生活垃圾低溫熱解實驗數據分析與運用

文/楊俊峰

長期以來，國內很多地區出現的生活垃圾均采用填埋堆積的處理方式，沒有達到節能、環保的效果，而低溫熱解技術依靠其自身的優勢，其生活垃圾處理過程中凸顯出較高的成效。不過鑒于此種技術的發展處于起步階段，缺少相應的數據驗證，鑒于此，深入探討和分析生活垃圾低溫熱解的實驗數據并加以有效運用具有重要意義。

1 實驗研究與說明

1.1 相關實驗設備

1.1.1 實驗臺裝置的組成

本實驗使用的試驗臺裝置如圖1所示，主要涵蓋下述幾個組成部分：1代表生活垃圾的熱解爐，2代表相關溫度控制器裝置，3代表有關氮氣瓶，4代表相關閥門，5代表能讓熱解氣體獲得冷卻的冷凝管設備，6代表有關焦油的收集瓶設備；7代表對氣體體積測定的氣流計儀器，8代表對氣體內氯元素收集的洗氣瓶設備。而冷凝管設備是不銹鋼的套管，其通入的自來水屬于相應冷卻介質；向爐氮中通進氮氣后將空氣排出來，讓爐中處于缺氧的情形；在洗氣瓶中存在NAOH溶液，能有效收集熱解氣內的氯元素，然后將所排出的熱解氣加以燃燒。

圖1：實驗臺裝置構成圖

表1：物料構成表

圖2：熱解爐的構造圖

圖3：有關固體殘留物的產量曲線圖

1.1.2 熱解爐的構造

關于熱解爐的構造如圖2所示，爐體主要涵蓋了有關內爐膽、金屬爐殼、相關保溫材料以及加熱爐絲等。利用熱電偶對爐體中處于不同方位的溫度加以測定，并經過熱電偶導線傳輸到溫度顯示管控表上，此時由其形成相應的控制信號，并經過有關信號線傳送到控制箱裝置當中，通過依靠控制箱裝置，對爐體電源的接通與關閉處理予以管控，進而構成熱解爐系統體系。

1.2 實驗材料和熱解氣體吸收液的制備

1.2.1 有關實驗材料配制說明

生活垃圾涵蓋諸多不同類型廢物的混合物，構成較為復雜化，熱解的垃圾構成情況關系到生活垃圾能否采用熱解方法處置。此次實驗物料需要的生活垃圾構成部分依據相關規定予以配制，如表1所示。塑膠種類涵蓋PVC、橡膠、PE，對PVC與橡膠依次加以破碎處理，而PE作為相應原料顆粒；廚余涵蓋有關米飯、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。依據總量1.2kg的比例稱量相應實驗物料，并予以混合，再倒入熱解爐的爐膽內。

表2：相關實驗數據結果表

1.2.2 熱解氣體吸收液的制備

需要設備和試劑：

電子天平：感量為0.0001g

洗氣瓶裝置：200ml，3個

容量瓶設備：500ml，2個

量桶設備：500mt，200ml

相應吸管：20ml

漏斗設備：直徑10cm

NaOH：98%

有關實驗用水為去離子水，相應電導率0.95uS/cm

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

1.3 實驗方法的說明

1.3.1 實驗的步驟

依據相關比例對物料進行稱量，加以混合以后準入有關熱解爐爐膽內并予以密封處理，隨后通入空氣，測定相應密閉性情況，待合格之后，把爐膽置于熱解爐內和熱解系統相連，并二次通入空氣對其密封性加以測定，完畢后，排除空氣，以真空泵設備抽成真空狀態，達至負壓以后，通入氮氣，科學設置有關溫度控制表并予以加熱處理。

1.3.2 熱解產物的取樣處理

圖4：有關產焦率的曲線圖

圖5：有關焦油產量曲線圖

圖6：有關固體殘留物內的氯含量曲線圖

圖7：有關焦油內的氯含量曲線圖

首先完成有關樣品的采樣分解和制備，做好定量分析，對測試數據結果予以分析。隨后采集有關固體、焦油以及熱解氣內氯吸收液等樣品，同時做好相關試劑制備和實驗數據信息的準確記錄，完成分析與編號處理。

2 生活垃圾低溫熱解實驗數據結果的分析和說明

2.1 相關熱解爐的升溫變化情況分析

2.1.1 相關熱解爐的升溫狀況說明

對于實驗最終數據結果而言，選用不同的加熱方法必然導致影響情況的差異。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，使爐膛提高到規定的溫度，隨后將物料放入其中；后者則是首先放入有關物料，確保物料與爐膛的溫度提高到規定的溫度。此實驗采用了慢加熱的方法。關于終溫550℃試驗時的熱解爐的升溫情況如表2所示。

2.1.2 系統化分析

根據有關實驗數據記錄可知，當采用的慢加熱的方法后，相應的溫度不斷提高，同時有關的初始溫度是較低的。由熱電偶0代表爐膛內壁的溫度，通常情況下，大概半個小時便能夠達至相關標準值，隨后予以自行調控，從而確保爐膛的溫度處于平穩的狀態；相關熱電偶1測定的為熱解爐爐膽的中心點位置的溫度情況，而熱電偶2和熱電偶3則分別與爐膽的內壁緊挨，由于熱量的影響，從爐膽的外壁進入至爐膽當中，因此，熱電偶3測定的數值結果相較于熱電偶l、熱電偶2更高，不過當熱解完畢以后，相應的熱電偶1、2、3測定的溫度則相同，相互之間差值不會高于16℃，處于標準的誤差允許區間當中。

