厨余垃圾燃烧特性研究

赵 学,何登科 , 王里奥

(1.国家电投集团远达环保工程有限公司，重庆 401122；2.重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400044)

1 引 言

厨余垃圾具有含水率高、易腐烂、有机物含量高等特点，通常采用填埋[1]和堆肥[2-3]对其进行无害化处理。然而，渗滤液和填埋气给填埋场带来巨大挑战；堆肥则有周期长、产能低等短板。因此，如何避免厨余垃圾处理过程中的二次污染，同时提高其无害化处理效率成为环保工作者所关注的焦点。

虽然厨余垃圾含水率高，但有机物含量也高，因而其干基的热值较高(2 100～3 100 kJ/kg[1])。据此可考虑对厨余垃圾采用热处理，实现无害化的同时也能资源化。近年来，生活垃圾衍生燃料(Refuse derived fuel, RDF)在发达国家普遍得到推广应用[4]。我国已有学者对生活垃圾制备衍生燃料的可行性做了相关研究，根据各地生活垃圾的理化性质的差异，具有制备RDF的条件[5]。然而，重庆在气候条件、地理环境、生活方式等方面异于其他城市，因而其生活垃圾组成也与其他城市相差加大，表现在含水率和厨余组分较高[6]。赵学等[7]以重庆市生活垃圾为例制得了品质良好的RDF产品，但还缺乏其燃烧特性的相关研究。

本文以热重分析为基础，对重庆市厨余垃圾的燃烧动力学参数进行了探讨，为更好的理解RDF的燃烧特点提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 实验材料

厨余垃圾从原生垃圾中分拣出来，剪碎、风干，然后磨碎(<1 μm)。本文所用原生生活垃圾取自重庆大学生活垃圾中转站(已有研究分析了组分和理化性质[7])，分选出厨余组分，并按照四分法取样，对样品(干燥基)进行元素分析和工业分析，其结果如表1所示。

表1 厨余垃圾的工业分析和元素分析Tab.1 The industrial and elemental analysis of kitchen waste (干基, wt.%)

注：a：元素分析仪(VarioMacro，德国)；b：《环境空气和废气氯化氢的测定 离子色谱法》(HJ549-2009)[8]；c：《煤的工业分析方法》(GB/T212-2008)[9]

从上述(表1)元素分析和工业分析可知，厨余垃圾(干基)的主要成分是有机质(含碳量37.62%)，挥发分占78.70%，低位热值为14.34 MJ/kg。同时，其氧含量高达42.81%(属于富氧燃料)。因此，对厨余垃圾进行热处理(焚烧或热解)是可行的。

2.2 实验方法

厨余垃圾的热重分析采用METTLER同步热分析仪(TGA/DSC1/1100LF, 瑞士)，主要的技术参数为：样品质量8±0.5 mg，温度范围为30～900℃，升温速率分别取20℃/min和30℃/min，空气速率50 mL/min。

3 结果与讨论

3.1 升温速率对热重的影响

为考察不同升温速率对厨余垃圾失重的影响，本文根据相关研究[10～13]选取20℃/min和30℃/min。得到其热重曲线(下图)，从图中可以看出，图a中有3个主要的失重阶段：(1)挥发分析出阶段(失重量32.42%)；(2)燃烧阶段(失重量失重32.35%)；(3)固定碳及燃尽阶段[14]。结合DTG曲线(图b)可以进一步细分为6段，分别为：(1)100～242℃；(2)242～335℃；(3)335～390℃；(4)390～531℃；(5)531～568℃；(5)605～771℃。由图可知，厨余垃圾在不同升温速率条件下的热重曲线趋势一致。由于升温速率过快会导致燃料内外受热不均，造成较大温度梯度，不利于能量的蓄积[11]，因此升温速率取20℃/min为宜。

