关键词：水热碳化;;城市生活垃圾;;过程机理;;高品位燃料;;热利用与能量平衡
摘 要：城市生活垃圾的无害化、减容化和资源化处置一直是生态文明建设和环境保护工作中不可或缺的一环。水热碳化技术(Hydrothermal Carbonization Technology)可将低品位的生物质资源转化为高品位固体燃料而受到研究学者的关注。针对中国城市生活垃圾水分高、低能量密度、产量大等特性,以高效低污染资源化利用为目的,开展基于组分基团的城市生活垃圾水热碳化资源化利用的研究。探寻并揭示单组分及全组分垃圾的水热碳化机理,同时掌握水热碳综合热利用过程及其能量评估。首先,研究六种典型垃圾单组分基团水热碳化的过程特性与产物规律。结果表明:碳化温度范围内,典型组分水热碳产率遵循废旧纺织物>废弃木材≈厨余垃圾>废纸的总体变化趋势。橡胶碳化程度较低,而废弃塑料几乎未发生实质性碳化,仅在物理形态上由颗粒状转变为熔融态。水热碳化过程固体水热碳与可溶性产物是主要过程产物,气体仅占极小的比重。水热碳化过程能将大部分C元素保留在固相中,同时能显著的脱除O元素。在经过水热碳化后,单组分水热碳的能量品位、燃料利用等级都有不同程度的提高,实现了“取其精华去其糟粕”的固体废弃物源头热升级目的。虽然不同单组分水热碳化过程中涉及到部分相似的反应过程与机制,但由于其物理化学特性均存在较大差异,不同组分的水热碳成型机理有所不同。因此,从单组分物质的表征结构组成出发,结合水热碳化过程特性与规律,借助现代分析技术与手段,推测并获得了典型组分的宏观物质层面水热碳化转化路径机理及其可能涉及到的分子层面反应机制。其次,在单组分研究的基础上,获得了全组分城市生活垃圾在210~280oC下停留30~90min的水热碳化过程特性与规律。实验结果表明:在各组分相互影响的作用下,城市生活垃圾的水热碳产率高于废纸、废弃木材和厨余垃圾,低于废旧纺织物。全组分垃圾水热碳化过程中的焦糖化作用、美拉德反应、芳构化作用及物质交联作用促使垃圾水热碳能量品位和致密度都得到明显提升。碳化温度的影响高于停留时间,低温情况下停留时间的作用较为明显,随着温度的升高影响逐渐减弱。但过高的碳化参数不仅降低水热碳产率,且过高的灰分比例显著的降低了垃圾水热碳作为燃料的可利用价值。在单组分基团水热碳化研究基础上,提出了全组分城市生活垃圾水热碳形成机理及其附属的中间产物反应过程,揭示了城市生活垃圾是通过溶解碳化、分解碳化、表面碳化与物理重整成型的水热碳成型过程机理。接着,利用热失重分析仪研究了碳化温度与停留时间对水热碳在燃烧、热解与半焦CO_2气化的热力行为影响。结果表明:碳化温度对水热碳的热力行为影响大于停留时间。由于挥发分含量的降低,固定碳含量的增加,水热碳着火点与热解起始温度均高于原生垃圾。但却因此提高了水热碳半焦在高温CO_2气化活性,使得水热碳的气化转化速率明显快于原生垃圾。垃圾水热碳化过程中物质的分解与重新形成,致使高碳化参数下获得的水热碳的第一个燃烧失重峰消失,但第二个燃烧失重峰逐渐增加。此外,热解第二个失重峰也因此明显增加,热解反应更为集中与剧烈,综合热解释放系数比原生垃圾有着显著的提高。因此,水热碳化可将垃圾转化为一种综合燃烧指数与热解释放系数相对较好的固体衍生燃料。高碳化温度是水热碳取得优异气化表现的关键条件,但延长碳化时间对水热碳后期半焦气化有消极的影响。运用Coats-Redfern积分法能较精确的获得描述燃烧与热解的n-order级动力学反应模型,而垃圾水热碳半焦CO_2气化则适合用混合反应模型。最后,建立了垃圾水热碳化联合机械压滤、自然干燥与热力干化工艺过程的质量与能量平衡分析模型,并将其与传统机械压滤结合热力干化相比较。结果表明:垃圾水热碳化过程可将大部分束缚水与结合水转变为自由水。质量平衡分析表明78%以上的水分可在水热碳化与机械压滤阶段脱除,仅有少量的水分需要后续的热力干化去除。能量平衡分析表明,由于避免蒸发潜热的损失,水热碳化在垃圾干化上取得较好的能源利用效率。在230oC,30min工况下能源节约率达到了26.58%。但高参数水热碳化能源节约率显著下降,如水热碳化工况250-90和280-90的能源节约效率仅为9.40%和3.24%。因而,高参数水热碳化并不适合城市生活垃圾水热碳化工艺,在实际运用中可倾向于选择低参数水热碳化工艺。水热碳化热升级处置城市生活垃圾转换为清洁的固体衍生燃料方法,从源头上提升城市生活垃圾的能量品位和利用价值,为固体废弃物高值化源头预处理调质提供新方式。
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