1、中国工程热物理学会 传热传质学学 术 会 议 论 文 编 号 ：生活垃圾微波裂解特性研究徐青 1，2， 凌长明 1，李军 1 (1. 广东海洋大学工程学院，广东湛江；2. 华南理工大学电力学院，广东广州）Tel:, Email:xuqing-.摘要：采用微波设备对城市生活垃圾（MSW）进行了裂解处理。研究了温度对裂解产物、产气规律和气体组分的影响规律。结果表明：垃圾在微波炉内裂解时升温速率很快，微波裂解加快了垃圾完成裂解的时间。当裂解温度由 400升高到 600时，固体产物的质量由 55%左右减少到 26%左右，液体产物其产生量由 21.52%增加到 27.83%，裂解气的质量回收率由 12%
2、左右升高到 35%左右。裂解气主要含有 H2、CO、CO 2、CH 4和 CmHn 等气体成分，随温度升高，甲烷含量逐渐增大，CmHn 含量 500左右最高，H2 在温度低于 450时析出量很低，550之后 H2 体积分数迅速增加。关键词：生活垃圾；裂解；微波；温度0 引言随着我国经济高速发展、城市化进程不断加快、人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾(municipal solid waste, MSW)也以平均每年810的速度递增。城市生活垃圾带来了占用土地、环境污染等一系列问题，尤其是二次污染问题日益严重。如何合理有效的处理城市生活垃圾越来越受到人们的关注。采用资源化技术处理城市固体废弃物
3、是目前采用的主要处理方式1，垃圾的焚烧、热解和气化等热处理法具有减容、减量和能源化利用等优点。在生活垃圾热解方面,国内外学者已经开展大量的基础性研究2-7，大多数都是通过固定床、管式炉等反应器研究温度区间、加热方式和反应气氛等对垃圾热解产物的影响规律。对于微波技术在生活垃圾处理方面的研究较少。微波加热能直接穿透进入物料内部，对物料内外均衡加热，从而缩短了加热时间，而且可以减少挥发分的二次裂解。另外，微波是一种体加热方式，不存在常规加热的传热限制，可以达到节能及改变热解产物分布的效果。微波用于生物质裂解制取生物燃料已经引起国内外学者的关注，研究者应用微波对生物质裂解进行了相关研究 8-10。田禹
4、等 11研究了应用微波对污泥的快速、彻底热解。MasakatsuMiura等 12对微波加热的木块的快速裂解进行了研究，微波加热后增加了裂解油的产量，A.Dominguez等 13对污泥沉淀物微波裂解得到的油相进行了分析研究。利用微波技术处理生活垃圾具有快速高效、能耗少、资源回收利用率高、反应物产率增加、可显著降低垃圾对环境所造成的危害等优点，因而具有广泛的应用前景。1 实验1.1 实验原料城市生活垃圾的成分差别很大, 即使是同一地区的不同垃圾场也会有差别。本实验根据广州市城市生活垃圾的物理成分，采用其去除金属、玻璃、灰、水等不可热解成分后的有机成分, 按比例混合配制成人工合成垃圾作为实验物料
5、。实验采用织物、木屑、废纸、塑料、厨余、橡胶六种可燃组分按质量比3.5%、8.7%、21.5%、19.9%、45.3%和1.1%配置成人工混合垃圾。为便于混合和减少粒径对传热、传质的影响，实验前将垃圾各组分的粒径破碎为小于5mm。实验原料的工业分析和元素分析见表1。表 1 物料的工业分析和元素分析工业分析 （%） 元素分析（%）Mad/% Vad/% Aad/% FCad/%Q Cad/%Had/%Nad/%Oad/%Sad/%18.08 2.76 67.78 11.38 1412035.126.380.84 21.63 0.151.2 实验装置研究采用自制 1.5kW 垃圾微波裂解炉，微波工
6、作频率为 245050MHz。设计的微波裂解工艺设备由微波裂解炉、油吸收罐、气体收集瓶等组成，由热电偶测量反应加热炉内物料的温度，并通过数据采集系统输入计算机。物料质量随温度变化的数据采用VB 编写采集程序，通过串行接口 RS-232 把电子天平与电脑连接起来，试验过程中电子天平会定时把所测的数据传输给计算机从而完成数据采集，设备工艺流程见图 1。微波从微波裂解炉上部向下单面辐射，在炉内设有热电偶测温点，用以测量温度和监控物料反应状态，由于物料间甚至颗粒内部会存在较大温度梯度, 在反应器内准确测量物料温度是极其困难的。所测温度可近似反映物料温度变化趋势。3452FI1 36871 微波炉腔体
