城市生活垃圾与农林废弃物共热解及热解液分离提质研究

发布时间：2018-05-27 00:19

本文选题：城市生活垃圾 + 农林废弃物　；参考：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文

【摘要】：随着我国经济快速发展与城市化进程加快,城市生活垃圾产生量不断增加,对环境造成巨大危害,成为影响人类生存和可持续发展的重要因素。传统的垃圾填埋、堆肥处理法占地多、处理周期长、污染严重;垃圾焚烧过程产生二恶英等有害物质。垃圾热解减容减量程度高,可以得到气、液、焦三种产物,适应不同的需求,逐渐得到广泛的青睐。然而,由于城市生活垃圾中水分和灰分含量较高、碳和氢含量较低,单独热解时热解产品的产率相对较低而且品质较差,不利于有效利用。将城市生活垃圾与其它废弃物配合进行共热解处理,是实现热解产品提质和增值的有效途径。作为重要的农、林产业大国,我国每年产生大量农林废弃物,农林废弃物的挥发分较高、灰分相对较低,热解气、液产率较高,与城市生活垃圾共热解不仅可以达到减容减量的目的,而且可以弥补城市生活垃圾单独热解造成的产品品质较差等问题。由于城市生活垃圾和农林废弃物的组成复杂,共热解产生的热解液组成和性质差异较大,含水率较高,传统的油水分离方法难以取得较好的效果。为实现热解液中油水分离及热解油提质与利用,有必要对热解液的油水分离和提质技术进行研究。本文依托山西省科技攻关项目“生活垃圾与农林产品废弃物协同处理与高效资源化利用技术研究”,以城市生活垃圾和部分农林废弃物为研究对象,利用热重分析、固定床热解、气相色谱分析、红外分析、扫描电镜分析等手段,进行组成分析和表征,研究了城市生活垃圾和农林废弃物单独热解及共热解特性、热解产物产率及组成变化,重点考察了蒸馏、萃取和破乳等方法对热解液油水分离的影响以及不同酯化条件下,热解液的组成性质变化。论文研究的主要结论如下:1、对太原市城市生活垃圾的组成分析表明,城市生活垃圾中以厨余、纸类、玻璃灰土为主要成分;夏季城市生活垃圾中有机厨余及塑料类含量高,冬季生活垃圾中玻璃灰土含量高;工业分析表明,夏季垃圾挥发分含量高、灰分含量低,冬季垃圾挥发分含量低、灰分含量高;元素分析表明,夏季垃圾C、H和O元素含量高,冬季C、H、O含量最低;夏季生活垃圾热值最高、冬季最低。农林废弃物的工业分析表明,挥发分含量从高到低依次为松树枝、木薯秆、玉米杆、稻壳。2、城市生活垃圾热解过程主要有干燥脱气、活泼热解和热缩聚三个阶段,第二阶段即温度450~650℃之间时,失重最为明显达到57%。根据热重曲线进行动力学参数计算,得到相关系数为0.966、频率因子为0.2460min~(-1)、活化能为50.72kJ/mol。固定床热解实验表明,城市生活垃圾在450~650℃热解温度区间,热解液的最大产率在600℃时取得,为39.81%;垃圾压片成型后热解液的产率比粉末状垃圾增加8.24%。垃圾热解过程中添加煅烧石灰石可以不同程度提高垃圾热解气的产率,且煅烧温度为950℃的石灰石对垃圾热解气的提高效果最明显。3、城市生活垃圾热解液含水率较高,不同温度段热解液含水率为20~30%,酸值大于30 mg/g(KOH),600℃时热解液含氧量为20.28%,热值为31.42 MJ/kg。热解焦热值较低,不同温度热解焦热值均在20MJ/kg以下;600℃时,热解气中H_2、CO、CH_4、CO_2分别为0.35、17.75、2.10、33.67 m L/g。4、农林废物热解过程也可分干燥脱气、活泼热解和热缩聚三个阶段。随着木薯秆热解温度升高,木薯秆热解气体产率增大,热解焦产率不断下降,热解液在600℃时达到最大值45.6%;第二阶段失重明显达60%,温度为317℃时获得最大失重速率。稻壳动力学分析表明,稻壳热解活化能为66.55~70.92 kJ/mol,提高稻壳升温速率可以降低热解活化能;随着升温速率增加,稻壳最大热解失重速率也随之增加。松树枝的热重分析表明,最大失重速率在358℃,失重率67%,且随着热解温度的升高,松树枝热解活化能先升高后降低。