城市生活垃圾熱風(fēng)干燥模擬實(shí)驗(yàn)研究

徐 昕,黃立維,閆晶晶,岳 橋

(1.浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 杭州 310032;2.杭州維華環(huán)境工程技術(shù)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(yōu)點(diǎn),近年來在我國得到了迅速的發(fā)展.垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel,簡稱RDF)具有熱值高、燃燒穩(wěn)定、易于儲存和運(yùn)輸及二次污染少等特點(diǎn)[2-3],作為供熱和發(fā)電的燃料,相比于的垃圾直接焚燒有很大的優(yōu)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(qū)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(jìn)行有效干燥除去其所含水分對提高RDF的熱值起著至關(guān)重要的作用.目前,國內(nèi)外對高含水率的城市生活垃圾方面的干燥研究還相當(dāng)少.有研究利用生活垃圾中有機(jī)物降解產(chǎn)生的生物能對高水分的城市生活垃圾進(jìn)行生物干燥實(shí)驗(yàn),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(jìn)行研究,通過在馬弗爐內(nèi)對典型城市生活垃圾進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn),獲得了其在爐內(nèi)的干燥特性曲線及干燥動力學(xué)參數(shù)[6].

實(shí)驗(yàn)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(fēng)干燥裝置中進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用的熱風(fēng)干燥裝置如圖1所示.將電熱帶纏繞在鐵管表面,用調(diào)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(chǎn)生熱風(fēng),風(fēng)速由流量計(jì)調(diào)節(jié),熱風(fēng)在與物料接觸的過程中傳遞熱量,促進(jìn)物料中水分從表面到內(nèi)部的擴(kuò)散和蒸發(fā),從而達(dá)到干燥物料的目的.

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

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

通過對杭州市區(qū)8個典型垃圾中轉(zhuǎn)站的垃圾進(jìn)行抽樣調(diào)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(fēng)干燥裝置中干燥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論.

2 熱風(fēng)干燥裝置試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 干燥溫度對干燥過程的影響

改變熱風(fēng)溫度(100,120,140,160℃),在風(fēng)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(fēng)溫的關(guān)系,如圖2所示,相應(yīng)的干燥速率曲線,如圖3所示.

從圖2中可以看出風(fēng)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(fēng)溫度為100,120,140,160℃時,分別用了60,40,30,25 min.

在熱風(fēng)干燥過程中,物料與干燥介質(zhì)間的換熱為

式中:Q為傳熱速率,W/s;α為對流換熱系數(shù),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(fā)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(dāng)熱風(fēng)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(fēng)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(nèi)自由水的減少,使得土豆塊內(nèi)部水分向表面遷移的速率低于水分遷移到表面的蒸發(fā)速率,從而產(chǎn)生的降速階段.此階段內(nèi),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(jié)合水的去除過程,由于結(jié)合水含量較少,失水量前后變化不明顯,由此產(chǎn)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(xù)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(nèi)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(shí)驗(yàn)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(fēng)溫140℃,風(fēng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)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(dāng)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(fēng)風(fēng)速對干燥過程的影響

如圖5所示,風(fēng)溫140℃,濕度40%～45%的條件下,改變熱風(fēng)風(fēng)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(fēng)速的關(guān)系曲線.

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

風(fēng)速越大,等量的熱空氣與土豆塊接觸的時間減少,風(fēng)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(nèi)土豆塊與熱空氣的換熱次數(shù)越多,有利用水分的散發(fā),加快了干燥的進(jìn)行.

從圖5中可以看出,土豆塊含水率降為10%時,隨著風(fēng)速的增加,干燥所需的時間隨之減少,但風(fēng)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(fēng)速為1.8 m/s時所需時間僅為22 min.由此可見,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),風(fēng)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(huán)境的空氣濕度是影響物料熱風(fēng)干燥的一個重要因素,為了研究其影響,在風(fēng)溫140℃,風(fēng)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(jìn)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(guān)系Fig.6 Drying time versus hot-air humidity for potato blocks

熱風(fēng)干燥過程中物料與干燥介質(zhì)間的傳質(zhì)方程為式中:J為傳質(zhì)速率,kg/s;hM為物料和空氣界面的對流傳質(zhì)系數(shù),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(dāng)hM,A和yA不變時,熱風(fēng)中的空氣濕度yAS的增大,使得傳質(zhì)速率J降低,延長了干燥時間.

在空氣濕度大的環(huán)境中,水蒸氣的分壓變大,當(dāng)熱風(fēng)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(fā)速度降低,從而降低了其干燥速度.實(shí)驗(yàn)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(fēng)溫140℃,風(fēng)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(zhì)及其混合物進(jìn)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(jié)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(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)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(jié)合水的損失過程.

3 結(jié) 論

(1)熱風(fēng)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(dāng)風(fēng)溫為100～140℃時,溫度的升高能大大提高干燥速率效果,但當(dāng)風(fēng)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(shí)驗(yàn)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(fēng)風(fēng)速越大,干燥速率越快,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),風(fēng)速為1.8 m/s時,干燥效果最好.

(4)環(huán)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(dāng)空氣濕度增加時,需要對干燥過程中的其他參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)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(fā)過程.由于結(jié)合水與垃圾結(jié)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(fā)展趨勢[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2007,17(3):9-11.

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[3] 王澤生,葉會華,劉志軍,等.垃圾衍生燃料的制備工藝及關(guān)鍵技術(shù)[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,14(4):290-294.

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[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(shí)驗(yàn)研究[J].中國科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué),2008,38(5):729-735.