熱風(fēng)加熱下冰凍生活垃圾融化特性研究

摘 要：本文為研究熱風(fēng)加熱下冰凍垃圾的融化特性，搭建了熱風(fēng)解凍實驗臺，運(yùn)用正交試驗方法，研究垃圾解凍過程中內(nèi)部溫度地變化，確定熱風(fēng)解凍工藝最佳參數(shù)。試驗結(jié)果表明，采用熱風(fēng)加熱冰凍垃圾，空氣中的熱能被垃圾表面吸收后，以熱傳導(dǎo)的形式傳遞到內(nèi)部，解凍過程存在明顯的-4.9℃～2.5℃相變區(qū)間；熱風(fēng)試驗中風(fēng)量因素的方差值為17.466，是影響垃圾內(nèi)部溫度的最顯著因素。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)加熱；冰凍垃圾；升溫變化；融化特性

中圖分類號：X 705" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

城市生活垃圾焚燒發(fā)電是垃圾處理無害化、資源化和減量化的重要措施，然而在北方冬季寒冷天氣下，生活垃圾極易出現(xiàn)冰凍成團(tuán)現(xiàn)象[1]，需要額外熱量和時間進(jìn)行垃圾解凍。

常用的垃圾解凍措施包括破碎解凍和熱力解凍。破碎解凍主要是在卸料平臺設(shè)置破碎裝置，將冰凍成團(tuán)的垃圾破碎后再倒入垃圾倉；熱力解凍利用外加熱源加熱垃圾表面使其吸熱融化。宋吉釗[2]分析東北某垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)行情況，提出在垃圾倉內(nèi)增設(shè)蒸汽加熱裝置。王子銘等[3]對垃圾場加熱方案進(jìn)行調(diào)研，提出將余熱鍋爐汽包連續(xù)排污水作為熱源的優(yōu)化加熱方案。羅成俊等[4]研究了垃圾結(jié)冰對焚燒的影響，提出設(shè)置輔助燃燒器和預(yù)熱器熱風(fēng)加熱方案?？渍呀〉萚5]提出增加入爐垃圾熱值，以改進(jìn)冬季垃圾燃燒狀況。

雖然上述研究提出了有效的解凍措施，但是對實際熱風(fēng)解凍冰凍垃圾的升溫特性沒有進(jìn)行深入探討。本文設(shè)計了熱風(fēng)輻射解凍正交試驗，研究熱風(fēng)輻射加熱下冰凍垃圾的融化特性，分析冰凍垃圾的升溫特性和熱風(fēng)解凍的影響因素，為垃圾解凍工程領(lǐng)域提供一定參考。

1 試驗樣品含水率分析

試驗樣品取自哈爾濱多個區(qū)域垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站，樣品已在轉(zhuǎn)運(yùn)站進(jìn)行混合，取回后進(jìn)行快速混合，測試含水率，便于統(tǒng)一后續(xù)試驗中的樣品含水參數(shù)，降低誤差。

從-20℃混合均勻的垃圾樣品中取出適量樣品放入密封袋，在室溫下自然解凍。解凍完成后稱重，將樣品均勻平鋪在托盤中，置于不超過50℃的電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中連續(xù)進(jìn)行干燥，如果前、后2次稱量的樣品質(zhì)量變化不超過0.1%，那么認(rèn)為樣品已達(dá)到空氣干燥狀態(tài)?；旌蠘悠吠獠克趾枯^多，在50℃烘干條件下，混合垃圾樣品的質(zhì)量前、中期變化明顯，后期趨于穩(wěn)定，第12次烘干后質(zhì)量變化為1.218%，第17次烘干后達(dá)到最小值0%。為保證樣品完全達(dá)到空氣干燥狀態(tài)，又進(jìn)行2小時烘干，樣品質(zhì)量由86.8g降至86.7g，計算差值百分比為0.115%。由于取出混合樣品質(zhì)量較大，試驗采用精度為0.1g的電子天平稱量樣品，因此可以認(rèn)為樣品0.115%的質(zhì)量變化已經(jīng)達(dá)到空氣干燥狀態(tài)，測得外部含水率為80.455%。

在空氣干燥狀態(tài)的垃圾樣品中，使用電子天平（精度0.0001g）稱取6組1g±0.1g樣品，平攤在預(yù)先干燥的容器中，置于電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱內(nèi)，在105℃±5℃的條件下連續(xù)烘干若干小時，冷卻5min后稱重。重復(fù)烘干1h～2h，直至2次稱量之差不超過0.0010g。

各組樣品初始質(zhì)量分別為0.9225g、1.0176g、1.0036g、1.0692g、1.0625g和1.0462g，質(zhì)量均滿足1g±0.1g的要求。將已稱量的垃圾樣品放置于105℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干。第一次烘干后樣品質(zhì)量變化開始平緩，最終測量樣品差值百分比均處于0.1%量級，各組樣品與前一次稱量結(jié)果分別相差0.0007g、0.001g、0.001g、0.0018g、0.0014g和0.001g，可以認(rèn)為各組垃圾樣品含水率測定完畢。計算得到混合垃圾樣品平均內(nèi)部含水率為7.231%

