生活垃圾低溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與運(yùn)用

文/楊俊峰

長(zhǎng)期以來，國內(nèi)很多地區(qū)出現(xiàn)的生活垃圾均采用填埋堆積的處理方式，沒有達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的效果，而低溫?zé)峤饧夹g(shù)依靠其自身的優(yōu)勢(shì)，其生活垃圾處理過程中凸顯出較高的成效。不過鑒于此種技術(shù)的發(fā)展處于起步階段，缺少相應(yīng)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，鑒于此，深入探討和分析生活垃圾低溫?zé)峤獾膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并加以有效運(yùn)用具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)研究與說明

1.1 相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置的組成

本實(shí)驗(yàn)使用的試驗(yàn)臺(tái)裝置如圖1所示，主要涵蓋下述幾個(gè)組成部分：1代表生活垃圾的熱解爐，2代表相關(guān)溫度控制器裝置，3代表有關(guān)氮?dú)馄浚?代表相關(guān)閥門，5代表能讓熱解氣體獲得冷卻的冷凝管設(shè)備，6代表有關(guān)焦油的收集瓶設(shè)備；7代表對(duì)氣體體積測(cè)定的氣流計(jì)儀器，8代表對(duì)氣體內(nèi)氯元素收集的洗氣瓶設(shè)備。而冷凝管設(shè)備是不銹鋼的套管，其通入的自來水屬于相應(yīng)冷卻介質(zhì)；向爐氮中通進(jìn)氮?dú)夂髮⒖諝馀懦鰜恚尃t中處于缺氧的情形；在洗氣瓶中存在NAOH溶液，能有效收集熱解氣內(nèi)的氯元素，然后將所排出的熱解氣加以燃燒。

圖1：實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置構(gòu)成圖

表1：物料構(gòu)成表

圖2：熱解爐的構(gòu)造圖

圖3：有關(guān)固體殘留物的產(chǎn)量曲線圖

1.1.2 熱解爐的構(gòu)造

關(guān)于熱解爐的構(gòu)造如圖2所示，爐體主要涵蓋了有關(guān)內(nèi)爐膽、金屬爐殼、相關(guān)保溫材料以及加熱爐絲等。利用熱電偶對(duì)爐體中處于不同方位的溫度加以測(cè)定，并經(jīng)過熱電偶導(dǎo)線傳輸?shù)綔囟蕊@示管控表上，此時(shí)由其形成相應(yīng)的控制信號(hào)，并經(jīng)過有關(guān)信號(hào)線傳送到控制箱裝置當(dāng)中，通過依靠控制箱裝置，對(duì)爐體電源的接通與關(guān)閉處理予以管控，進(jìn)而構(gòu)成熱解爐系統(tǒng)體系。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和熱解氣體吸收液的制備

1.2.1 有關(guān)實(shí)驗(yàn)材料配制說明

生活垃圾涵蓋諸多不同類型廢物的混合物，構(gòu)成較為復(fù)雜化，熱解的垃圾構(gòu)成情況關(guān)系到生活垃圾能否采用熱解方法處置。此次實(shí)驗(yàn)物料需要的生活垃圾構(gòu)成部分依據(jù)相關(guān)規(guī)定予以配制，如表1所示。塑膠種類涵蓋PVC、橡膠、PE，對(duì)PVC與橡膠依次加以破碎處理，而PE作為相應(yīng)原料顆粒；廚余涵蓋有關(guān)米飯、蔬菜及果皮，所有曬干破碎10mm之下的顆粒；而玻璃、金屬及灰不涵蓋其中。依據(jù)總量1.2kg的比例稱量相應(yīng)實(shí)驗(yàn)物料，并予以混合，再倒入熱解爐的爐膽內(nèi)。

表2：相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表

1.2.2 熱解氣體吸收液的制備

需要設(shè)備和試劑：

電子天平：感量為0.0001g

洗氣瓶裝置：200ml，3個(gè)

容量瓶設(shè)備：500ml，2個(gè)

