淀粉類廚余陰燃處置參數(shù)尋優(yōu)及煙氣釋放特性

嚴(yán) 超,張 煜,黃經(jīng)春,徐明厚,喬 瑜

(華中科技大學(xué) 煤燃燒與低碳利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

近年來,隨著我國人民物質(zhì)生活水平的提高和城市化進(jìn)程的加快,我國城市生活垃圾產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計,2021年我國城市垃圾清運(yùn)量約為2.5億t[1]。其中,餐廚垃圾產(chǎn)量占城市生活垃圾總量的30%～50%[2]。餐廚垃圾具有高含水率、高有機(jī)質(zhì)、高鹽分等特點(diǎn),處置不當(dāng),極易因腐爛變質(zhì)而對環(huán)境造成二次污染[3]。因此餐廚垃圾的高效無害化處置是踐行“綠水青山就是金山銀山” 發(fā)展理念的重要一步。

熱處置技術(shù)是生活垃圾處置的重要手段之一。熱化學(xué)反應(yīng)處置具有高減容率、滅活病菌、處置速率快等特點(diǎn),相較傳統(tǒng)的直接填埋和生物處置具有極大優(yōu)勢。熱處置技術(shù)主要包括焚燒、熱解、氣化等方式。其中焚燒是目前處置速率最快、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的處置技術(shù)[4],2021年城市垃圾焚燒量占無害化處理量的比重為66%[1]。但由于餐廚垃圾原樣含水率較高,因此焚燒前常與其他燃料摻混或進(jìn)行脫水處理,造成處置成本進(jìn)一步增加。陰燃是一種針對高含水有機(jī)固廢的新型處置技術(shù)。通過與蓄熱多孔介質(zhì)材料摻混,高含水有機(jī)固廢可在不經(jīng)干化、不添加輔助燃料的條件下實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的低溫自持無焰燃燒處置。相較傳統(tǒng)熱處置手段,陰燃技術(shù)所需能耗更低,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

近年來,學(xué)者利用自維持陰燃技術(shù)處置不同類型有機(jī)廢棄物,研究主要聚焦于操作參數(shù)對廢棄物處置效果的影響。YERMN等[5]將多孔惰性介質(zhì)與糞便的模型化合物摻混,實(shí)現(xiàn)了60%含水率糞便的自維持陰燃處置,且陰燃反應(yīng)傳播過程中核心區(qū)域溫度均在400 ℃以上;RASHWAN等[6]針對市政污泥開展自維持陰燃試驗(yàn),結(jié)果表明污泥在濕基低位熱值1.6 MJ/kg時仍能實(shí)現(xiàn)自維持陰燃處置;SERRANO等[7]將多孔椰殼纖維和沼渣摻混,利用自維持陰燃技術(shù)在50 cm/s下成功實(shí)現(xiàn)含水率82%的沼渣廢棄物處置;何天澄等[8]對廢紙盒、廢棄木材開展自維持陰燃試驗(yàn),結(jié)果表明砂料比增加導(dǎo)致陰燃蔓延速率増加、平均峰值溫度下降,尾氣中CO/CO2比值降低。上述研究表明,不同類型有機(jī)廢棄物在自維持陰燃處置過程中存在不同含水率上限,且砂料比和達(dá)西流速等參數(shù)對自維持陰燃處置效果有較大影響。

目前,僅有部分學(xué)者針對混合餐廚垃圾開展了自維持陰燃處置研究[9]。但在實(shí)際條件下,混合餐廚垃圾的組分會隨時間和地點(diǎn)有顯著差異。因此選取餐廚垃圾中足量有機(jī)組分開展陰燃研究對于其處置工藝的推廣十分必要。根據(jù)我國飲食特點(diǎn),高淀粉含量的米飯、饅頭、面條等食品在我國飲食結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。淀粉遇水受熱后會產(chǎn)生糊化效應(yīng)[10],這一特性可能使物料層在陰燃反應(yīng)過程中發(fā)生板結(jié),進(jìn)而影響混合基質(zhì)的透氣性和陰燃鋒面的傳播,這一特性使污泥和生物質(zhì)等物質(zhì)的陰燃處置操作參數(shù)無法直接用于淀粉類餐廚的陰燃處置過程。由于制作和加工等原因饅頭和面條中鈉含量遠(yuǎn)高于米飯[11]。為避免餐廚垃圾中鈉鹽對陰燃中熱轉(zhuǎn)化過程的催化作用[12],故選用低鈉含量的米飯作為試驗(yàn)對象。研究其自維持陰燃的參數(shù)空間、不同參數(shù)對于自陰燃處置效果和尾氣典型組分濃度的影響程度,以期為餐廚垃圾自維持陰燃處置的工業(yè)化應(yīng)用和相關(guān)尾氣凈化裝置的開發(fā)提供技術(shù)參數(shù)支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

