城市生活垃圾筛上物制备RDF及其燃烧特性研究.pdf

* 国家自然科学基金 21077002 。 城市生活垃圾筛上物制备 RDF 及其燃烧特性研究 * 马涵宇李芸邑刘阳生 北京大学环境科学与工程学院，北京 100871 摘要 利用城市垃圾筛上物制备 RDF 可以实现垃圾处理的减量化和资源化。研究了北京市城市生活垃圾筛上物制备 RDF 的工艺条件， 探讨不同成型压力、 含水率以及助燃剂含量对 RDF 成型特性的影响， 在此基础上研究添加 CaO 对其 燃烧特性的影响。结果表明 含水率 10 ， 成型压力1 MPa的 RDF 在加入 1 的 KClO4后成型较好， 燃烧后残渣少。 随着 CaO 添加量的增加， RDF 燃烧 SO2的释放量减少; 而当 CaO 添加量大于 2 时， HCl 的释放量基本保持不变。在 RDF 中加入 CaO 可以将其中的氯元素和硫元素有效固定在残渣中， 从而有效减少了酸性气体排放。 关键词 垃圾筛上物;RDF;酸性气体;残渣 PREPARATION OF RDF USING SCREENING RESIDUES OF MSW AS RAW MATERIALS AND STUDY ON ITS COMBUSTION CHARACTERISTICS Ma HanyuLi YunyiLiu Yangsheng College of Environmental Science and Engineering，Peking University，Beijing 100871，China AbstractPreparation of RDF using screening residues of municipal solid waste MSWas raw materials is one of the promising technologies for minimization and utilization of MSW． To investigate the optimum conditions for RDF preparation， ing pressure，moisture content，and accelerant proportion in the process of making RDF were systematically studied． Effects of the CaO proportion on the control of acid gases emission were also studied． It was found that RDF with 10 moisture content，1 MP of ing pressure and 1 KClO4had good quality in shape and strength． Meanwhile，the residue was few after the combustion of this kind of RDF． The emission of SO2decreased with increasing of the CaO proportion． However，the emission of HCl almost kept the same when the proportion of CaO was higher than 2 ． Addition of CaO in RDF can effectively fix the chlorine and sulfur resulting from RDF starting materialsin the incineration residue，thus effectively reducing acid gas emissions． Keywordsscreening residue;RDF;acid gases;incineration residue 0引言 我国城市垃圾的产生量越来越大， 垃圾中可燃成 分也越来越多， 由于受到垃圾含水率较高的限制使得 垃圾的热值没有得到明显的提高， 垃圾焚烧二次污染 控制对于高温的要求使得焚烧技术在我国的应用受 到了人们的质疑。将垃圾中高热值的成分分离出来， 加工成为垃圾衍生燃料 RDF ， 将明显提高焚烧过程 的温度和燃烧工况的稳定性， 该技术在国外的研究已 经开展多年， 但国内的研究工作刚刚起步， 对于中国 特色的垃圾制作 RDF 的相关工艺参数及 RDF 的燃 烧特性等基础研究工作尚未开展， 而这些基础研究成 果对于我国 RDF 技术的推广至关重要。 