餐厨垃圾的混速热解实验研究

第41卷第5期太原理工大学学报VoL 41 No 52010年9月JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYSep.2010文章编号:1007-9432(2010)05-0508-04餐厨垃圾的混速热解实验研究钱鹏,汪华林,王剑刚(化学工程联合国家重点实验室,华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237)摘要:通过分析餐厨垃圾的热重曲线(TG/DTG),研究了其热解特性,得出了适合餐厨垃圾热解的工艺条件;同时通过外热式回转反应炉,采用介于快速热解与慢速热解技术之间的50~200℃/min加热速率的混速热解工艺,进行了5kg/h的餐厨垃圾热解实验,分别收集了热解反应的三相产物,研究了不同产物的收率,并针对性地分析了热解焦油和热解焦炭的成分組成及热值。关键词:混速热解;餐厨垃圾;燃料油中图分类号:TK6文献标识码:A2010年世博会正在中国上海如火如茶的举行,翻滚、轴向及径向的复杂运动导致物料在这三个不本届世博会的主题是:“城市,让生活更美好”。而随同温度区间更替。因此,这种加热方式包括了各种着城市化水平和人们生活水平的不断提高,城市生加热速度在内的混合加热方法,称为混速加热。相活垃圾的产量与日俱增,成为城市令人头痛的问题较于快速热解技术来说,外热式回转反应炉对原料之一。为了创建更加美好的城市生活,餐厨垃圾的要求不太严格,工艺难度及成本都比较小n;而相无害化减量化和资源化处理就成为了众多专家学较于慢速热解技术来说,外热式回转反应炉则提高者需要认真对待的一个问题了热解速率及热解度,热利用效率高,同时提高产物餐厨垃圾是指食物残余和食品加工废料,主要的品质。为餐厨垃圾中的固体残留物。餐厨垃圾的处理是全世界各个国家都普遍关注的问题,就目前来说,餐1实验部分厨垃圾的处理方法很多,特别是饲料化、肥料化和能1.1实验原料源化处理是餐厨垃圾能源化处理的重要方向,但是本实验的原料主要来自上海市环境中心在徐汇这些技术由于其严格的工艺条件和高昂的装置费用区的餐厨垃圾处理点—龙水南路北滩60号的餐限制了其工业推广和发展,目前都停留在实验阶段,厨垃圾原料。尚未到达实用阶段,随着技术的进步,餐厨垃圾的能实验前,需要对原料进行预处理,首先将餐厨垃源化处理将受到越来越多的关注圾置于干燥箱中在105±5℃温度下烘干加热4h,餐厨垃圾的热解是指将有机餐厨垃圾在无氧或接着再用万能粉碎机粉碎并筛分至粒径小于0.5缺氧的条件下加热,使餐厨垃圾的有机物化合键断mm,装人磨口瓶中待用。裂,产生小分子物质(气态和液态)及固态残渣的过1.2实验装置及实验方法程。传统焚烧处理等技术很难适应对环境保护的严1.2.1热重实验格要求,外热式回转热解技术可以有效解决环境污实验仪器为上海天平仪器厂生产的WRT-1型染和能量利用的问题,是餐厨垃圾处理技术的研究热重分析仪,测重量程0.1~1000mg。最小分度和发展方向。本研究采用了独特的回转反应炉进值1μg。每次实验称取样品质量为10mg,实验气行热解实验,该结构的加热方式使物料的加热速度氛为N2,N2流速80mL/min,升温速率为20℃/呈现较大的不均匀性,接触加热壁面的物料为快速min,升温至终态温度600℃后恒定10min。每种试热解,接触气氛的物料加热速度次之,而在物料堆中样H中国煤化工三次,使TG曲线的加热速率最慢,属于慢速加热,同时由于物料的在CNMHG以下收稿日期:201006-12作者简介:钱鹏(1983-),男,新疆乌鲁木齐人,在读博士,主要从事生物质能源研究,(Tel)18601650923第5期钱鹏等:餐厨垃圾的混速热解实验研究1.2.2混速热解实验此阶段热解反应剧烈失重迅速失重率为60.5%;本实验的实验装置主要由进料料斗、回转炉反从DTG曲线可知,最大热解速度也叫特征温度,发应器、高温反应罐、冷凝器、储油罐、尾气回收系统及生在310℃左右。控制箱等部分组成。该装置采用独特的回转反应炉2.2混速热解实验分析加热设计,确保了反应物料的快速均匀升温;与之配在餐厨垃圾混速热解反应过程中产生的高温气套的控制箱能准确控制升温速率以及加热终温。体进入冷凝器冷却并收集冷凝液体产物,该部分液餐厨垃圾的混速热解制取燃料油实验的主要步体称为餐厨焦油,成分包括:饱和烃、芳烃沥青质骤如图1所示。先对餐厨垃圾在200±50℃范围内极性物不饱和烃及含氧衍生物等。一般它的产量进行预热,进一步去除水分,提高进入加热系统的基占整个预处理后的餐厨垃圾质量的50%左右,是热础温度。然后进入回转炉加热反应器,在无氧条件解工艺的主要产物;一部分无法冷凝的气体另行收下,对餐厨垃圾进行较快的变速加热,加热速度为集,该部分气体主要成分为CO2和CO,还有少量烃50~200℃/min,加热到450~600℃。再进入高温类气体和H2;固体产物至一个反应周期结束后从冷反应罐,温度保持在450~600℃,使物料在反应器却了的高温反应罐中取出,它的主要成分为优质生中进行热解反应,直至反应完全。最后,分别收集气物焦炭。餐厨垃圾(样品1)在实验中得到的气体、体、液体和固体三相产物计算收率,并分析液体产物液体和固体三相产物收率如表1所示。