我国海岛经济发展迅速, 随着海岛常住及旅游人口增多, 固体废弃物污染问题日益凸显。海岛环境污染治理面临的问题与大陆农村相近, 基础设施落后, 人口相对稀少, 生活垃圾混合回收, 含水率普遍高于50%^[1], 使得生活垃圾难以直接焚烧。海岛生活垃圾处理成本高昂, 以外伶仃岛为例, 垃圾处置方案以外运为主, 运至珠海垃圾焚烧厂, 成本为2 000元·t^-1; 部分就地简易焚烧, 处理效率低, 环境风险高^[2]。

生活垃圾焚烧处理的关键是降低含水率^[3]。目前, 海岛用电普遍依赖柴油发电机^[4], 柴油机烟气蕴含丰富热量, 未能有效利用。如利用烟气干燥垃圾, 可以解决海岛生活垃圾就地焚烧处置难题。利用柴油发电机烟气为热源时, 可利用温度达300 ℃。为设计柴油发电机烟气干燥生活垃圾装置, 笔者利用量热仪测得垃圾各组分热值, 探究干燥过程对垃圾热值的影响; 利用鼓风干燥箱模拟柴油发电机烟气高温干燥氛围, 测试海岛生活垃圾干燥特性, 并比较其与典型校园生活垃圾干燥特性的差异。

1 实验方法 1.1 实验装置

THG-9078A型高温鼓风干燥箱, BSA124S-CW型分析天平, ZDHW-7B型全自动量热仪。

1.2 样品采集

海岛垃圾采集自外伶仃岛垃圾站, 校园垃圾采集自南京市某高校垃圾站。采样时间为2017年12月至2018年1月, 共采样8次。

垃圾采样依据CJ/T 313—2009《生活垃圾采样和分析方法》中的周边法进行, 在垃圾堆四周设8个采样点, 采集约10 kg样品, 测得垃圾组分及含水率。取1月第1次样品作为垃圾干燥实验样品, 为保证所制备样品的均一性及实验的可重复性, 垃圾样品按组分分别破碎使其粒径小于1 cm, 混合均匀, 按四分法缩分, 密封冷藏储存。

1.3 垃圾干燥过程动力学分析方法

生活垃圾干燥过程可看作是垃圾中水分从液态转变为气态、水分子内能递增的过程, 反应过程可表示为 $\text{A}(\text{l})\to \text{B}(\text{g})+\text{C}(\text{s})$ 。

影响垃圾干燥速率的主要因素是温度, 对于等温干燥过程, 反应速率可表示为

$\text{d}\ {{R}_{\text m}}/\text{d}\tau =k{{(1-{{R}_{\text{m}}})}^{n}}。$

(1)

式(1)中, k为干燥速率常数, s^-1; τ为干燥时间, s; n为反应级数, 对于干燥过程可取1^[5]; R_m为垃圾失水率, 其计算公式为

${{R}_{\text{m}}}=(M-{{M}_{\text{d}}})/({{M}_{\text{w}}}-{{M}_{\text{d}}})。$

(2)

式(2)中, M为任意时刻垃圾含水率，%; M_d为干燥后垃圾含水率，%; M_w为垃圾初始含水率，%。由于与M、M_w相比M_d很小, 忽略不计, 故R_m可简化为

${{R}_{\text{m}}}=M/{{M}_{\text{w}}}。$

(3)

对式(3)积分得

$\text{ln}(1-{{R}_{\text{m}}})=-k\tau +{{k}_{0}}。$

(4)

式(4)中, k₀为积分常数。

根据Arrhenius方程可以找到干燥速率常数(k)与温度(T)之间的关系, Arrhenius方程为

$\text{ln}\ k=-{{E}_{\text{a}}}/RT+\text{ln}\ A。$

(5)

式(5)中, E_a为干燥过程的活化能(一定温度范围内为常数), J·mol^-1; R为摩尔气体常数; A为指前因子。

2 结果与分析 2.1 生活垃圾组分分析

将外伶仃岛餐厨类垃圾与生活垃圾分类收集处理, 因此生活垃圾样品不包含果皮、餐厨等成分, 校园实行集体伙食, 生活垃圾中混入的餐厨垃圾极少。海岛和校园生活垃圾基本情况见表 1~2。可以看出, 两者组分及其含量相似, 主要原因是海岛和校园均具有生活用品全部由外部输入的特点。

海岛生活垃圾中可燃成分(塑料类、木竹类、织物类和纸类)占垃圾总量的84.74%, 校园生活垃圾可燃成分(塑料类、木竹类、织物类、纸类和橡胶类)占总量的87.07%, 略高于海岛生活垃圾。海岛生活垃圾灰分和含水率较高, 如塑料类灰分含量w为19.26%, 木竹类含水率w为53.40%, 而校园塑料类垃圾灰分含量w为9.65%, 木竹类含水率w为34.96%。因此, 校园生活垃圾热值比海岛生活垃圾高34.50%。

