城市生活垃圾典型組分單一及混合熱解特性研究

張 瑩, 俞春磊, 包尤思, 鐘 懿, 丁小雙, 朱童童, 于 潔*

城市生活垃圾典型組分單一及混合熱解特性研究

張 瑩1, 俞春磊1, 包尤思2, 鐘 懿1, 丁小雙1, 朱童童1, 于 潔1*

（1.寧波大學 土木與環境工程學院, 浙江 寧波 315211; 2.浙江仁欣環科院有限責任公司, 浙江 寧波 315012）

熱解技術是一種前景較好的城市生活垃圾資源化處理技術. 本研究對6種城市生活垃圾(木屑、紙張、米飯、菜葉、棉線和聚酯線)進行單一和混合組分熱解, 探究溫度對熱解過程和產物炭性質的影響以及各組分之間的相互作用. 結果表明: (1)單一和混合組分熱解的固體產率隨溫度升高逐漸降低, 氣液產率則相反; (2)單一組分熱解固體產物的灰分含量隨溫度升高先升后降, 在500～600℃時取得最大值, 揮發分隨溫度升高不斷降低, 固定碳不斷升高; (3)共熱解時, 不同組分之間相互影響, 一種組分的熱解受所加組分的影響, 表現出促進或抑制熱解效果.

城市生活垃圾; 單一組分; 混合組分; 熱解

隨著我國經濟的飛速發展, 人民生活水平不斷提高, 城市生活垃圾產量逐年增加, 不僅加大了垃圾處理處置的壓力, 還帶來了嚴重的環境污染問題. 城市生活垃圾主要包括廢紙、廢塑料、廢織物、廢金屬、廢舊電器及部分廚余等[1]. 這些垃圾會對大氣、地下水、土壤等造成一定的污染, 影響居民的日常生活和健康. 據統計[2], 2020年我國生活垃圾清運量達2.4億t, 無害化處理量為2.4億t, 其中焚燒占比最大(62.3％), 其次為衛生填埋(33.1％), 無害化處理率達100％.

目前, 我國處理城市生活垃圾主要采用填埋、堆肥、焚燒等方法[3], 其中填埋法雖然成本低, 但需要占用大量土地, 且會對土壤和地下水等造成潛在污染, 已被多地禁止新增. 堆肥法不僅占地大, 產物有機肥的品質也不高. 焚燒雖能有效實現減量化, 但處理成本高、能耗大, 且存在大量有害氣體和飛灰需要處理等問題.

熱解技術是生活垃圾資源化的有效方法之一. 該技術在高溫、缺氧或無氧條件下可將有機固體廢物轉化為可回收利用的固體、氣體和液體燃料[1,4], 在減量的同時, 能量回收率可達80％[5]. 熱解技術可以分為低溫、中溫和高溫熱解, 分別以產出固相、油相和氣相產物為主, 其中低溫熱解因其熱解溫度低、固體炭產率高等優勢成為一項具有較好應用前景的資源化技術[6]. 與其他生活垃圾處理技術相比, 熱解技術的優勢主要有: 對物料沒有嚴格的要求、可有效減少二噁英的生成[7-8]、能將大多數重金屬等有害成分固定在固體產物中[9]、降低環境污染風險等. 近年來, 國內外熱解技術不斷趨于成熟[10], 已逐步應用于污泥、餐廚垃圾、廢舊輪胎等有機固體廢棄物的處理[11-14].

城市生活垃圾組分多且復雜, 不同組分在共熱解過程中必然會相互影響[15-17], 從而影響生活垃圾的熱解反應歷程和產物產率、性質等[18-21], 因此有必要對生活垃圾中有代表性組分的熱解行為和相互作用規律進行系統研究. 然而, 目前關于垃圾熱解的研究大多針對單一組分[22-25]. 基于此, 本研究選取6種生活垃圾中的典型組分進行單一和混合熱解實驗, 研究溫度對各組分熱解特性及產物炭性質的影響, 探討各組分的相互作用規律, 以期為城市生活垃圾的減量化、資源化和無害化利用提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選取木屑、紙張、廚余(米飯、包心菜葉(以下簡稱菜葉))、織物(棉線和聚酯線)4大類6種典型的城市生活垃圾. 對實驗材料進行熱解實驗, 結果發現: 6種組分的揮發分含量高(≥68.91％), 固定碳含量次之(5.90％～25.18％), 灰分含量最低(≤ 5.91％) (表1), 適合進行熱解處理[26].

