城市生活垃圾热风干燥模拟实验研究

徐 昕,黄立维,闫晶晶,岳 桥

(1.浙江工业大学生物与环境工程学院,浙江 杭州 310032;2.杭州维华环境工程技术有限公司,浙江 杭州 310017)

城市生活垃圾的处理主要有堆肥、填埋和焚烧等方法[1],其中焚烧法由于具有无害化、减量化和资源化等优点,近年来在我国得到了迅速的发展.垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel,简称RDF)具有热值高、燃烧稳定、易于储存和运输及二次污染少等特点[2-3],作为供热和发电的燃料,相比于的垃圾直接焚烧有很大的优势.

我国城市生活垃圾的含水量一般在40～50%左右,特别是南方地区的含水率更高[4].垃圾中较高的含水量会影响RDF的成型以及RDF在焚烧过程的热量损失,一般合格的RDF含水量需控制在5%～10%左右.因此,如何在RDF成型前对垃圾进行有效干燥除去其所含水分对提高RDF的热值起着至关重要的作用.目前,国内外对高含水率的城市生活垃圾方面的干燥研究还相当少.有研究利用生活垃圾中有机物降解产生的生物能对高水分的城市生活垃圾进行生物干燥实验,从热解和气化性能看,干燥后的垃圾可以作为理想的能源[5].张衍国、陈梅倩等在焚烧炉条件下对典型城市生活垃圾的干燥过程进行研究,通过在马弗炉内对典型城市生活垃圾进行干燥实验,获得了其在炉内的干燥特性曲线及干燥动力学参数[6].

实验选取含水率约为80%的生活垃圾厨余物,新鲜土豆作为主要研究对象,在热风干燥装置中进行干燥,对干燥过程研究分析,明确影响干燥的因素,从而为我国城市生活垃圾的干燥研究提供参考.

1 实验装置及实验材料

1.1 实验装置

采用的热风干燥装置如图1所示.将电热带缠绕在铁管表面,用调压器控制电热带的温度加热铁管,空气泵鼓出的空气通过铁管后被加热,产生热风,风速由流量计调节,热风在与物料接触的过程中传递热量,促进物料中水分从表面到内部的扩散和蒸发,从而达到干燥物料的目的.

图1 热风干燥装置Fig.1 Experimental apparatus for hot-air RDF drying

1.2 实验材料

通过对杭州市区8个典型垃圾中转站的垃圾进行抽样调查和分析,获得了最有代表性的几种典型成分,其中厨余物、木材、纸类和纺织物含水分较高,且厨余物在垃圾中占有的比重最大,因此,主要选取含水率较高的新鲜土豆作为主要研究对象,对其在热风干燥装置中干燥的实验结果进行分析和讨论.

2 热风干燥装置试验结果及分析

2.1 干燥温度对干燥过程的影响

改变热风温度(100,120,140,160℃),在风速1.8 m/s,湿度40%～45%的条件下,尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的土豆块含水率干燥到10%所用的时间与风温的关系,如图2所示,相应的干燥速率曲线,如图3所示.

从图2中可以看出风温的变化对土豆块的干燥过程影响较大,随着温度的升高,土豆块完全干燥所用的时间明显减少,土豆块含水率干燥到10%左右,热风温度为100,120,140,160℃时,分别用了60,40,30,25 min.

在热风干燥过程中,物料与干燥介质间的换热为

式中:Q为传热速率,W/s;α为对流换热系数,W/(m2·s·℃);TA为热空气温度,℃;F为物料表面积,m2;T为表面温度,℃.

显然,在F,α和T不变的情况下,TA的增大使传入的热量Q增大,这样Q增大,蒸发也就越快,水分逸出物料表面也就越容易,因而干燥速度也就越大.但是,随着温度升高,干燥所用的时间间隔越来越短,时间曲线越来越平缓.当热风温度大于140℃时,温度的升高对干燥效果的影响较小.

图3为不同风温下土豆块的干燥速率曲线,从中可以看出,土豆块的干燥过程可以划分为降速和恒速两个阶段.干燥初期,随着土豆块内自由水的减少,使得土豆块内部水分向表面迁移的速率低于水分迁移到表面的蒸发速率,从而产生的降速阶段.此阶段内,干燥速率随温度的升高而增大,高温度段速率上升不明显.到干燥后期,主要是少量自由水和结合水的去除过程,由于结合水含量较少,失水量前后变化不明显,由此产生了恒速阶段.图中还能看出,温度越低,干燥速率越低,恒速阶段持续的时间也越长.在温度为120,140,160℃时,干燥初期的降速段速率曲线基本重合,到恒速段才略微分离,说明在干燥初期,120～160℃温度段内温度的提升对干燥速率影响较小.

2.2 物料厚度对干燥过程的影响

实验中选取了长和宽都为10 mm,厚度分别为5,8,10,12 mm的土豆块,在风温140℃,风速1.8 m/s,湿度40%～45%的条件下,考察土豆块的厚度对干燥的影响,实验结果如图4所示.

图4 不同厚度土豆块含水率干燥时间与厚度的关系Fig.4 Drying time versus thickness for potato blocks

从图4中可以看出,土豆块厚度分别为12,10,8 mm时,含水率下降到10%左右所需时间为35,30,25 min,而当土豆块厚度为5 mm时,干燥时间仅需16 min.由此可以看出,较薄的土豆块干燥效果好,随着厚度的增加干燥效果逐渐变差.