7、， 2 微藻 ， 3 氮气瓶 ， 4 减压阀 ， 5 流量计 ， 6 集气瓶 ，7 冰浴及油类产物收集瓶 ， 8 冷凝器 ， 9 导出管 ， 1 0 石英反应管 ，1 1 电源 ， 1 2 磁电管 ， 1 3 导播器 ， 1 4 红外测温仪 。1 21 11 0911 41微波炉腔体，2垃圾，3氮气瓶，4减压阀，5流量计，6集气瓶，7水冷及油类产物收集，8冷凝器，9导出管，10石英管，11电源，12磁电管，13导播器，14测温仪图1 实验设备简图1.3 实验方法实验将垃圾原料计量放入微波裂解炉中在氮气保护下加热裂解，分别收集、分析、处理裂解固体、液体和气体产物。实验开始前先以 0.3L/min
8、 (20, 110 5Pa)的流量连续向炉内通氮气 20min 以吹扫、置换裂解装置中的空气。实验结束后对固、液和气三相产物进行分析,主要检测仪器有上海精密科学仪器有限公司 GC112A 型气相色谱仪和日本岛津 MS-QP2010 气相色谱质谱联用仪, 通过定量分析产物成分,结合各组分的密度、能量值以及热解气体总体积计算气体产物的质量和能量.裂解焦油热值测定参照石油产品热值测定法GB/T 384-1981 执行；裂解气成分分析参照化工产品中水含量的测定-气相色谱法GB/T 2366-2008、 分析型气相色谱方法通则JY/T 021-1996 执行；裂解气热值参照生活锅炉热效率及热工试验方法G
9、B/T10820-2002 计算。2 实验结果与讨论2.1 微波炉内物料温度变化由于微波的加热特点和加热机制与传统的加热方式的不同，使得垃圾物料能够快速升温，实现较低温度裂解。图 2 是垃圾在微波中的温度变化。由图 2 可以看出垃圾在微波炉内裂解时初始升温速率很快，垃圾裂解反应生成的裂解气在未裂解的垃圾空隙中穿行，造成炉内气流的扰动，加速热量传递，从而实现物料、温度的均匀分布；在 350时升温速率开始变慢，说明垃圾物料裂解是吸热过程，裂解速度加快，需要提供更多的微波辐射能。550700升温过程缓慢，说明裂解反应过程平稳。700以后垃圾中的挥发物质已经大量脱离出来，可降温出料。036091205
10、1802402730102304506708温度 /时 间 /s 05010150202503035040450.012.4036.4806.72084.96108 物料余重比率 /MR时 间 /s图 2 温度随时间变化关系 图 3 城市生活垃圾微波裂解失重曲线图 3 中城市生活垃圾微波裂解初始过程中时有少量的失重，主要是物料中水分的析出和部分垃圾分解产生的少量 CO、CO2 气体。虽然生活垃圾组分复杂，各组分的热解、气化行为差别较大，但在裂解时间超过 100 秒以后，相继开始析出挥发分，此时的曲线有一个明显的失重阶段，对应曲线上的斜率增大。生活垃圾各组分含有的挥发分在 6 分钟左右基本析出完
11、全，400 秒之后，剩余重量占生活垃圾样品总量的 20%左右，可见微波裂解加快了垃圾完成裂解的时间。裂解焦油主要由脂肪烃化合物、芳香族化合物、有机酸、醇、氯化氢等组成，化学成分非常复杂。焦油馏分经气相色谱-质谱联用分析（图 4） ，发现其主要含脂肪烃化合物、芳香族化合物，脂肪烃化合物主要为 C6C 27 的烯烃和烷烃，芳香族化合物主要是苯及苯的同系物，其中苯、对二甲苯、苯乙烯、苯酚等均有一定含量，其它化合物为少量酸性物质和胺类物质，含量较低。城市生活垃圾中塑料、植物蜡、木质素和灰分含量变化都会使裂解焦油的产率、组成、热值和黏度发生变化，裂解焦油经检测，燃烧热值为 48.5 MJ/kg，可以在民
12、用和工业用。4.06810.2416.0825123045607859时 间 -丰 度 TIC: 20916.Ddatms350404505050606500.7.515.02.53037.545.052.60.质量回收比/% 温 度 / 固 体 产 物液 体 产 物 气 体 产 物图 4 600裂解焦油气相色谱-质谱分析谱图 图 5 温度对热解产物质量分布的影响由图 5 可见,在 400时,固体产物的质量在 55%左右，此时液体产物的质量高于气体产物。物料在较低温度下热解反应不完全，只有少部分挥发分析出, 而且达到此温度的时间也较短，同时由于垃圾中某些成分热解生成了大量炭黑，较低温度下部分焦
