生物质复配制备成型燃料的试验研究

发布时间：2016-06-19 05:28

第一章 绪论

1.1 我国城市生活垃圾的特性及处理现状
据国家年鉴统计数据显示我国生活垃圾清运量不断逐年攀升，随着城镇化进程的推进和居民生活水平提高，结合模型预测今后生活垃圾清运量还将以较大幅度增长速率逐年增长。预计到 2020 年，我国城市生活垃圾清运总量将达到 2 亿多吨，生活垃圾处理处置任务艰巨[1]。2004-2014 年期间，我国城市生活垃圾清运量年增长率为 2.14%，截至 2014 年底，我国的垃圾清运总量已达 1.78 亿吨，日清运量超过 47 万吨,无害化率达到 95%以上[2]。现如今城市生活垃圾累积堆存量已达 80 亿吨，占地 80 多万亩，且垃圾产生量仍以5-8%的速度增长，占地量以平均每年 4.8%的速度持续增长[3]。全国600 多座城市，除县城外，有三分之二的大中城市陷入垃圾的包围之中，有四分之一的城市已没有合适场所堆放垃圾。据国家统计年鉴数据，我国生活垃圾处理处置主要以填埋方式为主，截至 2013 年底，国内已有卫生填埋场、简易填埋场和以填埋为主的综合处理场共计 1549 座，处理能力合计 421776 t/d，接近 80%的填埋场在 2006-2014 年期间投入运营，若按每座填埋场平均使用年限为 15 年计算，预计 5-15 年内将有近千座填埋场进入封场阶段。可见“垃圾围城”的形势非常严峻，垃圾处理问题日渐成为政府部门高度关注的环境和民生问题。随着我国城市生活垃圾的减量化、无害化、资源化政策以来，近年我国城市生活垃圾增长速率有所减缓，但仍以不小的基数逐步增长，因此急需找到一条适合我国城市生活垃圾处理处置的新方法。
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1.2 城市生活垃圾能源化利用现状及发展趋势
为实现垃圾处理的“三化”，充分利用垃圾可利用能源，国内外研究者开发了多种垃圾能源化利用。目前垃圾能源化利用技术主要分为直接燃烧利用和转化为其他可利用能源的燃料。垃圾焚烧是目前垃圾能源化利用的主要直接方式；垃圾转化燃料技术主要包括厌氧发酵制沼气技术、垃圾的热解与气化技术、直接堆酵预脱水焚烧技术、垃圾衍生燃料（RDF）技术等。沼气厌氧消化是一种利用厌氧细菌消耗垃圾可降解有机质产生沼气的能源化术。厌氧消化是比较成熟的一种垃圾能源化技术。通过生物作用将垃圾有机质转化为甲烷气体集中收集储存运输，主要特点是热值高、污染小、减量化程度，但发酵周期长和发酵条件较为严苛等，剩余消化残渣经预处理后壳制备成固体燃料，是一种适合于含水率高、易腐有机质高的能源化技术。卫生填埋产生沼气也是一种厌氧发酵产气技术，目前我国的卫生填埋场多数尚没有考虑填埋气体的回收，少数填埋场考虑填埋气体的收集和利用。垃圾的热解是垃圾在隔绝氧气、一定温度条件下，垃圾形成了液态和气态的产物，是以获取燃料油、燃料气或化工原料为目的的方法。热解技术用于垃圾处理在国外进行过深入研究，但由于垃圾成分复杂，燃料油是一种成分非常复杂的有机物(碳链的范围非常大)，给垃圾燃料油的直接应用造成许多困难。同时垃圾热解制取燃料油的成本大大高于石油提炼的成本。由于这些原因，目前垃圾热解技术在工业化还没有得到应用，发展该技术的关键是提高产品质量和降低成本。垃圾气化是垃圾在高温和缺氧条件下，垃圾中有机碳和水蒸气、二氧化碳发生水煤气反应，最后形成以甲烷、二氧化碳、一氧化碳和氢为主的燃料气体。垃圾的气化技术在国内外有较多的工业应用。燃料气可以直接燃烧发电，也可以作为管道气体。但当垃圾中有机物的含量不够高或者垃圾中的含水率比较大时，形成的气化气有可能是低热值气体，给直接的燃烧造成困难。
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第二章 垃圾生物干化条件优化试验

