1、第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220727基金项目:国家重点研发计划课题(2019YFD1100305)第一作者:侯林桐，女，硕士，主要研究方向为生物质能源。tong tjueducn*通信作者:李健，男，博士后，主要研究方向为生物质气化技术。lijian2014 tjueducnDOI:10.13205/jhjgc202212006侯林桐，杨学忠，李健，等 基于质能流评估的餐厨垃圾热解自供能特性研究 J 环境工程，2022，40(12):3745基于质能流评估的餐厨垃圾热解
2、自供能特性研究侯林桐1杨学忠1李健1*颜蓓蓓1陈冠益1，2(1天津大学 环境科学与工程学院，天津 300350;2天津商业大学 机械工程学院，天津 300134)摘要:餐厨垃圾具有成分复杂、含水率高的特点，热解处理法虽可实现餐厨垃圾的快速、无害化减量和能源资源回用，但其处理过程依赖外部能量输入，处理过程的能量平衡问题不容忽视。为全面探究餐厨垃圾热解系统能量流分布，研究提出了热解产物燃烧回用思路，聚焦系统自供能特性，开展固定床热解实验，考察不同含水率的餐厨垃圾在不同热解温度下的产物分布，并计算理论热值，结合 TG-DSC 分析确定原料热解理论耗能，建立了系统自供能特性指标(EPC)，计算系统的能
3、量产生与消耗比，判断餐厨垃圾热解自供能的运行条件。结果表明:热解温度由 400 升至800，餐厨垃圾热解固体产物产率降低，气体产率提高，热解油产率呈现先增后减的趋势，并在 500 时达到最高。通过产物热值分析，过高的热解温度和含水率降低了餐厨垃圾热解产物的总能量。当三相热解产物全部燃烧回用时，为实现系统自供能餐厨垃圾含水率不得低于 40%，热解温度不得高于 500。当将油、气两相产物燃烧回用时，为实现系统自供能，热解温度须不超过 600，含水率不超过 10%。只燃烧热解气在所有条件下均无法实现系统自供能。关键词:餐厨垃圾;热解特性;燃烧;自供能SELF-POWE POPETY OF PYOLY
4、SIS OF KITCHEN WASTE:AN INVESTIGATION ON THEMASS AND ENEGY FLOWHOU Lintong1，YANG Xuezhong1，LI Jian1*，YAN Beibei1，CHEN Guanyi1，2(1School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China;2School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，Chi
5、na)Abstract:Food waste has a complex composition and high moisture content Although the pyrolysis process can achieve fast，harmless reduction and energy reuse of food waste，the process highly relies on external energy input Thus the mass andenergy evaluation for the pyrolysis process is very importa
6、nt In this work，the mass distribution and energy flow for thepyrolysis of food waste were comprehensively investigated We tried to achieve self-powered prolysis by burning the pyrolyticproducts The pyrolysis experiments were conducted in a lab-scale fixed-bed reactor，and the influence of moisture on
7、 foodwaste and pyrolysis temperature was investigated Moreover，based on the results of TG-DSC，an index(EPC)was built forevaluating the potential of self-power esults showed that when the temperature increased from 400 to 800，the solidproduct of pyrolysis decreased while the gaseous product increased
8、 The liquid product increased firstly then decrease，andpeaked at 500 Based on the analysis of the heating value of the products，the high pyrolysis temperature and moisturecontent weakened energy production If all of the pyrolysis products(gas，oil and char)were burned，the moisture content offood wast
9、e should be lower than 40%for achieving self-power，and the pyrolysis temperature should be lower than 500 Ifonly burning gas and oil products，the pyrolysis temperature should be lower than 600，and the moisture content lower than10%However，self-power can never be achieved under any conditions，if only
