廚余垃圾燃燒特性研究

趙 學(xué),何登科 , 王里奧

(1.國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司，重慶 401122；2.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400044)

1 引 言

廚余垃圾具有含水率高、易腐爛、有機物含量高等特點，通常采用填埋[1]和堆肥[2-3]對其進行無害化處理。然而，滲濾液和填埋氣給填埋場帶來巨大挑戰(zhàn)；堆肥則有周期長、產(chǎn)能低等短板。因此，如何避免廚余垃圾處理過程中的二次污染，同時提高其無害化處理效率成為環(huán)保工作者所關(guān)注的焦點。

雖然廚余垃圾含水率高，但有機物含量也高，因而其干基的熱值較高(2 100～3 100 kJ/kg[1])。據(jù)此可考慮對廚余垃圾采用熱處理，實現(xiàn)無害化的同時也能資源化。近年來，生活垃圾衍生燃料(Refuse derived fuel, RDF)在發(fā)達國家普遍得到推廣應(yīng)用[4]。我國已有學(xué)者對生活垃圾制備衍生燃料的可行性做了相關(guān)研究，根據(jù)各地生活垃圾的理化性質(zhì)的差異，具有制備RDF的條件[5]。然而，重慶在氣候條件、地理環(huán)境、生活方式等方面異于其他城市，因而其生活垃圾組成也與其他城市相差加大，表現(xiàn)在含水率和廚余組分較高[6]。趙學(xué)等[7]以重慶市生活垃圾為例制得了品質(zhì)良好的RDF產(chǎn)品，但還缺乏其燃燒特性的相關(guān)研究。

本文以熱重分析為基礎(chǔ)，對重慶市廚余垃圾的燃燒動力學(xué)參數(shù)進行了探討，為更好的理解RDF的燃燒特點提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

廚余垃圾從原生垃圾中分揀出來，剪碎、風(fēng)干，然后磨碎(<1 μm)。本文所用原生生活垃圾取自重慶大學(xué)生活垃圾中轉(zhuǎn)站(已有研究分析了組分和理化性質(zhì)[7])，分選出廚余組分，并按照四分法取樣，對樣品(干燥基)進行元素分析和工業(yè)分析，其結(jié)果如表1所示。

表1 廚余垃圾的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 The industrial and elemental analysis of kitchen waste (干基, wt.%)

注：a：元素分析儀(VarioMacro，德國)；b：《環(huán)境空氣和廢氣氯化氫的測定 離子色譜法》(HJ549-2009)[8]；c：《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T212-2008)[9]

從上述(表1)元素分析和工業(yè)分析可知，廚余垃圾(干基)的主要成分是有機質(zhì)(含碳量37.62%)，揮發(fā)分占78.70%，低位熱值為14.34 MJ/kg。同時，其氧含量高達42.81%(屬于富氧燃料)。因此，對廚余垃圾進行熱處理(焚燒或熱解)是可行的。

2.2 實驗方法

廚余垃圾的熱重分析采用METTLER同步熱分析儀(TGA/DSC1/1100LF, 瑞士)，主要的技術(shù)參數(shù)為：樣品質(zhì)量8±0.5 mg，溫度范圍為30～900℃，升溫速率分別取20℃/min和30℃/min，空氣速率50 mL/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 升溫速率對熱重的影響

為考察不同升溫速率對廚余垃圾失重的影響，本文根據(jù)相關(guān)研究[10～13]選取20℃/min和30℃/min。得到其熱重曲線(下圖)，從圖中可以看出，圖a中有3個主要的失重階段：(1)揮發(fā)分析出階段(失重量32.42%)；(2)燃燒階段(失重量失重32.35%)；(3)固定碳及燃盡階段[14]。結(jié)合DTG曲線(圖b)可以進一步細分為6段，分別為：(1)100～242℃；(2)242～335℃；(3)335～390℃；(4)390～531℃；(5)531～568℃；(5)605～771℃。由圖可知，廚余垃圾在不同升溫速率條件下的熱重曲線趨勢一致。由于升溫速率過快會導(dǎo)致燃料內(nèi)外受熱不均，造成較大溫度梯度，不利于能量的蓄積[11]，因此升溫速率取20℃/min為宜。

圖 廚余垃圾熱重曲線Fig. TG and DTG curves of kitchen waste

3.2 廚余垃圾的燃燒動力學(xué)

3.2.1 燃燒反應(yīng)參數(shù)

根據(jù)已有的相關(guān)研究[13,15～19]，固體燃料在不同氣氛下的燃燒反應(yīng)可用式(1)表示，其反應(yīng)(燃燒)速率用dα/dt描述，升溫速率為β=dT/dt。

