餐廚垃圾的混速熱解實(shí)驗研究

第41卷第5期太原理工大學(xué)學(xué)報VoL 41 No 52010年9月JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYSep.2010文章編號:1007-9432(2010)05-0508-04餐廚垃圾的混速熱解實(shí)驗研究錢(qián)鵬,汪華林,王劍剛(化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗室,華東理工大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200237)摘要:通過(guò)分析餐廚垃圾的熱重曲線(xiàn)(TG/DTG),研究了其熱解特性,得出了適合餐廚垃圾熱解的工藝條件;同時(shí)通過(guò)外熱式回轉反應爐,采用介于快速熱解與慢速熱解技術(shù)之間的50~200℃/min加熱速率的混速熱解工藝,進(jìn)行了5kg/h的餐廚垃圾熱解實(shí)驗,分別收集了熱解反應的三相產(chǎn)物,研究了不同產(chǎn)物的收率,并針對性地分析了熱解焦油和熱解焦炭的成分組成及熱值。關(guān)鍵詞:混速熱解;餐廚垃圾;燃料油中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A2010年世博會(huì )正在中國上海如火如茶的舉行,翻滾、軸向及徑向的復雜運動(dòng)導致物料在這三個(gè)不本屆世博會(huì )的主題是:“城市,讓生活更美好”。而隨同溫度區間更替。因此,這種加熱方式包括了各種著(zhù)城市化水平和人們生活水平的不斷提高,城市生加熱速度在內的混合加熱方法,稱(chēng)為混速加熱。相活垃圾的產(chǎn)量與日俱增,成為城市令人頭痛的問(wèn)題較于快速熱解技術(shù)來(lái)說(shuō),外熱式回轉反應爐對原料之一。為了創(chuàng )建更加美好的城市生活,餐廚垃圾的要求不太嚴格,工藝難度及成本都比較小n;而相無(wú)害化減量化和資源化處理就成為了眾多專(zhuān)家學(xué)較于慢速熱解技術(shù)來(lái)說(shuō),外熱式回轉反應爐則提高者需要認真對待的一個(gè)問(wèn)題了熱解速率及熱解度,熱利用效率高,同時(shí)提高產(chǎn)物餐廚垃圾是指食物殘余和食品加工廢料,主要的品質(zhì)。為餐廚垃圾中的固體殘留物。餐廚垃圾的處理是全世界各個(gè)國家都普遍關(guān)注的問(wèn)題,就目前來(lái)說(shuō),餐1實(shí)驗部分廚垃圾的處理方法很多,特別是飼料化、肥料化和能1.1實(shí)驗原料源化處理是餐廚垃圾能源化處理的重要方向,但是本實(shí)驗的原料主要來(lái)自上海市環(huán)境中心在徐匯這些技術(shù)由于其嚴格的工藝條件和高昂的裝置費用區的餐廚垃圾處理點(diǎn)—龍水南路北灘60號的餐限制了其工業(yè)推廣和發(fā)展,目前都停留在實(shí)驗階段,廚垃圾原料。尚未到達實(shí)用階段,隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步,餐廚垃圾的能實(shí)驗前,需要對原料進(jìn)行預處理,首先將餐廚垃源化處理將受到越來(lái)越多的關(guān)注圾置于干燥箱中在105±5℃溫度下烘干加熱4h,餐廚垃圾的熱解是指將有機餐廚垃圾在無(wú)氧或接著(zhù)再用萬(wàn)能粉碎機粉碎并篩分至粒徑小于0.5缺氧的條件下加熱,使餐廚垃圾的有機物化合鍵斷mm,裝人磨口瓶中待用。裂,產(chǎn)生小分子物質(zhì)(氣態(tài)和液態(tài))及固態(tài)殘渣的過(guò)1.2實(shí)驗裝置及實(shí)驗方法程。傳統焚燒處理等技術(shù)很難適應對環(huán)境保護的嚴1.2.1熱重實(shí)驗格要求,外熱式回轉熱解技術(shù)可以有效解決環(huán)境污實(shí)驗儀器為上海天平儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的WRT-1型染和能量利用的問(wèn)題,是餐廚垃圾處理技術(shù)的研究熱重分析儀,測重量程0.1~1000mg。最小分度和發(fā)展方向。本研究采用了獨特的回轉反應爐進(jìn)值1μg。每次實(shí)驗稱(chēng)取樣品質(zhì)量為10mg,實(shí)驗氣行熱解實(shí)驗,該結構的加熱方式使物料的加熱速度氛為N2,N2流速80mL/min,升溫速率為20℃/呈現較大的不均勻性,接觸加熱壁面的物料為快速min,升溫至終態(tài)溫度600℃后恒定10min。