城市生活垃圾熱風干燥模擬實驗研究

徐 昕,黃立維,閆晶晶,岳 橋

(1.浙江工業大學生物與環境工程學院,浙江 杭州 310032;2.杭州維華環境工程技術有限公司,浙江 杭州 310017)

城市生活垃圾的處理主要有堆肥、填埋和焚燒等方法[1],其中焚燒法由于具有無害化、減量化和資源化等優點,近年來在我國得到了迅速的發展.垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel,簡稱RDF)具有熱值高、燃燒穩定、易于儲存和運輸及二次污染少等特點[2-3],作為供熱和發電的燃料,相比于的垃圾直接焚燒有很大的優勢.

我國城市生活垃圾的含水量一般在40～50%左右,特別是南方地區的含水率更高[4].垃圾中較高的含水量會影響RDF的成型以及RDF在焚燒過程的熱量損失,一般合格的RDF含水量需控制在5%～10%左右.因此,如何在RDF成型前對垃圾進行有效干燥除去其所含水分對提高RDF的熱值起著至關重要的作用.目前,國內外對高含水率的城市生活垃圾方面的干燥研究還相當少.有研究利用生活垃圾中有機物降解產生的生物能對高水分的城市生活垃圾進行生物干燥實驗,從熱解和氣化性能看,干燥后的垃圾可以作為理想的能源[5].張衍國、陳梅倩等在焚燒爐條件下對典型城市生活垃圾的干燥過程進行研究,通過在馬弗爐內對典型城市生活垃圾進行干燥實驗,獲得了其在爐內的干燥特性曲線及干燥動力學參數[6].

實驗選取含水率約為80%的生活垃圾廚余物,新鮮土豆作為主要研究對象,在熱風干燥裝置中進行干燥,對干燥過程研究分析,明確影響干燥的因素,從而為我國城市生活垃圾的干燥研究提供參考.

1 實驗裝置及實驗材料

1.1 實驗裝置

采用的熱風干燥裝置如圖1所示.將電熱帶纏繞在鐵管表面,用調壓器控制電熱帶的溫度加熱鐵管,空氣泵鼓出的空氣通過鐵管后被加熱,產生熱風,風速由流量計調節,熱風在與物料接觸的過程中傳遞熱量,促進物料中水分從表面到內部的擴散和蒸發,從而達到干燥物料的目的.

圖1 熱風干燥裝置Fig.1 Experimental apparatus for hot-air RDF drying

1.2 實驗材料

通過對杭州市區8個典型垃圾中轉站的垃圾進行抽樣調查和分析,獲得了最有代表性的幾種典型成分,其中廚余物、木材、紙類和紡織物含水分較高,且廚余物在垃圾中占有的比重最大,因此,主要選取含水率較高的新鮮土豆作為主要研究對象,對其在熱風干燥裝置中干燥的實驗結果進行分析和討論.

2 熱風干燥裝置試驗結果及分析

2.1 干燥溫度對干燥過程的影響

改變熱風溫度(100,120,140,160℃),在風速1.8 m/s,濕度40%～45%的條件下,尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的土豆塊含水率干燥到10%所用的時間與風溫的關系,如圖2所示,相應的干燥速率曲線,如圖3所示.

從圖2中可以看出風溫的變化對土豆塊的干燥過程影響較大,隨著溫度的升高,土豆塊完全干燥所用的時間明顯減少,土豆塊含水率干燥到10%左右,熱風溫度為100,120,140,160℃時,分別用了60,40,30,25 min.

在熱風干燥過程中,物料與干燥介質間的換熱為

式中:Q為傳熱速率,W/s;α為對流換熱系數,W/(m2·s·℃);TA為熱空氣溫度,℃;F為物料表面積,m2;T為表面溫度,℃.

