第一章 緒論

1.1 我國城市生活垃圾的特性及處理現(xiàn)狀
據(jù)國家年鑒統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示我國生活垃圾清運量不斷逐年攀升，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)和居民生活水平提高，結(jié)合模型預(yù)測今后生活垃圾清運量還將以較大幅度增長速率逐年增長。預(yù)計到 2020 年，我國城市生活垃圾清運總量將達(dá)到 2 億多噸，生活垃圾處理處置任務(wù)艱巨[1]。2004-2014 年期間，我國城市生活垃圾清運量年增長率為 2.14%，截至 2014 年底，我國的垃圾清運總量已達(dá) 1.78 億噸，日清運量超過 47 萬噸,無害化率達(dá)到 95%以上[2]�，F(xiàn)如今城市生活垃圾累積堆存量已達(dá) 80 億噸，占地 80 多萬畝，且垃圾產(chǎn)生量仍以5-8%的速度增長，占地量以平均每年 4.8%的速度持續(xù)增長[3]。全國600 多座城市，除縣城外，有三分之二的大中城市陷入垃圾的包圍之中，有四分之一的城市已沒有合適場所堆放垃圾。據(jù)國家統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，我國生活垃圾處理處置主要以填埋方式為主，截至 2013 年底，國內(nèi)已有衛(wèi)生填埋場、簡易填埋場和以填埋為主的綜合處理場共計 1549 座，處理能力合計 421776 t/d，接近 80%的填埋場在 2006-2014 年期間投入運營，若按每座填埋場平均使用年限為 15 年計算，預(yù)計 5-15 年內(nèi)將有近千座填埋場進(jìn)入封場階段�？梢姟袄鴩恰钡男蝿莘浅�(yán)峻，垃圾處理問題日漸成為政府部門高度關(guān)注的環(huán)境和民生問題。隨著我國城市生活垃圾的減量化、無害化、資源化政策以來，近年我國城市生活垃圾增長速率有所減緩，但仍以不小的基數(shù)逐步增長，因此急需找到一條適合我國城市生活垃圾處理處置的新方法。
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1.2 城市生活垃圾能源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
為實現(xiàn)垃圾處理的“三化”，充分利用垃圾可利用能源，國內(nèi)外研究者開發(fā)了多種垃圾能源化利用。目前垃圾能源化利用技術(shù)主要分為直接燃燒利用和轉(zhuǎn)化為其他可利用能源的燃料。垃圾焚燒是目前垃圾能源化利用的主要直接方式；垃圾轉(zhuǎn)化燃料技術(shù)主要包括厭氧發(fā)酵制沼氣技術(shù)、垃圾的熱解與氣化技術(shù)、直接堆酵預(yù)脫水焚燒技術(shù)、垃圾衍生燃料（RDF）技術(shù)等。沼氣厭氧消化是一種利用厭氧細(xì)菌消耗垃圾可降解有機質(zhì)產(chǎn)生沼氣的能源化術(shù)。厭氧消化是比較成熟的一種垃圾能源化技術(shù)。通過生物作用將垃圾有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷氣體集中收集儲存運輸，主要特點是熱值高、污染小、減量化程度，但發(fā)酵周期長和發(fā)酵條件較為嚴(yán)苛等，剩余消化殘渣經(jīng)預(yù)處理后殼制備成固體燃料，是一種適合于含水率高、易腐有機質(zhì)高的能源化技術(shù)。衛(wèi)生填埋產(chǎn)生沼氣也是一種厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣技術(shù)，目前我國的衛(wèi)生填埋場多數(shù)尚沒有考慮填埋氣體的回收，少數(shù)填埋場考慮填埋氣體的收集和利用。垃圾的熱解是垃圾在隔絕氧氣、一定溫度條件下，垃圾形成了液態(tài)和氣態(tài)的產(chǎn)物，是以獲取燃料油、燃料氣或化工原料為目的的方法。熱解技術(shù)用于垃圾處理在國外進(jìn)行過深入研究，但由于垃圾成分復(fù)雜，燃料油是一種成分非常復(fù)雜的有機物(碳鏈的范圍非常大)，給垃圾燃料油的直接應(yīng)用造成許多困難。同時垃圾熱解制取燃料油的成本大大高于石油提煉的成本。由于這些原因，目前垃圾熱解技術(shù)在工業(yè)化還沒有得到應(yīng)用，發(fā)展該技術(shù)的關(guān)鍵是提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。垃圾氣化是垃圾在高溫和缺氧條件下，垃圾中有機碳和水蒸氣、二氧化碳發(fā)生水煤氣反應(yīng)，最后形成以甲烷、二氧化碳、一氧化碳和氫為主的燃料氣體。垃圾的氣化技術(shù)在國內(nèi)外有較多的工業(yè)應(yīng)用。燃料氣可以直接燃燒發(fā)電，也可以作為管道氣體。但當(dāng)垃圾中有機物的含量不夠高或者垃圾中的含水率比較大時，形成的氣化氣有可能是低熱值氣體，給直接的燃燒造成困難。
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第二章 垃圾生物干化條件優(yōu)化試驗