表1 實驗材料熱解結果 %

1.2 實驗方法

1.2.1 原料制備

將6種城市生活垃圾原料置于101-A型電熱鼓風干燥箱(北京市永光明醫療儀器有限公司)中, 在105℃下干燥至恒重;然后將干燥后的木屑、米飯和菜葉破碎, 過100目篩; 紙張剪碎成2mm×2mm碎片; 棉線、聚酯線剪至長度為2mm, 于干燥器中密封保存.

1.2.2 熱解實驗

熱解在OTF-1200X型管式熱解爐(合肥科晶材料技術有限公司)中進行. 首先取一定量的樣品均勻攤平在瓷舟里, 然后置于熱解爐中; 熱解爐密封后先通入流量為2L·min-1的氮氣, 待爐中空氣排出后開始熱解反應. 熱解溫度300～700℃, 升溫速率10℃·min-1, 停留時間80min[6,10-11]. 反應結束后取出瓷舟, 冷卻至室溫進行后續分析, 固體產物裝入封口袋中于干燥器內保存. 實驗重復2～3次, 采用平行實驗的均值作為最終結果.

1.2.3 產物分析

將產物分為2類: 固體產物(熱解炭)和氣液產物(熱解氣+熱解油). 固體產率為熱解后樣品的質量與樣品初始質量的比值; 氣液產率用差減法計算得到.

工業分析根據文獻[27]方法, 包括灰分、揮發分和固定碳含量. 將樣品在(815±10)℃的馬弗爐中灼燒1h, 將殘留物質量占樣品質量的比值作為灰分含量; 樣品在920℃的熱解爐中加熱7min, 減少的質量占樣品質量的比值為揮發分含量;固定碳含量用差減法計算得出.

2 結果與討論

2.1 單一組分熱解產物產率

溫度是影響熱解過程的關鍵參數, 不同生活垃圾組分熱解產物產率隨溫度的變化趨勢如圖1所示.

從圖1可以看到: 隨著溫度的升高, 各單一組分的固體產率呈現降低趨勢, 氣液產率則呈現上升趨勢. 當溫度從300℃升至400℃時, 聚酯線和紙張的固體產率顯著降低, 溫度繼續升高其變化幅度較小; 而木屑、米飯、菜葉和棉線4種組分的固體產率則隨溫度升高緩慢下降. 這主要是由于熱解溫度為300℃時, 聚酯線熔化為塊狀, 未發生熱解反應, 此時的固體產率為98.4％. 當溫度升至400℃時, 聚酯線發生熱分解(固體產率迅速降至19.7％), 這與文獻[28-29]的結果一致. 紙張的揮發分含量最高, 在較低溫度下即可發生較充分的分解、揮發等反應. 對比6種組分的熱解產物產率發現: 菜葉的固體產率最高(33.5％～50.9％), 其次為米飯(24.6％～41.0％). 除300℃外, 紙張的固體產率均最低(11.7％～30.1％, 300℃時木屑的固體產率最低, 為28.7％), 其他組分的固體產率居中. 各組分的氣液產率變化趨勢與固體產率的趨勢正好相反. 從固體產率考慮, 300～400℃是城市生活垃圾熱解的適宜溫度, 而聚酯線在400℃時才發生熱解反應, 因此400℃是各組分熱解的較佳溫度.

由于熱解反應是吸熱過程, 隨著溫度升高, 在大分子物質裂解的同時, 許多中間產物也會發生裂解, 有機物發生脫水、脫甲基、縮合和脫氫等反應, 導致固體產率不斷降低, 氣液產率不斷升高. 此外, 原料的組成成分對熱解特性影響很大, 固定碳含量高、揮發分含量低的物質熱解產物產率在溫度高于400℃時, 隨溫度變化的幅度較大, 而固定碳含量低、揮發分含量高的物質熱解產物產率在高溫段受溫度變化的影響較小; 固定碳含量高、揮發分含量低的物質固體產率一般較高, 氣液產率相對較低.