剩米飯樣品來自武漢某高校食堂。為防止樣品發(fā)霉變質(zhì)并保證試驗(yàn)過程各階段所用樣品的均一性,試驗(yàn)前,將剩米飯樣品冷凍干燥、破碎處理。破碎后樣品顆粒粒徑控制在300 μm以下,存放在自封袋內(nèi)于5 ℃恒溫箱中保存,待使用時再取出。米飯樣品基礎(chǔ)特性見表1。

表1 剩米飯樣品基礎(chǔ)特性

1.2 試驗(yàn)裝置

陰燃試驗(yàn)采用自行搭建的圓柱形反應(yīng)器,試驗(yàn)系統(tǒng)儀器設(shè)備布置情況如圖1所示。試驗(yàn)爐內(nèi)徑15 cm,高20 cm,反應(yīng)器質(zhì)地為不銹鋼,外層包裹有硅酸鋁保溫棉,試驗(yàn)爐底部布置六角布風(fēng)器,用以通入空氣,通氣流量由質(zhì)量流量計調(diào)控,在布風(fēng)器上部約5 cm處安裝環(huán)形加熱盤,功率為500 W,與爐內(nèi)填充物直接接觸以加熱待處置廢棄物。加熱盤上方均勻布置20根熱電偶,熱電偶測溫探頭均位于陰燃爐中軸線處。每根熱電偶相距1 cm,其中CH1(最底部熱電偶)與加熱盤上表面距離為1 cm。試驗(yàn)時,爐底部依次填充高度為1 cm的粗砂(粒徑2～4 cm)和5 cm細(xì)砂(粒徑0.8～1.2 mm);頂部物料上方填充4 cm細(xì)砂(粒徑0.8～1.2 mm)。底部填充細(xì)砂目的是使空氣均勻上傳至反應(yīng)區(qū),貼近布風(fēng)器處填充粗砂使布風(fēng)器內(nèi)氣流順暢排出,避免堵塞布風(fēng)氣孔。頂部填砂可增強(qiáng)系統(tǒng)蓄熱能力,降低上層物料與外界的換熱損失,且煙氣經(jīng)過頂砂時,頂砂能捕獲部分冷凝有機(jī)物,從而降低煙氣污染性。反應(yīng)爐上方設(shè)置排煙管,陰燃試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)排煙管排出,在排煙管中布置煙氣測點(diǎn),抽取部分煙氣進(jìn)入煙氣分析儀MRU OPTIMA7和VOCs檢測儀ppbRAE 3 000,檢測陰燃過程煙氣中CO、CO2和VOCs含量。爐內(nèi)中間部分填充14 cm待處置物料與細(xì)砂的混合物。

圖1 自維持陰燃試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Diagram of self-sustaining smoldering experimental setup

1.3 試驗(yàn)步驟

開展干基樣品自維持陰燃試驗(yàn)時,可將樣品直接與石英砂(粒徑0.8～1.2 mm)按照既定質(zhì)量比均勻摻混形成混合物料;開展實(shí)際濕米飯自維持陰燃試驗(yàn)時,先將干基樣品與水按照一定比例均勻混合,以制得特定含水率的濕米飯樣品,再將上述樣品與石英砂按照試驗(yàn)要求質(zhì)量比混合均勻形成多孔混合物料?；旌衔锪现苽渫戤吅筇畛渲陵幦挤磻?yīng)器?；旌衔锪虾晚斏叭刻钊腙幦紶t內(nèi)后,開啟加熱器和溫度巡檢儀,溫度巡檢儀每隔5 s記錄一組CH1～CH20溫度數(shù)據(jù),當(dāng)CH1到達(dá)點(diǎn)火溫度時,關(guān)閉加熱器同時向陰燃爐內(nèi)通入空氣。隨后陰燃反應(yīng)由下自上自維持進(jìn)行,直至陰燃反應(yīng)傳播至混合物料最上層,陰燃反應(yīng)結(jié)束。試驗(yàn)過程前后填入陰燃爐中混合物料的質(zhì)量及自維持陰燃處置后固體殘渣質(zhì)量均采用電子天平計量。陰燃反應(yīng)啟動后,每隔5 min使用煙氣分析儀和VOCs檢測儀測量排煙管中陰燃煙氣中關(guān)鍵組分濃度。

