海島生活垃圾高溫干燥特性的實(shí)驗(yàn)研究

郭浩男，董瑞程，陳 曉，陸耀烽，丁志斌

（中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

我國(guó)海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨著海島常住及旅游人口增多，固體廢棄物污染問題日益凸顯。海島環(huán)境污染治理面臨的問題與大陸農(nóng)村相近，基礎(chǔ)設(shè)施落后，人口相對(duì)稀少，生活垃圾混合回收，含水率普遍高于50%［1］，使得生活垃圾難以直接焚燒。海島生活垃圾處理成本高昂，以外伶仃島為例，垃圾處置方案以外運(yùn)為主，運(yùn)至珠海垃圾焚燒廠，成本為2 000元·t-1；部分就地簡(jiǎn)易焚燒，處理效率低，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高［2］。

生活垃圾焚燒處理的關(guān)鍵是降低含水率［3］。目前，海島用電普遍依賴柴油發(fā)電機(jī)［4］，柴油機(jī)煙氣蘊(yùn)含豐富熱量，未能有效利用。如利用煙氣干燥垃圾，可以解決海島生活垃圾就地焚燒處置難題。利用柴油發(fā)電機(jī)煙氣為熱源時(shí)，可利用溫度達(dá)300℃。為設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)煙氣干燥生活垃圾裝置，筆者利用量熱儀測(cè)得垃圾各組分熱值，探究干燥過程對(duì)垃圾熱值的影響；利用鼓風(fēng)干燥箱模擬柴油發(fā)電機(jī)煙氣高溫干燥氛圍，測(cè)試海島生活垃圾干燥特性，并比較其與典型校園生活垃圾干燥特性的差異。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

THG-9078A型高溫鼓風(fēng)干燥箱，BSA124S-CW型分析天平，ZDHW-7B型全自動(dòng)量熱儀。

1.2 樣品采集

海島垃圾采集自外伶仃島垃圾站，校園垃圾采集自南京市某高校垃圾站。采樣時(shí)間為2017年12月至2018年1月，共采樣8次。

垃圾采樣依據(jù)CJ/T 313—2009《生活垃圾采樣和分析方法》中的周邊法進(jìn)行，在垃圾堆四周設(shè)8個(gè)采樣點(diǎn)，采集約10 kg樣品，測(cè)得垃圾組分及含水率。取1月第1次樣品作為垃圾干燥實(shí)驗(yàn)樣品，為保證所制備樣品的均一性及實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，垃圾樣品按組分分別破碎使其粒徑小于1 cm，混合均勻，按四分法縮分，密封冷藏儲(chǔ)存。

1.3 垃圾干燥過程動(dòng)力學(xué)分析方法

生活垃圾干燥過程可看作是垃圾中水分從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)、水分子內(nèi)能遞增的過程，反應(yīng)過程可表示為A(l)→B(g)+C(s)。

影響垃圾干燥速率的主要因素是溫度，對(duì)于等溫干燥過程，反應(yīng)速率可表示為

式（1）中，k為干燥速率常數(shù)，s-1；τ為干燥時(shí)間，s；n為反應(yīng)級(jí)數(shù)，對(duì)于干燥過程可取1［5］；Rm為垃圾失水率，其計(jì)算公式為

式（2）中，M為任意時(shí)刻垃圾含水率，%；Md為干燥后垃圾含水率，%；Mw為垃圾初始含水率，%。由于與M、Mw相比Md很小，忽略不計(jì)，故Rm可簡(jiǎn)化為

對(duì)式（3）積分得

式（4）中，k0為積分常數(shù)。

根據(jù)Arrhenius方程可以找到干燥速率常數(shù)（k）與溫度（T）之間的關(guān)系，Arrhenius方程為

式（5）中，Ea為干燥過程的活化能（一定溫度范圍內(nèi)為常數(shù)），J·mol-1；R為摩爾氣體常數(shù)；A為指前因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 生活垃圾組分分析

將外伶仃島餐廚類垃圾與生活垃圾分類收集處理，因此生活垃圾樣品不包含果皮、餐廚等成分，校園實(shí)行集體伙食，生活垃圾中混入的餐廚垃圾極少。海島和校園生活垃圾基本情況見表1～2?？梢钥闯觯瑑烧呓M分及其含量相似，主要原因是海島和校園均具有生活用品全部由外部輸入的特點(diǎn)。

表1 海島生活垃圾基本理化性質(zhì)Table 1 The basic properties of island solid waste

表2 校園生活垃圾基本理化性質(zhì)Table 2 The basic properties of campus solid waste

海島生活垃圾中可燃成分（塑料類、木竹類、織物類和紙類）占垃圾總量的84.74%，校園生活垃圾可燃成分（塑料類、木竹類、織物類、紙類和橡膠類）占總量的87.07%，略高于海島生活垃圾。海島生活垃圾灰分和含水率較高，如塑料類灰分含量w為19.26%，木竹類含水率w為53.40%，而校園塑料類垃圾灰分含量w為9.65%，木竹類含水率w為34.96%。因此，校園生活垃圾熱值比海島生活垃圾高34.50%。

