廚余垃圾干濕協(xié)同厭氧3 種有機(jī)副產(chǎn)物的熱解炭化研究

鄒錦林

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092）

0 引言

廚余垃圾分為餐廚垃圾、家庭廚余垃圾以及其他廚余垃圾。餐廚垃圾產(chǎn)生自飯店、食堂等餐飲業(yè)的殘羹剩飯，具有來源多、分布廣的特點(diǎn)；廚余垃圾主要指居民日常烹調(diào)中廢棄的下腳料，具有產(chǎn)量大、有機(jī)成分含量高的特點(diǎn)［1］。目前，國內(nèi)廚余垃圾處理基本以厭氧消化技術(shù)為主，其中餐廚垃圾以烹飪過的熟物料為主，其具有含水率高、漿化率高的特點(diǎn)，國內(nèi)基本以濕式厭氧消化工藝為主；家庭分類廚余垃圾以及其他廚余垃圾通常以烹飪的生物料為主，其含水率相對較低、漿化率不高，干式厭氧消化工藝對此原料較為適宜，以廈門、上海、青島、南京、重慶、合肥等為例，其廚余垃圾多采用干式厭氧消化工藝。然而，無論濕式或干式厭氧，其厭氧消化前均需要一定的預(yù)處理的工序，特別針對油脂含量較高的廚余垃圾，其在進(jìn)入?yún)捬跸耷靶柽M(jìn)行除油預(yù)處理。國內(nèi)目前除油工藝基本均采用加熱后離心分離法，通過將物料加熱至80 ℃左右并停留一段時(shí)間，泵送至三相離心機(jī)進(jìn)行油脂分離。三相離心機(jī)在分離油脂的同時(shí)，還可分離出液相的漿液和固相的三相固渣，其中三相固渣具有有機(jī)質(zhì)含量高、營養(yǎng)成分高的特點(diǎn)，是廚余垃圾重要的資源化對象。

厭氧消化過程中除了產(chǎn)生的沼氣和沼液外，其未降解的有機(jī)質(zhì)、微生物菌體、無機(jī)殘?jiān)葮?gòu)成了沼渣的主要成分。濕式厭氧和干式厭氧消化由于進(jìn)料條件不同，其沼渣的組成也不同。通常濕式厭氧消化采用離心脫水方式，形成含水率70%～80%的離心沼渣；干式厭氧由于進(jìn)料復(fù)雜，其脫水常采用擠壓脫水和離心脫水2 道工序，分別形成含水率55%～65%的離心沼渣和含水率70%～80%的離心沼渣。

本文針對廚余垃圾干濕協(xié)同厭氧3 種有機(jī)副產(chǎn)物，預(yù)處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的三相固渣、離心沼渣和擠壓沼渣進(jìn)行熱解炭化中試。通過對3 種有機(jī)副產(chǎn)物的特性、營養(yǎng)成分和重金屬含量分析，研究其制取生物炭肥料的可行性［2］。

1 材料和方法

1.1 材料

消化物取自中國東部某大型廚余垃圾厭氧消化處理廠，如圖1 所示，3 種有機(jī)副產(chǎn)物的特性如表1 所示。

表1 3 種有機(jī)副產(chǎn)物的特性

圖1 消化物圖像

1.2 熱解實(shí)驗(yàn)

將3 種有機(jī)副產(chǎn)物分批次加入處理規(guī)模為2 t/d 的熱解反應(yīng)器進(jìn)行中試研究，如圖2 所示。該反應(yīng)器由2 級(jí)螺旋式熱解反應(yīng)器組合而成，當(dāng)主反應(yīng)器的溫度在氣體燃燒器的作用下升高到550 ℃時(shí)，加入物料，然后連續(xù)干燥和熱解。熱解過程產(chǎn)生的包括氣體和油蒸氣的揮發(fā)性產(chǎn)物送至熔爐進(jìn)行二次燃燒，并將產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥米骷訜嵩磥砑訜岱磻?yīng)器。

圖2 中試熱解反應(yīng)器系統(tǒng)

在熱解過程中，第二級(jí)螺旋反應(yīng)器保持在500～550 ℃內(nèi)，控制消化物的移動(dòng)速度，使其在反應(yīng)器內(nèi)超過500 ℃的持續(xù)時(shí)間約為30～45 min。每次對入口消化物和出口生物炭進(jìn)行稱重，并記錄進(jìn)料開始進(jìn)料后消耗的輔助燃料，即LPG。

1.3 測量和表征

用氣相色譜GC（Agilent 7820A，USA）分析收集的氣體產(chǎn)物的組 分，以確定 氣體中含有CH4、H2、CO、CO2、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6和C3H4等組分。將生物炭研磨并送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，元素分析是用元素分析儀（Elementar，德國）進(jìn)行。為了測定重金屬含量，根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局的方法3052，使用安捷倫ICP-MS 7700 電感耦合等離子體（ICP）質(zhì)譜儀（美國安捷倫科技公司）分析樣品。

3 種不同副產(chǎn)物和最后形成的生物炭的密度根據(jù)《化工產(chǎn)品密度、相對密度的測定》（GB/T 4472—2011），以煤油為介質(zhì)，用比重瓶測量。通過使用刻度桶粗略測量消化物和生物炭的體積，體積減少率（VRR）計(jì)算見式（1）。