試驗(yàn)選取了2種待處置物料:干基米飯和濕米飯;設(shè)置4種調(diào)控變量:砂料比(混合物料中石英砂與待處置樣品的質(zhì)量比)、點(diǎn)火溫度、達(dá)西流速、燃料含水率。自維持陰燃試驗(yàn)根據(jù)物料和調(diào)控變量類型分組,分組情況見表2,每組試驗(yàn)至少重復(fù)2次。

表2 大米餐廚陰燃試驗(yàn)分組

1.4 數(shù)據(jù)處理

選取平均峰值溫度、平均處置速率和處置率3個參數(shù)表征陰燃處置效果。平均峰值溫度Tp計算方法為

(1)

其中,Tp,4～Tp,12為陰燃反應(yīng)中CH4～CH12處熱電偶峰值溫度,℃。CH1～CH3、CH13和CH14不包含在公式內(nèi),因?yàn)镃H1～CH3距離加熱盤過近;隨陰燃反應(yīng)不斷向上傳播,頂部燃料逐漸向下坍陷,故CH13和CH14也不列入平均峰值溫度計算中。

(2)

式中,ΔM為陰燃試驗(yàn)中干基米飯的凈處置質(zhì)量,g;Δt為CH14溫度降至300 ℃與CH1溫度升至 300 ℃的時間間隔,min;Mtol為填入陰燃爐的熟米飯質(zhì)量,g;M′tol為陰燃處置后固體殘渣質(zhì)量,g;Mwater為陰燃爐混合物料中水分質(zhì)量,g;tTC14,300為CH14溫度降至300 ℃的時刻,min;tTC1,300為CH1預(yù)熱至300 ℃的時刻,min。

整體處置率η為

(3)

式中,M為陰燃處置前填入陰燃爐中干基米飯的質(zhì)量,g。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 樣品熱重特性

干基米飯的TG-DTG曲線如圖2所示。干基樣品在N2氣氛下熱重過程主要有2個失重峰,分別在100 ℃附近和313 ℃附近。這與文獻(xiàn)中淀粉的TG-DTG曲線峰型[13-14]基本一致,證實(shí)了大米主要成分為淀粉。N2氣氛下,第1階段100 ℃附近對應(yīng)水分揮發(fā),第2階段在300 ℃左右集中熱解失重,這一階段主要是由于葡萄糖環(huán)羥基的快速脫水和分解形成H2O、CO、CO2導(dǎo)致[15]?？諝鈿夥障碌臒嶂胤逍团cN2氣氛下基本一致,區(qū)別在于前者在500 ℃附近出現(xiàn)了第3個峰型,對比可知空氣氣氛下530 ℃時發(fā)生了殘焦(熱解后)氧化反應(yīng)。2種氣氛的TG-DTG曲線表明干基樣品在300 ℃附近集中熱分解失重,因此,后續(xù)試驗(yàn)將點(diǎn)火溫度設(shè)定為300 ℃(試驗(yàn)15、16除外)。

圖2 干基米飯的TG-DTG曲線Fig.2 TG-DTG curve of dry rice

2.2 干大米陰燃試驗(yàn)

水分對陰燃處置過程具有重要影響,不僅能通過蒸發(fā)吸收陰燃體系內(nèi)熱量[16-17],使陰燃反應(yīng)更易淬火中斷,還會一定程度上影響混合物料孔隙結(jié)構(gòu)、透氣性能[18]。對于淀粉類餐廚而言,水分對混合物料孔隙結(jié)構(gòu)的影響更顯著。淀粉遇水加熱至一定溫度時水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部,與部分淀粉分子以氫鍵形式結(jié)合,宏觀表現(xiàn)為黏連結(jié)塊逐漸黏稠,從而降低其比表面積[19]。淀粉類餐廚的這一特性可能會使水分對餐廚垃圾陰燃處置過程的影響更復(fù)雜。因此,針對干基物料開展陰燃試驗(yàn)。