每種試熱解,接觸氣氛的物料加熱速度次之,而在物料堆中樣H中國煤化工三次,使TG曲線(xiàn)的加熱速率最慢,屬于慢速加熱,同時(shí)由于物料的在CNMHG以下收稿日期:201006-12作者簡(jiǎn)介:錢(qián)鵬(1983-),男,新疆烏魯木齊人,在讀博士,主要從事生物質(zhì)能源研究,(Tel)18601650923第5期錢(qián)鵬等:餐廚垃圾的混速熱解實(shí)驗研究1.2.2混速熱解實(shí)驗此階段熱解反應劇烈失重迅速失重率為60.5%;本實(shí)驗的實(shí)驗裝置主要由進(jìn)料料斗、回轉爐反從DTG曲線(xiàn)可知,最大熱解速度也叫特征溫度,發(fā)應器、高溫反應罐、冷凝器、儲油罐、尾氣回收系統及生在310℃左右?？刂葡涞炔糠纸M成。該裝置采用獨特的回轉反應爐2.2混速熱解實(shí)驗分析加熱設計,確保了反應物料的快速均勻升溫;與之配在餐廚垃圾混速熱解反應過(guò)程中產(chǎn)生的高溫氣套的控制箱能準確控制升溫速率以及加熱終溫。體進(jìn)入冷凝器冷卻并收集冷凝液體產(chǎn)物,該部分液餐廚垃圾的混速熱解制取燃料油實(shí)驗的主要步體稱(chēng)為餐廚焦油,成分包括:飽和烴、芳烴瀝青質(zhì)驟如圖1所示。先對餐廚垃圾在200±50℃范圍內極性物不飽和烴及含氧衍生物等。一般它的產(chǎn)量進(jìn)行預熱,進(jìn)一步去除水分,提高進(jìn)入加熱系統的基占整個(gè)預處理后的餐廚垃圾質(zhì)量的50%左右,是熱礎溫度。然后進(jìn)入回轉爐加熱反應器,在無(wú)氧條件解工藝的主要產(chǎn)物;一部分無(wú)法冷凝的氣體另行收下,對餐廚垃圾進(jìn)行較快的變速加熱,加熱速度為集,該部分氣體主要成分為CO2和CO,還有少量烴50~200℃/min,加熱到450~600℃。再進(jìn)入高溫類(lèi)氣體和H2;固體產(chǎn)物至一個(gè)反應周期結束后從冷反應罐,溫度保持在450~600℃,使物料在反應器卻了的高溫反應罐中取出,它的主要成分為優(yōu)質(zhì)生中進(jìn)行熱解反應,直至反應完全。最后,分別收集氣物焦炭。餐廚垃圾(樣品1)在實(shí)驗中得到的氣體、體、液體和固體三相產(chǎn)物計算收率,并分析液體產(chǎn)物液體和固體三相產(chǎn)物收率如表1所示。和固體產(chǎn)物的成分和熱值。表1樣品1的混速熱解產(chǎn)物分布(質(zhì)量分數)%餐廚垃圾原料固體產(chǎn)物收率液體產(chǎn)物收率[氣體產(chǎn)物收率餐廚垃圾2.2.1液體產(chǎn)物及分析由表1可知,混速熱解實(shí)驗的液體收率達到了52%該液體產(chǎn)物靜置一段時(shí)間會(huì )分層,上層呈現黑餐廚焦炭色粘稠狀的液體為熱值高的焦油類(lèi)有機液體,下層為呈暗紅色以水分為主及一些溶于水的有機物,就粉碎機;2一干燥器;3-回轉爐反應器;4一高溫反應罐上下兩層比例來(lái)說(shuō),接近于1:1。通過(guò)含水率的測5一冷凝器;6—儲油罐;7一尾氣處理系統試,發(fā)現餐廚焦油的上下兩層含水率分別為3.85%圖1餐廚垃圾混速熱解制燃料油流程圖和72.9%。所以,焦油類(lèi)液體收率相對來(lái)說(shuō)還是比較高的,尤其對于上層焦油,含水率僅為3.85%,可2結果與討論預計其熱值較高。從這一點(diǎn)考慮,餐廚垃圾很合適2.1熱重實(shí)驗結果分析于制取燃料油。對餐廚垃圾進(jìn)行熱重實(shí)驗得到的TG和DTG借鑒石油部標準SY/T5119—1995“巖石可溶曲線(xiàn)如圖2所示。有機物和原油族組分分析方法”進(jìn)行液體產(chǎn)物(餐廚焦油)的族分層析。結果見(jiàn)表2。表2樣品1的焦油族組分分析結果(質(zhì)量分數)%樣品飽和烴芳烴極性物瀝青質(zhì)不飽有烴及含氧衍生物TG曲線(xiàn)餐時(shí)焦油|4995.2821.4114DTG曲線(xiàn)在上述焦油組分中,瀝青質(zhì)是分子量較大的多000406080110種聚合物的混合體,難以用一般的色譜方法進(jìn)行分溫度r℃離和鑒定。其余族分的利用價(jià)值較大,故采用色譜圖2餐廚垃圾熱解曲線(xiàn)質(zhì)譜聯(lián)用(GCMS)法分離瀝青質(zhì)以外的族分進(jìn)行圖2給出了在升溫速率為10℃/min,反應性氣全烴氣相色譜分析,分析標準為SY/T5779-1995。體流速為20mL/min的條件下,餐廚垃圾在N2氣經(jīng)中國煤化工哥焦油碳鏈分布圖。氛中的TG和DTG曲線(xiàn)。由圖可以看出餐廚垃圾從在N2氣氛下的熱解分為四個(gè)階段。而在165~占到CNMHG間的碳原子分布可以,主要成分為各類(lèi)烷500℃區間,餐廚垃圾開(kāi)始大量快速地析出揮發(fā)分,烴、烯烴和腈烴,多為有機油類(lèi)。