通過溫度梯度和摻混比梯度研究了其各自的焚燒效應(yīng)及污染物排放情況，以期為實(shí)際應(yīng)用及廚余垃圾減量減排提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料及預(yù)處理

試驗(yàn)用廚余垃圾取自遵義師范學(xué)院周邊餐飲垃圾綜合回收池，各混燒原料均為當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)，各生物質(zhì)及非生物質(zhì)組分如表1所示，基于廚余垃圾含水率較高，特將采集樣品在烘箱內(nèi)110℃下干燥8h備用?；鞜剂线x用原煤、焦炭、秸稈、橡膠和塑料等五類熱值型燃料。各原料經(jīng)高速粉碎機(jī)進(jìn)行破碎，篩分機(jī)進(jìn)行篩分，粉碎效果至樣品粒徑<0.4mm或50目以下，混合原料工業(yè)分析及元素分析如表2所示。

表1 廚余垃圾樣品組分比例分布

表2 混合原料樣品工業(yè)及元素分析(干燥基)

1.2 試驗(yàn)燃燒及分析設(shè)備

試驗(yàn)混燒設(shè)備為陶瓷管式爐體，如圖1所示，加熱區(qū)段長15cm，內(nèi)徑3cm，承溫范圍0～1200℃，進(jìn)樣方式采用瓷舟推拉式進(jìn)樣，壓縮空氣進(jìn)氣流量恒定為0.10m3/h，各摻混樣質(zhì)量均稱量0.50g，為保證樣品混燒完全，樣品混燒時(shí)間為15min，即煙氣采集時(shí)間為15min。煙氣分析儀采用德國testo350XL型，測(cè)量氧氣精確度±0.2vol.%，CO/CO2精度±5%，NOX精度±1%。燃燒熱值采用國產(chǎn)YXRZY-7固體燃料發(fā)熱量氧彈檢測(cè)儀，精度范圍≤0.1%。

圖1 混燒試驗(yàn)管式爐工作示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度對(duì)混燒效果及污染排放量的影響

垃圾焚燒的主要煙氣污染成分為CO和NOX[11]，二者是判斷燃燒效果及污染排放相關(guān)性的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)以不同溫度梯度(600～1100℃)為燃燒熱，恒定廚余垃圾與各原料混合配比(5:5)，以CO、NOX排放量作為分析對(duì)象，研究溫度對(duì)廚余垃圾與不同原料混燒效果的影響。

溫度梯度條件下不同混燒原料的CO排放量如圖2所示，排放量(以質(zhì)量單位mg計(jì))根據(jù)testo350XL實(shí)時(shí)濃度累計(jì)模型換算所得[12]。由于摻混原料的揮發(fā)分及含碳熱功效差異，CO的產(chǎn)生受燃燒和熱解反應(yīng)共同影響，因此不同原料隨溫度梯度呈現(xiàn)出排放量差異。當(dāng)溫度在600～900℃時(shí)，各摻混樣的CO產(chǎn)生量均呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，此溫度范圍內(nèi)，燃燒溫度溫和，空氣過剩系數(shù)較大，燃燒反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于熱解速率，燃燒充分，CO濃度降低較快，與刑獻(xiàn)軍等[12]研究生活垃圾混燒在600～850℃范圍內(nèi)CO產(chǎn)生排放趨勢(shì)較為一致，但高于850℃并沒有出現(xiàn)其所述的先降后升的析出峰，可能原因在于相比生活垃圾，廚余垃圾含水率較高，熱解溫度和速率提升均推遲所致。隨著溫度升高，秸稈摻混原料的熱解反應(yīng)開始加快，廚余垃圾中的揮發(fā)分大量析出，加速了氧氣消耗速率，提供了較好的熱解反應(yīng)氛圍，在900～1100℃范圍呈上升趨勢(shì)。原煤、焦炭摻混原料在此空氣流量條件下，熱解較慢，溫度推遲到1000℃左右，CO排放量較低，但在低溫燃燒條件下排放量最高達(dá)3.2～3.4mg。橡膠和塑料摻混原料兼具可燃和穩(wěn)定特性，分別在700℃和1100℃左右呈現(xiàn)出CO的峰值排放量，原因在于二者在燃燒過程中對(duì)氧濃度要求較高，滯留和耗氧結(jié)合時(shí)間稍長，完全燃燒所需瞬時(shí)溫度增加，但在1100℃高溫下熱解較快，羰基和醚鍵斷裂迅速，CO生成量顯著增加，出現(xiàn)上述雙峰現(xiàn)象。

