生物质废弃物低温炭化降低含水率试验

张涉　陆晓春　李举　陈思伍　刘志彬

摘要：指出了目前国内外对污泥低温炭化的研究较多，但对于生物质废弃物的低温炭化处理的研究试验开展较少。针对垃圾湿组分、垃圾发酵产沼后的沼渣、污水厂污泥、破碎餐厨垃圾以及湿组分和发酵液混合样5种试样进行了含水降低率试验，结果表明：适宜的反应温度分别为220℃、280℃、230℃、180℃、210℃时，含水降低率分别达到28.73%、40.47%、40.07%、48.90%、44.13%，取得了良好的减量化效果。试验结果可应用于垃圾生物质处理工程实践，有利于降低后续处理成本。

关键词：生物质；污泥；低温炭化；废弃物

中图分类号：TU993.3

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10002403

1 引言

改革开放特别是20世纪90年代中后期以来，伴随着我国社会经济的高速发展和城乡一体化进程的加快，生活垃圾、污泥、農林剩余物等典型生物质废弃物产生量居高不下，年产生量已经超过26亿t，并且继续以年均10%速度增长，但综合处理率平均不到40%[1]，转化利用率更是不到10%，且堆存量巨大。长期堆存的废弃物不仅对周边大气、水体、土壤及生态系统带来了一定程度的破坏，甚至还将对堆放地区的地下水源形成潜在危害。而目前综合处理利用技术以填埋、焚烧、堆肥等传统工艺为主，同样存在着严重的环境隐患，例如填埋带来的渗滤液、焚烧所产生的二噁英和烟尘、堆肥累积的重金属等，都较难根治。生物质废弃物的环境问题已经引起社会的广泛关注，无害化、减量化处理已经成为可持续发展亟待解决的重要问题。

该试验采用的低温炭化处理技术，旨在通过前段生物质调质结合后段低温炭化，在实现对生物质废弃物无害化、减量化处置的同时，保留回收大量炭质，提高废弃物综合利用率，具有工艺先进和经济性高的双重特性。相较于传统填埋、焚烧、发酵、热解等生物质废弃物处理工艺，该技术不仅具有资源浪费少、能耗低等优势，更是符合国家所倡导的发展循环经济，建立可持续发展的环境友好型社会的政策。

生物质废弃物含水率高不但导致处理量大，而且给后续的利用和最终处置增加了很多障碍。可以认为降低含水率是生物质废弃物处理处置需首要解决的问题。采用低温炭化技术可通过加温加压使生物质裂解，将其中的水分释放出来，由普通的机械脱水即可将生物质中的部分水份脱除[2]。

2 试样和方法

2.1 试验物料

以城市生活垃圾湿组分、垃圾发酵产沼后的沼渣、污水厂污泥、破碎餐厨垃圾、湿组分和厌氧产沼发酵液的混合样5种生物质废弃物为试验对象。

2.2 试验方法

将试样装入反应器后，分段调节电加热装置的温度，反应产物用真空抽滤设备脱水，维持真空度不变；抽滤后产物测定含水率。通过前期的反应时间和反应温度的探索性试验，确定反应时间为1.0 h；确定试验温度预设范围，测试预设范围内不同反应温度条件下的炭化反应脱水后的产物含水率变化情况，并在整理汇总试验数据的基础上，分析、筛选出可以取得较为理想炭化处理效果的反应温度条件，优选出最佳工艺控制参数。

2.3 试验装置

试验装置如图1所示。反应器为碳钢材质，底部焊接，上部为装卸料口，采用法兰压密；中间为装料空间，采用调温电热套加热，外部温度范围0～360℃；内部插入温度计和压力表，密封盖采用法兰、螺栓和石墨合金垫片进行密封。使用前经过耐压和密封性能测试。试验时由顶部装量口装入试验物料并密封，由调温电热套调节温度至试验温度，当温度计显示到达试验温度后开始计时。记录反应温度、反应器内部压力及反应时间。该试验研究主要考察反应温度的变化对物料含水率的影响。