A(s)→B(s)+C(g)

(1)

(2)

其中，α為t時刻參與燃燒反應(yīng)的燃料的百分含量，如式(3)；n為燃燒反應(yīng)的級數(shù)；k為燃燒反應(yīng)常數(shù)，k可用阿倫尼烏斯公式(4)表示：

(3)

(4)

其中，W0、Wt和W∞為燃料初始、t時刻和反應(yīng)終點濃度；A為反應(yīng)頻率因子；T為熱力學(xué)溫度，K；R為氣體反應(yīng)常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；E為反應(yīng)活化能，J/mol。

綜上可得：

(5)

對式(5)積分處理，然后取自然對數(shù)得：

(6)

3.2.2 分段燃燒模型

為了得到燃燒反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)，目前大多數(shù)關(guān)于有機廢棄物燃燒的動力學(xué)研究主要有：連續(xù)模型(將燃燒和熱解假設(shè)為幾種物質(zhì)的平行反應(yīng))和分段模型(將燃燒分不同溫度段進行擬合進行研究)[19-20]。

因此，為了更好的理解廚余垃圾的燃燒反應(yīng)。根據(jù)上述燃燒參數(shù)，從分段燃燒模型為切入點，對廚余垃圾燃燒的熱重分析數(shù)據(jù)進行處理(主要的分析軟件為Microsoft Excel 2016和OriginLab OriginPro 8.5)，基本結(jié)果如表2所示。同時對其燃燒反應(yīng)進行分階段擬合計算，分別得到各階段的擬合方程，以及活化能和反應(yīng)平率因子等相關(guān)動力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表2 廚余垃圾熱失重參數(shù)Tab.2 TG parameters for kitchen waste

注：Ti為著火點，℃；T1、T2分別是第1、2個失重峰溫度，℃；Te為熄火溫度，℃;TGi為著火點熱重，%；TG1、TG2分別為第1、2個失重峰值時刻熱重，%；TGe為熄火時熱重，%。

表3 廚余垃圾一級燃燒反應(yīng)擬合參數(shù)Tab.3 Kinetic fitting parameters of first order combustion reaction for kitchen waste (20℃/min)

由表3可知，廚余垃圾的燃燒反應(yīng)可用6個連續(xù)的一級反應(yīng)表示，隨著燃燒反應(yīng)的推進其活化能和反應(yīng)頻率因子呈遞增趨勢。

(1)低溫段(100～242℃)，隨著溫度的升高，垃圾顆粒間的物理吸附水和部分碳水化合物發(fā)生脫水反應(yīng)(150～240℃[21])，導(dǎo)致熱重損失10.83%。

(2)主要反應(yīng)階段(242～568℃，包括揮發(fā)分析出和燃燒)，有機質(zhì)在高溫下發(fā)生迅速的液化和揮發(fā)，兩個主要失重階段失重71.92%。首先(<400℃)，C-O鍵和C-C鍵逐步斷裂，釋放出小分子揮發(fā)性有機物；隨后(>400℃)，較穩(wěn)定的環(huán)狀有機物(如木質(zhì)素)發(fā)生裂解和碳化。

(3)高溫階段(605～771℃)發(fā)生碳燃燒反應(yīng)[22]，首先生成絡(luò)合物(3C+2O2→C3O4)；在高能量氧分子的撞擊下，絡(luò)合物分解(C3O4+C+O2→2CO+2CO2)；總反應(yīng)為4C+3O2→2CO+2CO2，失重2.56%。

4 結(jié) 論

廚余垃圾雖然含水率高，但由于其主要成分是有機質(zhì)(揮發(fā)分含量高達78.70%)，干基熱值14.34 MJ/kg。因而具有一定的潛熱可以利用，通過預(yù)處理降低其含水率提高其熱值后，采用熱處理技術(shù)可對廚余垃圾同時實現(xiàn)無害化和資源化。

通過熱重實驗結(jié)果可知，廚余垃圾燃燒的著火點為242℃，主要的燃燒失重階段：液化脫揮發(fā)分(242～335℃)；穩(wěn)定的環(huán)狀有機物裂解和碳化(>400℃)。通過一級反應(yīng)模型，100～771℃可用6個連續(xù)一級反應(yīng)擬合(R2:0.889～0.977)。低溫段為顆粒間物理吸附水分蒸發(fā)及部分碳水化合物脫水，活化能和反應(yīng)頻率因子低；主要失重階段涉及到液化脫揮發(fā)分等分解反應(yīng)，反應(yīng)活化能和頻率因子都大大提高。