海岛生活垃圾可燃成分较少, 含水率高, 灰分高, 热值低, 直接焚烧时难以维持较高温度(> 850 ℃)^[6-7]。焚烧时垃圾中的氯易与有机物反应产生二英(PCDD)、呋喃(PCDFs)等剧毒物质^[8], 对环境造成污染。

2.2 含水率对垃圾热值的影响

由ZDHW-7B型量热仪测得垃圾干基高位热值, 根据CJ/T 313—2009计算得到各组分不同含水率湿基低位热值(图 1~2)。图 1~2中, 曲线最低点表示垃圾初始含水率所对应的湿基低位热值。海岛生活垃圾中塑料类热值最高, 纸类最低。校园生活垃圾中塑料类热值最高, 木竹类最低。对比两者发现, 在相同含水率情况下, 校园各个组分垃圾热值均高于海岛垃圾, 主要是因为校园以学习办公为主, 产生的垃圾多为高热值垃圾。

垃圾热值随含水率降低而明显上升, 以垃圾衍生燃料(RDF)含水率w为参考^[9], 当海岛生活垃圾含水率w为10%时, 热值最低的纸类热值也已超过10 MJ·kg^-1, 满足垃圾焚烧标准, 因此, 海岛生活垃圾焚烧前的干燥处理是有必要的。

2.3 温度对垃圾干燥速率的影响

实验发现木竹类垃圾干燥过程较为复杂, 相较于塑料和纸类垃圾, 其规律具有代表性。以木竹类垃圾干燥实验为例, 海岛木竹类垃圾在不同干燥温度条件下质量比和干燥速率随时间变化曲线见图 3~4, 其中, 质量比为烘干过程中剩余物质质量与初始物质质量之比, 干燥速率为某一时刻物质质量与干基质量之差除以时间。干燥前期(前20 min)木竹垃圾以脱水为主。水分完全蒸发后, 半纤维素、木质素等有机物在高温下分解, 产生气味。因此可将垃圾质量损失曲线分为脱水阶段和有机质挥发阶段, 脱水阶段质量损失远大于有机质挥发阶段。

对于有机质挥发阶段, 干燥温度越高, 有机质挥发越多。有机质的挥发会减少垃圾热值, 产生臭气, 污染环境, 是干燥过程中应当避免的。

对于脱水阶段, 干燥速率随时间增加呈先增加后减少趋势, 5 min时, 各个干燥温度条件下木竹垃圾干燥速率达到最大值。温度对于干燥速率的影响较为复杂, 5 min时, 木竹垃圾在200 ℃条件下的干燥速率最快, 180 ℃条件下的干燥速率最慢, 且最高干燥速率约为最低干燥速率的2倍。随着水分的流失, 木竹垃圾干燥速率迅速降低；产生这种现象的原因是垃圾中的水分和垃圾结合强度不同。根据去除的难易程度可将水分分为非结合水和结合水, 非结合水存在于垃圾表面和孔隙, 与垃圾结合强度小, 结合水与垃圾结合强度高^[10]。

木竹类垃圾属于吸湿多孔材料, 同时含有这2种水分, 且结合水占比大。当干燥箱中气体流速一定时, 温度对非结合水去除起到正面促进作用, 温度升高时, 非结合水迅速挥发。而温度对结合水的影响是双向的:温度升高时, 传质速率增加, 利于水分气化, 同时, 垃圾在高温下发生收缩结块现象, 阻碍结合水的去除, 垃圾与环境温差越大, 收缩程度就越大。木竹垃圾干燥后体积变小, 颜色变深。因此, 当温度低于200 ℃时, 温度越高越利于垃圾脱水, 当温度高于200 ℃时, 垃圾收缩结块阻碍水分蒸发的因素占主导, 垃圾干燥速率随温度升高而有所下降。

不同干燥温度条件下校园木竹类垃圾质量比和干燥速率随时间变化曲线见图 5~6。对比校园和海岛垃圾干燥特性曲线发现海岛和校园木竹垃圾质量损失规律相似。

校园垃圾整体脱水时间短于海岛垃圾, 这是因为校园木竹垃圾以枯落的梧桐叶为主, 表面缝隙大, 易于脱水, 并且含水率较低, 为34.96%。而外伶仃岛木竹垃圾为热带常绿植物, 垃圾质地紧密, 且表面有蜡质保护层, 不利于脱水, 且含水率较高, 为53.40%。

在180 ℃条件下, 升高温度可以大幅缩短干燥时间, 当温度过高(240 ℃)时, 干燥时间会略微延长。从节约能源和提高干燥效率角度考虑, 干燥温度不宜过高, 木竹垃圾最佳干燥温度为220 ℃, 在干燥器的最佳停留时间约为10 min。

2.4 温度对垃圾干燥过程的影响

木竹垃圾干基含水率计算公式为ρ=(m-n)/n, 其中, ρ为干基含水率，g·g^-1; m为湿物料质量，g; n为干物料质量，g。以干基含水率为横坐标, 海岛和校园木竹垃圾干燥速率随温度变化曲线见图 7~8。