2.1 試驗設(shè)計與裝置
試驗裝置由圓柱形有機玻璃筒、加熱控制器、通風(fēng)設(shè)備及溫度控制等裝置組成，如圖 2-1 所示。干化反應(yīng)器為圓柱形有機玻璃容器，高 90cm，內(nèi)徑 43cm，有效容積約為 5L。反應(yīng)器底部設(shè)有進(jìn)氣口與垃圾滲濾液排放口，距底部 5cm 處設(shè)有通氣板，上面均勻布滿若干個通氣孔（孔徑大約 3mm），目前我國生活垃圾資源化利用最大的障礙是含水率高、易腐有機物多，因此降低垃圾含水率、穩(wěn)定垃圾易腐有機物在一定程度上可以促進(jìn)垃圾利用效率。垃圾生物干化技術(shù)在國外是一項成熟的垃圾處理技術(shù)，是作為垃圾綜合利用前道工序應(yīng)用，如作為降低垃圾腐敗的臭味、可回收資源的分選回收、RDF 制備的前道工序。生活垃圾焚燒前堆酵處理能脫除大部分自由水，但生物干化技術(shù)可利用自身可降低有機物進(jìn)一步脫除水分，大大提升了垃圾減重比例和發(fā)熱量。本章主要內(nèi)容為垃圾生物干化處理最佳條件參數(shù)的初步確定，試驗通過對碳氮比、添加外源菌種、通風(fēng)量和混合物料配比對垃圾生物干化處理的影響，在控制生物干化過程其他因素一定的情況下，逐步進(jìn)行單因素試驗優(yōu)化預(yù)處理條件，探索適合我國生活垃圾生物干化預(yù)處理快速脫水的條件參數(shù)。
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2.2 試驗材料、方法及內(nèi)容
試驗垃圾取自上海市松江區(qū)某居民生活小區(qū)生活垃圾收集桶的日常生活垃圾，生活垃圾的物理組成（濕基質(zhì)量分?jǐn)?shù)）廚余類 75.5%，紙質(zhì)類 15.9%，塑料類 5.3%，木竹類 3.1%，其他 1.2%，垃圾初始含水率為 65%-80%之間，混合垃圾初始 C/N 比變化較大，需即用即測，pH 在 5-6.5 之間。試驗所需木屑從市場購得，綠化廢物取自校園內(nèi)植物修剪殘枝，污泥取自松江污水處理廠脫水污泥房，垃圾滲濾液取自上海某垃圾填埋場。高溫發(fā)酵主要菌種為高溫菌與中溫菌，試驗配置了高溫菌培養(yǎng)液和中溫菌培養(yǎng)液，本試驗參照蔡華帥等[44]培養(yǎng)液配置方法分別配置了垃圾培養(yǎng)液、高溫菌培養(yǎng)基和纖維素分解菌培養(yǎng)基。垃圾專用菌(記為 1#)從市場購買后加入紅糖曝氣 12h 活化馴化處理即可作為接種菌劑；污泥源接種菌劑：取新鮮污泥接種在高溫培養(yǎng)液中 55℃恒溫箱培養(yǎng) 48h 和接種在中溫培養(yǎng)液 40℃ 恒溫箱培養(yǎng) 48h，混合培養(yǎng)后兩種菌液即得到污泥源接種菌劑（記為 2#）；垃圾滲濾液源菌劑（記為3#）培養(yǎng)方法同上。微生物數(shù)量測定采用平板稀釋法測定微生物數(shù)[45]。
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第三章 干化產(chǎn)物成型制備工藝研究.........45
3.1 試驗內(nèi)容和試驗裝置..........45
3.1.1 試驗內(nèi)容.....45
3.1.2 試驗裝置與材料...........45
3.2 成型燃料性能指標(biāo)測定......46
3.3 結(jié)果分析與討論.........46
3.4 本章小結(jié)............53
第四章 RDF 熱重分析及動力學(xué)分析........54
4.1 熱重實驗儀器與方法..........54
4.2 試驗內(nèi)容............54
4.3 熱重分析與結(jié)果討論..........54
4.3.1 典型生活垃圾單組分熱重分析.....54
4.3.2 摻混物和不同摻混比例 RDF 熱重分析...........57
4.4 單組分和摻混樣品燃燒特性分析....... 61
4.4.1 著火特性分析.....61
4.4.2 混合樣品可燃性分析............64
4.4.3 混合樣品穩(wěn)燃性分析............65
4.4.4 混合樣品燃燼特性分析........66
4.5 燃燒動力學(xué)參數(shù)分析.........67
4.6 本章小結(jié)............71
第五章 結(jié)論與展望..........72
5.1 結(jié)論.......... 72
5.2 創(chuàng)新之處............73
5.3 展望與建議....... 73