510太原理工大學(xué)學(xué)報第41卷或燃料」表3餐廚焦炭與褐煤的元素和熱值分析元素質(zhì)量分數/%熱值分析/(M·kg-1)HoN彈筒發(fā)熱量Tmm餐廚焦炭43230334720917.19褐煤41.3534610053042927(標準爛〕碳原子數圖3餐廚垃圾焦油碳鏈分布焦炭中C,H,O,N等元素的殘余量從宏觀(guān)反映從表2和圖3可以看出,餐廚垃圾混速熱解后了反應過(guò)程從原料到各產(chǎn)物的元素轉化規律。分析在產(chǎn)物中最具經(jīng)濟價(jià)值的液體產(chǎn)物(餐廚焦油)收率焦炭元素的變化,從C,HO的元素殘留率大小和為523%,固體產(chǎn)物(餐廚焦炭)收率為31.1%,兩變化可以看出,反應過(guò)程中H和O的轉化比C要者占到了整個(gè)餐廚垃圾總質(zhì)量的83.4%。說(shuō)明該相對容易,主要是由于餐廚的含氧官能團(羰基和羧熱解工藝的效果非常好,具有很高的經(jīng)濟性和生產(chǎn)基)在較低溫度下就發(fā)生了分解反應,這樣也是氣體價(jià)值中高的CO及CO2含量、焦油族分中含氧量以及炭2.2.2固體產(chǎn)物及分析的熱值高于原始物料熱值的原因餐廚垃圾的固體產(chǎn)物主要為焦發(fā),經(jīng)熱解處理3結束語(yǔ)后的餐廚焦炭呈黑色粉狀形態(tài),干燥、不黏,偶成塊狀,一捏即碎。1)通過(guò)對餐廚垃圾進(jìn)行熱重分析,發(fā)現餐廚垃為了了解餐廚焦炭的性質(zhì),筆者對餐廚垃圾熱圾的主要熱解區間在165~500℃之間,特征溫度發(fā)解固體產(chǎn)物進(jìn)行了元素分析及熱值分析,分析標準生在310℃左右分別為GB/T213-1996,GB/T4762001和2)熱解試驗采用了外熱式回轉反應爐,其特點(diǎn)GB212-91,并與褐煤作了對比,具體見(jiàn)表3.其中是:加熱方式包括了快速熱解和慢速熱解的混速加H/C原子比是衡量焦炭熱值的重要因素,H/C越熱,工藝難度小且有利于提高產(chǎn)物收率和品質(zhì)髙,焦炭熱值也越大。從焦炭的干燥基元素分析結3)通過(guò)外熱式回轉反應爐進(jìn)行5kg/h的混速果可以看出餐廚垃圾固體產(chǎn)物焦炭中碳元素含量熱解實(shí)驗,得到了餐廚焦油、餐廚焦炭和不可冷凝氣在65%以上,H/C比值高熱值為17.119M/kg,體三相產(chǎn)物,主要針對液體和固體兩相進(jìn)行了組分故其品質(zhì)較好。這些焦炭均可進(jìn)一步深加工后作為及熱值分析,發(fā)現餐廚焦油和餐廚焦炭產(chǎn)物收率大生產(chǎn)原料(達到了83%),熱值高,具有一定的經(jīng)濟利用價(jià)值。參考文獻[1]解強邊炳鑫,趙由才城市固體廢棄物能源化利用技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.[2]中國環(huán)境與發(fā)展大會(huì )編委會(huì )中國21世紀議程一中國21世界人口環(huán)境與發(fā)展白皮書(shū)[M].北京:中華環(huán)境科學(xué)出版社,1994[3] Gary C Matteson, Jenkins B M. Food and processing residues in California: Resource assessment and potential for powergeneration[J]. Bioresource Technology, 2007, 98(16),3098-3105[4]崔亞偉陳金發(fā)餐廚垃圾的資源化現狀及前景展望[刀中國資源綜合利用200(10):31-32[5] Luo Zhong-yang, Wang Shurong, Liao Yan-fen, et al. Research on biomass fast pyrolysis for liquid fuel[J]. Biomass anBioenergy,2004(26):455-462.[6] Banu B V. Heat transfer and kinetics in the pyrolysis of shrinking biomass particle[J]. Chemical Engineering Science, 2004[7]蘇學(xué)泳,王智微程從明等生物質(zhì)在流化床中的熱解和氣化研究[],燃料化學(xué)學(xué)報,2000,28(4):298-305[8]汪華林,張振華,胥培軍,等廚余垃圾的焦化處理方法及其處理裝置[P]中國發(fā)明專(zhuān)利申請號:200710037956.9公開(kāi)號:CN101020826[9]楊海平陳漢平鞠付棟等典型煤種加壓熱解與氣化實(shí)驗研充[J[10]李晶,華珞,王學(xué)江國內外城市生活垃圾處理的分析與比較[中國煤化工55(3):73-80[]日本能源學(xué)會(huì )生物質(zhì)和生物能源手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版CNMHG[12]胡貴平,楊萬(wàn)張廣裕國內主要城市餐廚垃圾處理進(jìn)展[城市管理與科技,206.8(6):267-268.