温度对城市生活垃圾气化的影响研究——以餐厨垃圾中的典型组分米饭为例

陈宁锋，刘海力

(湖南人文科技学院 物理与信息工程系，湖南 娄底 417000)

生活垃圾的污染是各国面临的一个重大环境问题，在我国，城市生活垃圾的年排放量正以高于10%的速度递增［1］。目前，处理垃圾的主要方法有：卫生填埋、堆肥、焚烧、气化等。其中，气化法因能够降低二噁英排放量和重金属污染，同时具有减容化与资源化等优点，而被认为是最具潜力的垃圾处理技术［2－5］。

城市生活垃圾气化的理论研究还刚刚起步，目前，有学者研究了粒度、湿度、组分、催化剂对城市生活垃圾气化特性的影响［6］。温度作为气化过程的一个重要参数，关于其对气化过程影响的研究还不多。餐厨垃圾在城市生活垃圾中所占比例最高，一般为50%以上［7－9］，但是，鲜有专注于餐厨垃圾气化的研究报道。

本文以餐厨垃圾中的典型组分米饭为研究对象，探讨其在不同温度条件下，气化时产生CO、H2、SO2及NO 的情况，得出最佳气化温度，为城市生活垃圾的气化提供一定的理论参考。

一 实验

(一)实验准备

1.取样

从湖南人文科技学院学生食堂选取一定量的剩饭菜，把米饭分离出来。

2.干燥

称取100 克米饭，均匀放在玻璃皿中。然后，放入105℃的电热烘箱中，干燥2 小时后，称重。再放入电热烘箱中，每隔10min 取出称重一次，直到试样重量几乎不变为止。

3.粉碎

把干燥过的米饭粗略地弄成粒状，再倒入粉碎机中粉碎。

4.过筛

样品过80 目筛后，用包装袋装好，备用。

(二)实验设备

实验的主要设备有：管式炉；德国testo 公司生产的testo 350－XL 烟气分析仪，测定CO、H2、NO和SO2的浓度；氮气，流量为0.1m3/h。

(三)实验步骤

实验前准备工作完成后，开始进行实验，分别调节管式炉的温度为400℃、500℃、600℃、700℃、750℃、800℃、900℃、1000℃进行气化实验，每次取物料0.1 克，用小瓷舟装好，放入管式炉中，迅速把烟气分析仪插入到管式炉的产气端。实验期间，注意观察烟气分析仪的测试数据。

(四)测试的物理量

在每组数据中，我们将要测量的物理量包括：

①浓度峰值，单位(ppmv)。生成气体浓度的最大值。

②峰值出现时间，单位(s)。气体浓度达到峰值时对应的时间。

③起始时间、终止时间，单位(s)。对于CO 与H2，将气体浓度达到峰值的5%对应的时间定为起始时间，下降达到峰值的5%对应的时间定为终止时间；因SO2与NO 的浓度峰值较小，则取其浓度峰值的10%作为定义界线。

需要计算的物理量包括：

①反应时间，单位(s)。

反应时间(s)= 终止时间(s)－起始时间(s)

②平均值，单位(ppmv)。

其中浓度总量(ppmv)等于该气体浓度对反应时间的积分，其计算在Origin 中完成。

③产气总量，单位(mL)，气体体积指在常压下的体积。

在该实验中，产气总量的值很小，相比氮气的量，可以忽略不计，我们可以近似地认为氮气的总量=气体的总量，所以产气总量可用下式表示：

二 结果分析

(一)城市生活垃圾气化生成CO 的特性

米饭在不同温度条件下气化，产生气体CO 的情况，如图1 及表1 所示。

图1 米饭在气化过程中CO 的排放特性

表1 米饭在不同温度下气化生成CO 的情况

由图1 及表1 可以看出：在气化过程中，CO 的排放曲线存在一个峰值，且峰值的出现时间随着气化温度的上升逐渐提前。当气化温度分别为400℃与500℃时，CO 的体积浓度很小，峰值分别仅为336ppmv 与735ppmv，峰值出现的时间分别为212s与150s；当气化温度为600℃时，CO 排放峰值出现的时间为122s，峰值为2899ppmv；当气化温度为700℃时，CO 排放峰值出现的时间提前至92s，峰值也上升至14486ppmv；当温度上升至750℃时，峰值出现的时间相对于700℃只略为提前，为90s，但峰值却迅速上升至21260ppmv，相对于700℃时有较明显的增加，说明CO 的生成主要集中在此温度范围；当气化温度继续增加到800℃时，CO 排放峰值出现的时间提前至70s，而此时峰值却下降至16600ppmv；当反应温度分别为900℃和1000℃时，峰值分别为14300ppmv 和14417ppmv，峰值出现时间分别为52s 与42s。由此可见，CO 的排放浓度峰值在750℃时最大，当温度高于750℃时，CO 的浓度峰值反而开始下降。此外，我们还能发现，起始时间及终止时间随温度的升高而逐渐提前(750℃除外)，这是因为温度越高，反应速率越快。

从表1 中还可以看出：在400℃时，CO 的产量非常低，仅1.258mL；当温度等于600℃时，CO 总量明显增加，达到5.193mL；当温度为750℃时，CO产量达到最大值29.615mL；当温度大于750℃时，CO 的产量有所减少。因此，单从产生CO 的角度，可选取750℃左右作为运行温度，避免过高运行温度导致能量浪费及产气量的降低。

