熱風加熱下冰凍生活垃圾融化特性研究

摘 要：本文為研究熱風加熱下冰凍垃圾的融化特性，搭建了熱風解凍實驗臺，運用正交試驗方法，研究垃圾解凍過程中內部溫度地變化，確定熱風解凍工藝最佳參數。試驗結果表明，采用熱風加熱冰凍垃圾，空氣中的熱能被垃圾表面吸收后，以熱傳導的形式傳遞到內部，解凍過程存在明顯的-4.9℃～2.5℃相變區間；熱風試驗中風量因素的方差值為17.466，是影響垃圾內部溫度的最顯著因素。

關鍵詞：熱風加熱；冰凍垃圾；升溫變化；融化特性

中圖分類號：X 705" " 文獻標志碼：A

城市生活垃圾焚燒發電是垃圾處理無害化、資源化和減量化的重要措施，然而在北方冬季寒冷天氣下，生活垃圾極易出現冰凍成團現象[1]，需要額外熱量和時間進行垃圾解凍。

常用的垃圾解凍措施包括破碎解凍和熱力解凍。破碎解凍主要是在卸料平臺設置破碎裝置，將冰凍成團的垃圾破碎后再倒入垃圾倉；熱力解凍利用外加熱源加熱垃圾表面使其吸熱融化。宋吉釗[2]分析東北某垃圾焚燒發電廠運行情況，提出在垃圾倉內增設蒸汽加熱裝置。王子銘等[3]對垃圾場加熱方案進行調研，提出將余熱鍋爐汽包連續排污水作為熱源的優化加熱方案。羅成俊等[4]研究了垃圾結冰對焚燒的影響，提出設置輔助燃燒器和預熱器熱風加熱方案。孔昭健等[5]提出增加入爐垃圾熱值，以改進冬季垃圾燃燒狀況。

雖然上述研究提出了有效的解凍措施，但是對實際熱風解凍冰凍垃圾的升溫特性沒有進行深入探討。本文設計了熱風輻射解凍正交試驗，研究熱風輻射加熱下冰凍垃圾的融化特性，分析冰凍垃圾的升溫特性和熱風解凍的影響因素，為垃圾解凍工程領域提供一定參考。

1 試驗樣品含水率分析

試驗樣品取自哈爾濱多個區域垃圾轉運站，樣品已在轉運站進行混合，取回后進行快速混合，測試含水率，便于統一后續試驗中的樣品含水參數，降低誤差。

從-20℃混合均勻的垃圾樣品中取出適量樣品放入密封袋，在室溫下自然解凍。解凍完成后稱重，將樣品均勻平鋪在托盤中，置于不超過50℃的電熱鼓風恒溫干燥箱中連續進行干燥，如果前、后2次稱量的樣品質量變化不超過0.1%，那么認為樣品已達到空氣干燥狀態。混合樣品外部水分含量較多，在50℃烘干條件下，混合垃圾樣品的質量前、中期變化明顯，后期趨于穩定，第12次烘干后質量變化為1.218%，第17次烘干后達到最小值0%。為保證樣品完全達到空氣干燥狀態，又進行2小時烘干，樣品質量由86.8g降至86.7g，計算差值百分比為0.115%。由于取出混合樣品質量較大，試驗采用精度為0.1g的電子天平稱量樣品，因此可以認為樣品0.115%的質量變化已經達到空氣干燥狀態，測得外部含水率為80.455%。

在空氣干燥狀態的垃圾樣品中，使用電子天平（精度0.0001g）稱取6組1g±0.1g樣品，平攤在預先干燥的容器中，置于電熱鼓風恒溫干燥箱內，在105℃±5℃的條件下連續烘干若干小時，冷卻5min后稱重。重復烘干1h～2h，直至2次稱量之差不超過0.0010g。

各組樣品初始質量分別為0.9225g、1.0176g、1.0036g、1.0692g、1.0625g和1.0462g，質量均滿足1g±0.1g的要求。將已稱量的垃圾樣品放置于105℃的電熱鼓風干燥箱中烘干。第一次烘干后樣品質量變化開始平緩，最終測量樣品差值百分比均處于0.1%量級，各組樣品與前一次稱量結果分別相差0.0007g、0.001g、0.001g、0.0018g、0.0014g和0.001g，可以認為各組垃圾樣品含水率測定完畢。計算得到混合垃圾樣品平均內部含水率為7.231%