顯然,在F,α和T不變的情況下,TA的增大使傳入的熱量Q增大,這樣Q增大,蒸發也就越快,水分逸出物料表面也就越容易,因而干燥速度也就越大.但是,隨著溫度升高,干燥所用的時間間隔越來越短,時間曲線越來越平緩.當熱風溫度大于140℃時,溫度的升高對干燥效果的影響較小.

圖3為不同風溫下土豆塊的干燥速率曲線,從中可以看出,土豆塊的干燥過程可以劃分為降速和恒速兩個階段.干燥初期,隨著土豆塊內自由水的減少,使得土豆塊內部水分向表面遷移的速率低于水分遷移到表面的蒸發速率,從而產生的降速階段.此階段內,干燥速率隨溫度的升高而增大,高溫度段速率上升不明顯.到干燥后期,主要是少量自由水和結合水的去除過程,由于結合水含量較少,失水量前后變化不明顯,由此產生了恒速階段.圖中還能看出,溫度越低,干燥速率越低,恒速階段持續的時間也越長.在溫度為120,140,160℃時,干燥初期的降速段速率曲線基本重合,到恒速段才略微分離,說明在干燥初期,120～160℃溫度段內溫度的提升對干燥速率影響較小.

2.2 物料厚度對干燥過程的影響

實驗中選取了長和寬都為10 mm,厚度分別為5,8,10,12 mm的土豆塊,在風溫140℃,風速1.8 m/s,濕度40%～45%的條件下,考察土豆塊的厚度對干燥的影響,實驗結果如圖4所示.

圖4 不同厚度土豆塊含水率干燥時間與厚度的關系Fig.4 Drying time versus thickness for potato blocks

從圖4中可以看出,土豆塊厚度分別為12,10,8 mm時,含水率下降到10%左右所需時間為35,30,25 min,而當土豆塊厚度為5 mm時,干燥時間僅需16 min.由此可以看出,較薄的土豆塊干燥效果好,隨著厚度的增加干燥效果逐漸變差.

2.3 熱風風速對干燥過程的影響

如圖5所示,風溫140℃,濕度40%～45%的條件下,改變熱風風速(1.2,1.4,1.6,1.8 m/s)得到10 mm×10 mm×10 mm的土豆塊含水率干燥到10%所用時間和風速的關系曲線.

圖5 不同風速下土豆塊含水率干燥時間與風速的關系Fig.5 Drying time versus air velocity for potato blocks

風速越大,等量的熱空氣與土豆塊接觸的時間減少,風速為1.2,1.4,1.6,1.8 m/s時,接觸時間分別為0.08,0.07,0.06,0.05 s,也就是說,接觸時間越短,在相同的時間內土豆塊與熱空氣的換熱次數越多,有利用水分的散發,加快了干燥的進行.

從圖5中可以看出,土豆塊含水率降為10%時,隨著風速的增加,干燥所需的時間隨之減少,但風速為1.2～1.6 m/s時減小幅度不是很明顯,所需的時間相差無幾,分別為35,33,32 min,而風速為1.8 m/s時所需時間僅為22 min.由此可見,在實驗范圍內,風速為1.8 m/s的時候土豆塊的含水率下降的最快,干燥效果較好.

2.4 空氣濕度對干燥過程的影響

環境的空氣濕度是影響物料熱風干燥的一個重要因素,為了研究其影響,在風溫140℃,風速1.8m/s的條件下,改變空氣的濕度對10 mm×10 mm×10 mm的土豆塊進行干燥,將含水率降為10%所需的時間,如圖6所示.從圖6中可以看出,隨著空氣濕度的增加,土豆塊的干燥速率減慢,干燥所需的時間增大,濕度為43%,76%,90%時,所需的時間分別為22,30,35 min.

圖6 不同空氣濕度下土豆塊的干燥時間和濕度的關系Fig.6 Drying time versus hot-air humidity for potato blocks

熱風干燥過程中物料與干燥介質間的傳質方程為式中:J為傳質速率,kg/s;hM為物料和空氣界面的對流傳質系數,kg/(m2·s);A為有效表面積,m2;yA為物料界面的空氣濕度,kg/kg;yAS為空氣流中的空氣濕度,kg/kg.