2.2 單一組分熱解產物工業分析

不同生活垃圾組分熱解固體產物的組成受熱解溫度的影響顯著(圖2). 從圖2可以看到: 6種典型組分熱解后固體產物中揮發分的含量隨溫度升高而降低, 固定碳含量隨溫度升高而增加, 這與其他生物質在熱解過程中組分變化趨勢一致[30]. 而灰分含量隨著溫度的升高呈現先升后降的趨勢, 在500～600℃時取得最大值. 6種典型組分中, 木屑、紙張、菜葉、米飯和棉線都屬于生物質類, 主要成分有纖維素、半纖維素、木質素、淀粉和蛋白質; 聚酯線是一種聚合物, 由含碳氫化合物的大分子化合物組成[11]. 在熱解過程中, 由于各組分中半纖維素、纖維素、木質素、淀粉等的分解, 導致揮發分不斷析出[31], 灰分含量不斷增加[32]. 隨著反應的進行, 部分有機化合物進一步發生縮合, 使固定碳含量增加[31]. 對比6種組分, 菜葉熱解固體產物的灰分含量在300～700℃時均最高, 固定碳含量在400～700℃時最低; 聚酯線的揮發分含量在400～700℃時最低, 米飯的固定碳含量在300～ 700℃時均最高, 揮發分含量在300℃時最低, 在400～700℃時僅高于聚酯線.

2.3 混合組分熱解產物產率

城市生活垃圾組分復雜, 不同組分共熱解時會表現出不同的熱解行為[33], 為了更好地探究混合組分的熱解特性, 按質量比1:1將單一組分兩兩混合進行熱解[33-35]. 將木屑與其他5種組分兩兩混合共熱解, 產物產率如圖3所示. 從圖3可看到: 300℃時, 其他5種組分對木屑的熱解均起到抑制作用, 導致固體產率提高, 氣液產率降低; 其中聚酯線的抑制效果最顯著, 共熱解固體產率高達63.8％, 其次分別為菜葉(47.8％)、紙張(47.2％)、米飯(36.8％)和棉線(35.0％). 這是由于低溫下聚酯線僅發生熔化, 在木屑表面形成涂層, 從而抑制了木屑的熱解反應[36]. 同時, 其他組分在低溫下熱解產生的揮發性物質等會抑制木屑中纖維素、木質素等熱解. 當溫度升至500℃和700℃時, 聚酯線和紙張能促進木屑的熱解, 使更多的固體產物轉化為氣體和液體; 其中紙張的氣液產率最高(82.8％～ 84.8％), 其次為聚酯線(81.4％～83.4％), 而菜葉、米飯和棉線在500℃和700℃時會抑制木屑的熱解, 導致固體產率分別提升至29.1％～31.8％、21.7％～ 23.8％和21.1％～21.7％. 對比5種組分, 菜葉、米飯和棉線對木屑的熱解均起到抑制作用, 紙張和聚酯線在低溫時起到抑制作用, 當溫度升高后, 這2種組分能促進木屑的熱解.

將紙張與其他5種組分兩兩混合共熱解, 產物產率如圖4所示. 在300～700℃時, 其他5種組分對紙張的熱解均起到抑制作用, 阻礙了固體產物進一步轉化為氣體和液體. 同樣, 300℃時聚酯線的抑制效果最為顯著, 共熱解后的固體產率最高(61.0％), 其次分別為木屑(47.2％)、菜葉(42.7％)、米飯(33.9％)和棉線(31.7％). 當溫度升至500～ 700℃時, 菜葉的抑制作用最顯著, 共熱解的固體產率為25.7％～28.1％, 其次分別為聚酯線(25.7％～ 28.1％)、米飯(19.7％～24.4％)、棉線(19.2％～21.3％)和木屑(15.2％～17.2％). 這與文獻[24-25]的研究結果一致. 由于紙張的揮發分含量最高, 在較低溫度下熱解反應基本完全, 而其他組分所需的熱解溫度高于紙張, 導致其他組分與紙張的熱解反應不同步, 進而對紙張的熱解無促進作用. 此外, 聚酯線低溫熔化時在生物質表面形成涂層, 將生物質降解生成的揮發性物質留在熱解固體產物中, 隨著溫度的提高, 這些揮發性物質只能與剩余固體進行反應, 從而降低了氣液產率, 提高了固體產率, 導致紙張的熱解被抑制[36].