5、对木薯秆热解液红外分析表明,木薯秆热解液成分复杂,含有酚、醇、羧酸等多种有机物;热解液pH值、氧含量、含水率和热值分别为2.7~3.1,56.70%、31%和15.3 MJ/kg。对热解木薯秆热解焦进行工业分析,结果表明,热解焦中固定碳、灰分、水分和挥发分分别为75.42%、13.67%,0.05%和10.86%;400℃时木薯秆热解气中甲烷产率最大。6、木薯秆与生活垃圾共热解可以提供富氢热解气氛,对垃圾热解具有一定的促进作用;动力学分析表明城市生活垃圾与木薯秆混合物的热解活化能为43.36kJ/mol,低于城市生活垃圾单独热解的活化能50.60kJ/mol,添加木薯秆降低了城市生活垃圾热解的表观活化能,对城市生活垃圾的热解具有促进作用。对城市生活垃圾和木薯秆共热解进行能量分析发现,随着木薯秆添加比例增大输出能量逐渐增大,当木薯秆添加比例为44.14%时,输出能量等于所需能量3.64MJ/kg。添加木薯秆使城市生活垃圾热解液产率增加、热解焦产率降低;添加比例为60%时,热解液产率最大为47.52%。7、玉米秆降低了城市生活垃圾热解活化能,二者共同热解存在一定的协同作用。对城市生活垃圾和玉米秆共热解过程进行能量分析发现,随着玉米秆添加比例增大输出能量逐渐增大,当玉米秆添加比例为37.34%时,输出能量等于所需能量3.53 MJ/kg。添加玉米秆提高了城市生活垃圾热解液产率、降低了热解焦产率;提升了热解气中H_2的产率,玉米秆在混合物中比例为60%时,热解气中H_2产率达到最大值为0.20m L/g。8、添加松树枝后,城市生活垃圾热解反应的表观活化能降低,说明添加松树枝时对城市生活垃圾的热解促进作用显著。城市生活垃圾与松树枝的掺混比为3:1时,对提高热解液的产率具有明显的促进作用。当松树枝添加量增加,混合物的输出能量增加,而混合物热解所需要的能量逐渐减小,当松树枝添加比例超过65.28%时,输出能量大于所需能量。城市生活垃圾和松树枝共热解产物的能量输出可以满足其热解需要。9、采用蒸馏法进行垃圾热解液的油水分离实验,随着热解温度升高,热解液中低温馏分含量逐渐降低;热解原料中添加Fe_2O_3和CaO使热解液的脱水率增加,热解液中低沸点物质含量减少。采用萃取法考察了萃取剂种类、萃取顺序对热解液的萃取效果,结果表明,二氯甲烷对木薯秆热解液萃取率高于乙酸乙酯对木薯秆热解液萃取率;使用两种萃取剂进行分级萃取的萃取效率高于单独萃取效率;先用二氯甲烷萃取再用乙酸乙酯萃取的总萃取率为41.03%,改变萃取剂顺序进行萃取后,热解液的萃取率为39.04%。10、考察了聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物(J)、脂肪醇聚氧乙烯醚7.9(Z)、壬基酚聚氧乙烯醚(R)、曲拉通-100(Q)四种表面活性剂对热解液脱水率的影响,得出热解液的脱水率为90.6~91.3%,当曲拉通添加量为100mg/L时,热解液脱水率最高为90.87%。使用不同种类絮凝剂,热解液脱水效率为90%~91.3%,当絮凝剂PAM的添加量为150 mg/L时,热解液的脱水率为90.7%。将上述表面活性剂与絮凝剂聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)进行复配,热解液的脱水率均达到89.6%以上。当热解液添加PAM+J,同时提高破乳温度时,热解液脱水率升高;添加PAM+Q的结果则相反。11、采用酯化工艺对热解液进行提质研究,以CaO/γ-Al_2O_3作为催化剂,得出酯化反应时间、乙醇与木薯秆比例、催化剂用量及反应温度分别为6h、3:1、5%和60℃时反应效果最好。热解液酸值为2.75,含氧量降低至原来的50%。热值由13.4MJ/kg提高到27.5MJ/kg,有机成分中酸性物质由18.5%降低到0.8%;其他成分如酚类、酮类、醇类、烷类、酯类、芳香类等物质的含量在破乳后均有不同程度的提高,其中酚类物质最多为37.9%,其次是醇类物质为21.4%。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X799.3;X71

【参考文献】