溫度對城市生活垃圾氣化的影響研究
——以餐廚垃圾中的典型組分米飯為例

陳寧鋒，劉海力

(湖南人文科技學院 物理與信息工程系，湖南 婁底 417000)

生活垃圾的污染是各國面臨的一個重大環境問題，在我國，城市生活垃圾的年排放量正以高于10%的速度遞增［1］。目前，處理垃圾的主要方法有：衛生填埋、堆肥、焚燒、氣化等。其中，氣化法因能夠降低二噁英排放量和重金屬污染，同時具有減容化與資源化等優點，而被認為是最具潛力的垃圾處理技術［2－5］。

城市生活垃圾氣化的理論研究還剛剛起步，目前，有學者研究了粒度、濕度、組分、催化劑對城市生活垃圾氣化特性的影響［6］。溫度作為氣化過程的一個重要參數，關于其對氣化過程影響的研究還不多。餐廚垃圾在城市生活垃圾中所占比例最高，一般為50%以上［7－9］，但是，鮮有專注于餐廚垃圾氣化的研究報道。

本文以餐廚垃圾中的典型組分米飯為研究對象，探討其在不同溫度條件下，氣化時產生CO、H2、SO2及NO 的情況，得出最佳氣化溫度，為城市生活垃圾的氣化提供一定的理論參考。

一 實驗

(一)實驗準備

1.取樣

從湖南人文科技學院學生食堂選取一定量的剩飯菜，把米飯分離出來。

2.干燥

稱取100 克米飯，均勻放在玻璃皿中。然后，放入105℃的電熱烘箱中，干燥2 小時后，稱重。再放入電熱烘箱中，每隔10min 取出稱重一次，直到試樣重量幾乎不變為止。

3.粉碎

把干燥過的米飯粗略地弄成粒狀，再倒入粉碎機中粉碎。

4.過篩

樣品過80 目篩后，用包裝袋裝好，備用。

(二)實驗設備

實驗的主要設備有：管式爐；德國testo 公司生產的testo 350－XL 煙氣分析儀，測定CO、H2、NO和SO2的濃度；氮氣，流量為0.1m3/h。

(三)實驗步驟

實驗前準備工作完成后，開始進行實驗，分別調節管式爐的溫度為400℃、500℃、600℃、700℃、750℃、800℃、900℃、1000℃進行氣化實驗，每次取物料0.1 克，用小瓷舟裝好，放入管式爐中，迅速把煙氣分析儀插入到管式爐的產氣端。實驗期間，注意觀察煙氣分析儀的測試數據。

(四)測試的物理量

在每組數據中，我們將要測量的物理量包括：

①濃度峰值，單位(ppmv)。生成氣體濃度的最大值。

②峰值出現時間，單位(s)。氣體濃度達到峰值時對應的時間。

③起始時間、終止時間，單位(s)。對于CO 與H2，將氣體濃度達到峰值的5%對應的時間定為起始時間，下降達到峰值的5%對應的時間定為終止時間；因SO2與NO 的濃度峰值較小，則取其濃度峰值的10%作為定義界線。

需要計算的物理量包括：

①反應時間，單位(s)。

反應時間(s)= 終止時間(s)－起始時間(s)

②平均值，單位(ppmv)。

其中濃度總量(ppmv)等于該氣體濃度對反應時間的積分，其計算在Origin 中完成。

③產氣總量，單位(mL)，氣體體積指在常壓下的體積。

在該實驗中，產氣總量的值很小，相比氮氣的量，可以忽略不計，我們可以近似地認為氮氣的總量=氣體的總量，所以產氣總量可用下式表示：

二 結果分析

(一)城市生活垃圾氣化生成CO 的特性

米飯在不同溫度條件下氣化，產生氣體CO 的情況，如圖1 及表1 所示。

圖1 米飯在氣化過程中CO 的排放特性

表1 米飯在不同溫度下氣化生成CO 的情況

由圖1 及表1 可以看出：在氣化過程中，CO 的排放曲線存在一個峰值，且峰值的出現時間隨著氣化溫度的上升逐漸提前。當氣化溫度分別為400℃與500℃時，CO 的體積濃度很小，峰值分別僅為336ppmv 與735ppmv，峰值出現的時間分別為212s與150s；當氣化溫度為600℃時，CO 排放峰值出現的時間為122s，峰值為2899ppmv；當氣化溫度為700℃時，CO 排放峰值出現的時間提前至92s，峰值也上升至14486ppmv；當溫度上升至750℃時，峰值出現的時間相對于700℃只略為提前，為90s，但峰值卻迅速上升至21260ppmv，相對于700℃時有較明顯的增加，說明CO 的生成主要集中在此溫度范圍；當氣化溫度繼續增加到800℃時，CO 排放峰值出現的時間提前至70s，而此時峰值卻下降至16600ppmv；當反應溫度分別為900℃和1000℃時，峰值分別為14300ppmv 和14417ppmv，峰值出現時間分別為52s 與42s。由此可見，CO 的排放濃度峰值在750℃時最大，當溫度高于750℃時，CO 的濃度峰值反而開始下降。此外，我們還能發現，起始時間及終止時間隨溫度的升高而逐漸提前(750℃除外)，這是因為溫度越高，反應速率越快。