和固体产物的成分和热值。表1样品1的混速热解产物分布(质量分数)%餐厨垃圾原料固体产物收率液体产物收率[气体产物收率餐厨垃圾2.2.1液体产物及分析由表1可知,混速热解实验的液体收率达到了52%该液体产物静置一段时间会分层,上层呈现黑餐厨焦炭色粘稠状的液体为热值高的焦油类有机液体,下层为呈暗红色以水分为主及一些溶于水的有机物,就粉碎机;2一干燥器;3-回转炉反应器;4一高温反应罐上下两层比例来说,接近于1:1。通过含水率的测5一冷凝器;6—储油罐;7一尾气处理系统试,发现餐厨焦油的上下两层含水率分别为3.85%图1餐厨垃圾混速热解制燃料油流程图和72.9%。所以,焦油类液体收率相对来说还是比较高的,尤其对于上层焦油,含水率仅为3.85%,可2结果与讨论预计其热值较高。从这一点考虑,餐厨垃圾很合适2.1热重实验结果分析于制取燃料油。对餐厨垃圾进行热重实验得到的TG和DTG借鉴石油部标准SY/T5119—1995“岩石可溶曲线如图2所示。有机物和原油族组分分析方法”进行液体产物(餐厨焦油)的族分层析。结果见表2。表2样品1的焦油族组分分析结果(质量分数)%样品饱和烃芳烃极性物沥青质不饱有烃及含氧衍生物TG曲线餐时焦油|4995.2821.4114DTG曲线在上述焦油组分中,沥青质是分子量较大的多000406080110种聚合物的混合体,难以用一般的色谱方法进行分温度r℃离和鉴定。其余族分的利用价值较大,故采用色谱图2餐厨垃圾热解曲线质谱联用(GCMS)法分离沥青质以外的族分进行图2给出了在升温速率为10℃/min,反应性气全烃气相色谱分析,分析标准为SY/T5779-1995。体流速为20mL/min的条件下,餐厨垃圾在N2气经中国煤化工哥焦油碳链分布图。氛中的TG和DTG曲线。由图可以看出餐厨垃圾从在N2气氛下的热解分为四个阶段。而在165~占到CNMHG间的碳原子分布可以,主要成分为各类烷500℃区间,餐厨垃圾开始大量快速地析出挥发分,烃、烯烃和腈烃,多为有机油类。510太原理工大学学报第41卷或燃料」表3餐厨焦炭与褐煤的元素和热值分析元素质量分数/%热值分析/(M·kg-1)HoN弹筒发热量Tmm餐厨焦炭43230334720917.19褐煤41.3534610053042927(标准烂〕碳原子数图3餐厨垃圾焦油碳链分布焦炭中C,H,O,N等元素的残余量从宏观反映从表2和图3可以看出,餐厨垃圾混速热解后了反应过程从原料到各产物的元素转化规律。分析在产物中最具经济价值的液体产物(餐厨焦油)收率焦炭元素的变化,从C,HO的元素残留率大小和为523%,固体产物(餐厨焦炭)收率为31.1%,两变化可以看出,反应过程中H和O的转化比C要者占到了整个餐厨垃圾总质量的83.4%。说明该相对容易,主要是由于餐厨的含氧官能团(羰基和羧热解工艺的效果非常好,具有很高的经济性和生产基)在较低温度下就发生了分解反应,这样也是气体价值中高的CO及CO2含量、焦油族分中含氧量以及炭2.2.2固体产物及分析的热值高于原始物料热值的原因餐厨垃圾的固体产物主要为焦发,经热解处理3结束语后的餐厨焦炭呈黑色粉状形态,干燥、不黏,偶成块状,一捏即碎。1)通过对餐厨垃圾进行热重分析,发现餐厨垃为了了解餐厨焦炭的性质,笔者对餐厨垃圾热圾的主要热解区间在165~500℃之间,特征温度发解固体产物进行了元素分析及热值分析,分析标准生在310℃左右分别为GB/T213-1996,GB/T4762001和2)热解试验采用了外热式回转反应炉,其特点GB212-91,并与褐煤作了对比,具体见表3.其中是:加热方式包括了快速热解和慢速热解的混速加H/C原子比是衡量焦炭热值的重要因素,H/C越热,工艺难度小且有利于提高产物收率和品质髙,焦炭热值也越大。从焦炭的干燥基元素分析结3)通过外热式回转反应炉进行5kg/h的混速果可以看出餐厨垃圾固体产物焦炭中碳元素含量热解实验,得到了餐厨焦油、餐厨焦炭和不可冷凝气在65%以上,H/C比值高热值为17.119M/kg,体三相产物,主要针对液体和固体两相进行了组分故其品质较好。这些焦炭均可进一步深加工后作为及热值分析,发现餐厨焦油和餐厨焦炭产物收率大生产原料(达到了83%),热值高,具有一定的经济利用价值。参考文献[1]解强边炳鑫,赵由才城市固体废弃物能源化利用技术[M]北京:化学工业出版社,2004.[2]中国环境与发展大会编委会中国21世纪议程一中国21世界人口环境与发展白皮书[M].北京:中华环境科学出版社,1994[3] Gary C Matteson, Jenkins B M. 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The composition andthermal value of products were also analyzedKey words: multi-rate pyrolysis: kitchen residue; fuel oil(编辑:刘笑达)(上接第507页)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(编辑:刘笑达)中国煤化工CNMHG