RDF 具有不同的制备方法， 经过分选、 破碎、 干 燥、 加入添加剂、 压缩成型等工序， 生活垃圾可以被制 成不同规格的 RDF［1］。目前 RDF 的分类主要是按照 美 国ASTM AmericanSocietyforTestingand Materials 的定义， 具体分类标准见表 1［2］。美国主要 研究 RDF- 3 以上的 RDF， 欧洲、 日本等国家以 RDF- 5 为研究对象 ［3］。本研究中 RDF 按照美国 ASTM 分类 的 RDF- 5 标准制备。 1实验材料特征 1. 1筛上物的主要成分 实验所用的 RDF 原料为北京市马家楼垃圾中转 站的垃圾筛上物 粒径80 mm以上 ， 采集于 2011 年 4 69 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 月初。垃圾成分分析结果见表 2。 表 1美国 ASTM 的 RDF 分类及定义［2 ］ 分类名称定义 RDF- 1废弃物直接利用 RDF- 2Course 粗RDF c-RDF 废弃物除去金属后被处理为 粗颗粒 通过 152 目筛 RDF- 3Fluff 绒状 RDF f-RDF 废弃物除去玻璃、 金属和无 机物粒 通过 152 目筛 RDF- 4Powder 粉 RDF p-RDF 可 燃 废 弃 物 处 理 为 粉 状 95 为 10 目以下 RDF- 5Densified 细密 RDF 可燃 的 废 弃 物 被 挤 压 成 柱 状、 颗粒状、 块状等 RDF- 6Liquid Fuel 液体燃料可燃的废弃物被处理为液体 RDF- 7Gaseous Fuel 气体燃料可燃的废弃物被处理为气体 表 2垃圾成分的分析结果 成分 块状无 机固体 纸类 塑料 织物 玻璃 金属 木竹 厨余总量 质量分数15. 215. 2 17. 810. 404. 945. 4100 制作 RDF 时， 先将块状无机固体、 玻璃、 金属分 选除去; 织物因为含量很小， 制作 RDF 时将其忽略。 因此， RDF 的原料成分主要为纸类、 塑料、 木竹和厨 余垃圾。 1. 2筛上物含水率及各组分含水率测定 将筛上物样品在105 ℃ 烘干12 h至恒重。测得 垃圾筛上物的含水率为 55. 14 ， 各成分含水率分别 为 塑料 32. 46 ， 纸类 59. 66 ， 木竹 44. 75 ， 厨余 67. 93 。 2实验设备与方法 2. 1RDF 成型 RDF 成型装置采用天津市金孚伦科技有限公司 的 YP- 8T 红外粉末压片机， 压强范围为0 ～ 40 MPa， 可将生活垃圾压制成直径18 mm、 高约1 cm、 质量为 1 ～ 2 g的圆柱状 RDF。本实验中制作的 RDF 压力范 围为1 ～ 5 MPa。RDF 的制作流程为 1 将筛上物烘 干， 破碎， 混合均匀; 2 加入各种所需的添加剂及水 分， 混匀; 3 压缩成型， 得到成品 RDF。 2. 2RDF 燃烧残渣质量测定 在燃烧反应器中点燃 RDF 样品， 置于空气中燃 烧， 待其完全燃尽、 冷却至室温后称量残渣质量。 2. 3RDF 燃烧及气体收集 RDF 燃烧及气体收集装置见图 1， 由 RDF 燃烧 器、 冷凝管、 气体收集瓶、 抽气泵等部分组成。RDF 燃烧器为10 cm 20 cm的玻璃空心圆柱体。容器 中部有圆形开口 RDF 进样口 ， 开口突出部分可塞 入橡胶塞密封。容器下部开口为空气入口。容器顶 部开口接冷凝管， 冷凝管通过橡胶管与气体收集瓶相 接， 气体收集瓶中装有0. 01 mol/L NaOH 吸收液， 气 体收集瓶接抽气泵。装置运行过程为 首先将抽气泵 打开， 然后取下 RDF 进样口橡胶塞，RDF 点燃后送 入反应器内， 塞上橡胶塞; 持续抽气20 min直到 RDF 完全停止燃烧， 所获得吸收液经过处理后， 用离子色 谱分析其中的 Cl － 和 SO2 － 4 离子浓度。 1 － RDF 燃烧器;2 － RDF 进样口;3 － 空气入口; 4 － 聚四氟乙烯塑料通孔板;5 － 陶瓷托盘; 6 － RDF;7 － 冷凝管;8 － 气体收集瓶; 9 － 气体收集液;10 － 抽气泵 图 1RDF 燃烧及气体收集装置示意 2. 4RDF 燃烧烟气中酸性气体分析 通过 分 析 吸 收 液 中 Cl － 、 SO2 － 4 的 浓 度 来 分 析 RDF 燃烧过程释放的酸性气体 HCl 和 SO2。首先， 在 吸收液中加入过氧化氢将 SO2 － 3 转化为 SO2 － 4 对于 150 mL吸收液， 滴加 8 滴 30 的过氧化氢 。然后， 向吸收液中滴加磷酸， 调节 pH≈7， 以去除碳酸根离 子和碳酸氢根离子。