2 實驗臺設計和試驗工況

2.1 實驗臺設計

熱風解凍實驗臺由熱風機、電加熱管、溫控器、調壓器和交流接觸器等組成。其中熱風機利用調壓器和溫控器控制送風溫度，送風管道利用風閥改變送回風方式，方形管道側方設置可拆卸管道壁面，方便放置樣品和消毒。試驗測試的混合垃圾樣品置于-30℃冰柜進行保存。試驗測點梅花狀布置，在樣品內部設有前、后、左、右和中心共5個“T”形熱電偶溫度測點，與樣品上表面的距離均為3.5cm。

2.2 試驗工況

將采集的哈爾濱各城區生活垃圾進行攪碎混勻后，分別放置于大小為26.5cm×16.2cm×15cm和32.5cm×26.5cm×15cm的不銹鋼容器中，在-30℃條件下冷凍制成試驗測試樣品。熱風解凍試驗工況見表1，逐一監測各工況下冰凍垃圾樣品的解凍速率，采用DAQ970A安捷倫數據采集儀器記錄被測樣品3.5cm處5個位置的溫度變化。進而比較8000s內冰凍垃圾樣品的升溫情況，結合差分掃描量熱計測試結果，分析冰凍垃圾的相變特性，并分析正交試驗結果，確定熱風解凍工藝下的關鍵影響因素。

完成熱風解凍試驗后，使用紅外烤漆燈對32.5cm×26.5cm×7cm的樣品進行輻射解凍測試，分別在70%和90%的功率下，記錄被測樣品3.5cm處5個位置的溫度變化曲線，比較熱風解凍和輻射解凍下冰凍垃圾的融化特性。

3 熱風解凍正交試驗

3.1 冰凍垃圾相變區間

利用差分掃描量熱計（DSC）測試計算出垃圾樣品的相變區間為-4.9℃～2.5℃，發現相變階段垃圾樣品的比熱容隨溫度升高，達到峰值后又迅速下降。

根據樣品中心點35mm處溫度隨時間變化的情況，冰凍垃圾樣品的解凍過程主要分為3個階段。1）解凍階段。冰凍垃圾的溫度從初始狀態開始上升，受高溫空氣的換熱，垃圾溫度升至初始相變點的溫度。在該階段，垃圾樣品吸收的熱量為顯熱，溫度變化較快。2）相變階段。垃圾樣品中的冰晶達到融化溫度后開始發生相變，冰晶不斷融化成為液體，吸收大量潛熱，垃圾樣品本身吸收顯熱并提升溫度。3）升溫階段。垃圾中的冰晶融化后，其焓值隨溫度繼續升高，該階段垃圾樣品吸收的熱量為顯熱。

在相變階段，樣品溫度曲線存在2個明顯的溫度變化階段，即緩慢上升階段和加速上升階段。比較9種工況下各冰凍垃圾樣品8000s內由-20℃開始升溫的情況。中50-1工況下樣品升溫速率最快，加熱約2600s時進入相變階段，6300s時進入升溫階段，最終達到6.7℃。其他工況于加熱時間約2900s～5900s內進入相變過程，并在后續試驗過程中始終處于相變階段，其中高50-2和高40-1具有加速上升的趨勢。

3.2 熱風加熱下冰凍垃圾升溫變化

樣品左、右點35mm處位置溫度變化曲線如圖1所示，可以發現在中50-1和高40-1工況下，樣品左、右點溫度升高較快，這與樣品的體積大小有關，這2個工況下冰凍垃圾樣品厚度為5cm，體積為2146.5cm3。在低30-1工況下，由于風量和溫度較低，因此升溫變化緩慢，但是仍然比高30-3工況快。比較發現2點的溫度變化趨勢和溫升范圍相似，說明垃圾樣品混合較均勻。

樣品前、后點35mm處位置溫度變化曲線如圖2所示。前點位置的樣品升溫速率由高到低依次為中50-1、高40-1、高50-2、低40-2和中30-2，低30-1、中40-3和低50-3工況的升溫速率相似，高30-3工況升溫最慢。由于樣品前壁面受熱風影響，因此前點位置升溫較快，但是內部主要以導熱的形式傳熱，樣品中心點溫度變化緩慢。而在樣品后壁面，由于背離氣流主流方向，其換熱形式復雜，不同工況下的對流形式可能會產生較大變化，因此不同工況下后點位置升溫變化曲線差異顯著，但是低30-1、中40-3和低50-3工況的升溫速率仍然相似。