2.2.1 干米飯陰燃全過程

以干基米飯(砂料比19,點(diǎn)火溫度300 ℃,達(dá)西流速3 cm/s)為基礎(chǔ)案例試驗(yàn),描述干米飯陰燃傳播過程。從預(yù)熱升溫至陰燃反應(yīng)結(jié)束過程中各處熱電偶溫度變化如圖3所示,此工況下陰燃平均峰值溫度為595 ℃、平均處置速率為1.032 g/min、處置率為69%。關(guān)閉加熱開始陰燃反應(yīng)以后,各處熱電偶依次到達(dá)峰值溫度。物料填充層距離加熱盤11 cm高度內(nèi),各處熱電偶峰值溫度逐漸升高,12～14 cm高度范圍內(nèi)熱電偶峰值溫度相比8～11 cm下降比較明顯。物料層上方沙蓋層區(qū)域峰值溫度先升高后降低,其中最高峰值溫度達(dá)614 ℃,比CH14處峰值溫度高約40 ℃,這說明沙蓋層中發(fā)生了氧化放熱反應(yīng)。

圖3 干基米飯陰燃溫度曲線Fig.3 Dry rice smoldering temperature curves

根據(jù)第2.1節(jié)熱重結(jié)果,熟米飯樣品在300 ℃附近揮發(fā)分集中釋放,在500 ℃以上發(fā)生殘焦的氧化反應(yīng)。陰燃反應(yīng)啟動初期,氣流將離加熱盤較近的物料熱解釋放的揮發(fā)分部分吹掃離開熱解區(qū),被吹掃的揮發(fā)分或在上層低溫區(qū)冷凝,或被裹挾離開陰燃系統(tǒng)[20]。在陰燃傳播初期,反應(yīng)體系內(nèi)溫度較低(CH1～CH4峰值溫度均低于550 ℃),殘焦的氧化程度并不徹底,因此反應(yīng)放熱較少;CH1至CH11,峰值溫度由462 ℃升至625 ℃。隨放熱反應(yīng)不斷進(jìn)行,陰燃體系熱量累積,使陰燃反應(yīng)向上傳播的同時,峰值溫度逐漸升高。隨陰燃反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,下層燃料不斷消耗,上層燃料出現(xiàn)坍縮現(xiàn)象,使CH12～CH14峰值溫度有較大幅度下降,相較CH11,CH12～CH14分別下降了43、57、53 ℃。由于氣流對于熱解揮發(fā)分的吹掃作用和低溫沙蓋層對于部分揮發(fā)分的滯留和冷凝,靠近物料層的沙蓋區(qū)域中有較多可燃性有機(jī)組分,因此處于沙蓋層區(qū)域的CH15附近發(fā)生劇烈的氧化放熱反應(yīng),出現(xiàn)較高的峰值溫度。

2.2.2 系統(tǒng)低位熱值對干米飯陰燃處置影響規(guī)律

在干米飯陰燃處置過程中,系統(tǒng)低位熱值變化時陰燃處置特征參數(shù)變化如圖4所示。系統(tǒng)低位熱值為0.64、0.72、1.09、1.45 MJ/kg時,混合基質(zhì)中石英砂與干米飯的質(zhì)量比分別為24、19、12、9,對應(yīng)表2中試驗(yàn)1～4。達(dá)西流速為3 cm/s、點(diǎn)火溫度為300 ℃時,石英砂與米飯質(zhì)量比大于24,即系統(tǒng)低位熱值小于0.64 MJ/kg時,陰燃反應(yīng)無法自維持傳播;石英砂與米飯質(zhì)量之比小于19,即系統(tǒng)低位熱值大于0.72 MJ/kg時,陰燃反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自維持傳播,系統(tǒng)低位熱值由0.72 MJ/kg提高至1.45 MJ/kg時,陰燃平均峰值溫度由595 ℃升至793 ℃,處置率由69.0%升至97.5%。平均處置速率由1.032 MJ/kg升至2.155 MJ/kg。表明混合物料中干基米飯樣品含量越高,即陰燃反應(yīng)器內(nèi)系統(tǒng)低位熱值越高,干米飯陰燃反應(yīng)過程越劇烈且處置后剩余的未燃盡殘渣越少。系統(tǒng)低位熱值為0.72、1.09 MJ/kg時,干米飯?zhí)幹寐史謩e為69.3%、86.5%,此時雖然實(shí)現(xiàn)了陰燃自維持傳播,但仍存在較多未燃盡黑顆粒殘焦,系統(tǒng)熱值為1.45 MJ/kg時,干米飯?zhí)幹寐矢哌_(dá)97.5%,與理論最高處置率98.6%較接近,此時可近似認(rèn)為干米飯已處置完全。