量桶設(shè)備：500mt，200ml

相應(yīng)吸管：20ml

漏斗設(shè)備：直徑10cm

NaOH：98%

有關(guān)實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，相應(yīng)電導(dǎo)率0.95uS/cm

制備有關(guān)吸收液時(shí)，運(yùn)用天平稱量10g的NaOH樣品，放在錐形瓶?jī)?nèi)，并運(yùn)用量桶量取500ml的去離子水，倒入錐形瓶?jī)?nèi)，并利用玻璃棒予以攪拌處理，使其徹底溶解，待冷卻后，移進(jìn)容量瓶中，以去離子水進(jìn)行定容。然后將樣品以此注入各個(gè)洗氣瓶?jī)?nèi)，使其和熱解爐系統(tǒng)相連。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法的說明

1.3.1 實(shí)驗(yàn)的步驟

依據(jù)相關(guān)比例對(duì)物料進(jìn)行稱量，加以混合以后準(zhǔn)入有關(guān)熱解爐爐膽內(nèi)并予以密封處理，隨后通入空氣，測(cè)定相應(yīng)密閉性情況，待合格之后，把爐膽置于熱解爐內(nèi)和熱解系統(tǒng)相連，并二次通入空氣對(duì)其密封性加以測(cè)定，完畢后，排除空氣，以真空泵設(shè)備抽成真空狀態(tài)，達(dá)至負(fù)壓以后，通入氮?dú)猓茖W(xué)設(shè)置有關(guān)溫度控制表并予以加熱處理。

1.3.2 熱解產(chǎn)物的取樣處理

圖4：有關(guān)產(chǎn)焦率的曲線圖

圖5：有關(guān)焦油產(chǎn)量曲線圖

圖6：有關(guān)固體殘留物內(nèi)的氯含量曲線圖

圖7：有關(guān)焦油內(nèi)的氯含量曲線圖

首先完成有關(guān)樣品的采樣分解和制備，做好定量分析，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果予以分析。隨后采集有關(guān)固體、焦油以及熱解氣內(nèi)氯吸收液等樣品，同時(shí)做好相關(guān)試劑制備和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確記錄，完成分析與編號(hào)處理。

2 生活垃圾低溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析和說明

2.1 相關(guān)熱解爐的升溫變化情況分析

2.1.1 相關(guān)熱解爐的升溫狀況說明

對(duì)于實(shí)驗(yàn)最終數(shù)據(jù)結(jié)果而言，選用不同的加熱方法必然導(dǎo)致影響情況的差異。通常而言，常見的加熱方法包括快加熱與慢加熱兩種方法。其中，前者通過采用深溫的方式，使?fàn)t膛提高到規(guī)定的溫度，隨后將物料放入其中；后者則是首先放入有關(guān)物料，確保物料與爐膛的溫度提高到規(guī)定的溫度。此實(shí)驗(yàn)采用了慢加熱的方法。關(guān)于終溫550℃試驗(yàn)時(shí)的熱解爐的升溫情況如表2所示。

2.1.2 系統(tǒng)化分析

根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄可知，當(dāng)采用的慢加熱的方法后，相應(yīng)的溫度不斷提高，同時(shí)有關(guān)的初始溫度是較低的。由熱電偶0代表爐膛內(nèi)壁的溫度，通常情況下，大概半個(gè)小時(shí)便能夠達(dá)至相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值，隨后予以自行調(diào)控，從而確保爐膛的溫度處于平穩(wěn)的狀態(tài)；相關(guān)熱電偶1測(cè)定的為熱解爐爐膽的中心點(diǎn)位置的溫度情況，而熱電偶2和熱電偶3則分別與爐膽的內(nèi)壁緊挨，由于熱量的影響，從爐膽的外壁進(jìn)入至爐膽當(dāng)中，因此，熱電偶3測(cè)定的數(shù)值結(jié)果相較于熱電偶l、熱電偶2更高，不過當(dāng)熱解完畢以后，相應(yīng)的熱電偶1、2、3測(cè)定的溫度則相同，相互之間差值不會(huì)高于16℃，處于標(biāo)準(zhǔn)的誤差允許區(qū)間當(dāng)中。