干燥过程通常分为干燥调整阶段、等速阶段和降速阶段^[11]。笔者实验温度范围内未出现等速干燥阶段, 此与陈梅倩等^[12]研究结果相同。这主要是因为干燥温度较高, 垃圾经过初始加热, 表面温度迅速升高, 水分蒸发, 调整阶段结束时, 木竹垃圾达到临界含水率, 其所含水分不足以在实验设置的高温条件下维持表面含湿量大于干燥空气的最大吸湿能力的状况, 即木竹垃圾内部水分向外迁移速率小于垃圾表面水分向空气扩散速率。因此, 笔者实验中木竹垃圾在调整阶段之后直接进入降速阶段。

2.5 垃圾种类对干燥过程的影响

当干燥温度为260 ℃时, 木竹垃圾在25 min时自燃。因此, 木竹类垃圾干燥温度不可高于260 ℃; 当干燥温度为220 ℃时, 纸类垃圾加热10 min时自燃, 塑料类垃圾会一直产生臭气, 因此纸类、塑料类垃圾干燥温度不能超过220 ℃。

不同温度条件下海岛纸类垃圾干燥速率随时间变化曲线见图 9, 海岛不同种类垃圾在200 ℃条件下的干燥规律曲线见图 10~11。

对比图 6和图 9可知, 温度对于木竹类和纸类垃圾干燥速率的影响不同, 木竹类垃圾干燥速率随干燥温度的增加呈先增加后下降趋势, 而纸类垃圾干燥速率随干燥温度的增加一直增加, 这是由于2种垃圾水分与物料的结合方式不同, 木竹垃圾同时含有结合水和非结合水, 纸类垃圾所含水分主要为非结合水。对于非结合水分的干燥, 垃圾表面和烟气的温度差是传热和传质的主要影响因素。当外界温度升高时, 温度差变大, 使得干燥的驱动力变大, 内部对于水分的阻力变小, 其干燥速率随之升高。塑料和织物类垃圾所含水分也为非结合水, 其干燥规律与纸类垃圾类似。

由图 10可知, 时间对于不同种类海岛生活垃圾干燥速率的影响相同, 各类垃圾均在5 min时达到最高干燥速率, 并在30 min前后完成干燥。由图 11可知, 在200 ℃条件下, 4种垃圾干燥过程都分为调整阶段和降速阶段, 没有等速阶段。

对比不同种类垃圾, 含水率高且结合水占比大的木竹垃圾最难干燥, 孔隙率较小的织物类垃圾次之, 塑料类、纸类这些主要含非结合水分的垃圾更容易脱水。

2.6 垃圾干燥过程动力学分析

根据实验结果得到自变量τ和因变量1-R_m, 对式(4)进行回归分析, 求得纸类、木竹类垃圾在不同温度条件下的干燥速率常数k, 计算结果见表 3。

将表 3数据与式(5)进行拟合, 求出E_a和A。求得海岛纸类垃圾干燥反应的Arrhenius方程为

$\text{ln}\ {{k}_{3}}=-776.84/RT-1.07。$

(6)

笔者实验中, 木竹类垃圾在160~260 ℃温度范围内干燥所得干燥速率常数并不完全符合Arrhenius方程。当温度高于220 ℃时, 干燥速率常数变小, 这是因为木竹类垃圾在高温下收缩结块, 阻碍干燥进行, 此时温度不是干燥的唯一影响因素, Arrhenius方程失效。因此依据160~220 ℃时的实验数据求得海岛和校园木竹类垃圾干燥反应的Arrhenius方程。

海岛木竹类垃圾:

$\text{ln}\ {{k}_{1}}=-5\ 149.17/RT+0.003\ 1;$

(7)

校园木竹类垃圾:

$\text{ln}\ {{k}_{2}}=-2\ 620.48/RT+0.12。$

(8)

对比式(6)~(8)发现纸类垃圾活化能最低, 说明纸类垃圾容易干燥; 海岛木竹垃圾活化能是校园木竹垃圾的2倍, 从动力学角度证明了海岛垃圾较难干燥。

3 结论

(1) 与校园生活垃圾相比, 海岛生活垃圾可燃成分较少, 灰分和含水率较高, 湿基低位热值较低。两者干燥规律相似, 但后者脱水所需时间更长。

(2) 根据水分与物料结合方式, 可将垃圾分为难干燥垃圾（如木竹类）和易干燥垃圾（如纸类、塑料类和织物类等）。难干燥类垃圾干燥速率随温度的升高呈先增加后降低趋势。易干燥类垃圾干燥速率随温度升高而变快。

(3) 垃圾干燥5 min时干燥速率最大, 30 min时基本完全脱水, 为减少有机成分的挥发和干燥能消耗, 垃圾在干燥器的停留时间以控制在20 min前后为宜。

(4) 在避免垃圾自燃的前提下, 提高温度可以缩短干燥时间; 对于混合垃圾, 其干燥温度不应高于220 ℃。

(5) 从动力学角度分析, 纸类垃圾干燥过程可较好地满足Arrhenius方程。木竹类垃圾干燥过程较复杂, 当温度高于220 ℃时, 其干燥速率常数与温度的关系不符合Arrhenius方程。海岛木竹类垃圾活化能较高, 说明海岛垃圾干燥过程需要较多热量。