篩上物

對城市生活垃圾場篩上物垃圾進行熱解實驗，研究特定垃圾的熱解過程及其規律。實驗採用熱解終温為550℃和700℃，熱解物料為原始篩上物垃圾和加入熱解殘炭的篩上物垃圾，實驗設備為間歇運行的固定牀式熱解爐。實驗結果表明：熱解終温00℃與550℃相比熱解產物中固體和液體的產率降低，瞬時產氣速率和氣體產率均升高；瞬時產氣速率曲線與瞬時耗電量曲線形狀一致，遲滯時間為5～10mn；物料底部熱解產物焦炭存在與否對熱解得到的固液氣產率、產氣特性和能量消耗等方面幾乎沒有影響 ^[1]  。

隨着經濟的飛速發展，城市固體廢棄物(municipalsolidwaste，MSW)排放量逐年增加，由此造成的污染已成為全球性公害之一。能源危機也日益嚴重，能源供與求的矛盾越來越顯著。採用資源化技術處理城市固體廢棄物，可獲得再生能源，同時解決環境污染和能源危機的雙重矛盾，成為世界各國政府和環保機構關注的重大課題。熱解處理是把固體廢棄物在無氧或貧氧條件下加熱到一定温度，用熱能使化合物的化合鍵斷裂，由大的相對分子質量的有機物轉化成能源產品的中間產物，即小的相對分子質量的可燃氣體、液體燃料和焦炭的過程，是一種非常有效的資源化處理方式，由此可得到電力或熱量，是各國研究的重點 ^[1]  。

以城市生活垃圾場篩上物垃圾為材料，以熱解產氣為主要目的，研究特定垃圾的熱解處理過程及其規律，得到一些關鍵數據和熱解規律，給實際裝置的設計及運行提供基礎資料。實踐證明，對於國內生活垃圾進行簡單的機械篩處理，將篩下物進行加工堆肥，篩上物進行熱解處理的模式，具有重要的現實意義 ^[1]  。

固體廢棄物的熱解過程是一個十分複雜的化學反應過程，包含大分子的鍵斷裂、異構和小分子的聚合等反應。當物料被加熱時，其中的自由水首先被蒸發出來，濕物料變成幹物料。在繼續加熱的情況下，温度不斷升高，分子活動加劇，化合鍵被打開，大分子鏈斷裂生成中小分子物質。熱解的產物有3種，主要是可燃的低分子化合物：氣態的有氫氣、一氧化碳、二氧化碳和甲烷等；液態的有甲醇、丙酮、醋酸和乙醛等水溶性或非水溶性有機物(焦油)；固態的主要是焦炭或碳黑，稱為熱解炭 ^[1]  。

熱解炭和焦油通過直接稱重的方法確定產量；可燃氣體產量由累積氣體流量計直接讀數；瞬時產氣速率取單位時間流量值。在每次熱解實驗完成後，收集熱解反應器內的焦炭並稱重，由於垃圾未進行前期處理所以實際熱解殘炭中有一定灰分含量.焦油的液體部分分佈在三級冷凝器的熱解液收集瓶中，通過反應前後收集瓶的重量之差就可得到；膏狀焦油則凝結在氣體經過的管路中，將其取出並稱重。通過該方法確定的前後總量誤差小於5%(質量分數) ^[1]  。

(1)熱解終温為700℃與550℃相比，垃圾篩上物熱解產物中固體和液體的產率降低，氣體產率升高 ^[1]  。

(2)瞬時產氣速率曲線基本趨勢都是熱解初期的產氣速率上升較快，達到最大值後突然降低，並逐漸趨於平穩.説明開始升温後，物料就開始產氣，並且熱解終温升高，反應持續的時間變短，產氣時間相對比較集中，瞬時產氣速率明顯較大。工程應用中從熱解產氣角度來看，城市生活垃圾的篩上物更加適合採用700℃的熱解終温 ^[1]  。

(3)垃圾熱解反應的耗電量分為兩個階段反應初期增長較快，到一定值後開始呈線性趨勢緩慢增長，並且熱解終温越高，增長越快 ^[1]  。

(4)瞬時耗電量與瞬時產氣速率曲線形狀相近，而瞬時產氣速率曲線整體延遲了5～10min.表明作為供給熱解反應需要的能量，耗電量與熱解反應需要的能量一致，熱解反應越劇烈，消耗的能量越大 ^[1]  。