圖4 不同系統(tǒng)低位熱值下干物料陰燃參數(shù)對比Fig.4 Comparison of smoldering parameters of dry materials under low calorific values of different systems

2.3 濕米飯陰燃試驗(yàn)

表2中13組濕基米飯自維持陰燃試驗(yàn)用來評估砂料比、點(diǎn)火溫度、達(dá)西流速和濕米飯含水率等關(guān)鍵參數(shù)對大米陰燃處置效果和尾氣排放的影響。

2.3.1 陰燃處置過程中溫度及煙氣變化

以典型工況(試驗(yàn)12)為例,分析濕米飯自維持陰燃傳播過程中溫度及煙氣典型組分變化情況,如圖5(a)、圖5(c)所示,可知濕米飯前期預(yù)熱升溫時,加熱盤僅對其上方3 cm區(qū)域內(nèi)物料溫度具有較顯著影響。陰燃反應(yīng)啟動后,CH1峰值溫度高于CH2、CH3。CH4～CH12陰燃峰值溫度先遞增后平穩(wěn),說明陰燃反應(yīng)在平穩(wěn)地自維持向上傳播。不同時刻的陰燃爐整體溫度場如圖6(c)所示,可知陰燃反應(yīng)啟動初期,絕大部分物料溫度均低于80 ℃,隨反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,高溫區(qū)域逐漸向上傳播,低溫濕物料區(qū)域范圍逐漸減小,說明陰燃反應(yīng)在整個陰燃體系中自維持進(jìn)行,濕米飯在自維持陰燃反應(yīng)的作用下得以處置。該工況下陰燃平均峰值溫度為586 ℃,處置率為75%,平均處置速率為0.996 g/min。反應(yīng)結(jié)束后柱形陰燃爐最頂部沙蓋層下沉約2 cm,證實(shí)陰燃傳播過程中存在下層物料燃盡,上層物料向下坍縮的推測。

圖5 濕米飯陰燃過程Fig.5 Rice cooking smoldering process

圖6 不同參數(shù)對陰燃處置效果的影響Fig.6 Effect of different parameters on the effect of smoldering disposal

圖5(b)描述了陰燃反應(yīng)啟動至反應(yīng)結(jié)束,煙氣中典型組分濃度變化情況。剛開始煙氣檢測時(t=83 min),煙氣中各組分濃度相對較低,其中CO2、CO和VOCs體積分?jǐn)?shù)分別為7.52%、2.14%、159×10-6。隨反應(yīng)進(jìn)行,煙氣中3種組分濃度均逐漸升高。煙氣檢測開始20～40 min內(nèi),煙氣中CO2、CO和VOCs濃度基本保持穩(wěn)定。此時CO2、CO和VOCs體積分?jǐn)?shù)分別在8.54%、2.41%、261×10-6波動。40 min后,煙氣各組分濃度均逐漸下降。

陰燃反應(yīng)全過程中,煙氣中CO2、CO和VOCs變化可歸因于陰燃體系溫度變化。陰燃反應(yīng)啟動初期,反應(yīng)體系內(nèi)溫度較低。開始煙氣檢測20 min內(nèi)(t=83～103 min)陰燃鋒面的峰值溫度在528～563 ℃,低于整個反應(yīng)過程的平均峰值溫度。故此時反應(yīng)產(chǎn)生CO2、CO和VOCs濃度略低。隨陰燃過程不斷進(jìn)行,反應(yīng)體系內(nèi)溫度逐漸升高并維持穩(wěn)定,CH6～CH10峰值溫度在596～608 ℃,溫差變化幅度小于2%,此時陰燃反應(yīng)穩(wěn)定向上傳播,各處峰值溫度接近,表明氧化反應(yīng)和熱解反應(yīng)強(qiáng)度相對穩(wěn)定,基本不隨時間而波動。40 min后,陰燃反應(yīng)逐漸接近物料頂部,此時隨高度增加,CH10～CH14各處峰值溫度急劇下降,由596 ℃降至448 ℃?？梢?0 min以后,隨反應(yīng)進(jìn)行氧化反應(yīng)和熱解反應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱,使煙氣各組分濃度逐漸下降。