式中：Vc和Vd分別為生物炭和3 種不同副產(chǎn)物的體積。

2 結(jié)果和討論

2.1 熱解產(chǎn)物和能量平衡

熱解產(chǎn)物和體積還原率見表2。

表2 熱解產(chǎn)物（生物炭）的特性研究

從表2 可知，3 種不同副產(chǎn)物熱解后產(chǎn)生的生物炭產(chǎn)量從38.87%變化到59.28%，結(jié)合表1，可以看出是隨著灰分含量的增加而增加。所有生物炭的密度都<500 kg/m3，這表明它們是多孔的。擠壓沼渣和三相固渣體積可以減少60%以上，因此熱解是1 種很好的減容技術(shù)，其對減少運(yùn)輸量非常重要。3 種不同副產(chǎn)物預(yù)熱后的輔助天然氣消耗均為零，因此可判斷其均可以在沒有輔助燃料消耗的情況下進(jìn)行熱解。但是本次試驗(yàn)的離心沼渣經(jīng)過預(yù)干化，其在干化過程消耗了的能量未被統(tǒng)計(jì)在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，為了評估能量平衡，今后應(yīng)該將干化步驟放在一起考慮。

2.2 熱解氣

在熱解過程中，氣體產(chǎn)物與油蒸氣一起在爐中燃燒，并為熱解反應(yīng)器提供熱量。3 種不同副產(chǎn)物熱解氣體產(chǎn)量及其組成如表3 所示。

表3 天然氣產(chǎn)量及其成分體積 （%）

由表3 可以看出，熱解氣主要成分為N2，這是因?yàn)楸敬螣峤庠囼?yàn)規(guī)模過小，通常采用料封隔絕空氣。為避免空氣的進(jìn)入，在進(jìn)料無法形成料封的前提下，采用N2進(jìn)行空氣隔絕。此外，還可以看出，3 種不同副產(chǎn)物中，三相固渣產(chǎn)生了具有最高可燃成分的氣體產(chǎn)物。

2.3 生物炭作為肥料的評價(jià)

3 種副產(chǎn)物熱解產(chǎn)生的生物炭的特性見表4。

表4 3 種副產(chǎn)物熱解產(chǎn)生的生物炭的特性

從表4 中的數(shù)據(jù)可以看出，3 種副產(chǎn)物熱解產(chǎn)生的生物炭中的相關(guān)重金屬都低于 《有機(jī)肥料》（NY 525—2021）的標(biāo)準(zhǔn)值，因此重金屬不會(huì)成為使用生物炭作為肥料的障礙。經(jīng)過高溫處理（＞500 ℃）后，由于蟲卵和糞大腸菌群均被完全殺死，預(yù)計(jì)蟲卵和糞大腸桿菌群將為零，達(dá)到 《有機(jī)肥料》（NY525—2021）標(biāo)準(zhǔn)要求的每克物質(zhì)少于100 個(gè)；而在厭氧消化原生沼渣中，即使在堆肥后它們?nèi)匀豢梢源婊睿?］。來自三相固渣的生物炭中總養(yǎng)分N+P2O5+K2O 的含量高于4.0%，符合有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)表4 中的數(shù)據(jù)，來自三相固渣熱解產(chǎn)生的生物炭是一種高質(zhì)量的有機(jī)肥料。而對于另外2 種沼渣制成的生物炭，它們可以通過添加N 和K 作為生產(chǎn)肥料的基質(zhì)；對于擠壓消化物中的生物炭，在用作肥料基質(zhì)之前，必須去除玻璃片、礫石和小金屬片等雜質(zhì)。

3 結(jié)論

本文通過對廚余垃圾干濕協(xié)同厭氧3 種有機(jī)副產(chǎn)物的熱解炭化的分析，研究熱解炭化生產(chǎn)生物炭肥料的可行性。初步得出以下3 個(gè)結(jié)論：

（1）三相固渣和擠壓沼渣的熱解可以達(dá)到≥60%的體積減量，因此熱解為減容提供了1 個(gè)很好的替代方案；其生物炭產(chǎn)率分別為38.87%和50.44%。對于離心沼渣（干化后），熱解只能減少15.34%的體積，因?yàn)樗懈弑壤幕曳郑?7.07%）。

（2）試驗(yàn)中所有生物炭的密度都＜500 kg/m3，這表明它們是多孔的。三相固渣的生物炭具有很高的養(yǎng)分含量，是1 種潛在的良好肥料；離心沼渣和擠壓沼渣熱解產(chǎn)生的生物炭的總養(yǎng)分含量不能滿足肥料標(biāo)準(zhǔn)，但如果能夠去除擠壓消化物中的雜質(zhì)，它們可以作為生產(chǎn)肥料的基質(zhì)。

（3）在2 t/d 的中試熱解系統(tǒng)中，3 種物料均在沒有輔助燃料的情況下實(shí)現(xiàn)了能量平衡，表明熱解炭化工藝在針對3 種不同物料處理中均可通過自身產(chǎn)生的熱解氣二次燃燒維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。