2.3 热风风速对干燥过程的影响

如图5所示,风温140℃,湿度40%～45%的条件下,改变热风风速(1.2,1.4,1.6,1.8 m/s)得到10 mm×10 mm×10 mm的土豆块含水率干燥到10%所用时间和风速的关系曲线.

图5 不同风速下土豆块含水率干燥时间与风速的关系Fig.5 Drying time versus air velocity for potato blocks

风速越大,等量的热空气与土豆块接触的时间减少,风速为1.2,1.4,1.6,1.8 m/s时,接触时间分别为0.08,0.07,0.06,0.05 s,也就是说,接触时间越短,在相同的时间内土豆块与热空气的换热次数越多,有利用水分的散发,加快了干燥的进行.

从图5中可以看出,土豆块含水率降为10%时,随着风速的增加,干燥所需的时间随之减少,但风速为1.2～1.6 m/s时减小幅度不是很明显,所需的时间相差无几,分别为35,33,32 min,而风速为1.8 m/s时所需时间仅为22 min.由此可见,在实验范围内,风速为1.8 m/s的时候土豆块的含水率下降的最快,干燥效果较好.

2.4 空气湿度对干燥过程的影响

环境的空气湿度是影响物料热风干燥的一个重要因素,为了研究其影响,在风温140℃,风速1.8m/s的条件下,改变空气的湿度对10 mm×10 mm×10 mm的土豆块进行干燥,将含水率降为10%所需的时间,如图6所示.从图6中可以看出,随着空气湿度的增加,土豆块的干燥速率减慢,干燥所需的时间增大,湿度为43%,76%,90%时,所需的时间分别为22,30,35 min.

图6 不同空气湿度下土豆块的干燥时间和湿度的关系Fig.6 Drying time versus hot-air humidity for potato blocks

热风干燥过程中物料与干燥介质间的传质方程为式中:J为传质速率,kg/s;hM为物料和空气界面的对流传质系数,kg/(m2·s);A为有效表面积,m2;yA为物料界面的空气湿度,kg/kg;yAS为空气流中的空气湿度,kg/kg.

当hM,A和yA不变时,热风中的空气湿度yAS的增大,使得传质速率J降低,延长了干燥时间.

在空气湿度大的环境中,水蒸气的分压变大,当热风温度基本恒定的情况下,湿度的增大使得土豆块表面水分的蒸发速度降低,从而降低了其干燥速度.实验表明:在晴天条件下(湿度40%～45%),土豆块的干燥效果最好,其次为雨天条件下(湿度约为75%),高湿度条件下(湿度约为90%)干燥效果最差.

2.5 生活垃圾各主要成分的干燥过程

在风温140℃,风速1.8 m/s,湿度40%～45%的条件下,选取垃圾主要成分中具有代表性的物质及其混合物进行干燥,得到曲线图(图7,8).

从图7,8中可以看出,湿纸张、湿织物及湿木块的干燥时间明显比土豆、豆芽这些植物类要短.这是由于植物类中结合水较多,延长了干燥时间.在图8的垃圾混合物干燥曲线中,前10 min含水率下降很快,干燥速率约为0.06 g/(g·min),对比湿纸张、湿织物、湿木块及植物类的干燥曲线,也发现类似现象,主要是由于自由水大量损失造成的.10 min后,垃圾混合物的干燥曲线趋于平缓,含水率变化很小,干燥速率约为0.01 g/(g·min),主要是结合水的损失过程.

3 结 论

(1)热风干燥装置中干土豆的燥过程可以划分为降速段和恒速段,随着温度的升高,土豆块完全干燥所用的时间明显减少.当风温为100～140℃时,温度的升高能大大提高干燥速率效果,但当风温大于140℃时,干燥速率提高不大.

(2)干燥过程中,土豆块的厚度越小,干燥速率越快,干燥效果越好.在相同实验条件下,5 mm厚的土豆块干燥所需时间最少,干燥速率最快.

(3)干燥过程中,热风风速越大,干燥速率越快,在实验范围内,风速为1.8 m/s时,干燥效果最好.

(4)环境的空气湿度对干燥也有较大的影响,湿度增加会降低物料的干燥速率,延长干燥时间.在晴天条件下(湿度40%～45%)干燥效果最佳.因此,当空气湿度增加时,需要对干燥过程中的其他参数做相应的调整,以保证干燥的效果.

(5)生活垃圾的干燥过程中,前期的干燥速率较快,干燥速率约为0.06 g/(g·min),主要是垃圾中自由水的蒸发过程.由于结合水与垃圾结合紧密,去除相对较难,后期干燥速率开始变缓慢,干燥速率约为0.01 g/(g·min),直至完全干燥.

[1] 张亚尊,张磊,张帆.我国城市生活垃圾的处理和发展趋势[J].中国环境管理干部学院学报,2007,17(3):9-11.

[2] 张显辉,任卉.垃圾衍生燃料(RDF)的制备及其燃烧技术研究[J].环境科学与管理,2008,33(12):14-16.

[3] 王泽生,叶会华,刘志军,等.垃圾衍生燃料的制备工艺及关键技术[J].天津城市建设学院学报,2008,14(4):290-294.

[4] 张于峰.城市生活垃圾的处理方法及效益评价[J].自然科学进展,2004,8(14):863-869.

[5] ZAWADZKA G,K RZYSTEK L,LEDAKOWICZ S.Autothermal biodrying of municipal solid wastes with high moisture content[J].Chemical Papers,2010,64(2):265-268.

[6] 张衍国,陈梅倩,蒙爱红,等.焚烧炉条件下典型城市生活垃圾干燥过程的实验研究[J].中国科学E辑:技术科学,2008,38(5):729-735.