厨余垃圾与不同燃料物混烧排污及热值效应分析

程俊伟 黄明琴(遵义师范学院，贵州 遵义 563000)

厨余垃圾与不同燃料物混烧排污及热值效应分析

程俊伟 黄明琴
(遵义师范学院，贵州 遵义 563000)

以原煤、焦炭、秸秆、橡胶和塑料作为厨余垃圾掺混原料，CO、NOX、混烧热值、底灰比率作为分析对象，通过温度和掺混比梯度研究了其各自的焚烧效应及污染物排放量关系。试验结果显示：厨余垃圾掺混原煤和焦炭混烧样在600～800℃低温范围内CO产量最大，可达3.2～3.4mg，在1000℃左右达热解平衡，CO产量最小。随垃圾和原料样掺混比增加，原煤和焦炭CO产量逐渐降低，秸秆、橡胶和塑料样平缓升高。掺混原煤和焦炭虽对减少CO产量影响较小，而秸秆、橡胶和塑料样可抑制CO的不完全燃烧和热解产量；秸秆混烧样的NOX在温度和掺混比梯度中都表现出最高的产出量。以污染物CO和NOX为参考相，厨余垃圾掺混橡胶和塑料混烧最为理想，污染物产出量远小于其他原料，且温度在800～900℃、掺混比为5:5范围内为最适宜燃烧条件。以热能和重金属回收为参考相，掺混焦炭样底灰比重最高，重金属富集度较为集中，内能发热量可满足再利用和回收要求。

厨余垃圾；混烧；掺混比；温度；热值

厨余垃圾主要是指人们生活中餐前餐后排放的食品类相关废物，成分复杂[1]，生物质含量较高，含水量高，极易酸败腐烂，产生恶臭性气体。随着生活水平的不断提高，产量呈直线式递增，不仅在全国主要城市范围内影响巨大[2]，而且正逐渐成为小型县乡城镇的环境问题[3]。目前，国内外对厨余垃圾的处理方式较为多样，主要包括卫生填埋[4]、堆肥利用[5]、生物产沼[6]和焚烧[7]等方式，但受填埋和堆肥反应周期过长，生物产沼相关技术成熟度欠缺等因素影响，加之“垃圾包围城市”等环境问题日益突出，能够快速、量化解决垃圾储备的方式正被广泛研究和使用。

针对厨余垃圾含水率和有机质含量高、发热量低等焚烧缺陷，国内外很多学者做了基础提升性研究，但大多集中于垃圾脱水干燥预处理[8]、燃烧粒径破碎度[9]、生物质燃料制备[10]以及焚烧污染烟气分析处理等方面，对选择现有原料进行配比混烧的研究十分稀少，缺乏实际应用效果。

本文以原煤、焦炭、秸秆、橡胶和塑料作为厨余垃圾掺混对象，以CO、NOX、混烧热值、底灰比率等四个方面作为分析对象，通过温度梯度和掺混比梯度研究了其各自的焚烧效应及污染物排放情况，以期为实际应用及厨余垃圾减量减排提供理论依据。

1 试验部分

1.1 试验原料及预处理

试验用厨余垃圾取自遵义师范学院周边餐饮垃圾综合回收池，各混烧原料均为当地自产，各生物质及非生物质组分如表1所示，基于厨余垃圾含水率较高，特将采集样品在烘箱内110℃下干燥8h备用。混烧燃料选用原煤、焦炭、秸秆、橡胶和塑料等五类热值型燃料。各原料经高速粉碎机进行破碎，筛分机进行筛分，粉碎效果至样品粒径<0.4mm或50目以下，混合原料工业分析及元素分析如表2所示。

表1 厨余垃圾样品组分比例分布

表2 混合原料样品工业及元素分析(干燥基)