3.3 輻射加熱條件下的溫度變化

A3紅外烤漆燈設備最大功率為3kW，干燥面積0.9m～1.2m，照射范圍完全覆蓋樣品尺寸。實測在70%和90%輻射功率下，照射高度50cm處的空氣溫度分別對應57℃和61℃。實測發現，隨著輻射功率增加，冰凍垃圾樣品的升溫速率顯著升高。在7000s測試范圍內，并在90%輻射功率工況下，垃圾樣品均進入相變階段，而在70%輻射功率工況下的垃圾樣品剛開始相變，平均溫差約為5℃。由于輻射解凍工藝照射均勻，因此整體冰凍垃圾樣品的升溫情況較一致。比較熱風加熱和90%輻射功率加熱條件下樣品的溫度變化，在加熱時間4000s前溫度變化差異較小，其中樣品前點正對熱風來向，熱風加熱方式的升溫效率高于輻射加熱方式。在加熱時間4000s～6000s過程中，輻射加熱的樣品溫度快速上升，在各測點均超過熱風加熱方式。同時輻射加熱能耗高于熱風加熱，在90%輻射相率工況和高30-3工況下，樣品中心點分別在4400s和5600s進入相變階段，耗能約為3.3kW和1.18kW。

3.4 熱風解凍正交試驗結果分析

采用SPSS24軟件建立三因素、三水平的正交試驗數據集，利用單變量模型中的主效應方差分析評估風量、溫度和樣品體積3個因素的作用，并通過K值組合出最佳熱風解凍工藝參數。熱風解凍正交試驗結果分析見表2。比較3個因素下R值（極差）和SS值，確定3個影響因素的重要程度，并選取每個因素下最大的K1、K2和K3值，得出熱風解凍的最佳參數。溫度（B）因素下K2和K3相差不大，分別為19.29和19.392，因此可以認為40溫度水平與50溫度水平相差不大，因此當選取最佳參數時，選取40溫度水平。根據樣品中心點35mm處溫度測試可知，雖然送風溫度升高會加快樣品前點位置的升溫速率，但是冰凍垃圾內部解凍主要以導熱形式傳熱，中心點溫度隨進口溫度升高不會發生特別劇烈的變化。此外，雖然風量增大或空氣溫度升高會帶來能耗問題，但是在利用焚燒余熱和優化回風系統的條件下可以有效降低額外能耗。

4 結論

根據對試驗數據的處理和分析，本文主要結論如下所示。1）在熱風加熱解凍工藝下，熱空氣能量被垃圾表面吸收后，以熱傳導的形式傳遞到內部，垃圾解凍的相變過程包括2個明顯的溫度變化階段，即緩慢上升階段和加速上升階段，其整體溫度變化趨勢與冰凍垃圾在相變過程中的熱物理性質變化密切相關。2）比較9種工況下熱風解凍垃圾樣品在8000s內由-20℃開始升溫的變化曲線可知，中50-1工況下的樣品升溫速率最快，達到6.7℃，低30-1、中40-3和低50-3工況下的升溫速率基本相同。3）根據熱風正交試驗結果，計算可得風量、溫度和樣品體積3個因素的SS值分別為17.466、7.83和13.146，比較可得風量對熱風解凍垃圾的影響最顯著。

參考文獻

[1]范春平，鄭世偉，邢艷明.高寒地區垃圾焚燒廠冰凍垃圾危害及防治措施[J].環境衛生工程，2013，21（4）：39-40.

[2]宋吉釗.垃圾發電廠冬季垃圾焚燒總結[J].科技與企業，2013（18）：136.

[3]王子銘，洪光.垃圾焚燒發電廠冬季垃圾池加熱方案研究[J].中國環保產業，2020（6）：69-72.

[4]羅成俊，錢兵，李軍.垃圾焚燒發電廠垃圾坑加熱解凍系統設計[J].中國環保產業，2018（10）：71-72.

[5]孔昭健，張瑛華，劉海威.某垃圾焚燒電廠冬季燃燒狀況改善措施探討[J].環境衛生工程，2016，24（2）：61-63.