2.2 熱解產(chǎn)物的產(chǎn)量和熱解終溫之間的關(guān)系

2.2.1 有關(guān)固體殘留物的產(chǎn)量說明

在爐膽中的物料，其中涵蓋的不同成分所形成的熱失重規(guī)律存在一定的差異。當(dāng)經(jīng)歷了大概104℃的初始時(shí)期的脫水環(huán)節(jié)以后，有關(guān)塑膠與廚余種類的物料會(huì)出現(xiàn)2回失重峰值的情況，其它的物料則僅出現(xiàn)1回失重峰值的情況。對(duì)于廚余而言，涵蓋了纖維和蛋白質(zhì)兩類構(gòu)成物，首次失重原因在于廚余內(nèi)的纖維種類物質(zhì)的分解所導(dǎo)致，而二次失重的原因在于蛋白類物質(zhì)的分解所導(dǎo)致；針對(duì)塑膠種類的物料來說，涵蓋了大分子的聚合物，首次失重在于大分子聚合物所崩解，產(chǎn)生相應(yīng)的初級(jí)粒子，當(dāng)處于活化時(shí)期時(shí)，二次失重則屬于經(jīng)活化粒子進(jìn)到反應(yīng)激烈的分解時(shí)期。

關(guān)于混合構(gòu)成部分的垃圾，相應(yīng)產(chǎn)量處于300-600℃區(qū)間中的溫度變化曲線情況如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)熱解終溫的溫度提高時(shí)，有關(guān)熱解固體殘留物的產(chǎn)量會(huì)呈現(xiàn)出降低的勢(shì)態(tài)，究其原因在于盡管不同構(gòu)成部分的熱失重規(guī)律存在一定的差異性，不過整體的勢(shì)態(tài)趨于一致，處于300-500℃區(qū)間內(nèi)，近似為一條斜率降低的直線，而處于500-600℃區(qū)間內(nèi)的降低勢(shì)態(tài)則趨于穩(wěn)定。

所謂產(chǎn)焦率，針對(duì)的為有關(guān)固體殘留物和原物料總重量的相應(yīng)百分?jǐn)?shù)情況。從圖4可知，有關(guān)產(chǎn)焦率和熱解終溫變化之間的關(guān)系，和固體殘留物的產(chǎn)量曲線變化圖十分近似。當(dāng)溫度增加以后，所產(chǎn)生的析出很多。處于300-600℃區(qū)間當(dāng)中，相應(yīng)產(chǎn)焦率則處于35℃-50℃范圍內(nèi)。

2.2.2 相關(guān)焦油產(chǎn)量的說明

對(duì)于反應(yīng)期間，形成的熱解氣體在冷凝以后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的焦油物，涵蓋含焦油、油類、焦木酸、水及芳烴等，而油類、焦油價(jià)值最高。焦木酸自身的化學(xué)構(gòu)成十分復(fù)雜。依靠20℃的自來水冷凝處理，使其由熱解氣內(nèi)凝結(jié)。圖5代表焦油的產(chǎn)量和溫度變化之間的關(guān)系。

由圖5獲知，當(dāng)熱解終溫溫度提升后，焦油產(chǎn)量得以增多，說明有關(guān)熱解物料處于反應(yīng)過程時(shí)的活化能表現(xiàn)出增加的勢(shì)態(tài)。

2.2.3 熱解氣體產(chǎn)量的說明

在熱解氣體內(nèi)涵蓋相應(yīng)的氫氣、甲烷、水蒸氣、一氧化碳與二氧化碳、氨氣、硫化氫及氯化氫等等。此混合氣體燃料進(jìn)行熱解反應(yīng)時(shí)，在爐膽溫度為300℃情況下，能看見熱解尾氣的燃燒，直至反應(yīng)完畢。