因为二者在离子色谱中的峰与 硫酸根离子的峰相邻， 当碳酸根和碳酸氢根离子浓度 较大时， 它们的峰会与硫酸根离子的峰相重叠， 影响 测定的准确性。采用美国 DIONEX 公司的 ICS2500 离子色谱进行分析。 3结果及讨论 3. 1成型压力及原料含水率对 RDF 成型性能及含 水率的影响 在 RDF 原 料 含 水 率 分 别 为 0 、 10 、 20 、 30 ， 成型压力分别为 1， 2， 3， 4， 5 MPa的条件下制备 RDF， 在屋内通风放置13 d后， 测量其体积扩张率及 减重率， 结果见表 3 所示。可以看出 13 d后， 在不同 成型压力下， 含水率为 20 和 30 的 RDF 其水分基 本都降低到 10 左右; 而含水率为 10 的 RDF 其水分 79 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 表 3放置 13 d 后的 RDF 体积扩张率及减重率 成型压力 原含水率 0 原含水率 10 原含水率 20 原含水率 30 体积扩张率 / 体积扩张率 / 减重率 / 含水率 / 体积扩张率 / 减重率 / 含水率 / 体积扩张率 / 减重率 / 含水率 / 1 MPa73. 1955. 242. 737. 523. 7912. 978. 135. 3723. 728. 2 2 MPa87. 6044. 362. 767. 425. 8712. 798. 357. 1621. 4211 3 MPa49. 7746. 282. 068. 124. 3412. 458. 649. 4921. 6711 4 MPa46. 8435. 984. 146. 133. 149. 671138. 8522. 369. 8 5 MPa38. 5839. 743. 636. 641. 4210. 161132. 9520. 6712 平均59. 2044. 323. 067. 229. 7111. 619. 542. 7621. 9710 降低到 7 左右。因此， 在 RDF 制备时， 将 RDF 原料 烘干至含水率 30 即可满足 RDF 制备的要求， 以减 少筛上物烘干的能源消耗。 RDF 的体积扩张率将影响到 RDF 在贮存和运输 过程中的松散性能， 松散的 RDF 不利于贮存和运输。 通过图 2 可以看到 RDF 成型压力及原料含水率对 RDF 体 积 扩 张 率 的 影 响。当 成 型 压 力 小 于 等 于 3 MPa时， 不同含水率的 RDF 体积膨胀率差别较大， 成型压力大于3 MPa时， 体积膨胀率均趋于 40 左 右。20 含水率的 RDF 在成型压力小于等于3 MPa 时体积扩张率较小， 成型性最好。 图 2 RDF 成型压力及含水率对 RDF 体积扩张率的影响 3. 2RDF 添加剂含量及成型压力对燃烧残渣质量 的影响 3. 2. 1助燃剂及 RDF 成型压力的影响 在 RDF 中加入 KClO4作为助燃剂将改善燃烧特 性， 加入 CaO 将减少燃烧烟气中酸性气体的排放。 对于含水率 10 的 RDF， 固定 CaO 添加量为 1 ， 在 不同成型压力及不同 KClO4含量下， 测量燃烧残渣质 量占 RDF 原始重量的百分比见表 4。不同的 KCIO4 添加量和成型压力下 RDF 燃烧残渣质量百分比基本 相近。KClO4的增加会使其分解产物 KCl 的产生量 增加， 本应使燃烧残渣的质量比增加， 但 KClO4分解 产生的 O2会使 RDF 的燃烧更加完全。因此， 在 CaO 添加量为 1 情况下燃烧残渣的质量比基本相同。 表 4KClO4添加量及成型压力对 RDF 燃烧 残渣质量百分比的影响 CaO 1 1 MPa2 MPa3 MPa4 MPa5 MPa平均 5 KClO4 16. 0113. 7914. 2713. 1512. 1913. 88 4 KClO413. 4113. 3712. 6015. 9816. 5014. 37 3 KClO414. 7713. 3013. 6314. 7314. 2814. 14 2 KClO412. 9413. 1612. 4612. 4714. 7813. 16 1 KClO412. 5516. 1513. 4514. 0613. 3613. 91 0 KClO413. 0512. 0813. 5014. 0813. 8913. 32 平均13. 7913. 6413. 3214. 0814. 17 但是， 当 CaO 添加量增加到 2 时， 随着 KClO4 含量的增加， RDF 燃烧后的残渣量逐渐加大， 如图 3 所示。这可能是由于 CaO 产生的残渣增加量以及 KClO4分解产物 KCl 增加量之和明显大于 KClO4对 RDF 的助燃效果 RDF 燃烧残渣中的可燃物减量 。 