13、油因炭黑的吸附作用沉积于其表面。随着温度的升高,固体产物量逐渐减少，液体和气体产物量逐渐增加，600时固体产物量为 26%左右，较之 400时质量减少了 30%左右，原因在于挥发分析出量增多,并且沉积焦油也不断解析，大部分挥发分进入气相和液相。当热解温度由 400升高到 600时，液体产物其产生量由 21.52%增加到 27.83%,相对液体产物而言，气体产物主要为小分子挥发分，热解气的质量回收率由 12%左右升高到35%左右。固液气三态产物中液态产物的质量在 400时居中，在 500时占的比例最少，600时液态产物的质量又居中。30350404500506065070750.40.60.80
14、.10.120.14温 度 /产气量 /L(kgs)30350404500506065070750510520530540505气体含量 /%温 度 /CH4mn CO2H CO图 6 产气量随温度的变化 图 7 裂解气体含量随温度的变化从图 6 可以看出，在氮气气氛下，城市生活垃圾热分解导致瞬时产气量随温度升高而增加，在 350450时产气量随温度升高的趋势较缓，在 450550时产气量随温度升高增加较快并于 550达到最大值，在 550700阶段，生活垃圾中挥发分的热分解析出稍微减少，使得生活垃圾产气量随温度升高而略微减少。随着温度的升高，产气量随着生活垃圾中固定碳的耗尽和焦油产量的减少而
15、下降。图 7 所示为氮气气氛条件下，城市生活垃圾裂解过程中气体产物组成比例的变化情况。从图中可以看出，裂解气成分随裂解温度的升高呈现出不同的变化趋势：甲烷随着温度升高，其含量呈逐渐上升趋势。CmHn 包括丙烷、乙烷和乙烯等。随着温度的升高，其含量先逐渐增加，在 500左右出现一个峰值,说明该温度是垃圾裂解产生CmHn 的最佳温度，在 500到 650左右含量急剧下降，温度越高,大分子断裂成小分子越多,CmHn 含量降低越快。在 350600，生活垃圾受热开始大量析出挥发分，生活垃圾中含有的梭基、碳基等裂解生成大量的 CO 和 CO2气体，两种气体的体积分数随温度升高迅速增加；在 600之后由于
16、挥发分含量逐渐减少，其裂解产生的 CO 和 CO2的体积分数也随之降低；同时过程中还存在着碳还原反应，使得部分的 CO2被还原为CO。在温度低于 450时，H2 析出量很低，随着反应温度的增加,脱氢反应加剧,越来越多的大分子碳氢化合物分解释放出氢气。同时焦油发生的二次裂解反应以及焦油与 CO2或水蒸汽发生的反应也大量生成 H2，高温下 CH4裂解也可能造成 H2体积分数增加，使得550之后 H2体积分数随温度升高而迅速增加。3 结论(1) 垃圾在微波炉内裂解时升温速率很快，温度达到 350后裂解速度加快，升温速率变慢，说明垃圾物料裂解是吸热过程。550700升温过程缓慢，说明裂解反应过程平稳。
17、(2) 微波裂解加快了垃圾完成裂解的时间。垃圾微波裂解焦油主要为 C6C 27的烯烃及烷烃和苯及苯的同系物，裂解焦油热值达到民用和工业用标准。(3) 随着温度的升高,固体产物量逐渐减少，液体和气体产物量逐渐增加。当热解温度由 400升高到 600时，固体产物的质量由 55%左右减少到 26%左右，液体产物其产生量由 21.52%增加到 27.83%,，热解气的质量回收率由 12%左右升高到 35%左右。(4)瞬时产气量在 350450时随温度升高的趋势较缓，在 450550时随温度升高增加较快并于 550达到最大值，然后逐渐减少。(5)裂解气主要含有 H2、CO、CO 2、CH4 和 CmHn
18、 等气体成分，随温度升高，甲烷含量逐渐增大，CmHn 含量先逐渐增加，在 500左右出现峰值后含量急剧下降。CO 和CO2气体在 350600大量析出，H2 在温度低于 450时析出量很低，550之后 H2体积分数随温度升高而迅速增加。参考文献：1赵由才. 生活垃圾资源化原理与技术M.北京:化学工业出版社,2002,106-139.2解强,沈吉敏,张宪生,等. 模化城市生活垃圾衍生燃料制备及热解特性的研究J.燃料化学学报,2003,31(5):471-475.3张于峰,邓娜,张书廷,等. 城市生活垃圾筛上物的热解研究及实验J.天津大学学报,2005,38(6): 556-560.4Jangsa
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