2.3 熱解產(chǎn)物的氯含量和熱解終溫之間的關(guān)系

2.3.1 有關(guān)固體殘留物內(nèi)氯含量的說明

對(duì)于垃圾熱解環(huán)節(jié)內(nèi)的HCI源頭包含下述兩方面，其一為涵蓋有機(jī)氯化物的物料中，比如常見的PVC塑料、皮革及橡膠等；其二為其垃圾內(nèi)的氯鹽。對(duì)于塑料與橡膠類型的高分子聚合物，其中全部氯元素都處于有機(jī)大分子內(nèi)。

由圖6中可知，存在于固體殘留物內(nèi)氯元素的含量具備兩個(gè)明顯的峰值，首個(gè)峰值處于350-400℃范圍內(nèi)，第二次處于500-550℃范圍內(nèi)，前者高于后者。主要在于處于350-400℃范圍內(nèi)的熱解氣產(chǎn)生的為氯化氫，處于500-550℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的為苯及其它類的碳?xì)浠衔铩?/p>

2.3.2 相關(guān)焦油內(nèi)氯含量的說明

對(duì)于氣態(tài)的氯化氫而言，易溶于水，所以，存在一些氯化氫溶于熱解氣體當(dāng)中的水滴內(nèi)，通過冷凝管以后，最終進(jìn)到有關(guān)焦油收集罐裝置內(nèi)。

由圖7可知焦油內(nèi)的氯含量存在兩個(gè)顯著的峰值，首個(gè)處于350℃，第二個(gè)處于550℃，二者的差異在于首個(gè)峰值小于第二個(gè)峰值。導(dǎo)致其產(chǎn)生因素為固體殘留物的吸附物與溶解于水滴中的氯，當(dāng)溫度提升后得以揮發(fā)，進(jìn)到焦油收集器裝置內(nèi)。

2.3.3 熱解氣體內(nèi)氯含量的說明

以直接方式測(cè)定熱解氣體內(nèi)的氯化氫含量異常艱難，可借助吸收液對(duì)熱解氣體內(nèi)氯元素吸收的方式完成其中的氯元素含量測(cè)定，進(jìn)而對(duì)其含量予以科學(xué)計(jì)算。

由圖8可知熱解氣內(nèi)的氯含量情況，當(dāng)熱解終溫溫度提高后，其也隨之提高，當(dāng)熱解終溫的溫度較高時(shí)，相應(yīng)的氯含量也很高，溫度變化與氯析出量密切相關(guān)。

由圖9可知，處于300-350℃區(qū)間，熱解氣內(nèi)的含氯化氫濃度近似是零，處于450℃時(shí)達(dá)至首個(gè)峰值，主要在于此溫度下物料內(nèi)沒有析出相應(yīng)氯化氫，處于350-400℃時(shí)其才形成。處于550℃時(shí)達(dá)至第二個(gè)峰值，相較于首個(gè)峰值，該峰值的濃度更低，主要在于此時(shí)熱解析出的相應(yīng)氯化氫占比很少。

3 結(jié)論

從論文的分析中可知，深入探討和分析生活垃圾低溫?zé)峤獾膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并加以有效運(yùn)用具有重要意義。本文通過開展生活垃圾低溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)，首先確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟與方法，然后詳細(xì)分析與說明生活垃圾的低溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果：相關(guān)熱解爐的升溫變化情況分析、熱解產(chǎn)物的產(chǎn)量和熱解終溫之間的關(guān)系、熱解產(chǎn)物的氯含量和熱解終溫之間的關(guān)系。望此研究結(jié)果能獲得相關(guān)人員的重視，從中得到一定幫助，進(jìn)而推進(jìn)低溫?zé)峤饫鵁o害化處理技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程。

圖8：有關(guān)熱解氣內(nèi)的氯含量曲線圖

圖9：有關(guān)熱解氣內(nèi)氯化氫濃度曲線圖