圖2 不同溫度、摻混原料混燒條件下CO排放量

不同摻混原料混燒隨溫度梯度的NOX排放量如圖3所示，廚余垃圾摻混秸稈、橡膠和塑料的混燒樣均在800～900℃達(dá)到NOX最大生成量，相比摻混原煤及焦炭樣在1000℃達(dá)到峰值較為提前，原因在于秸稈、橡膠和塑料摻混樣燃點(diǎn)低，燃燒充分度提前，含氮化合物較先析出并與有氧環(huán)境結(jié)合形成燃料型NOX，同時(shí)此溫度下CO的生成量最小，主要發(fā)生NOX的氧化合成，中間產(chǎn)物NH3和HCN不斷被氧化成NO[13]。與陳國華等[14]對(duì)純木質(zhì)顆粒燃料燃燒相比，結(jié)合廚余垃圾混燒樣的NO產(chǎn)生量并沒有顯著提升趨勢(shì)，可能原因在于隨著溫度的升高，揮發(fā)分析出快速消耗氧濃度，還原性CO量增加形成了濃郁的還原環(huán)境，NOX被破壞產(chǎn)生分子氮，生成量降低。生物質(zhì)秸稈本身含氮量較高，混燒溫度范圍內(nèi)的NOX生成量均遠(yuǎn)高于其他摻混樣。橡膠和塑料摻混樣含氮量少，NOX產(chǎn)生量最小，但硫化物的大量生成是其主要限制因素[15]。

圖3 不同溫度、摻混原料混燒條件下NOX排放量

2.2 不同摻混比對(duì)混燒效果及污染排放量的影響

本試驗(yàn)設(shè)定廚余垃圾和燃料樣的摻混比分別為1:9、3:7、5:5、7:3和9:1，為燃燒快速和充分，溫度恒定為1050℃，其余條件如上所述，研究各自摻混樣CO和NOX等污染物的產(chǎn)生量，并分析各自混燒效果。

不同摻混比混燒樣CO產(chǎn)生量如圖4所示，從整體趨勢(shì)看，廚余垃圾摻混原煤和焦炭混燒樣隨摻混比增加，CO產(chǎn)生量明顯降低，這主要是基于原煤和焦炭本身的含碳量特性，揮發(fā)分較少，此高溫及氧濃度條件下，熱解反應(yīng)遠(yuǎn)大于充分燃燒效應(yīng)，產(chǎn)生大量CO，而廚余垃圾揮發(fā)分析出后，熱解效果受環(huán)境高濃度CO影響，發(fā)生可逆性抑制，但當(dāng)原煤和焦炭摻混量為10%時(shí)，CO含量出現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與任福民等[16]研究原煤和地鐵站垃圾50%和10%摻混比CO排放量持平趨勢(shì)相反，說明摻混原煤和焦炭可推遲廚余垃圾熱解產(chǎn)CO時(shí)間，但對(duì)減少CO產(chǎn)生量效果不佳。相反，摻混秸稈、橡膠、塑料混燒樣隨摻混比增加有升高趨勢(shì)，原因在于三類摻混樣揮發(fā)分含量較高，相比垃圾，充分燃燒所需溫度和時(shí)間均較少，在氧濃度充足條件下，可優(yōu)先完成燃燒過程，加速了廚余垃圾燃燒所需的內(nèi)部溫度提升，使燃燒反應(yīng)提前，減少了不完全燃燒和熱解的CO產(chǎn)量，說明摻混秸稈、橡膠、塑料混燒可有效降低廚余垃圾的CO產(chǎn)生量。另外，同一摻混比樣中，橡膠和塑料本身熱解CO量較少，混燒樣CO產(chǎn)量遠(yuǎn)低于摻混原煤和焦炭，秸稈次之。