2.4 分析方法

温度的测定利用温度变送器外接显示仪表测定；含水率的检测参照《城镇垃圾农用监测分析方法》规范执行。

2.5 结果计算

含水降低率计算公式：含水降低率=（试样含水率-产物含水率）/试样含水率。

3 试验结果与分析

3.1 垃圾湿组分炭化结果分析

城市生活垃圾经过超高压干湿分离后的湿组分[3]经过浆化处理，成流质状，含水率在70%～90%之间，炭化温度分别设定在170～250℃。通过试验发现含水降低率最大在220℃出现，170℃时含水降低率虽也有高点出现，但考虑到炭化后物质稳定化和无害化的需求，不做考虑。高于220℃时降低率反而降低，说明过高的温度会影响到炭化脱水效果，在220℃反应温度下含水率降低率达28.73%（图2）。

3.2 沼渣炭化结果分析

垃圾湿组分经过发酵产沼后产生的沼渣，也是需要处理的生物质废弃物。经过低温炭化试验发现，炭化温度在280℃时降水效果最佳，含水率降低率达到40.47%。且在250℃～300℃温度范围内先高后低（图3）。

3.3 污泥炭化结果分析

城市污水厂污泥作为试样，根据不同的反应温度条件，进行炭化反应，在190～270℃温度范围试验结果如图4所示。含水率降低率随着温度升高先高后低，再升高。污泥低温热化学机理研究表明，300 ℃以下发生的热化学转化反应主要是污泥中的脂肪族化合物（主要含炭 、氢元素及少量氧）的转化[4]。但过高的温度需要消耗过多的能源，经济性下降，同时炭得率随着温度升高成下降趋势[5]，根据试验结果，考虑工程应用时的经济性，可知230℃是污泥低温炭化反应的适宜温度。

3.4 餐厨垃圾炭化结果分析

将破碎餐厨垃圾作为试样，反应温度和含水降低率的关系如图5所示。餐厨垃圾炭化反应含水降低率随着反应温度的升高而升高，在185℃时达到高值，随后温度升高含水降低率增加很小。考虑到高温对能源需求量大，确定餐厨垃圾的适宜炭化温度为185℃，在此温度下餐厨垃圾含水降低率达到48.9%。

3.5 湿组分和发酵液混合样炭化结果分析

考虑到湿组分采用厌氧发酵产生沼气回收废弃物能量的需求，湿组分发酵后产生的发酵液和沼渣都需要处理，该试验对湿组分和厌氧产沼发酵液按质量配比2∶1进行混合，得到的混合样进入反应器进行低温炭化，所得数据显示混合样脱水效果在210℃达到高值，低于湿组分与沼渣单独作为试样时的低温炭化降水适宜温度，且脱水效率更高，含水降低率达到44.13%。通过垃圾湿组分及其发酵液的混合，达到了生物质废弃物的协同处理，同时又降低能源消耗，处理效果更好（图6）。

4 结语

试验研究了5种生物质废弃物试样进行低温炭化反应，得出结论如下。

（1）低温炭化处理对生物质废弃物具有良好的脱水效果。

（2）反应适宜温度范围为180～280℃，含水降低率达到了28.73%～48.90%。

（3）在反应温度范围内，不同试样的含水率降低率具有不同的特性，含水降低率对应反应温度的变化，分别存在单峰、双峰和多峰的特征。

（4）由此引起的减量效果明显，显著减少后端处置的废弃物量，减少运输及处置费用。

（5）生物质废弃物的处理可实现协同化，构设废弃物的集中减量，变填埋处置为污水处理，环境污染可控。

国内垃圾分类收集、转运及处理推进困难，垃圾分类工作进程缓慢。对原生垃圾进行干湿分质分类，湿组分通过厌氧发酵产沼和低温炭化处理，同时协同处理餐厨垃圾和污水厂污泥等生物质废弃物，可以达到节能减排和保护生态環境的目的，具有很高的经济效益、环境效益和广阔的应用前景。

参考文献：

[1]

佚 名. 《废物资源化科技工程十二五专项规划》的通知[N]. 国际商报，2012-07-13（B02）.

[2]于洪江，杨金凯. 污泥低温碳化技术的中试研究[J]. 中国建设信息（水工业市场），2009（3）：55～57.

[3]周颖君，邓云盼，胡 洋，等. 高压挤压技术预处理分离城市混合生活垃圾的研究[J]. 环境工程，2016（9）：110～113.

[4]何品晶，邵立明，陈正夫，等. 污水厂污泥低温热化学转化过程机理研究[J]. 中国环境科学，1998（1）：40～43.

[5]何品晶，顾国维，邵立明，等. 污水污泥低温热解处理技术研究[J]. 中国环境科学，1996（4）：254～257.