图 3KCIO4添加量对 RDF 燃烧残渣质量 百分比的影响 CaO 2 3. 2. 2CaO 添加量的影响 CaO 添加量对 RDF 燃烧残渣质量的影响见图 4 所示 原料含水率 10 ， 成型压力 1MPa， KCIO4含量 1 。随着 CaO 添加量增加， 燃烧残渣质量百分比 逐渐增加。CaO 在 RDF 燃烧过程中可能与烟气中的 89 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 HCl、 SO2和 CO2反 应 生 成 CaCO3、 CaCl2、 CaSO4、 CaSO3等， 导致燃烧残渣质量百分比的增加。同时， CaO 的加入对 RDF 的完全燃烧造成一定的影响。从 图 4 可以 看出 这些影响 因 素在 CaO 添加量 超过 3. 5 时表现得更为明显。 图 4CaO 添加量对 RDF 燃烧残渣质量百分比的影响 3. 3CaO 添加量对燃烧烟气中酸性气体的影响 3. 3. 1RDF 中 S、 Cl 的初始含量 含水率 10 的 RDF 中的 S、 Cl 含量根据文献 中 ［4］生活垃圾各种典型组分的元素分析数值以及本 实验的 RDF 制备的原始成分计算而得， 见表 5。 表 5含水率 10的 RDF 中的 S、 Cl 的含量 塑料纸类木竹厨余总体 干重百分比 /34. 0317. 407. 73 40. 84 Cl 含量 /00. 309. 100. 68 S 含量 /0. 300. 302. 500. 31 3. 3. 2CaO 含量对燃烧释放酸性气体的影响 实验 中所用 RDF 含水 率 10 ， KClO4添 加 量 1 ， 成型压力1 MPa。CaO 添加量分别为 2 、 3 、 3. 5 、4 、5 ，燃 烧 后 的 烟 气 使 用 浓 度 为 0. 01 mol/L的 NaOH 吸收。溶液中 NaOH 明显过量， 以使烟气吸收完全。吸收液中硫酸根离子最大浓度 为8 10 － 5mol/L， 氯离子3 10－ 5mol/L。 图 5 显示 CaO 添加量对 RDF 燃烧释放 HCl 和 SO2气体的影响。图中每个数据为 6 组 RDF 燃烧后 所测得 HCl 和 SO2气体量的平均值。当 CaO 添加量 达到 2 时， HCl 的释放量明显减少， 但是当 CaO 添 加量超过 2 以后， 燃烧过程 HCl 的释放量并没有呈 现出明显的减量化趋势， 基本维持稳定; 随着 CaO 添 加量的增加， SO2释放量总体上呈现减少的趋势。 在 RDF 中添加 CaO 可将 RDF 燃烧过程释放的 HCl 和 SO2固定在燃烧产生的残渣中， 从而减少 RDF 燃烧过程中 HCl 和 SO2的释放量。与 CaO 添加之前 图 5CaO 添加量对燃烧释放 HCl 和 SO 2气体的影响 的释放量对比， 可以计算出酸性气体的去除率; 与 RDF 中原始的 S、 Cl 含量相比 不包括 KClO4中 Cl 的 量 ， 可以计算出 S、 Cl 被固定在残渣中的比例， 即 S、 Cl 的固定率。相关数据见表 6 所示。 本实验中， m Ca /m S 0. 5Cl 值依次为 1. 9， 2. 8，3. 2，3. 7 和 4. 6。根据 Piao 等 ［5］研究发现， 当 m Ca /m S 0. 5Cl 值在 3. 5 左右时， RDF 在流化 床中燃烧排放的 HCl 将得到有效的控制; Liu 等 ［6］也 发现当 m Ca /m Cl 增加到 13 时， 残渣中氯的固定 化效率增加至 70 。本实验中 m Ca /m Cl 为 1. 9，2. 8，3. 3，3. 7 和 4. 7， 残渣中氯的固定效率均 可达到 99 以上。 表 6不同 CaO 添加量对 HCl 和 SO 2气体的 去除率及总去除率 气体去除效率 /固定率 / HCl SO2 ClS 2 CaO45. 9555. 6599. 8598. 53 3 CaO37. 8249. 3399. 8398. 32 3. 5 CaO34. 0164. 9399. 8298. 84 4 CaO35. 3279. 0499. 8299. 31 5 CaO24. 5589. 4399. 7999. 65 3. 4KClO4含量对燃烧酸性气体的影响 对于含水率 10 ， 成型压力1 MPa， CaO 添加量 2 的 RDF， 改变其助燃剂 KClO4添加量， 分析其对 RDF 燃烧过程中酸性气体释放量的影响， 结果如图 6 所示。当 KClO4添加量为 1 时， HCl 气体的释放量 较小; 当添加量增加到 3 时， HCl 释放量明显增加。 