(二)城市生活垃圾气化生成H2的特性

米饭在不同温度条件下气化，产生可燃气体H2的情况，如图2 及表2。

图2 米饭在气化过程中H2的排放特性

表2 米饭在不同温度下气化生成H2的情况

从图2 及表2(其情况与图1、表1 相似)可看出，H2的排放浓度峰值和产气总量，在750℃达到最大值，再提高反应温度，H2的产气总量却下降。因此，选取750℃这个温度范围作为运行温度。

(三)城市生活垃圾气化生成SO2的特性

米饭在不同温度条件下气化，产生有害气体SO2的情况，如图3 及表3。

图3 米饭在气化过程中SO2的排放特性

表3 米饭在不同温度下气化生成SO2的情况

由图3 及表3 可以看出：在低温区(400－500℃)，几乎没有SO2的产生。在600℃时，产生较少的SO2；当温度上升到700℃时，在图中出现了相对明显的峰，峰值出现的时间为148s，峰值浓度为23ppmv；当温度上升到750℃时，我们发现并没有出现明显的峰值，其反应速率也大大降低，曲线趋于平缓；但当温度上升至800℃时，峰值又出现了，出现的时间提前至106s，峰值浓度也上升至33ppmv；900℃与1000℃时峰值出现的时间分别为88s 与84s，峰值出现的时间减少，但另一方面，SO2的排放浓度达到峰值后迅速下降至较低水平，说明高温虽然提高了反应速率，但SO2的排放总量取决于样品中的硫含量以及氧含量，当硫在高温下迅速转化为SO2后，样品中的硫和氧也迅速耗尽，导致SO2的排放量迅速下降。

从表3 中数据我们可以看出：SO2的生成很缓慢，反应时间都在200s 以上；由于SO2的产量较低，在反应过程中波动性较大，温度对SO2的排放没有明显的影响规律，在600℃及750℃时产量相对较少，分别为0.052mL 及0.054mL。因此，如果单从减少SO2的角度，温度为600℃与750℃较好。

(四)城市生活垃圾气化生成NO 的特性

米饭在不同温度条件下气化，产生有害气体NO 的情况，如图4 及表4。

图4 米饭在气化过程中NO 的排放特性

表4 米饭在不同温度下气化生成NO 的情况

由图4 可以看出：在气化过程中，当温度不高(600℃－800℃)时，NO 的排放浓度曲线较平坦；在高温度区(900℃，1000℃)，呈现出一个较明显的尖峰。900℃时，峰值出现的时间为34s，峰值浓度为21ppmv；1000℃时，峰值出现的时间提前至26s，峰值浓度也上升至40ppmv。与SO2的排放特性比较相似的一点是，高温(900℃－1000℃)时，在排放峰值过后NO 的排放浓度下降得比较迅速。

从表4 中数据我们可以看出：NO 的产生时间较长，都在250s 以上；温度对NO 产量影响不大，从600℃至1000℃的6 个温度点中(900℃除外)，产生的NO 量比较接近。

三 结论

以餐厨垃圾中的典型组分米饭为实验对象，选取了400℃、500℃、600℃、700℃、750℃、800℃、900℃及1000℃等8 个温度点，对产气中的主要可燃气体CO 与H2和主要有害气体SO2与NO 进行了测量。通过分析实验数据，得到了以下结论：

第一，CO 与H2的排放量在750℃时达到最大值，再提高反应温度，可以增快产气速率，但无法提高产量。因此，可选取750℃左右的温度作为气化运行温度。

第二，SO2与NO 的产量较低，温度对它们的排放特性影响不大。在600℃及750℃时，SO2产气总量相对较小，分别为0.052mL 及0.054mL；温度的增加并不会影响NO 的产气总量，只是当温度较高(900℃－1000℃)时，NO 排放浓度曲线会产生一个尖峰，而温度较低时，浓度曲线较平缓。

［1］中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2004［M］.北京：中国统计出版社，2005：438－439.

［2］高宁博，李爱民.固体废弃物气化处理半经验模型研究［J］.太阳能学报，2009，30(8)：1111－1117.

［3］李建新.国内城市生活垃圾特性及其处理技术研究［J］.热力发电，2006，35(1)：11－14.

［4］Yao Binyang，Vida N Sharifia，Jim Swithenbank，et al.Converting moving－grate incineration from combustion to gasification－ numerical simulation of the burning characteristics［J］.Waste Management，2007，27(5)：645－655.

［5］池涌，郑皎，金余其，等.模拟垃圾流化床气化特性的实验研究［J］.中国电机工程学报，2008，28(29)：59－63.

［6］罗思义.城市生活垃圾破碎机的研制及粒径对垃圾热解气化特性的影响研究［D］.武汉：华中科技大学，2010.

［7］Zhao Wei，Ester van der Voet，Zhang Yufeng，et al.Life cycle assessment of municipal solid waste management with regard to greenhouse gas emissions：Case study of Tianjin，China［J］.Science of the Total Environment，2009，407：1517－1526.

［8］He Maoyun，Hu Zhiquan，Xiao Bo，et al.Hydrogen－rich gas from catalytic steam gasification of municipal solid waste (MSW)：Influence of catalyst and temperature on yield and product composition［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34：195－203.

［9］Xiao Gang，Ni Mingjiang，Chi Yong，et al.Gasification characteristics of MSW and an ANN prediction model［J］.Waste Management，2009，29：240－244.