米飯與其他5種組分兩兩混合共熱解結果如圖5所示. 300℃時, 聚酯線和菜葉阻礙了米飯中固體物質轉化為氣體和液體, 使固體產率高達66.2％和44.6％, 紙張對米飯的熱解促進效果最好(氣液產率為66.1％), 其次為棉線(氣液產率為65.6％)和木屑(氣液產率為63.2％). 隨著溫度的升高, 菜葉仍表現出抑制熱解效果, 而其他4種組分均起到促進效果, 其中聚酯線的促進效果最好, 固體產率僅為20.7％(500℃)和18.5％(700℃). 500℃時與棉線共熱解的效果(氣液產率為78.3％)優于木屑(氣液產率為76.2％), 其次為紙張(氣液產率為75.6％); 當溫度升至700℃時, 紙張的促進效果(氣液產率為66.1％)則優于棉線(氣液產率為65.6％), 其次為木屑(氣液產率為63.2％). 對比各種組分, 菜葉對米飯的熱解均起到抑制作用, 木屑、紙張和棉線均能促進米飯的熱解, 而聚酯線在低溫時抑制米飯熱解, 在高溫下表現出促進效果, 這與文獻[15]的研究結果一致. 聚合物與生物質的共熱解往往有利于氣液產率的提升.

與米飯和其他組分共熱解特性不同, 菜葉與其他5種組分兩兩混合共熱解時(圖6), 只有聚酯線在300℃時抑制菜葉的熱解效果, 此時的固體產率為72.6％, 遠高于菜葉單獨熱解時的固體產率(50.9％), 其他4種組分對菜葉的熱解均起到促進作用, 共熱解氣液產率從高到低分別為棉線(59.2％)、紙張(57.3％)、米飯(55.4％)和木屑(52.2％). 在500℃和700℃時, 5種組分加入后氣液產率提高至62.8％～74.3％, 其中紙張的促進效果最好, 其次為聚酯線、棉線、米飯和木屑.

將棉線與其他5種組分兩兩混合共熱解, 產率如圖7所示. 與紙張和其他組分共熱解相同, 其他5種組分在300～700℃時均抑制了棉線中固體產物轉化為氣體和液體. 同樣, 在300℃時聚酯線的抑制效果最顯著, 共熱解的固體產率為51.2％, 其次為菜葉(40.8％)、木屑(35.0％)、米飯(34.4％)和紙張(31.7％). 在500℃時, 與菜葉混合熱解后固體產率最高(29.7％),其次分別為米飯、紙張、木屑和聚酯線, 與這4種組分共熱解的固體產率在20.2％～ 21.7％之間. 當溫度升至700℃時, 菜葉的抑制效果仍最顯著, 其次為木屑、米飯、紙張和聚酯線, 固體產率分別為27.5％、21.7％、19.9％、19.2％和19.0％.

將聚酯線與其他5種組分兩兩混合共熱解, 結果如圖8所示. 300℃時, 其他5種組分均能提高氣液產率, 促進聚酯線的熱解, 共熱解的固體產率(51.2％～72.6％)遠低于聚酯線單獨熱解時的固體產率(98.4％), 其中棉線的促進效果最顯著, 下面依次為紙張、木屑、米飯和菜葉, 其共熱解氣液產率在27.4％～48.8％之間. 當溫度升至500℃時, 各組分對聚酯線的熱解均起到抑制作用, 此時菜葉的抑制效果最強(固體產率為29.3％), 下面依次為紙張(28.1％)、米飯(20.7％)、棉線(20.2％)和木屑(17.9％). 而在700℃時, 木屑熱解過程中釋放了某些物質能促進聚酯線的熱解(固體產率僅為15.7％), 其他4種組分均表現出抑制的效果, 其中與菜葉共熱解的固體產率(27.6％)高于紙張(25.7％)、棉線(19.0％)和米飯(18.5％).