2.3.2 不同參數(shù)對陰燃處置效果的影響

不同參數(shù)對陰燃處置效果的影響如圖6所示。由圖6(a)可知,砂料比越低,陰燃過程平均峰值溫度越高,平均處置速率越快。但陰燃砂子∶濕米飯=4下熟米飯?zhí)幹寐首罡?即此工況下殘焦副產(chǎn)物最少。此時處置率為91%、處置速率為1.49 g/min。不同砂料比下混合原料及其陰燃處置后的灰渣形貌如圖7所示(S/B為砂料比)。由圖7(c)、7(f)可知,砂料比偏高時混合物料平均粒徑較小,此時系統(tǒng)低位熱值更小,系統(tǒng)反應(yīng)溫度較低,反應(yīng)器邊緣物料氧化不完全,導(dǎo)致濕基米飯?zhí)幹寐瘦^低,因此產(chǎn)生殘焦較多;圖7(a)、7(d)中,砂料比偏低時,系統(tǒng)燃料較高,系統(tǒng)熱值較高,但此時混合物料結(jié)塊黏連[21]現(xiàn)象較嚴(yán)重,比表面積降低,混合物料失去了陰燃必需的孔隙結(jié)構(gòu),使陰燃處置后出現(xiàn)較多塊狀未反應(yīng)完全的黑色殘焦。因此陰燃技術(shù)處置餐廚垃圾時,為避免黏連結(jié)塊和系統(tǒng)低位熱值較小,石英砂和濕米飯以質(zhì)量比4∶1混合較合適。

圖7 不同砂料比條件下混合原料及其陰燃處置后的灰渣形貌Fig.7 Morphology of ash residue after mixed raw materials and their smoldering disposal under different abrasive ratio conditions

點(diǎn)火溫度越高,即點(diǎn)火時段外界向待處置物料供給熱量更多。圖6(b)中點(diǎn)火溫度越高,陰燃過程平均峰值溫度、處置率和平均處置速率均有提高,表明陰燃反應(yīng)整體強(qiáng)度提高且未燃盡殘焦產(chǎn)率更低。點(diǎn)火溫度由350 ℃提高至400 ℃時,加熱能耗增加但平均峰值溫度和處置率提升效果不顯著,這歸因于待處置物料的處置率。350 ℃時,米飯?zhí)幹寐室殉^90%,體系內(nèi)殘焦副產(chǎn)物明顯降低,進(jìn)一步提高點(diǎn)火溫度僅能提高距加熱盤較近處熱電偶溫度,對穩(wěn)定自持段溫度提升不明顯、處置率提升作用有限。因此在工業(yè)應(yīng)用中將該處置工藝點(diǎn)火溫度設(shè)定為350 ℃。

提高達(dá)西流速能通過促進(jìn)陰燃體系的氧化放熱反應(yīng),提高陰燃體系的平均峰值溫度,改善處置效果。但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,其提升效果并非線性增加,達(dá)西流速提升至4和5 cm/s時,平均處置速率相較3 cm/s分別提升65%和74%,表明達(dá)西流速為4 cm/s時,進(jìn)一步提升達(dá)西流速對陰燃處置無太大增益效果。因此為減小空氣輸運(yùn)設(shè)備能耗,在工業(yè)應(yīng)用中將達(dá)西流速設(shè)定為4 cm/s。

濕米飯含水率升高會使其陰燃處置效果急劇變差。物料含水率由50%升至70%時,陰燃平均峰值溫度由825 ℃降至576 ℃,平均處置速率由1.73 g/min 降至1.26 g/min,處置率由95.7%降至78.4%。前人對于糞便、污泥的陰燃研究[22-23]表明:水分通過蒸發(fā)吸熱降低陰燃體系平均峰值溫度影響陰燃處置的自維持特性和處置效果。但本研究發(fā)現(xiàn)陰燃處置過程中水分對待淀粉類餐廚的形貌結(jié)構(gòu)也有較大影響。如非自維持陰燃試驗(yàn)的上層物料板結(jié)現(xiàn)象明顯,這種板結(jié)現(xiàn)象不僅會影響物料的孔隙結(jié)構(gòu),還會阻礙氧氣的供應(yīng)過程,進(jìn)而使陰燃自維持過程中斷。板結(jié)后的物料形貌如圖8所示(試驗(yàn)24)。