2.1 试验设计与装置
试验装置由圆柱形有机玻璃筒、加热控制器、通风设备及温度控制等装置组成，如图 2-1 所示。干化反应器为圆柱形有机玻璃容器，高 90cm，内径 43cm，有效容积约为 5L。反应器底部设有进气口与垃圾渗滤液排放口，距底部 5cm 处设有通气板，上面均匀布满若干个通气孔（孔径大约 3mm），目前我国生活垃圾资源化利用最大的障碍是含水率高、易腐有机物多，因此降低垃圾含水率、稳定垃圾易腐有机物在一定程度上可以促进垃圾利用效率。垃圾生物干化技术在国外是一项成熟的垃圾处理技术，是作为垃圾综合利用前道工序应用，如作为降低垃圾腐败的臭味、可回收资源的分选回收、RDF 制备的前道工序。生活垃圾焚烧前堆酵处理能脱除大部分自由水，但生物干化技术可利用自身可降低有机物进一步脱除水分，大大提升了垃圾减重比例和发热量。本章主要内容为垃圾生物干化处理最佳条件参数的初步确定，试验通过对碳氮比、添加外源菌种、通风量和混合物料配比对垃圾生物干化处理的影响，在控制生物干化过程其他因素一定的情况下，逐步进行单因素试验优化预处理条件，探索适合我国生活垃圾生物干化预处理快速脱水的条件参数。
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2.2 试验材料、方法及内容
试验垃圾取自上海市松江区某居民生活小区生活垃圾收集桶的日常生活垃圾，生活垃圾的物理组成（湿基质量分数）厨余类 75.5%，纸质类 15.9%，塑料类 5.3%，木竹类 3.1%，其他 1.2%，垃圾初始含水率为 65%-80%之间，混合垃圾初始 C/N 比变化较大，需即用即测，pH 在 5-6.5 之间。试验所需木屑从市场购得，绿化废物取自校园内植物修剪残枝，污泥取自松江污水处理厂脱水污泥房，垃圾渗滤液取自上海某垃圾填埋场。高温发酵主要菌种为高温菌与中温菌，试验配置了高温菌培养液和中温菌培养液，本试验参照蔡华帅等[44]培养液配置方法分别配置了垃圾培养液、高温菌培养基和纤维素分解菌培养基。垃圾专用菌(记为 1#)从市场购买后加入红糖曝气 12h 活化驯化处理即可作为接种菌剂；污泥源接种菌剂：取新鲜污泥接种在高温培养液中 55℃恒温箱培养 48h 和接种在中温培养液 40℃ 恒温箱培养 48h，混合培养后两种菌液即得到污泥源接种菌剂（记为 2#）；垃圾渗滤液源菌剂（记为3#）培养方法同上。微生物数量测定采用平板稀释法测定微生物数[45]。
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第三章 干化产物成型制备工艺研究.........45
3.1 试验内容和试验装置..........45
3.1.1 试验内容.....45
3.1.2 试验装置与材料...........45
3.2 成型燃料性能指标测定......46
3.3 结果分析与讨论.........46
3.4 本章小结............53
第四章 RDF 热重分析及动力学分析........54
4.1 热重实验仪器与方法..........54
4.2 试验内容............54
4.3 热重分析与结果讨论..........54
4.3.1 典型生活垃圾单组分热重分析.....54
4.3.2 掺混物和不同掺混比例 RDF 热重分析...........57
4.4 单组分和掺混样品燃烧特性分析....... 61
4.4.1 着火特性分析.....61
4.4.2 混合样品可燃性分析............64
4.4.3 混合样品稳燃性分析............65
4.4.4 混合样品燃烬特性分析........66
4.5 燃烧动力学参数分析.........67
4.6 本章小结............71
第五章 结论与展望..........72
5.1 结论.......... 72
5.2 创新之处............73
5.3 展望与建议....... 73