2 實驗臺設(shè)計和試驗工況

2.1 實驗臺設(shè)計

熱風(fēng)解凍實驗臺由熱風(fēng)機(jī)、電加熱管、溫控器、調(diào)壓器和交流接觸器等組成。其中熱風(fēng)機(jī)利用調(diào)壓器和溫控器控制送風(fēng)溫度，送風(fēng)管道利用風(fēng)閥改變送回風(fēng)方式，方形管道側(cè)方設(shè)置可拆卸管道壁面，方便放置樣品和消毒。試驗測試的混合垃圾樣品置于-30℃冰柜進(jìn)行保存。試驗測點(diǎn)梅花狀布置，在樣品內(nèi)部設(shè)有前、后、左、右和中心共5個“T”形熱電偶溫度測點(diǎn)，與樣品上表面的距離均為3.5cm。

2.2 試驗工況

將采集的哈爾濱各城區(qū)生活垃圾進(jìn)行攪碎混勻后，分別放置于大小為26.5cm×16.2cm×15cm和32.5cm×26.5cm×15cm的不銹鋼容器中，在-30℃條件下冷凍制成試驗測試樣品。熱風(fēng)解凍試驗工況見表1，逐一監(jiān)測各工況下冰凍垃圾樣品的解凍速率，采用DAQ970A安捷倫數(shù)據(jù)采集儀器記錄被測樣品3.5cm處5個位置的溫度變化。進(jìn)而比較8000s內(nèi)冰凍垃圾樣品的升溫情況，結(jié)合差分掃描量熱計測試結(jié)果，分析冰凍垃圾的相變特性，并分析正交試驗結(jié)果，確定熱風(fēng)解凍工藝下的關(guān)鍵影響因素。

完成熱風(fēng)解凍試驗后，使用紅外烤漆燈對32.5cm×26.5cm×7cm的樣品進(jìn)行輻射解凍測試，分別在70%和90%的功率下，記錄被測樣品3.5cm處5個位置的溫度變化曲線，比較熱風(fēng)解凍和輻射解凍下冰凍垃圾的融化特性。

3 熱風(fēng)解凍正交試驗

3.1 冰凍垃圾相變區(qū)間

利用差分掃描量熱計（DSC）測試計算出垃圾樣品的相變區(qū)間為-4.9℃～2.5℃，發(fā)現(xiàn)相變階段垃圾樣品的比熱容隨溫度升高，達(dá)到峰值后又迅速下降。

根據(jù)樣品中心點(diǎn)35mm處溫度隨時間變化的情況，冰凍垃圾樣品的解凍過程主要分為3個階段。1）解凍階段。冰凍垃圾的溫度從初始狀態(tài)開始上升，受高溫空氣的換熱，垃圾溫度升至初始相變點(diǎn)的溫度。在該階段，垃圾樣品吸收的熱量為顯熱，溫度變化較快。2）相變階段。垃圾樣品中的冰晶達(dá)到融化溫度后開始發(fā)生相變，冰晶不斷融化成為液體，吸收大量潛熱，垃圾樣品本身吸收顯熱并提升溫度。3）升溫階段。垃圾中的冰晶融化后，其焓值隨溫度繼續(xù)升高，該階段垃圾樣品吸收的熱量為顯熱。

在相變階段，樣品溫度曲線存在2個明顯的溫度變化階段，即緩慢上升階段和加速上升階段。比較9種工況下各冰凍垃圾樣品8000s內(nèi)由-20℃開始升溫的情況。中50-1工況下樣品升溫速率最快，加熱約2600s時進(jìn)入相變階段，6300s時進(jìn)入升溫階段，最終達(dá)到6.7℃。其他工況于加熱時間約2900s～5900s內(nèi)進(jìn)入相變過程，并在后續(xù)試驗過程中始終處于相變階段，其中高50-2和高40-1具有加速上升的趨勢。

3.2 熱風(fēng)加熱下冰凍垃圾升溫變化

樣品左、右點(diǎn)35mm處位置溫度變化曲線如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)在中50-1和高40-1工況下，樣品左、右點(diǎn)溫度升高較快，這與樣品的體積大小有關(guān)，這2個工況下冰凍垃圾樣品厚度為5cm，體積為2146.5cm3。在低30-1工況下，由于風(fēng)量和溫度較低，因此升溫變化緩慢，但是仍然比高30-3工況快。比較發(fā)現(xiàn)2點(diǎn)的溫度變化趨勢和溫升范圍相似，說明垃圾樣品混合較均勻。