图 厨余垃圾热重曲线Fig. TG and DTG curves of kitchen waste

3.2 厨余垃圾的燃烧动力学

3.2.1 燃烧反应参数

根据已有的相关研究[13,15～19]，固体燃料在不同气氛下的燃烧反应可用式(1)表示，其反应(燃烧)速率用dα/dt描述，升温速率为β=dT/dt。

A(s)→B(s)+C(g)

(1)

(2)

其中，α为t时刻参与燃烧反应的燃料的百分含量，如式(3)；n为燃烧反应的级数；k为燃烧反应常数，k可用阿伦尼乌斯公式(4)表示：

(3)

(4)

其中，W0、Wt和W∞为燃料初始、t时刻和反应终点浓度；A为反应频率因子；T为热力学温度，K；R为气体反应常数，8.314 J/(mol·K)；E为反应活化能，J/mol。

综上可得：

(5)

对式(5)积分处理，然后取自然对数得：

(6)

3.2.2 分段燃烧模型

为了得到燃烧反应的动力学参数，目前大多数关于有机废弃物燃烧的动力学研究主要有：连续模型(将燃烧和热解假设为几种物质的平行反应)和分段模型(将燃烧分不同温度段进行拟合进行研究)[19-20]。

因此，为了更好的理解厨余垃圾的燃烧反应。根据上述燃烧参数，从分段燃烧模型为切入点，对厨余垃圾燃烧的热重分析数据进行处理(主要的分析软件为Microsoft Excel 2016和OriginLab OriginPro 8.5)，基本结果如表2所示。同时对其燃烧反应进行分阶段拟合计算，分别得到各阶段的拟合方程，以及活化能和反应平率因子等相关动力学参数，结果如表3所示。

表2 厨余垃圾热失重参数Tab.2 TG parameters for kitchen waste

注：Ti为着火点，℃；T1、T2分别是第1、2个失重峰温度，℃；Te为熄火温度，℃;TGi为着火点热重，%；TG1、TG2分别为第1、2个失重峰值时刻热重，%；TGe为熄火时热重，%。

表3 厨余垃圾一级燃烧反应拟合参数Tab.3 Kinetic fitting parameters of first order combustion reaction for kitchen waste (20℃/min)

由表3可知，厨余垃圾的燃烧反应可用6个连续的一级反应表示，随着燃烧反应的推进其活化能和反应频率因子呈递增趋势。

(1)低温段(100～242℃)，随着温度的升高，垃圾颗粒间的物理吸附水和部分碳水化合物发生脱水反应(150～240℃[21])，导致热重损失10.83%。

(2)主要反应阶段(242～568℃，包括挥发分析出和燃烧)，有机质在高温下发生迅速的液化和挥发，两个主要失重阶段失重71.92%。首先(<400℃)，C-O键和C-C键逐步断裂，释放出小分子挥发性有机物；随后(>400℃)，较稳定的环状有机物(如木质素)发生裂解和碳化。

(3)高温阶段(605～771℃)发生碳燃烧反应[22]，首先生成络合物(3C+2O2→C3O4)；在高能量氧分子的撞击下，络合物分解(C3O4+C+O2→2CO+2CO2)；总反应为4C+3O2→2CO+2CO2，失重2.56%。

4 结 论

厨余垃圾虽然含水率高，但由于其主要成分是有机质(挥发分含量高达78.70%)，干基热值14.34 MJ/kg。因而具有一定的潜热可以利用，通过预处理降低其含水率提高其热值后，采用热处理技术可对厨余垃圾同时实现无害化和资源化。

通过热重实验结果可知，厨余垃圾燃烧的着火点为242℃，主要的燃烧失重阶段：液化脱挥发分(242～335℃)；稳定的环状有机物裂解和碳化(>400℃)。通过一级反应模型，100～771℃可用6个连续一级反应拟合(R2:0.889～0.977)。低温段为颗粒间物理吸附水分蒸发及部分碳水化合物脱水，活化能和反应频率因子低；主要失重阶段涉及到液化脱挥发分等分解反应，反应活化能和频率因子都大大提高。