海島生活垃圾可燃成分較少，含水率高，灰分高，熱值低，直接焚燒時(shí)難以維持較高溫度（＞850℃）［6-7］。焚燒時(shí)垃圾中的氯易與有機(jī)物反應(yīng)產(chǎn)生二英（PCDD）、呋喃（PCDFs）等劇毒物質(zhì)［8］，對(duì)環(huán)境造成污染。

2.2 含水率對(duì)垃圾熱值的影響

由ZDHW-7B型量熱儀測(cè)得垃圾干基高位熱值，根據(jù)CJ/T 313—2009計(jì)算得到各組分不同含水率濕基低位熱值（圖1～2）。圖1～2中，曲線最低點(diǎn)表示垃圾初始含水率所對(duì)應(yīng)的濕基低位熱值。海島生活垃圾中塑料類熱值最高，紙類最低。校園生活垃圾中塑料類熱值最高，木竹類最低。對(duì)比兩者發(fā)現(xiàn)，在相同含水率情況下，校園各個(gè)組分垃圾熱值均高于海島垃圾，主要是因?yàn)樾@以學(xué)習(xí)辦公為主，產(chǎn)生的垃圾多為高熱值垃圾。

垃圾熱值隨含水率降低而明顯上升，以垃圾衍生燃料（RDF）含水率w為參考［9］，當(dāng)海島生活垃圾含水率w為10%時(shí)，熱值最低的紙類熱值也已超過10 MJ·kg-1，滿足垃圾焚燒標(biāo)準(zhǔn)，因此，海島生活垃圾焚燒前的干燥處理是有必要的。

圖1 海島生活垃圾熱值與含水率關(guān)系Fig.1 The relationship between moisture content and caloric value of island solid waste

圖2 校園生活垃圾各組分熱值與含水率關(guān)系Fig.2 The relationship between moisture content and caloric value of campus solid waste

2.3 溫度對(duì)垃圾干燥速率的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木竹類垃圾干燥過程較為復(fù)雜，相較于塑料和紙類垃圾，其規(guī)律具有代表性。以木竹類垃圾干燥實(shí)驗(yàn)為例，海島木竹類垃圾在不同干燥溫度條件下質(zhì)量比和干燥速率隨時(shí)間變化曲線見圖3～4，其中，質(zhì)量比為烘干過程中剩余物質(zhì)質(zhì)量與初始物質(zhì)質(zhì)量之比，干燥速率為某一時(shí)刻物質(zhì)質(zhì)量與干基質(zhì)量之差除以時(shí)間。干燥前期（前20 min）木竹垃圾以脫水為主。水分完全蒸發(fā)后，半纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)物在高溫下分解，產(chǎn)生氣味。因此可將垃圾質(zhì)量損失曲線分為脫水階段和有機(jī)質(zhì)揮發(fā)階段，脫水階段質(zhì)量損失遠(yuǎn)大于有機(jī)質(zhì)揮發(fā)階段。

對(duì)于有機(jī)質(zhì)揮發(fā)階段，干燥溫度越高，有機(jī)質(zhì)揮發(fā)越多。有機(jī)質(zhì)的揮發(fā)會(huì)減少垃圾熱值，產(chǎn)生臭氣，污染環(huán)境，是干燥過程中應(yīng)當(dāng)避免的。

對(duì)于脫水階段，干燥速率隨時(shí)間增加呈先增加后減少趨勢(shì)，5 min時(shí)，各個(gè)干燥溫度條件下木竹垃圾干燥速率達(dá)到最大值。溫度對(duì)于干燥速率的影響較為復(fù)雜，5 min時(shí)，木竹垃圾在200℃條件下的干燥速率最快，180℃條件下的干燥速率最慢，且最高干燥速率約為最低干燥速率的2倍。隨著水分的流失，木竹垃圾干燥速率迅速降低；產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是垃圾中的水分和垃圾結(jié)合強(qiáng)度不同。根據(jù)去除的難易程度可將水分分為非結(jié)合水和結(jié)合水，非結(jié)合水存在于垃圾表面和孔隙，與垃圾結(jié)合強(qiáng)度小，結(jié)合水與垃圾結(jié)合強(qiáng)度高［10］。