[13] Russ Winfried, Meyer-Pittroff Roland, Dobiasch Alexander. Usability of food industry waste oils as fuel for diesel engines第5期錢(qián)鵬等:餐廚垃圾的混速熱解實(shí)驗研究511[J]. Journal of Environmental Management, 2008, 86(4):427-434[4]方戰強吳堅,鮑倫軍.餐廚垃圾處置方法探討[門(mén)華南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007(1):70-74.[15] Ayhan Demirbas. Biofuels sourcesolicy, biofuel economy and global biofuel projections [J]. Energy Conversionand Management, 2008(49):2106-2116Research on Multi-rate Pyrolysis of Kitchen ResidueQIAN Peng, WANG Hua-lin, WANG Jian-gangState Key Laboratory of Chemical Engineering, School of Mechanical and Power EngineeringEast China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: The pyrolysis characteristics of kitchen residue were studied and the optimal pyrolysis condition was obtained by analyzing the thermogravimetric curves(TG/DTG). Then a pyrolysis experiment was carried out using external heated rotary furnace with a throughput of 5kg/h and heating rate ranging from 50C/min to 200C/min. Under the experiment, 3-phaseproducts were collected and their composition distributions were measured. The composition andthermal value of products were also analyzedKey words: multi-rate pyrolysis: kitchen residue; fuel oil(編輯:劉笑達)(上接第507頁(yè))Study on Catalytic performance of SAPO-34and nano-ZSM-5 Molecular Sieves on Methanol-to-olefins ReactionZHANG Peng-fei", LI Yu-ping", ZHANG Hai-rong, ZHANG Qing, DOU Tao"(a Institute of Special Chemicals, TUT: b College of Materials Science and Engineering, TUT, Taiyuan 030024, China)Abstract: SAPO-34 molecular sieves with CHA framework and nano- ZSM-5 molecular sieveswith MFI framework were synthesized and characterized by XRD, Bet method, NH3-TPD andSEM techniques. In Methanol-to-olefins (MTO)reaction, high selectivity of ethylene and pro-pylene of SAPo-34 zeolite and high selectivity of propylene of nano-ZSM-5 zeolite were observed.Meanwhile, nano-size ZSM-5 zeolite had longer life, which is a promising catalyst in modern inKey words: SAPO-34; Nano-ZSM-5; Selectivity MTO(編輯:劉笑達)中國煤化工CNMHG