當hM,A和yA不變時,熱風中的空氣濕度yAS的增大,使得傳質速率J降低,延長了干燥時間.

在空氣濕度大的環境中,水蒸氣的分壓變大,當熱風溫度基本恒定的情況下,濕度的增大使得土豆塊表面水分的蒸發速度降低,從而降低了其干燥速度.實驗表明:在晴天條件下(濕度40%～45%),土豆塊的干燥效果最好,其次為雨天條件下(濕度約為75%),高濕度條件下(濕度約為90%)干燥效果最差.

2.5 生活垃圾各主要成分的干燥過程

在風溫140℃,風速1.8 m/s,濕度40%～45%的條件下,選取垃圾主要成分中具有代表性的物質及其混合物進行干燥,得到曲線圖(圖7,8).

從圖7,8中可以看出,濕紙張、濕織物及濕木塊的干燥時間明顯比土豆、豆芽這些植物類要短.這是由于植物類中結合水較多,延長了干燥時間.在圖8的垃圾混合物干燥曲線中,前10 min含水率下降很快,干燥速率約為0.06 g/(g·min),對比濕紙張、濕織物、濕木塊及植物類的干燥曲線,也發現類似現象,主要是由于自由水大量損失造成的.10 min后,垃圾混合物的干燥曲線趨于平緩,含水率變化很小,干燥速率約為0.01 g/(g·min),主要是結合水的損失過程.

3 結 論

(1)熱風干燥裝置中干土豆的燥過程可以劃分為降速段和恒速段,隨著溫度的升高,土豆塊完全干燥所用的時間明顯減少.當風溫為100～140℃時,溫度的升高能大大提高干燥速率效果,但當風溫大于140℃時,干燥速率提高不大.

(2)干燥過程中,土豆塊的厚度越小,干燥速率越快,干燥效果越好.在相同實驗條件下,5 mm厚的土豆塊干燥所需時間最少,干燥速率最快.

(3)干燥過程中,熱風風速越大,干燥速率越快,在實驗范圍內,風速為1.8 m/s時,干燥效果最好.

(4)環境的空氣濕度對干燥也有較大的影響,濕度增加會降低物料的干燥速率,延長干燥時間.在晴天條件下(濕度40%～45%)干燥效果最佳.因此,當空氣濕度增加時,需要對干燥過程中的其他參數做相應的調整,以保證干燥的效果.

(5)生活垃圾的干燥過程中,前期的干燥速率較快,干燥速率約為0.06 g/(g·min),主要是垃圾中自由水的蒸發過程.由于結合水與垃圾結合緊密,去除相對較難,后期干燥速率開始變緩慢,干燥速率約為0.01 g/(g·min),直至完全干燥.

[1] 張亞尊,張磊,張帆.我國城市生活垃圾的處理和發展趨勢[J].中國環境管理干部學院學報,2007,17(3):9-11.

[2] 張顯輝,任卉.垃圾衍生燃料(RDF)的制備及其燃燒技術研究[J].環境科學與管理,2008,33(12):14-16.

[3] 王澤生,葉會華,劉志軍,等.垃圾衍生燃料的制備工藝及關鍵技術[J].天津城市建設學院學報,2008,14(4):290-294.

[4] 張于峰.城市生活垃圾的處理方法及效益評價[J].自然科學進展,2004,8(14):863-869.

[5] ZAWADZKA G,K RZYSTEK L,LEDAKOWICZ S.Autothermal biodrying of municipal solid wastes with high moisture content[J].Chemical Papers,2010,64(2):265-268.

[6] 張衍國,陳梅倩,蒙愛紅,等.焚燒爐條件下典型城市生活垃圾干燥過程的實驗研究[J].中國科學E輯:技術科學,2008,38(5):729-735.