对于 SO2气体释放而言， 添加 5 KClO4 时其释放量 最小。由此可见， 添加 KClO4对 RDF 燃烧过程中 SO2和 HCl 气体释放的影响不一致。这可能是由于 在 KClO4促进 RDF 燃烧时， CaO 对烟气中 SO2 和 HCl 气体具备不同的吸收能力所致。 99 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 图 6KClO4添加量对酸性气体释放量的影响 4结论 将垃圾筛上物制备成 RDF 可以实现垃圾处理的 减量化和资源化。实验中研究了 RDF 原料的含水率 以及成型压力对 RDF 的膨胀性能产生的影响， 探讨 了在 RDF 制作过程添加 KClO4和 CaO 对燃烧特性的 影响。 实验结果表明 提高含水率和加大成型压力将有 利于制作膨胀系数较小的 RDF， 其体积扩张率均趋 于 40 左右。当 KClO4添加量超过 1 时， RDF 燃烧 残渣的质量将明显增加; 当 CaO 添加量超过 3. 5 时， RDF 燃烧残渣的质量也将明显增大。在 RDF 制 作过程中加入 CaO 将明显降低燃烧时 SO2的产生 量; 当 CaO 添加量达到 2 时， HCl 的排放量被降到 最小。添加 KClO4将会增加 RDF 燃烧过程酸性气体 的产生量。在 RDF 中加入 CaO 可以将 RDF 中的氯 元素和硫元素有效固定在残渣中， 其固定率均超过了 98 ， 从而有效减少酸性气体排放。 参考文献 ［1］沈伯雄， 姚强． 垃圾衍生燃料 RDF 技术概述［J］． 能源研究 与利用， 2002 2 12- 15． ［2］崔文静． 矿化垃圾分离制备 RDF 材料的研究［D］． 上海 同济 大学， 2007． ［3］郭小汾， 杨雪莲， 陈勇， 等． 垃圾衍生燃料 RDF 的燃烧特性研 究［J］． 太阳能学报，2001 3 282- 286． ［4］郭建． 城市生活垃圾燃烧特性研究［D］． 北京 华北电力大学， 2008． ［5］Piao G，Aono S，Kondoh M，et al．Combustion test of refuse derived fuel in a fuidized bed［J］． Waste Management，2000， 20 443- 447． ［6］Liu G，Itaya Y，Yamazaki R，et al．Fundamental study of the behavior of chlorine during the combustion of single RDF［J］． Waste Management，2001，21427- 433． 作者通信处马涵宇100871北京海淀区颐和园路 5 号 北京大学 环境科学与工程学院 E- mailhorse3mhy sina． com 2011 － 11 － 02 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 72 页 2. 4烟草行业废气治理工艺步骤 根据烟草行业所排出废气的性质， 可把废气治理 工艺分三步骤 第一步 实现废气的除尘、 降温、 部分 去异味的效果， 相关工艺包括 喷淋塔、 文丘里除尘器 等; 第二步 实现异味气体组分的吸收， 相关工艺包 括 湍球塔、 填料塔、 板式塔等; 第三步 深度处理， 进 一步提高处理效果， 相关工艺包括生物滤池、 低温等 离子体反应器、 光催化、 多孔材料吸附等。 3结论 根据车间排风量大、 异味气体释放点源多、 异味 程度各异等特点， 采用不同的治理工艺， 既达到较好 处理效果同时节省工程投入。 采用注入式低温等离子体工艺强化对异味气体 治理效果， 解决了设备受污染和大风量异味气体难处 理等问题， 成为整套治理工艺一个特色。 参考文献 ［1］程永照， 王海娟． 中国卷烟市场的竞争及未来趋势［J］． 中国烟 草学报， 2007， 15 5 54- 56. ［2］夏炳乐， 李敏莉， 肖厚荣， 等． 烟草加工厂的环境若干问题与防 治对策［C］/ /2003 年烟草生产与人体健康和环境保护协调发 展研讨会， 2003． ［3］李竖， 竹涛， 豆宝娟， 等． 低温等离子体技术处理烟草臭气［J］． 环境工程， 2008， 26 1 44- 45． 作者通信处方一丰200437上海市虹口区中山北一路 1230 号柏 树大厦 B 区 5 楼洗霸科技公司 E- mailfengyifeng hotmail． com 2011 － 11 － 15 收稿 001 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期