第四章 RDF 熱重分析及動力學(xué)分析

隨著生活垃圾有機組分的增多和化石燃料的短缺，同時為積極響應(yīng)國家新能源開發(fā)與利用政策，高熱值垃圾衍生燃料的實際應(yīng)用將成為可能。為垃圾衍生燃料實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，探討 RDF 的燃燒行為是非常有必要的。目前我國對垃圾衍生燃料的研究還尚不成熟，對 RDF 燃燒特性研究方法還比較單一，熱重分析是常規(guī)重要的手段。結(jié)合國外研究手段考慮，本試驗采用非等溫?zé)嶂胤治龇椒▽苌剂线M(jìn)行燃燒性能與機理研究。

4.1 熱重實驗儀器與方法

熱重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA），是指在程序控制溫度下測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)。熱重分析法可以研究晶體性質(zhì)的變化，如熔化、蒸發(fā)、升華和吸附等物質(zhì)的物理現(xiàn)象；研究物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、分解過程、脫水、成份的定量分析、水份與揮發(fā)物、反應(yīng)動力學(xué)等化學(xué)變化。熱重分析試驗采用德國產(chǎn)梅特勒-托利多熱重分析儀，可同時進(jìn)行熱重和差熱分析，溫度范圍從室溫至 1600℃，靈敏度約 0.1ug，升溫速率 0.01-100℃/min，載氣氣氛可選用空氣或惰性氣體等。將生活垃圾分揀細(xì)致分類后進(jìn)行干燥研磨至粒徑約 0.1mm，稱取 3-10mg 待測樣品置于 7um 氧化鋁坩堝內(nèi)（約占坩堝體積的 2/3），將填裝完畢的坩堝輕輕放入熱重分析內(nèi)置天平上，設(shè)置升溫速率為 20℃/min 從 30℃升溫至 900℃，升溫過程持續(xù)通入流量為 50ml/min 空氣至燃燒室，同時通入氮氣保護(hù)熱重內(nèi)置天平，空白試驗作為基線繪制熱重曲線。

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結(jié)論

為了實現(xiàn)城市生活垃圾 “無害化、減量化、資源化”目標(biāo)和研究燃煤鍋爐替代燃料，本文以混合收集生活垃圾為研究對象，圍繞生活垃圾生物干化脫水后混合木屑制備成型燃料技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。本文主要從生活垃圾生物干化的試驗條件、成型制備工藝參數(shù)確定及成型燃料的燃燒特性這三方面進(jìn)行分析研究，，主要的研究結(jié)論歸納如下：
（1）通過改變物料碳氮比、接種外源菌種、通風(fēng)量的變化、添加綠化廢物四組單因素對生活垃圾生物干化脫水效果的研究，結(jié)果顯示：生活垃圾經(jīng)過 12d生物干化后含水率均大大下降，垃圾發(fā)熱量也提升較快，基本上生物干化 8d 左右能達(dá)到 7000 kJ/kg 的經(jīng)濟性焚燒熱值。不同碳氮比對垃圾生物干化效果均有不同程度的影響，其中碳氮比為 20.7 對生活垃圾脫水效果最好，消耗每克可降解有機物可去除水分 1.95g。接種外源微生物可加快堆體溫度升溫和有機物降解腐熟，但對生活垃圾脫水效果并沒有促進(jìn)作用，其中垃圾滲濾液源菌種脫水效果優(yōu)于垃圾專用菌和污泥源菌種，達(dá)到每克可降解有機物水分去除量為 1.81g。四組通風(fēng)量堆體均能在較短時間迅速升溫，低風(fēng)量有利于堆體熱量積累；高通風(fēng)量有利于水分的揮發(fā)，但有機物削減量會有所減少；添加綠化廢物增加了堆體內(nèi)部空隙實現(xiàn)通風(fēng)均勻充足，有利于好氧發(fā)酵實現(xiàn)堆體溫度迅速上升，綠化廢物添加量為每千克 200g 能實現(xiàn)生活垃圾快速脫水，脫水能力達(dá) 1.61kg/kg。
（2）采用 XQ-5 嵌樣機裝置對干化產(chǎn)物混合木屑等添加劑進(jìn)行了成型工藝參數(shù)的研究，結(jié)果表明：成型壓力、粒度、添加劑均對成型密度有不同程度的影響；成型壓力超過 35Mpa 后對成型密度影響不大；小粒徑干化產(chǎn)物有利于壓縮成型；添加污泥后成型燃料密度迅速增大，但降低了成型燃料熱值；添加木屑對成型影響不大，但增加了成型燃料發(fā)熱量。在以污泥為粘結(jié)劑，添加木屑與干化產(chǎn)物成型的正交試驗中，得到了以干化產(chǎn)物為原料制備成型燃料的最佳試驗條件：成型壓力為 30Mpa，污泥、木屑添加量為 10%，含水率為 10%。
（3）采用熱重分析技術(shù)對垃圾單組分和成型燃料進(jìn)行燃燒特性分析，結(jié)果顯示：污泥的著火溫度最低，木屑著火溫度最高；添加木屑的成型燃料著火溫度有所降低，但其可燃性逐漸增強；添加污泥的成型燃料更容易著火，但可燃性卻緩慢下降。成型燃料的燃燒大致可分為三個失重段，前兩個階段都是易揮發(fā)與難揮發(fā)分造成的，高溫失重段是由固定碳燃燒形成的。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：58912