生物質廢棄物低溫炭化降低含水率試驗

張涉　陸曉春　李舉　陳思伍　劉志彬

摘要：指出了目前國內外對污泥低溫炭化的研究較多，但對于生物質廢棄物的低溫炭化處理的研究試驗開展較少。針對垃圾濕組分、垃圾發酵產沼后的沼渣、污水廠污泥、破碎餐廚垃圾以及濕組分和發酵液混合樣5種試樣進行了含水降低率試驗，結果表明：適宜的反應溫度分別為220℃、280℃、230℃、180℃、210℃時，含水降低率分別達到28.73%、40.47%、40.07%、48.90%、44.13%，取得了良好的減量化效果。試驗結果可應用于垃圾生物質處理工程實踐，有利于降低后續處理成本。

關鍵詞：生物質；污泥；低溫炭化；廢棄物

中圖分類號：TU993.3

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10002403

1 引言

改革開放特別是20世紀90年代中后期以來，伴隨著我國社會經濟的高速發展和城鄉一體化進程的加快，生活垃圾、污泥、農林剩余物等典型生物質廢棄物產生量居高不下，年產生量已經超過26億t，并且繼續以年均10%速度增長，但綜合處理率平均不到40%[1]，轉化利用率更是不到10%，且堆存量巨大。長期堆存的廢棄物不僅對周邊大氣、水體、土壤及生態系統帶來了一定程度的破壞，甚至還將對堆放地區的地下水源形成潛在危害。而目前綜合處理利用技術以填埋、焚燒、堆肥等傳統工藝為主，同樣存在著嚴重的環境隱患，例如填埋帶來的滲濾液、焚燒所產生的二噁英和煙塵、堆肥累積的重金屬等，都較難根治。生物質廢棄物的環境問題已經引起社會的廣泛關注，無害化、減量化處理已經成為可持續發展亟待解決的重要問題。

該試驗采用的低溫炭化處理技術，旨在通過前段生物質調質結合后段低溫炭化，在實現對生物質廢棄物無害化、減量化處置的同時，保留回收大量炭質，提高廢棄物綜合利用率，具有工藝先進和經濟性高的雙重特性。相較于傳統填埋、焚燒、發酵、熱解等生物質廢棄物處理工藝，該技術不僅具有資源浪費少、能耗低等優勢，更是符合國家所倡導的發展循環經濟，建立可持續發展的環境友好型社會的政策。

生物質廢棄物含水率高不但導致處理量大，而且給后續的利用和最終處置增加了很多障礙。可以認為降低含水率是生物質廢棄物處理處置需首要解決的問題。采用低溫炭化技術可通過加溫加壓使生物質裂解，將其中的水分釋放出來，由普通的機械脫水即可將生物質中的部分水份脫除[2]。

2 試樣和方法

2.1 試驗物料

以城市生活垃圾濕組分、垃圾發酵產沼后的沼渣、污水廠污泥、破碎餐廚垃圾、濕組分和厭氧產沼發酵液的混合樣5種生物質廢棄物為試驗對象。

2.2 試驗方法

將試樣裝入反應器后，分段調節電加熱裝置的溫度，反應產物用真空抽濾設備脫水，維持真空度不變；抽濾后產物測定含水率。通過前期的反應時間和反應溫度的探索性試驗，確定反應時間為1.0 h；確定試驗溫度預設范圍，測試預設范圍內不同反應溫度條件下的炭化反應脫水后的產物含水率變化情況，并在整理匯總試驗數據的基礎上，分析、篩選出可以取得較為理想炭化處理效果的反應溫度條件，優選出最佳工藝控制參數。

2.3 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。反應器為碳鋼材質，底部焊接，上部為裝卸料口，采用法蘭壓密；中間為裝料空間，采用調溫電熱套加熱，外部溫度范圍0～360℃；內部插入溫度計和壓力表，密封蓋采用法蘭、螺栓和石墨合金墊片進行密封。使用前經過耐壓和密封性能測試。試驗時由頂部裝量口裝入試驗物料并密封，由調溫電熱套調節溫度至試驗溫度，當溫度計顯示到達試驗溫度后開始計時。記錄反應溫度、反應器內部壓力及反應時間。該試驗研究主要考察反應溫度的變化對物料含水率的影響。