圖8 反應(yīng)器內(nèi)板結(jié)物料形貌Fig.8 Morphology of hardened materials in the reactor

分析濕米飯陰燃試驗(yàn)9～28中各組物料系統(tǒng)熱值及其陰燃自維持性結(jié)果可知,在較低能耗試驗(yàn)工況下(達(dá)西流速3 cm/s、點(diǎn)火溫度300 ℃),系統(tǒng)低位熱值大于0.72 MJ/kg時,淀粉類餐廚可成功實(shí)現(xiàn)自維持陰燃處置。系統(tǒng)低位熱值小于0.69 MJ/kg時,淀粉類餐廚無法在低能耗工況下實(shí)現(xiàn)陰燃處置。因此濕米飯含水率提高時,可通過適當(dāng)降低砂料比實(shí)現(xiàn)自維持陰燃處置。但系統(tǒng)熱值并非實(shí)現(xiàn)自維持陰燃的唯一判據(jù),試驗(yàn)30中,系統(tǒng)熱值高于0.72 MJ/kg,但陰燃反應(yīng)自維持傳播失敗。其原因可能是石英砂占比較少導(dǎo)致混合物料板結(jié)嚴(yán)重,透氣性嚴(yán)重降低導(dǎo)致陰燃自維持傳播失敗。因此為使淀粉類餐廚陰燃處置得以自維持發(fā)生,保證混合物料砂料比不小于2為最佳。達(dá)西流速為5 cm/s時,系統(tǒng)低位熱值降至0.46 MJ/kg,自維持陰燃反應(yīng)仍能發(fā)生?？梢娞岣哌_(dá)西流速可增強(qiáng)放熱反應(yīng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)更高含水率物料、更低系統(tǒng)熱值的自維持陰燃處置過程。第2.3.4節(jié)中會進(jìn)一步討論自維持陰燃反應(yīng)過程中,達(dá)西流速和系統(tǒng)低位熱值之間的映射關(guān)系。

2.3.3 不同參數(shù)對陰燃尾氣的影響

根據(jù)第2.3.1節(jié)結(jié)果可知物料陰燃處置過程中,自維持陰燃穩(wěn)定傳播段尾氣各組分濃度保持穩(wěn)定,因此可對該時間段若干個各組分濃度數(shù)據(jù)點(diǎn)分別求取平均值,代表陰燃處置過程中煙氣的排放特征。

不同參數(shù)對陰燃尾氣中典型組分濃度的影響如圖9所示,可知濕米飯實(shí)現(xiàn)自維持陰燃時,陰燃煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)在6.75%～9.41%,CO體積分?jǐn)?shù)在1.37%～2.51%,VOCs體積分?jǐn)?shù)在109×10-6～251×10-6。砂料比提高即陰燃體系中燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少時,CO2和VOCs體積分?jǐn)?shù)逐漸減小,而CO體積分?jǐn)?shù)幾乎不變。提高點(diǎn)火溫度后,陰燃穩(wěn)態(tài)過程中CO2體積分?jǐn)?shù)略增加,而CO和VOCs體積分?jǐn)?shù)逐漸下降。原因可能為提高點(diǎn)火溫度后,陰燃平均峰值溫度升高促進(jìn)CO和VOCs進(jìn)一步氧化,氧化反應(yīng)生成更多CO2。

圖9 不同參數(shù)對陰燃尾氣中典型組分濃度的影響Fig.9 Effect of different parameters on the concentration of typical components in smoldering exhaust gas

提高達(dá)西流速,陰燃尾氣中3種組分變化趨勢相同,達(dá)西流速由3 cm/s升至5 cm/s,3種組分體積分?jǐn)?shù)先升高后降低。達(dá)西流速在4 cm/s時,各組分濃度最高,其中CO2體積分?jǐn)?shù)為9.41%、CO體積分?jǐn)?shù)為2.51%、VOCs體積分?jǐn)?shù)為236×10-6。其原因?yàn)檫_(dá)西流速3 cm/s下,平均峰值溫度較低,反應(yīng)強(qiáng)度不高,故產(chǎn)生的CO2、CO和VOCs體積分?jǐn)?shù)略低于4 cm/s下陰燃試驗(yàn)。達(dá)西流速5 cm/s時,峰值溫度已無較大提升,過量空氣系數(shù)進(jìn)一步增大,對煙氣CO2、CO和VOCs體積分?jǐn)?shù)有一定稀釋作用。隨待處置物料含水率逐漸增加,陰燃穩(wěn)態(tài)過程中CO2和CO體積分?jǐn)?shù)均小幅降低,VOCs體積分?jǐn)?shù)在109×10-6～156×10-6。這可歸因?yàn)槲锪现兴衷黾訉?dǎo)致陰燃體系內(nèi)平均反應(yīng)溫度降低,氧化反應(yīng)和熱解反應(yīng)強(qiáng)度均有所減弱。