10、 burning prolysis gasKeywords:food waste;pyrolysis characteristics;combustion;self-power环境工程第 40 卷0引言近年来，随着社会经济水平和居民生活水平的提高，我国的餐饮行业得到了蓬勃发展，而如何实现餐厨垃圾的减量化、无害化和资源化处理成为世界各国面临的重要问题1。我国城市生活垃圾年产生量大于 2 亿 t，其中厨余垃圾占比 60%，有些地区甚至达到70%80%2。餐厨垃圾中主要成分包括淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等3，整体呈现高水分(原生餐厨垃圾含水率可大于 80%4)、高盐分(NaCl 含量超过 1
11、%5)、高有机质含量(粗蛋白和粗纤维含量较高6)和高油脂含量(粗脂肪含量可达 20%以上6)的特征。马鸿志等7 对北京某食堂垃圾组成进行了测定，其中水分约占 83%，干基中淀粉、蛋白质和脂肪含量分别为 46.1%、15.6%和 18.1%。餐厨垃圾富含油脂和有机质，在高温下极易腐坏变质、滋生病菌，带来严重的环境污染与健康风险8。餐厨垃圾热解技术正在得到越来越多的关注。餐厨垃圾热解过程指餐厨垃圾中的有机成分在高温和绝氧条件下转化为热解油、可燃性气体以及具有多用途的热解炭9。与传统餐厨垃圾处理技术相比，热解法不仅具有安全、无害、快速减量的特点，同时能实现餐厨垃圾有机组分的能源/资源化转化，且规模较
12、为灵活。国内外对于餐厨垃圾热解的已有研究主要集中在热解性能和动力学分析、热解的单相产物(热解油和热解炭)、热解工况、以及餐厨垃圾与其他物质混合热解等方面。近年来，以热解为基础的餐厨垃圾高效转化利用技术，成为餐厨垃圾热解领域的研究热点。然而，热解过程通常为吸热反应，热解系统需要持续的外部能量输入。由于餐厨垃圾高含水的特点，对能量输入要求更高。因此，尝试通过餐厨垃圾热解产物的燃烧回用，为热解过程提供能量，优化反应系统，实现热解系统的自供能，成为产业发展亟需解决的关键问题。针对上述背景，本文开展了基于热重红外差示扫描量热法联用(TG-FTI-DSC)的分析实验和固定床热解实验，探究餐厨垃圾热解特性、
13、热解产物分布以及热解系统能量流分布，明晰热解机理，以期为餐厨垃圾的处理设备研发、工艺设计提供理论支撑。1实验部分1.1实验原料本实验样品取自某公司食堂，原生餐厨垃圾通过提油和破碎，形成含水率约 58%的细渣。餐厨垃圾样品在 105 烘干至恒重，通过微型植物粉碎机将干燥后的样品进行研磨，筛选粒径至 0.9 mm 以下。为了研究含水率对餐厨垃圾热解特性的影响，本实验干燥后的原料与水混合分别调至含水率 0%、10%、20%、30%、40%、50%，共 6 组样品进行对比实验。原料的工业分析和元素分析见表 1。表 1样品工业分析和元素分析Table 1Proximate and ultimate an
14、alysis result ofthe sample工业分析/(%，ad)元素分析/(%，d)MAVFCCHONS低位热值/(MJ/kg)2.25 15.35 73.76 8.64 50.8 6.81 19.4 4.25 1.9821.61注:M 为含水率;A 为灰分;V 为挥发分;FC 为固定碳;ad 为空气干燥基;d 为干燥基1.2实验装置及方法1.2.1TG-FTI-DSC 实验采用热重分析仪(德国 Netzsch STA409PC)和傅里叶红外光谱仪(德国 Bruker TENSO)联用的方式，通过分析物料在升温过程中的质量变化曲线，结合FTI 对释放挥发分的在线分析，得到其热解特性，
15、并由 DSC 曲线记录热解过程中的反应焓。每次实验原料添加量为 10 mg 左右，升温速率为10 /min，温度区间为 50 900，反应气氛为氩气，流量为 100 mL/min。为了保证实验的准确性，在实验开始前需要对基线进行校准。热解过程产生的挥发分通过聚四氟乙烯管线传入至红外分析仪的气池中，为了防止挥发物冷凝，连接热重分析仪和红外光谱仪的传输线温度设置为 200。红外光谱分辨率为4 cm1，识别光谱区为4000400 cm1，扫描速度为 64 scans/min。1.2.2固定床热解实验实验装置如图 1 所示。通过温度控制系统设置不同的反应终温，称取不同含水率原料共 10 g 放入吊篮内
16、，放置于反应器顶端位置等待升温，待温度升到设定反应温度时，将盛有原料的吊篮放入炉内反应段，通入 200 mL/min 的 N2以保证热解所需的惰性环境，反应时间 20 min。反应后产生的固相产物会残留在反应炉内套管中，液相产物会随气体一起进入二级冷凝装置冷凝收集，气体通过过滤进入湿式流量计计算体积，并用集气袋进行收集。待反应器温度降至室温后，从反应器内取出炉内套管，称量套管内所剩残渣，获得焦的质量。用CH2Cl2清洗冷凝管，收集焦油;40 下水浴蒸除83第 12 期侯林桐，等:基于质能流评估的餐厨垃圾热解自供能特性研究图 1固定床热解设备Figure 1Fixed bed pyrolysis equipmentCH2Cl2，称量获得焦油质量。气体产物质量通过差减法获得，并由气相色谱仪测定产物气体中 H2、CO、CO2、CH4等含量(体积分数)。1.2.3样品表征热解油和热解炭的高位热值(higher heatingvalue，HHV)及低位热值(lower heating value，LHV)是由元素分析结果计算得到的，经验公式见式(1)、(2)10:HHV(MJ/kg)=33.5(