2.4 分析方法

溫度的測定利用溫度變送器外接顯示儀表測定；含水率的檢測參照《城鎮垃圾農用監測分析方法》規范執行。

2.5 結果計算

含水降低率計算公式：含水降低率=（試樣含水率-產物含水率）/試樣含水率。

3 試驗結果與分析

3.1 垃圾濕組分炭化結果分析

城市生活垃圾經過超高壓干濕分離后的濕組分[3]經過漿化處理，成流質狀，含水率在70%～90%之間，炭化溫度分別設定在170～250℃。通過試驗發現含水降低率最大在220℃出現，170℃時含水降低率雖也有高點出現，但考慮到炭化后物質穩定化和無害化的需求，不做考慮。高于220℃時降低率反而降低，說明過高的溫度會影響到炭化脫水效果，在220℃反應溫度下含水率降低率達28.73%（圖2）。

3.2 沼渣炭化結果分析

垃圾濕組分經過發酵產沼后產生的沼渣，也是需要處理的生物質廢棄物。經過低溫炭化試驗發現，炭化溫度在280℃時降水效果最佳，含水率降低率達到40.47%。且在250℃～300℃溫度范圍內先高后低（圖3）。

3.3 污泥炭化結果分析

城市污水廠污泥作為試樣，根據不同的反應溫度條件，進行炭化反應，在190～270℃溫度范圍試驗結果如圖4所示。含水率降低率隨著溫度升高先高后低，再升高。污泥低溫熱化學機理研究表明，300 ℃以下發生的熱化學轉化反應主要是污泥中的脂肪族化合物（主要含炭 、氫元素及少量氧）的轉化[4]。但過高的溫度需要消耗過多的能源，經濟性下降，同時炭得率隨著溫度升高成下降趨勢[5]，根據試驗結果，考慮工程應用時的經濟性，可知230℃是污泥低溫炭化反應的適宜溫度。

3.4 餐廚垃圾炭化結果分析

將破碎餐廚垃圾作為試樣，反應溫度和含水降低率的關系如圖5所示。餐廚垃圾炭化反應含水降低率隨著反應溫度的升高而升高，在185℃時達到高值，隨后溫度升高含水降低率增加很小。考慮到高溫對能源需求量大，確定餐廚垃圾的適宜炭化溫度為185℃，在此溫度下餐廚垃圾含水降低率達到48.9%。

3.5 濕組分和發酵液混合樣炭化結果分析

考慮到濕組分采用厭氧發酵產生沼氣回收廢棄物能量的需求，濕組分發酵后產生的發酵液和沼渣都需要處理，該試驗對濕組分和厭氧產沼發酵液按質量配比2∶1進行混合，得到的混合樣進入反應器進行低溫炭化，所得數據顯示混合樣脫水效果在210℃達到高值，低于濕組分與沼渣單獨作為試樣時的低溫炭化降水適宜溫度，且脫水效率更高，含水降低率達到44.13%。通過垃圾濕組分及其發酵液的混合，達到了生物質廢棄物的協同處理，同時又降低能源消耗，處理效果更好（圖6）。

4 結語

試驗研究了5種生物質廢棄物試樣進行低溫炭化反應，得出結論如下。

（1）低溫炭化處理對生物質廢棄物具有良好的脫水效果。

（2）反應適宜溫度范圍為180～280℃，含水降低率達到了28.73%～48.90%。

（3）在反應溫度范圍內，不同試樣的含水率降低率具有不同的特性，含水降低率對應反應溫度的變化，分別存在單峰、雙峰和多峰的特征。

（4）由此引起的減量效果明顯，顯著減少后端處置的廢棄物量，減少運輸及處置費用。

（5）生物質廢棄物的處理可實現協同化，構設廢棄物的集中減量，變填埋處置為污水處理，環境污染可控。

國內垃圾分類收集、轉運及處理推進困難，垃圾分類工作進程緩慢。對原生垃圾進行干濕分質分類，濕組分通過厭氧發酵產沼和低溫炭化處理，同時協同處理餐廚垃圾和污水廠污泥等生物質廢棄物，可以達到節能減排和保護生態環境的目的，具有很高的經濟效益、環境效益和廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]

佚 名. 《廢物資源化科技工程十二五專項規劃》的通知[N]. 國際商報，2012-07-13（B02）.

[2]于洪江，楊金凱. 污泥低溫碳化技術的中試研究[J]. 中國建設信息（水工業市場），2009（3）：55～57.

[3]周穎君，鄧云盼，胡 洋，等. 高壓擠壓技術預處理分離城市混合生活垃圾的研究[J]. 環境工程，2016（9）：110～113.

[4]何品晶，邵立明，陳正夫，等. 污水廠污泥低溫熱化學轉化過程機理研究[J]. 中國環境科學，1998（1）：40～43.

[5]何品晶，顧國維，邵立明，等. 污水污泥低溫熱解處理技術研究[J]. 中國環境科學，1996（4）：254～257.