由于陰燃反應(yīng)的不完全氧化特點(diǎn)和物料高濕特性,煙氣呈現(xiàn)出高水分、高CO和VOCs特征。為消除CO、VOCs對環(huán)境和人體造成的不利影響,可通過冷凝除水方式進(jìn)行煙氣干化處理,再將干化后的尾氣通過明火點(diǎn)燃法進(jìn)一步氧化成CO2排放至大氣中。

2.3.4 參數(shù)空間區(qū)域劃分

根據(jù)第2.3.2節(jié)分析結(jié)果,可知提高達(dá)西流速后,自維持陰燃反應(yīng)對混合物料低位熱值的適應(yīng)性越好,適合處置更小系統(tǒng)低位熱值的混合物料。第2.3.2節(jié)結(jié)果表明砂料比4時處置效果最好,實(shí)際處置過程中,餐廚垃圾含水率是決定其處置效果的關(guān)鍵因素。故就達(dá)西流速、濕米飯含水率2個參數(shù)補(bǔ)充了一系列試驗(yàn),并將達(dá)西流速-含水率組成的參數(shù)空間進(jìn)行分區(qū),結(jié)果如圖10所示(點(diǎn)火溫度300 ℃、砂料比為6)。

圖10 參數(shù)空間分區(qū)Fig.10 Parameter space division

由圖10可知,濕基米飯含水率越高,實(shí)現(xiàn)自維持陰燃所需最小達(dá)西流速越高。濕米飯含水率為50%時,系統(tǒng)低位熱值高達(dá)0.98 MJ/kg,僅2 cm/s達(dá)西流速便可實(shí)現(xiàn)自維持陰燃;濕米飯含水率升至75%時,需將達(dá)西流速調(diào)至8 cm/s。點(diǎn)火溫度300 ℃、砂料比6時,大米餐廚自維持陰燃最高能適應(yīng)的含水率為75%,淀粉類餐廚陰燃自維持傳播所需最低系統(tǒng)熱值為0.33 MJ/kg。對更低系統(tǒng)熱值的餐廚垃圾,或需添加適量的輔助燃料才能保證其實(shí)現(xiàn)自維持陰燃處置。

3 結(jié) 論

1)淀粉類餐廚的熱解焦在500 ℃以上才能發(fā)生氧化反應(yīng)。為保證淀粉類餐廚能在較低能耗工況下實(shí)現(xiàn)自維持陰燃處置,需使陰燃體系系統(tǒng)低位熱值高于0.72 MJ/kg。

2)在淀粉類餐廚自維持陰燃處置工藝中,達(dá)西流速和含水率是最關(guān)鍵參數(shù),達(dá)西流速越高,陰燃反應(yīng)越劇烈,處置效果越好;含水率越高,陰燃體系系統(tǒng)熱值越低,影響效果反之。對于含水率60%的濕米飯,最佳砂料質(zhì)量比為4,達(dá)西流速為4 cm/s,點(diǎn)火溫度為350 ℃。

3)陰燃反應(yīng)全過程中,煙氣中典型組分體積分?jǐn)?shù)均先增加、再平穩(wěn)、后下降。改變陰燃操作參數(shù)和物料性質(zhì),自維持傳播段CO2體積分?jǐn)?shù)在6.75%～9.41%,CO體積分?jǐn)?shù)在1.37%～2.51%,VOCs體積分?jǐn)?shù)在109×10-6～251×10-6。達(dá)西流速對煙氣中CO2、CO和VOCs濃度的影響最大。

4)淀粉類餐廚含水率越高,實(shí)現(xiàn)自維持陰燃所需最小達(dá)西流速越高。利用自維持陰燃技術(shù),最高能處置75%含水率淀粉類餐廚,此時陰燃體系系統(tǒng)熱值低至0.33 MJ/kg,實(shí)現(xiàn)該過程所需最小達(dá)西流速為8 cm/s。