從表1 中還可以看出：在400℃時，CO 的產量非常低，僅1.258mL；當溫度等于600℃時，CO 總量明顯增加，達到5.193mL；當溫度為750℃時，CO產量達到最大值29.615mL；當溫度大于750℃時，CO 的產量有所減少。因此，單從產生CO 的角度，可選取750℃左右作為運行溫度，避免過高運行溫度導致能量浪費及產氣量的降低。

(二)城市生活垃圾氣化生成H2的特性

米飯在不同溫度條件下氣化，產生可燃氣體H2的情況，如圖2 及表2。

圖2 米飯在氣化過程中H2的排放特性

表2 米飯在不同溫度下氣化生成H2的情況

從圖2 及表2(其情況與圖1、表1 相似)可看出，H2的排放濃度峰值和產氣總量，在750℃達到最大值，再提高反應溫度，H2的產氣總量卻下降。因此，選取750℃這個溫度范圍作為運行溫度。

(三)城市生活垃圾氣化生成SO2的特性

米飯在不同溫度條件下氣化，產生有害氣體SO2的情況，如圖3 及表3。

圖3 米飯在氣化過程中SO2的排放特性

表3 米飯在不同溫度下氣化生成SO2的情況

由圖3 及表3 可以看出：在低溫區(400－500℃)，幾乎沒有SO2的產生。在600℃時，產生較少的SO2；當溫度上升到700℃時，在圖中出現了相對明顯的峰，峰值出現的時間為148s，峰值濃度為23ppmv；當溫度上升到750℃時，我們發現并沒有出現明顯的峰值，其反應速率也大大降低，曲線趨于平緩；但當溫度上升至800℃時，峰值又出現了，出現的時間提前至106s，峰值濃度也上升至33ppmv；900℃與1000℃時峰值出現的時間分別為88s 與84s，峰值出現的時間減少，但另一方面，SO2的排放濃度達到峰值后迅速下降至較低水平，說明高溫雖然提高了反應速率，但SO2的排放總量取決于樣品中的硫含量以及氧含量，當硫在高溫下迅速轉化為SO2后，樣品中的硫和氧也迅速耗盡，導致SO2的排放量迅速下降。

從表3 中數據我們可以看出：SO2的生成很緩慢，反應時間都在200s 以上；由于SO2的產量較低，在反應過程中波動性較大，溫度對SO2的排放沒有明顯的影響規律，在600℃及750℃時產量相對較少，分別為0.052mL 及0.054mL。因此，如果單從減少SO2的角度，溫度為600℃與750℃較好。

(四)城市生活垃圾氣化生成NO 的特性

米飯在不同溫度條件下氣化，產生有害氣體NO 的情況，如圖4 及表4。

圖4 米飯在氣化過程中NO 的排放特性

表4 米飯在不同溫度下氣化生成NO 的情況

由圖4 可以看出：在氣化過程中，當溫度不高(600℃－800℃)時，NO 的排放濃度曲線較平坦；在高溫度區(900℃，1000℃)，呈現出一個較明顯的尖峰。900℃時，峰值出現的時間為34s，峰值濃度為21ppmv；1000℃時，峰值出現的時間提前至26s，峰值濃度也上升至40ppmv。與SO2的排放特性比較相似的一點是，高溫(900℃－1000℃)時，在排放峰值過后NO 的排放濃度下降得比較迅速。

從表4 中數據我們可以看出：NO 的產生時間較長，都在250s 以上；溫度對NO 產量影響不大，從600℃至1000℃的6 個溫度點中(900℃除外)，產生的NO 量比較接近。

三 結論

以餐廚垃圾中的典型組分米飯為實驗對象，選取了400℃、500℃、600℃、700℃、750℃、800℃、900℃及1000℃等8 個溫度點，對產氣中的主要可燃氣體CO 與H2和主要有害氣體SO2與NO 進行了測量。通過分析實驗數據，得到了以下結論：

第一，CO 與H2的排放量在750℃時達到最大值，再提高反應溫度，可以增快產氣速率，但無法提高產量。因此，可選取750℃左右的溫度作為氣化運行溫度。

第二，SO2與NO 的產量較低，溫度對它們的排放特性影響不大。在600℃及750℃時，SO2產氣總量相對較小，分別為0.052mL 及0.054mL；溫度的增加并不會影響NO 的產氣總量，只是當溫度較高(900℃－1000℃)時，NO 排放濃度曲線會產生一個尖峰，而溫度較低時，濃度曲線較平緩。

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