木竹類垃圾屬于吸濕多孔材料，同時(shí)含有這2種水分，且結(jié)合水占比大。當(dāng)干燥箱中氣體流速一定時(shí)，溫度對(duì)非結(jié)合水去除起到正面促進(jìn)作用，溫度升高時(shí)，非結(jié)合水迅速揮發(fā)。而溫度對(duì)結(jié)合水的影響是雙向的：溫度升高時(shí)，傳質(zhì)速率增加，利于水分氣化，同時(shí)，垃圾在高溫下發(fā)生收縮結(jié)塊現(xiàn)象，阻礙結(jié)合水的去除，垃圾與環(huán)境溫差越大，收縮程度就越大。木竹垃圾干燥后體積變小，顏色變深。因此，當(dāng)溫度低于200℃時(shí)，溫度越高越利于垃圾脫水，當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，垃圾收縮結(jié)塊阻礙水分蒸發(fā)的因素占主導(dǎo)，垃圾干燥速率隨溫度升高而有所下降。

圖3 不同溫度條件下海島木竹垃圾質(zhì)量比隨干燥時(shí)間的變化Fig.3 Mass ratio of island wood waste with different temperature versus time

圖4 海島木竹垃圾干燥速率隨時(shí)間的變化Fig.4 Drying rate of island wood waste with different temperature versus time

不同干燥溫度條件下校園木竹類垃圾質(zhì)量比和干燥速率隨時(shí)間變化曲線見圖5～6。對(duì)比校園和海島垃圾干燥特性曲線發(fā)現(xiàn)海島和校園木竹垃圾質(zhì)量損失規(guī)律相似。

圖5 不同溫度條件下校園木竹垃圾質(zhì)量比隨干燥時(shí)間的變化Fig.5 Mass ratio of campus wood waste with different temperature versus time

圖6 校園木竹垃圾干燥速率隨時(shí)間的變化Fig.6 Drying rate of campus wood waste with different temperature versus time

校園垃圾整體脫水時(shí)間短于海島垃圾，這是因?yàn)樾@木竹垃圾以枯落的梧桐葉為主，表面縫隙大，易于脫水，并且含水率較低，為34.96%。而外伶仃島木竹垃圾為熱帶常綠植物，垃圾質(zhì)地緊密，且表面有蠟質(zhì)保護(hù)層，不利于脫水，且含水率較高，為53.40%。

在180℃條件下，升高溫度可以大幅縮短干燥時(shí)間，當(dāng)溫度過高（240℃）時(shí)，干燥時(shí)間會(huì)略微延長(zhǎng)。從節(jié)約能源和提高干燥效率角度考慮，干燥溫度不宜過高，木竹垃圾最佳干燥溫度為220℃，在干燥器的最佳停留時(shí)間約為10 min。

2.4 溫度對(duì)垃圾干燥過程的影響

木竹垃圾干基含水率計(jì)算公式為ρ=（m-n）/n，其中，ρ為干基含水率，g·g-1；m為濕物料質(zhì)量，g；n為干物料質(zhì)量，g。以干基含水率為橫坐標(biāo)，海島和校園木竹垃圾干燥速率隨溫度變化曲線見圖7～8。

圖7 不同溫度條件下海島木竹垃圾干燥速率隨含水率變化曲線Fig.7 Drying rate of island wood waste with different temperature versus moisture content

圖8 不同溫度條件下校園木竹垃圾干燥速率隨含水率變化曲線Fig.8 Drying rate of campus wood waste with different temperature versus moisture content

干燥過程通常分為干燥調(diào)整階段、等速階段和降速階段［11］。筆者實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)未出現(xiàn)等速干燥階段，此與陳梅倩等［12］研究結(jié)果相同。這主要是因?yàn)楦稍餃囟容^高，垃圾經(jīng)過初始加熱，表面溫度迅速升高，水分蒸發(fā)，調(diào)整階段結(jié)束時(shí)，木竹垃圾達(dá)到臨界含水率，其所含水分不足以在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的高溫條件下維持表面含濕量大于干燥空氣的最大吸濕能力的狀況，即木竹垃圾內(nèi)部水分向外遷移速率小于垃圾表面水分向空氣擴(kuò)散速率。因此，筆者實(shí)驗(yàn)中木竹垃圾在調(diào)整階段之后直接進(jìn)入降速階段。

2.5 垃圾種類對(duì)干燥過程的影響

當(dāng)干燥溫度為260℃時(shí)，木竹垃圾在25 min時(shí)自燃。因此，木竹類垃圾干燥溫度不可高于260℃；當(dāng)干燥溫度為220℃時(shí)，紙類垃圾加熱10 min時(shí)自燃，塑料類垃圾會(huì)一直產(chǎn)生臭氣，因此紙類、塑料類垃圾干燥溫度不能超過220℃。

不同溫度條件下海島紙類垃圾干燥速率隨時(shí)間變化曲線見圖9，海島不同種類垃圾在200℃條件下的干燥規(guī)律曲線見圖10～11。

圖9 不同溫度條件下海島紙類垃圾干燥速率隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Drying rate of island paper waste with different temperature versus time