1.2 试验燃烧及分析设备

试验混烧设备为陶瓷管式炉体，如图1所示，加热区段长15cm，内径3cm，承温范围0～1200℃，进样方式采用瓷舟推拉式进样，压缩空气进气流量恒定为0.10m3/h，各掺混样质量均称量0.50g，为保证样品混烧完全，样品混烧时间为15min，即烟气采集时间为15min。烟气分析仪采用德国testo350XL型，测量氧气精确度±0.2vol.%，CO/CO2精度±5%，NOX精度±1%。燃烧热值采用国产YXRZY-7固体燃料发热量氧弹检测仪，精度范围≤0.1%。

图1 混烧试验管式炉工作示意图

2 结果与讨论

2.1 不同温度对混烧效果及污染排放量的影响

垃圾焚烧的主要烟气污染成分为CO和NOX[11]，二者是判断燃烧效果及污染排放相关性的重要指标。本试验以不同温度梯度(600～1100℃)为燃烧热，恒定厨余垃圾与各原料混合配比(5:5)，以CO、NOX排放量作为分析对象，研究温度对厨余垃圾与不同原料混烧效果的影响。

温度梯度条件下不同混烧原料的CO排放量如图2所示，排放量(以质量单位mg计)根据testo350XL实时浓度累计模型换算所得[12]。由于掺混原料的挥发分及含碳热功效差异，CO的产生受燃烧和热解反应共同影响，因此不同原料随温度梯度呈现出排放量差异。当温度在600～900℃时，各掺混样的CO产生量均呈现急剧下降趋势，此温度范围内，燃烧温度温和，空气过剩系数较大，燃烧反应速率远大于热解速率，燃烧充分，CO浓度降低较快，与刑献军等[12]研究生活垃圾混烧在600～850℃范围内CO产生排放趋势较为一致，但高于850℃并没有出现其所述的先降后升的析出峰，可能原因在于相比生活垃圾，厨余垃圾含水率较高，热解温度和速率提升均推迟所致。随着温度升高，秸秆掺混原料的热解反应开始加快，厨余垃圾中的挥发分大量析出，加速了氧气消耗速率，提供了较好的热解反应氛围，在900～1100℃范围呈上升趋势。原煤、焦炭掺混原料在此空气流量条件下，热解较慢，温度推迟到1000℃左右，CO排放量较低，但在低温燃烧条件下排放量最高达3.2～3.4mg。橡胶和塑料掺混原料兼具可燃和稳定特性，分别在700℃和1100℃左右呈现出CO的峰值排放量，原因在于二者在燃烧过程中对氧浓度要求较高，滞留和耗氧结合时间稍长，完全燃烧所需瞬时温度增加，但在1100℃高温下热解较快，羰基和醚键断裂迅速，CO生成量显著增加，出现上述双峰现象。

图2 不同温度、掺混原料混烧条件下CO排放量

不同掺混原料混烧随温度梯度的NOX排放量如图3所示，厨余垃圾掺混秸秆、橡胶和塑料的混烧样均在800～900℃达到NOX最大生成量，相比掺混原煤及焦炭样在1000℃达到峰值较为提前，原因在于秸秆、橡胶和塑料掺混样燃点低，燃烧充分度提前，含氮化合物较先析出并与有氧环境结合形成燃料型NOX，同时此温度下CO的生成量最小，主要发生NOX的氧化合成，中间产物NH3和HCN不断被氧化成NO[13]。与陈国华等[14]对纯木质颗粒燃料燃烧相比，结合厨余垃圾混烧样的NO产生量并没有显著提升趋势，可能原因在于随着温度的升高，挥发分析出快速消耗氧浓度，还原性CO量增加形成了浓郁的还原环境，NOX被破坏产生分子氮，生成量降低。生物质秸秆本身含氮量较高，混烧温度范围内的NOX生成量均远高于其他掺混样。橡胶和塑料掺混样含氮量少，NOX产生量最小，但硫化物的大量生成是其主要限制因素[15]。

图3 不同温度、掺混原料混烧条件下NOX排放量

2.2 不同掺混比对混烧效果及污染排放量的影响

本试验设定厨余垃圾和燃料样的掺混比分别为1:9、3:7、5:5、7:3和9:1，为燃烧快速和充分，温度恒定为1050℃，其余条件如上所述，研究各自掺混样CO和NOX等污染物的产生量，并分析各自混烧效果。