圖4 不同摻混比混燒條件下CO排放量

不同摻混比混燒樣NOX產(chǎn)生量如圖5所示，隨著摻混比的增加，NOX在秸稈摻混樣混燒的產(chǎn)生量均屬最高，在摻混比5:5時(shí)產(chǎn)量略有降低，原因是秸稈本身含氮量較高，秸稈和廚余垃圾所含揮發(fā)分均偏高，揮發(fā)分氮不斷通過氣相形式由NH3和HCN氧化生成NO，高溫條件下燃燒時(shí)間短，被還原N2比例少，導(dǎo)致NOX(主要是NO)含量偏高。摻混原煤和焦炭樣受還原性CO高濃度影響，大部分NO被還原為N2排放，NOX產(chǎn)生量并不高，摻混原煤樣NOX產(chǎn)生來源由揮發(fā)分析出氮和焦炭燃燒氮兩部分構(gòu)成，排放量相比焦炭樣略高，在摻混比3:7時(shí)達(dá)到最大。橡膠和塑料含氮量較小，NOX產(chǎn)生主要來源于廚余垃圾的熱解和燃燒，產(chǎn)生量隨摻混比增加而逐漸升高，說明摻混橡膠和塑料僅可作為能量替換，而對(duì)NOX產(chǎn)生的抑制效果欠佳。

圖5 不同摻混比混燒條件下NOX排放量

2.3 不同摻混原料混燒熱值和底灰比重對(duì)比

垃圾與不同燃料的混燒熱效應(yīng)值不僅反映了燃料的燃燒特性，而且決定了其在資源化循環(huán)體系中熱效應(yīng)的回收比例，是考量燃燒效果的集中體現(xiàn)[17]。燃燒底灰是原料重金屬元素主要富集場(chǎng)所，其所占量化比重直接影響污染重金屬的回收和排放[18]。本試驗(yàn)以摻混比為5:5作為等量參考比，在30W功率條件下分別測(cè)試了不同摻混物的燃燒熱值，并對(duì)底灰進(jìn)行收集稱重，進(jìn)行量化研究。底灰比重C計(jì)算公式如下：

(1)

式中M1、M2分別為垃圾和摻混原料單燒底灰量，M3為本試驗(yàn)中相對(duì)等量混燒底灰量，C值越大，說明混燒揮發(fā)分對(duì)重金屬的遷移量越小，便于收集。

圖6顯示了按照5:5摻混廚余垃圾和燃料的發(fā)熱效應(yīng)值，與各原料單燒熱值相比，摻混橡膠和塑料樣產(chǎn)熱量均有小幅提升，而摻混原煤、焦炭和秸稈混燒樣產(chǎn)熱量均降低，可能原因在于橡膠和塑料的燃燒和熱解一級(jí)中間產(chǎn)物多為氣相烴類，能夠與垃圾顆粒產(chǎn)生更大的比表面積接觸面，受垃圾中重金屬鉀、鈉、鈣等活性激發(fā)[19]，提高了垃圾中揮發(fā)分可燃質(zhì)的二次燃燒充分度所致，而混燒原煤、焦炭和秸稈過程中固態(tài)相之間熱傳質(zhì)較為緩慢，產(chǎn)熱量略有下降。圖7顯示了各混燒樣底灰占單燒灰分的比重差異，底灰比重C值越大，說明混燒過程中的揮發(fā)分減量越少，重金屬等離子在底灰中的富集比例越高，混燒焦炭對(duì)重金屬回收效果最佳，塑料樣揮發(fā)分含量過高，不適宜作為底灰收集參考相，這與謝明超等[18]研究塑料燃燒失重率遠(yuǎn)高于木質(zhì)燃料結(jié)果一致。