圖10 200℃條件下海島生活垃圾干燥速率隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Drying rate of island solid waste on 200℃versus time

對(duì)比圖6和圖9可知，溫度對(duì)于木竹類和紙類垃圾干燥速率的影響不同，木竹類垃圾干燥速率隨干燥溫度的增加呈先增加后下降趨勢(shì)，而紙類垃圾干燥速率隨干燥溫度的增加一直增加，這是由于2種垃圾水分與物料的結(jié)合方式不同，木竹垃圾同時(shí)含有結(jié)合水和非結(jié)合水，紙類垃圾所含水分主要為非結(jié)合水。對(duì)于非結(jié)合水分的干燥，垃圾表面和煙氣的溫度差是傳熱和傳質(zhì)的主要影響因素。當(dāng)外界溫度升高時(shí)，溫度差變大，使得干燥的驅(qū)動(dòng)力變大，內(nèi)部對(duì)于水分的阻力變小，其干燥速率隨之升高。塑料和織物類垃圾所含水分也為非結(jié)合水，其干燥規(guī)律與紙類垃圾類似。

圖11 200℃條件下海島生活垃圾干燥速率隨含水率變化曲線Fig.11 Drying rate of island solid waste on 200℃versus moisture content

由圖10可知，時(shí)間對(duì)于不同種類海島生活垃圾干燥速率的影響相同，各類垃圾均在5 min時(shí)達(dá)到最高干燥速率，并在30 min前后完成干燥。由圖11可知，在200℃條件下，4種垃圾干燥過程都分為調(diào)整階段和降速階段，沒有等速階段。

對(duì)比不同種類垃圾，含水率高且結(jié)合水占比大的木竹垃圾最難干燥，孔隙率較小的織物類垃圾次之，塑料類、紙類這些主要含非結(jié)合水分的垃圾更容易脫水。

2.6 垃圾干燥過程動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到自變量τ和因變量1-Rm，對(duì)式（4）進(jìn)行回歸分析，求得紙類、木竹類垃圾在不同溫度條件下的干燥速率常數(shù)k，計(jì)算結(jié)果見表3。

將表3數(shù)據(jù)與式（5）進(jìn)行擬合，求出Ea和A。求得海島紙類垃圾干燥反應(yīng)的Arrhenius方程為

表3 部分生活垃圾干燥速率常數(shù)Table 3 Rate constant of solid waste

筆者實(shí)驗(yàn)中，木竹類垃圾在160～260℃溫度范圍內(nèi)干燥所得干燥速率常數(shù)并不完全符合Arrhenius方程。當(dāng)溫度高于220℃時(shí)，干燥速率常數(shù)變小，這是因?yàn)槟局耦惱诟邷叵率湛s結(jié)塊，阻礙干燥進(jìn)行，此時(shí)溫度不是干燥的唯一影響因素，Arrhenius方程失效。因此依據(jù)160～220℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得海島和校園木竹類垃圾干燥反應(yīng)的Arrhenius方程。

海島木竹類垃圾：

校園木竹類垃圾：

對(duì)比式（6）～（8）發(fā)現(xiàn)紙類垃圾活化能最低，說明紙類垃圾容易干燥；海島木竹垃圾活化能是校園木竹垃圾的2倍，從動(dòng)力學(xué)角度證明了海島垃圾較難干燥。

3 結(jié)論

（1）與校園生活垃圾相比，海島生活垃圾可燃成分較少，灰分和含水率較高，濕基低位熱值較低。兩者干燥規(guī)律相似，但后者脫水所需時(shí)間更長(zhǎng)。

（2）根據(jù)水分與物料結(jié)合方式，可將垃圾分為難干燥垃圾（如木竹類）和易干燥垃圾（如紙類、塑料類和織物類等）。難干燥類垃圾干燥速率隨溫度的升高呈先增加后降低趨勢(shì)。易干燥類垃圾干燥速率隨溫度升高而變快。

（3）垃圾干燥5 min時(shí)干燥速率最大，30 min時(shí)基本完全脫水，為減少有機(jī)成分的揮發(fā)和干燥能消耗，垃圾在干燥器的停留時(shí)間以控制在20 min前后為宜。

（4）在避免垃圾自燃的前提下，提高溫度可以縮短干燥時(shí)間；對(duì)于混合垃圾，其干燥溫度不應(yīng)高于220℃。

（5）從動(dòng)力學(xué)角度分析，紙類垃圾干燥過程可較好地滿足Arrhenius方程。木竹類垃圾干燥過程較復(fù)雜，當(dāng)溫度高于220℃時(shí)，其干燥速率常數(shù)與溫度的關(guān)系不符合Arrhenius方程。海島木竹類垃圾活化能較高，說明海島垃圾干燥過程需要較多熱量。