圖7 不同溫度下棉線與其他5種城市生活垃圾組分等質量混合后的熱解產率

圖8 不同溫度下聚酯線與其他5種城市生活垃圾組分等質量混合后的熱解產率

與單一組分熱解類似, 6種組分兩兩等質量混合共熱解后固體產率隨溫度升高而降低, 氣液產率隨溫度升高而升高, 且在300～500℃時變化幅度較大, 500～700℃時變化幅度較小. 其中聚酯線在300℃時與其他組分混合熱解的反應仍不完全, 因此在熱解處理含聚酯類城市生活垃圾時, 溫度不宜低于300℃. 不同組分共熱解時的作用效果各不相同, 只有木屑與聚酯線在700℃下共熱解時起到相互促進的效果. 在300℃時, 其他組分的加入均會對木屑的熱解起到抑制作用, 只有在500～700℃時, 聚酯線和紙張能促進其熱解. 在紙張和棉線中加入其他5種組分, 均對其熱解起抑制作用. 在300℃時, 木屑、棉線和紙張均能促進米飯的熱解, 在500～700℃時, 除菜葉外, 其他4種組分的加入也能促進米飯的熱解. 菜葉除300℃時聚酯線抑制其熱解外, 其他組分的加入均能促進其熱解反應. 其他組分與聚酯線在300℃下共熱解均起到促進作用, 在500～700℃時, 只有木屑在700℃時加入能促進熱解, 其他條件下加入不同組分后都會抑制聚酯線的熱解.

3 結論

6種典型的城市生活垃圾組分(木屑、紙張、米飯、菜葉、棉線、聚酯線)單獨或混合熱解時受溫度的影響較大, 固體產率隨溫度的升高逐漸降低, 氣液產率則逐漸升高. 6種組分單獨熱解時固體產物的灰分含量先升后降, 在500～600℃時取得最大值, 揮發分含量隨溫度的升高逐漸降低, 固定碳含量則不斷升高. 通常, 固定碳含量高、揮發分含量低的組分熱解后固體產率低、氣液產率高; 固定碳含量低、揮發分含量高的組分熱解后固體產率高、氣液產率低. 當各組分兩兩等質量混合共熱解時, 不同組分之間相互影響, 加入的組分會促進或抑制另一組分的熱解.

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Pyrolysis characteristics of single and mixed typical components of municipal solid waste

ZHANG Ying1, YU Chunlei1, BAO Yousi2, ZHONG Yi1, DING Xiaoshuang1, ZHU Tongtong1, YU Jie1*

( 1.School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Zhejiang Renxin Central Academy of Science CO., Ltd., Ningbo 315012, China )

Pyrolysis is a promising technique for the treatment and reuse of municipal solid waste. In this study, six typical components of municipal solid waste (wood chips, paper, rice, vegetable leaves, cotton thread and polyester thread) are pyrolyzed individually and collectively in an effort to explore the pyrolysis process and product carbon properties as well as the interaction among the components with increasing temperature. Results show that (1) The solid yield of single and mixed components decreases with increasing temperature, while the gas and liquid yield increases accordingly. (2) The ash content of solid product of single components increases at first, and then decreases, reaching maximum value at 500-600℃. The fixed carbon content increases with elevating temperature while the volatile matter content decreases gradually. (3) The interactions among individualcomponents have been found, which arise as the interactions can either foster or inhibit pyrolysis reactions. Those findings can provide theoretical and technical support for utilization of municipal solid wastes.

municipal solid wastes; single component; mixed components; pyrolysis

2021?11?27.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202111646001）; 寧波大學大學生科技創新計劃項目（2021SRIP1412）.

張瑩（1997－）, 女, 浙江衢州人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 市政污泥處理與資源化. E-mail: 1144150859@qq.com

通信作者:于潔（1987－）, 女, 河南三門峽人, 博士/副教授, 主要研究方向: 固體廢物處理與資源化. E-mail: yujie@nbu.edu.cn

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1001-5132（2022）04-0065-08

（責任編輯 史小麗）