圖6 不同摻混原料混燒熱值

圖7 不同摻混原料底灰比重

3 結(jié)論

(1)廚余垃圾摻混原煤和焦炭混燒樣在600～800℃低溫范圍內(nèi)產(chǎn)CO量最大，隨溫度增加，在1000℃左右達(dá)熱解平衡，CO產(chǎn)量最小。摻混秸稈、橡膠和塑料混燒樣產(chǎn)CO能力相對(duì)較弱，分別在800、900℃達(dá)到最低值。

(2)隨垃圾和原料樣摻混比增加，原煤和焦炭CO產(chǎn)量逐漸降低，秸稈、橡膠和塑料樣平緩升高。從CO產(chǎn)量分析，廚余垃圾摻混原煤和焦炭雖可推遲垃圾熱解產(chǎn)CO時(shí)間，但對(duì)減少CO產(chǎn)生量效果不佳，而摻混秸稈、橡膠和塑料樣可使燃燒反應(yīng)提前，減少了不完全燃燒和熱解的CO產(chǎn)量。

(3)摻混秸稈混燒樣因其自身含氮量和受低溫?zé)峤庑?yīng)的影響，NOX在溫度梯度和摻混比梯度中都表現(xiàn)出最高的產(chǎn)出量，比摻混橡膠和塑料樣高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，在1000℃以下范圍內(nèi)，隨溫度增加均有產(chǎn)量上升趨勢(shì)。

(4)從污染物CO和NOX產(chǎn)生量角度綜合考慮，廚余垃圾摻混橡膠和塑料混燒最為理想，污染物產(chǎn)出量遠(yuǎn)小于其他原料，且溫度在800～900℃、摻混比為5:5范圍內(nèi)為最適宜燃燒條件。

(5)從熱能再利用和重金屬回收角度綜合考慮，摻混焦炭樣底灰比重最高，重金屬富集度較為集中，內(nèi)能發(fā)熱量可滿足再利用和回收要求。

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Pollutantsemissionandcalorificvalueeffectduringkitchenwasteco-combustionwithdifferentcombustiblefuel

Cheng Junwei1，Huang Mingqin2
(Zunyi Normal University，Zunyi 563000)

The compound fuel was made by mixing kitchen waste with coal, coke, straw, rubber and plastic respectively. The CO and NOx emission, and bottom ash ratio (ash weight of the mixed fuel to that of the sum of the two separate fuels after they are burned) and calorific value of the mixed fuels were measured under different burning temperatures and fuel percentages. The results showed that, kitchen waste with coal and coke produced CO up to 3.2-3.4 mg under low combustion temperature of 600-800 ℃; at about 1000 ℃, the pyrolysis equilibrium was reached when the least CO was produced. With the increase of the ratio of kitchen waste in the mixed fuel (kitchen waste-coal, kitchen waste-coke), the production of CO decreased gradually, while the CO production was on the reverse as for that of straw, rubber and plastic. Blending of raw coal and coke had insignificant effect on reducing CO production, while straw, rubber and plastic could inhibit the yield of CO derived from incomplete combustion and pyrolysis. Under any temperature and blending ratio, the mixed fuel of straw generated highest emission of NOx. With the pollutants CO and NOx as the reference, kitchen waste mixed with rubber and plastic was the most ideal fuel, generating least pollutant among other raw materials, and the temperature of 800 - 900 ℃, mixing ratio of 5:5 was found the most suitable combustion condition. Taking the heat and heavy metal as the reference, the bottom ash ratio of the kitchen waste-coke was the highest, in such ash,heavy metals were more concentrated, and the heat of internal energy could meet the requirements of recycling and reuse.

kitchen waste; co-combustion; mixing ratio; temperature; calorific value

X705

A

貴州省教育廳創(chuàng)新群體重大研究項(xiàng)目，黔教合KY[2016]047

2017-09-20； 2017-10-17修回

程俊偉(1989-)，碩士，講師，研究方向：固體廢物資源化。E-mail: junweicheng@126.com