2.2 熱解產物的產量和熱解終溫之間的關系

2.2.1 有關固體殘留物的產量說明

在爐膽中的物料，其中涵蓋的不同成分所形成的熱失重規律存在一定的差異。當經歷了大概104℃的初始時期的脫水環節以后，有關塑膠與廚余種類的物料會出現2回失重峰值的情況，其它的物料則僅出現1回失重峰值的情況。對于廚余而言，涵蓋了纖維和蛋白質兩類構成物，首次失重原因在于廚余內的纖維種類物質的分解所導致，而二次失重的原因在于蛋白類物質的分解所導致；針對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，產生相應的初級粒子，當處于活化時期時，二次失重則屬于經活化粒子進到反應激烈的分解時期。

關于混合構成部分的垃圾，相應產量處于300-600℃區間中的溫度變化曲線情況如圖3所示。

由圖3可知，當熱解終溫的溫度提高時，有關熱解固體殘留物的產量會呈現出降低的勢態，究其原因在于盡管不同構成部分的熱失重規律存在一定的差異性，不過整體的勢態趨于一致，處于300-500℃區間內，近似為一條斜率降低的直線，而處于500-600℃區間內的降低勢態則趨于穩定。

所謂產焦率，針對的為有關固體殘留物和原物料總重量的相應百分數情況。從圖4可知，有關產焦率和熱解終溫變化之間的關系，和固體殘留物的產量曲線變化圖十分近似。當溫度增加以后，所產生的析出很多。處于300-600℃區間當中，相應產焦率則處于35℃-50℃范圍內。

2.2.2 相關焦油產量的說明

對于反應期間，形成的熱解氣體在冷凝以后，會產生相應的焦油物，涵蓋含焦油、油類、焦木酸、水及芳烴等，而油類、焦油價值最高。焦木酸自身的化學構成十分復雜。依靠20℃的自來水冷凝處理，使其由熱解氣內凝結。圖5代表焦油的產量和溫度變化之間的關系。

由圖5獲知，當熱解終溫溫度提升后，焦油產量得以增多，說明有關熱解物料處于反應過程時的活化能表現出增加的勢態。

2.2.3 熱解氣體產量的說明

在熱解氣體內涵蓋相應的氫氣、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。此混合氣體燃料進行熱解反應時，在爐膽溫度為300℃情況下，能看見熱解尾氣的燃燒，直至反應完畢。

2.3 熱解產物的氯含量和熱解終溫之間的關系

2.3.1 有關固體殘留物內氯含量的說明

對于垃圾熱解環節內的HCI源頭包含下述兩方面，其一為涵蓋有機氯化物的物料中，比如常見的PVC塑料、皮革及橡膠等；其二為其垃圾內的氯鹽。對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大分子內。

由圖6中可知，存在于固體殘留物內氯元素的含量具備兩個明顯的峰值，首個峰值處于350-400℃范圍內，第二次處于500-550℃范圍內，前者高于后者。主要在于處于350-400℃范圍內的熱解氣產生的為氯化氫，處于500-550℃范圍內產生的為苯及其它類的碳氫化合物。

2.3.2 相關焦油內氯含量的說明

對于氣態的氯化氫而言，易溶于水，所以，存在一些氯化氫溶于熱解氣體當中的水滴內，通過冷凝管以后，最終進到有關焦油收集罐裝置內。

由圖7可知焦油內的氯含量存在兩個顯著的峰值，首個處于350℃，第二個處于550℃，二者的差異在于首個峰值小于第二個峰值。導致其產生因素為固體殘留物的吸附物與溶解于水滴中的氯，當溫度提升后得以揮發，進到焦油收集器裝置內。

2.3.3 熱解氣體內氯含量的說明

以直接方式測定熱解氣體內的氯化氫含量異常艱難，可借助吸收液對熱解氣體內氯元素吸收的方式完成其中的氯元素含量測定，進而對其含量予以科學計算。

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

由圖9可知，處于300-350℃區間，熱解氣內的含氯化氫濃度近似是零，處于450℃時達至首個峰值，主要在于此溫度下物料內沒有析出相應氯化氫，處于350-400℃時其才形成。處于550℃時達至第二個峰值，相較于首個峰值，該峰值的濃度更低，主要在于此時熱解析出的相應氯化氫占比很少。

3 結論

從論文的分析中可知，深入探討和分析生活垃圾低溫熱解的實驗數據并加以有效運用具有重要意義。本文通過開展生活垃圾低溫熱解實驗，首先確定實驗設備、實驗步驟與方法，然后詳細分析與說明生活垃圾的低溫熱解實驗數據結果：相關熱解爐的升溫變化情況分析、熱解產物的產量和熱解終溫之間的關系、熱解產物的氯含量和熱解終溫之間的關系。望此研究結果能獲得相關人員的重視，從中得到一定幫助，進而推進低溫熱解垃圾無害化處理技術的應用進程。

圖8：有關熱解氣內的氯含量曲線圖

圖9：有關熱解氣內氯化氫濃度曲線圖