不同掺混比混烧样CO产生量如图4所示，从整体趋势看，厨余垃圾掺混原煤和焦炭混烧样随掺混比增加，CO产生量明显降低，这主要是基于原煤和焦炭本身的含碳量特性，挥发分较少，此高温及氧浓度条件下，热解反应远大于充分燃烧效应，产生大量CO，而厨余垃圾挥发分析出后，热解效果受环境高浓度CO影响，发生可逆性抑制，但当原煤和焦炭掺混量为10%时，CO含量出现上升趋势，这与任福民等[16]研究原煤和地铁站垃圾50%和10%掺混比CO排放量持平趋势相反，说明掺混原煤和焦炭可推迟厨余垃圾热解产CO时间，但对减少CO产生量效果不佳。相反，掺混秸秆、橡胶、塑料混烧样随掺混比增加有升高趋势，原因在于三类掺混样挥发分含量较高，相比垃圾，充分燃烧所需温度和时间均较少，在氧浓度充足条件下，可优先完成燃烧过程，加速了厨余垃圾燃烧所需的内部温度提升，使燃烧反应提前，减少了不完全燃烧和热解的CO产量，说明掺混秸秆、橡胶、塑料混烧可有效降低厨余垃圾的CO产生量。另外，同一掺混比样中，橡胶和塑料本身热解CO量较少，混烧样CO产量远低于掺混原煤和焦炭，秸秆次之。

图4 不同掺混比混烧条件下CO排放量

不同掺混比混烧样NOX产生量如图5所示，随着掺混比的增加，NOX在秸秆掺混样混烧的产生量均属最高，在掺混比5:5时产量略有降低，原因是秸秆本身含氮量较高，秸秆和厨余垃圾所含挥发分均偏高，挥发分氮不断通过气相形式由NH3和HCN氧化生成NO，高温条件下燃烧时间短，被还原N2比例少，导致NOX(主要是NO)含量偏高。掺混原煤和焦炭样受还原性CO高浓度影响，大部分NO被还原为N2排放，NOX产生量并不高，掺混原煤样NOX产生来源由挥发分析出氮和焦炭燃烧氮两部分构成，排放量相比焦炭样略高，在掺混比3:7时达到最大。橡胶和塑料含氮量较小，NOX产生主要来源于厨余垃圾的热解和燃烧，产生量随掺混比增加而逐渐升高，说明掺混橡胶和塑料仅可作为能量替换，而对NOX产生的抑制效果欠佳。

图5 不同掺混比混烧条件下NOX排放量

2.3 不同掺混原料混烧热值和底灰比重对比

垃圾与不同燃料的混烧热效应值不仅反映了燃料的燃烧特性，而且决定了其在资源化循环体系中热效应的回收比例，是考量燃烧效果的集中体现[17]。燃烧底灰是原料重金属元素主要富集场所，其所占量化比重直接影响污染重金属的回收和排放[18]。本试验以掺混比为5:5作为等量参考比，在30W功率条件下分别测试了不同掺混物的燃烧热值，并对底灰进行收集称重，进行量化研究。底灰比重C计算公式如下：

(1)

式中M1、M2分别为垃圾和掺混原料单烧底灰量，M3为本试验中相对等量混烧底灰量，C值越大，说明混烧挥发分对重金属的迁移量越小，便于收集。

图6显示了按照5:5掺混厨余垃圾和燃料的发热效应值，与各原料单烧热值相比，掺混橡胶和塑料样产热量均有小幅提升，而掺混原煤、焦炭和秸秆混烧样产热量均降低，可能原因在于橡胶和塑料的燃烧和热解一级中间产物多为气相烃类，能够与垃圾颗粒产生更大的比表面积接触面，受垃圾中重金属钾、钠、钙等活性激发[19]，提高了垃圾中挥发分可燃质的二次燃烧充分度所致，而混烧原煤、焦炭和秸秆过程中固态相之间热传质较为缓慢，产热量略有下降。图7显示了各混烧样底灰占单烧灰分的比重差异，底灰比重C值越大，说明混烧过程中的挥发分减量越少，重金属等离子在底灰中的富集比例越高，混烧焦炭对重金属回收效果最佳，塑料样挥发分含量过高，不适宜作为底灰收集参考相，这与谢明超等[18]研究塑料燃烧失重率远高于木质燃料结果一致。