(5)熱解炭存在與否對垃圾熱解得到的固液氣產物產率、產氣特性和能量消耗等方面幾乎沒有影響 ^[1]  。

在小型外熱式固定牀熱解爐實驗台上，開展了垃圾篩上物在550℃至750℃範圍內熱解特性的實驗研究，並進行系統能量的分析。得到了熱解爐內不同部位物料的温度變化和不同熱解終温下的熱解產氣速度、產氣量及其它產物產量。結果表明，熱解爐內各部位温度先升高後趨於穩定，產氣速度在20min左右達到最大，且最大產氣速度、熱解液體量、產氣量隨終温升高而增加，殘炭量則隨終温升高而減少。其中50℃下熱解得到產物：127765g熱解液，102101L熱解氣和22018g殘炭。700℃下能量平衡分析表明：熱解氣和殘炭的熱值較高，垃圾熱解產物經過處理後作為燃料應用在熱解過程中可以減少外界能量的消耗，提高系統運行的經濟性 ^[2]  。

熱解是指在缺氧條件下使垃圾在高温下分解，產生可燃氣、液體焦油和固體殘炭等產物的反應，是一個複雜、連續的化學反應過程。國內外對垃圾熱解已有很多研究。Battle對城市垃圾熱解產氣進行了研究，證實熱解過程中所產生能量轉換超過。Srum等人用熱重量分析法研究了城市固體垃圾典型組分的熱解特性。LinKuenSong等人研究了RDF的熱解動力特性，得出熱解温度越高，越有利於熱解氣體產生的結論。東南大學用TGDTA92型熱重差熱分析儀對8種典型的城市生活垃圾組分進行了氮氣環境下的熱重、微分熱重和差熱試驗，研究了這些典型城市固體廢棄物的熱解特性得出了熱解終温升高，將導致熱解率增加的結論 ^[2]  。

國內外大多數研究是針對垃圾某單一組分的熱失重特性和熱解機理進行研究，得出的結論是針對具體垃圾組分的熱解特性；而對城市垃圾篩上物的整體熱解特性和熱解過程中能量分析的研究尚未見報導。城市垃圾進入垃圾廠後一般要進行機械篩選，將垃圾分為垃圾篩上物和可用於堆肥的垃圾。其中，垃圾篩上物成分複雜、不易回收、不易腐爛，且各成分在熱解反應中相互影響，不同於單一組分的熱解特性。因此，研究垃圾篩上物的熱解特性，對合理制定垃圾篩上物的處理方法具有很高的實用價值。在小型外熱式固定牀熱解爐實驗台上，開展垃圾篩上物熱解特性實驗研究，分析熱解過程中產物變化趨勢、能量轉換以及有害污染物的生成及控制 ^[2]  。

實驗物料為垃圾篩上物(指垃圾處理廠經篩選後的垃圾剩餘物)，未經過破碎和均勻化，主要含有塑料、橡膠及紙、布、木屑、棉等可燃成分和土、玻璃、金屬等不可燃成分，稱取505g垃圾篩上物從熱解爐頂部裝入，將熱解實驗各個裝置連接完畢，運行電加熱器。熱解實驗在內部為氮氣的環境下進行，用75kW的電加熱器以30min^-1的加熱速率將熱解爐由室温加熱至550℃、600℃、650℃、700℃、750℃，通過3只K型熱電偶分別測量熱解爐內下部、中部以及上部物料的温度。熱解產生的氣體經過除塵後進入冷凝管冷卻，經過冷卻後的熱解氣體經過濾器淨化後進入集氣囊，採樣收集熱解氣，剩餘氣體在熱解實驗裝置末端燃燒。實驗進行過程中記錄流量計表讀數、各熱電偶讀數、電錶讀數，通過流量計觀察沒有氣體產生時停止加熱，結束實驗 ^[2]  。

1)實驗結果表明，熱解温度是影響整個垃圾熱解過程的主要因素，熱解爐內物料温度的變化反映了熱解氣化過程；熱解爐內各部位的温度先逐漸升高而後趨於穩定；可根據氣化爐內各部分温度變化情況來監控熱解氣化反應的進行 ^[2]  。

2)熱解過程中，產氣速度的趨勢是熱解初期小，熱解過程進行到20min左右時達到最大，隨後不斷減少，在終温為750℃下最大產氣速度達到111.111mLkg^-1s^-1；累計產氣量在因熱解反應進行的前40min增加較快，產氣量約佔總產氣量的80%左右，增加到一定程度後趨於平緩 ^[2]  。

3)熱解終温升高，累計產氣量和最大產氣速度亦隨之增大，殘炭含量減少，垃圾減容量增多；熱解終温為750℃時垃圾量減少了56.4% ^[2]  。

4)能量分析表明，垃圾熱解產物發熱量較高；終温為700℃時熱解氣體和殘炭的發熱量約佔能量消耗量的52.2%，熱解法可將垃圾變為可利用的能量資源 ^[2]  。

5)垃圾熱解是在缺氧和除去氯等酸性氣體條件下進行的，大大抑制了硫化氫、氯化物等有害污染物的生成；熱解產生的氣體燃燒後的尾氣和熱解殘渣經過監測均符合標準，可實現垃圾處理的無害化、減量化和資源化 ^[2]  。