第四章 RDF 热重分析及动力学分析

随着生活垃圾有机组分的增多和化石燃料的短缺，同时为积极响应国家新能源开发与利用政策，高热值垃圾衍生燃料的实际应用将成为可能。为垃圾衍生燃料实现工业化应用，探讨 RDF 的燃烧行为是非常有必要的。目前我国对垃圾衍生燃料的研究还尚不成熟，对 RDF 燃烧特性研究方法还比较单一，热重分析是常规重要的手段。结合国外研究手段考虑，本试验采用非等温热重分析方法对垃圾衍生燃料进行燃烧性能与机理研究。

4.1 热重实验仪器与方法

热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA），是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术。热重分析法可以研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；研究物质的热稳定性、分解过程、脱水、成份的定量分析、水份与挥发物、反应动力学等化学变化。热重分析试验采用德国产梅特勒-托利多热重分析仪，可同时进行热重和差热分析，温度范围从室温至 1600℃，灵敏度约 0.1ug，升温速率 0.01-100℃/min，载气气氛可选用空气或惰性气体等。将生活垃圾分拣细致分类后进行干燥研磨至粒径约 0.1mm，称取 3-10mg 待测样品置于 7um 氧化铝坩埚内（约占坩埚体积的 2/3），将填装完毕的坩埚轻轻放入热重分析内置天平上，设置升温速率为 20℃/min 从 30℃升温至 900℃，升温过程持续通入流量为 50ml/min 空气至燃烧室，同时通入氮气保护热重内置天平，空白试验作为基线绘制热重曲线。

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结论

为了实现城市生活垃圾 “无害化、减量化、资源化”目标和研究燃煤锅炉替代燃料，本文以混合收集生活垃圾为研究对象，围绕生活垃圾生物干化脱水后混合木屑制备成型燃料技术进行了相关研究。本文主要从生活垃圾生物干化的试验条件、成型制备工艺参数确定及成型燃料的燃烧特性这三方面进行分析研究，，主要的研究结论归纳如下：
（1）通过改变物料碳氮比、接种外源菌种、通风量的变化、添加绿化废物四组单因素对生活垃圾生物干化脱水效果的研究，结果显示：生活垃圾经过 12d生物干化后含水率均大大下降，垃圾发热量也提升较快，基本上生物干化 8d 左右能达到 7000 kJ/kg 的经济性焚烧热值。不同碳氮比对垃圾生物干化效果均有不同程度的影响，其中碳氮比为 20.7 对生活垃圾脱水效果最好，消耗每克可降解有机物可去除水分 1.95g。接种外源微生物可加快堆体温度升温和有机物降解腐熟，但对生活垃圾脱水效果并没有促进作用，其中垃圾渗滤液源菌种脱水效果优于垃圾专用菌和污泥源菌种，达到每克可降解有机物水分去除量为 1.81g。四组通风量堆体均能在较短时间迅速升温，低风量有利于堆体热量积累；高通风量有利于水分的挥发，但有机物削减量会有所减少；添加绿化废物增加了堆体内部空隙实现通风均匀充足，有利于好氧发酵实现堆体温度迅速上升，绿化废物添加量为每千克 200g 能实现生活垃圾快速脱水，脱水能力达 1.61kg/kg。
（2）采用 XQ-5 嵌样机装置对干化产物混合木屑等添加剂进行了成型工艺参数的研究，结果表明：成型压力、粒度、添加剂均对成型密度有不同程度的影响；成型压力超过 35Mpa 后对成型密度影响不大；小粒径干化产物有利于压缩成型；添加污泥后成型燃料密度迅速增大，但降低了成型燃料热值；添加木屑对成型影响不大，但增加了成型燃料发热量。在以污泥为粘结剂，添加木屑与干化产物成型的正交试验中，得到了以干化产物为原料制备成型燃料的最佳试验条件：成型压力为 30Mpa，污泥、木屑添加量为 10%，含水率为 10%。
（3）采用热重分析技术对垃圾单组分和成型燃料进行燃烧特性分析，结果显示：污泥的着火温度最低，木屑着火温度最高；添加木屑的成型燃料着火温度有所降低，但其可燃性逐渐增强；添加污泥的成型燃料更容易着火，但可燃性却缓慢下降。成型燃料的燃烧大致可分为三个失重段，前两个阶段都是易挥发与难挥发分造成的，高温失重段是由固定碳燃烧形成的。
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参考文献(略)

本文编号：58912