图6 不同掺混原料混烧热值

图7 不同掺混原料底灰比重

3 结论

(1)厨余垃圾掺混原煤和焦炭混烧样在600～800℃低温范围内产CO量最大，随温度增加，在1000℃左右达热解平衡，CO产量最小。掺混秸秆、橡胶和塑料混烧样产CO能力相对较弱，分别在800、900℃达到最低值。

(2)随垃圾和原料样掺混比增加，原煤和焦炭CO产量逐渐降低，秸秆、橡胶和塑料样平缓升高。从CO产量分析，厨余垃圾掺混原煤和焦炭虽可推迟垃圾热解产CO时间，但对减少CO产生量效果不佳，而掺混秸秆、橡胶和塑料样可使燃烧反应提前，减少了不完全燃烧和热解的CO产量。

(3)掺混秸秆混烧样因其自身含氮量和受低温热解效应的影响，NOX在温度梯度和掺混比梯度中都表现出最高的产出量，比掺混橡胶和塑料样高出一个数量级，在1000℃以下范围内，随温度增加均有产量上升趋势。

(4)从污染物CO和NOX产生量角度综合考虑，厨余垃圾掺混橡胶和塑料混烧最为理想，污染物产出量远小于其他原料，且温度在800～900℃、掺混比为5:5范围内为最适宜燃烧条件。

(5)从热能再利用和重金属回收角度综合考虑，掺混焦炭样底灰比重最高，重金属富集度较为集中，内能发热量可满足再利用和回收要求。

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Pollutantsemissionandcalorificvalueeffectduringkitchenwasteco-combustionwithdifferentcombustiblefuel

Cheng Junwei1，Huang Mingqin2
(Zunyi Normal University，Zunyi 563000)

The compound fuel was made by mixing kitchen waste with coal, coke, straw, rubber and plastic respectively. The CO and NOx emission, and bottom ash ratio (ash weight of the mixed fuel to that of the sum of the two separate fuels after they are burned) and calorific value of the mixed fuels were measured under different burning temperatures and fuel percentages. The results showed that, kitchen waste with coal and coke produced CO up to 3.2-3.4 mg under low combustion temperature of 600-800 ℃; at about 1000 ℃, the pyrolysis equilibrium was reached when the least CO was produced. With the increase of the ratio of kitchen waste in the mixed fuel (kitchen waste-coal, kitchen waste-coke), the production of CO decreased gradually, while the CO production was on the reverse as for that of straw, rubber and plastic. Blending of raw coal and coke had insignificant effect on reducing CO production, while straw, rubber and plastic could inhibit the yield of CO derived from incomplete combustion and pyrolysis. Under any temperature and blending ratio, the mixed fuel of straw generated highest emission of NOx. With the pollutants CO and NOx as the reference, kitchen waste mixed with rubber and plastic was the most ideal fuel, generating least pollutant among other raw materials, and the temperature of 800 - 900 ℃, mixing ratio of 5:5 was found the most suitable combustion condition. Taking the heat and heavy metal as the reference, the bottom ash ratio of the kitchen waste-coke was the highest, in such ash,heavy metals were more concentrated, and the heat of internal energy could meet the requirements of recycling and reuse.

kitchen waste; co-combustion; mixing ratio; temperature; calorific value

X705

A

贵州省教育厅创新群体重大研究项目，黔教合KY[2016]047

2017-09-20； 2017-10-17修回

程俊伟(1989-)，硕士，讲师，研究方向：固体废物资源化。E-mail: junweicheng@126.com