樣品前、后點(diǎn)35mm處位置溫度變化曲線如圖2所示。前點(diǎn)位置的樣品升溫速率由高到低依次為中50-1、高40-1、高50-2、低40-2和中30-2，低30-1、中40-3和低50-3工況的升溫速率相似，高30-3工況升溫最慢。由于樣品前壁面受熱風(fēng)影響，因此前點(diǎn)位置升溫較快，但是內(nèi)部主要以導(dǎo)熱的形式傳熱，樣品中心點(diǎn)溫度變化緩慢。而在樣品后壁面，由于背離氣流主流方向，其換熱形式復(fù)雜，不同工況下的對流形式可能會產(chǎn)生較大變化，因此不同工況下后點(diǎn)位置升溫變化曲線差異顯著，但是低30-1、中40-3和低50-3工況的升溫速率仍然相似。

3.3 輻射加熱條件下的溫度變化

A3紅外烤漆燈設(shè)備最大功率為3kW，干燥面積0.9m～1.2m，照射范圍完全覆蓋樣品尺寸。實測在70%和90%輻射功率下，照射高度50cm處的空氣溫度分別對應(yīng)57℃和61℃。實測發(fā)現(xiàn)，隨著輻射功率增加，冰凍垃圾樣品的升溫速率顯著升高。在7000s測試范圍內(nèi)，并在90%輻射功率工況下，垃圾樣品均進(jìn)入相變階段，而在70%輻射功率工況下的垃圾樣品剛開始相變，平均溫差約為5℃。由于輻射解凍工藝照射均勻，因此整體冰凍垃圾樣品的升溫情況較一致。比較熱風(fēng)加熱和90%輻射功率加熱條件下樣品的溫度變化，在加熱時間4000s前溫度變化差異較小，其中樣品前點(diǎn)正對熱風(fēng)來向，熱風(fēng)加熱方式的升溫效率高于輻射加熱方式。在加熱時間4000s～6000s過程中，輻射加熱的樣品溫度快速上升，在各測點(diǎn)均超過熱風(fēng)加熱方式。同時輻射加熱能耗高于熱風(fēng)加熱，在90%輻射相率工況和高30-3工況下，樣品中心點(diǎn)分別在4400s和5600s進(jìn)入相變階段，耗能約為3.3kW和1.18kW。

3.4 熱風(fēng)解凍正交試驗結(jié)果分析

采用SPSS24軟件建立三因素、三水平的正交試驗數(shù)據(jù)集，利用單變量模型中的主效應(yīng)方差分析評估風(fēng)量、溫度和樣品體積3個因素的作用，并通過K值組合出最佳熱風(fēng)解凍工藝參數(shù)。熱風(fēng)解凍正交試驗結(jié)果分析見表2。比較3個因素下R值（極差）和SS值，確定3個影響因素的重要程度，并選取每個因素下最大的K1、K2和K3值，得出熱風(fēng)解凍的最佳參數(shù)。溫度（B）因素下K2和K3相差不大，分別為19.29和19.392，因此可以認(rèn)為40溫度水平與50溫度水平相差不大，因此當(dāng)選取最佳參數(shù)時，選取40溫度水平。根據(jù)樣品中心點(diǎn)35mm處溫度測試可知，雖然送風(fēng)溫度升高會加快樣品前點(diǎn)位置的升溫速率，但是冰凍垃圾內(nèi)部解凍主要以導(dǎo)熱形式傳熱，中心點(diǎn)溫度隨進(jìn)口溫度升高不會發(fā)生特別劇烈的變化。此外，雖然風(fēng)量增大或空氣溫度升高會帶來能耗問題，但是在利用焚燒余熱和優(yōu)化回風(fēng)系統(tǒng)的條件下可以有效降低額外能耗。

4 結(jié)論

根據(jù)對試驗數(shù)據(jù)的處理和分析，本文主要結(jié)論如下所示。1）在熱風(fēng)加熱解凍工藝下，熱空氣能量被垃圾表面吸收后，以熱傳導(dǎo)的形式傳遞到內(nèi)部，垃圾解凍的相變過程包括2個明顯的溫度變化階段，即緩慢上升階段和加速上升階段，其整體溫度變化趨勢與冰凍垃圾在相變過程中的熱物理性質(zhì)變化密切相關(guān)。2）比較9種工況下熱風(fēng)解凍垃圾樣品在8000s內(nèi)由-20℃開始升溫的變化曲線可知，中50-1工況下的樣品升溫速率最快，達(dá)到6.7℃，低30-1、中40-3和低50-3工況下的升溫速率基本相同。3）根據(jù)熱風(fēng)正交試驗結(jié)果，計算可得風(fēng)量、溫度和樣品體積3個因素的SS值分別為17.466、7.83和13.146，比較可得風(fēng)量對熱風(fēng)解凍垃圾的影響最顯著。

參考文獻(xiàn)

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