（环境工程专业论文）餐饮垃圾热解产油特性研究及神经网络预测.pdf

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瓣砑秦千溉、千斟明蹲錾嚣哗蕊葛目陛咄攀劲茸观珥蒜苇延搬士￥杀￥妊掣群斟 锋砰群茸科萃孤斟毒毒￥妊掣 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：洪楠2 0 1 0 年0 5 月3 1 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目餐饮垃圾热解产油特性研究及神经网络预测 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 餐饮垃圾是一种非均质多种物质的混合物，成分复杂，目前对其处理已成 为一大难题。本文在餐饮垃圾单组分和混合组分热解产油特性研究的基础上， 利用人工神经网络技术强大的捕捉非线性规律的能力，通过输入垃圾组成的比 例数据，来预测餐饮固体废弃物的热解产油特性。 本文综述了国内外对餐饮固体废弃物热解产油特性研究的成果，介绍了研 究的背景以及采用的热解实验装置。实验分析了温度和热解反应时间对餐饮垃 圾热解产物分布的影响，米饭、白菜、猪肉、纸和塑料5 种物料在不同热解温 度和反应时间下热解油产率显著不同，但是热值差别很小。首先，通过最大产 油率找出最佳热解温度，然后在最佳热解温度基础之上，进行反应时间的测定， 通过各种物料的产油率和热值情况，确定最优热解反应时间。将5 种物料以不 同比例混合热解测定热解油的产率和热值，结果表明：各组分之间热解产油特 性是相互影响的，单组分热解产油特性与混合物整体热解产油特性呈现非线性 规律。 本文综述了b p 人工神经网络算法、算法程序流程及其改进措施，介绍了传 递函数、网络层数、隐含层节点数、目标函数误差、初始的权值与阈值、学习 速率的选取与设置。首次详细介绍了人工神经网络在餐饮垃圾热解产油特性预 测建模中的应用过程，并验证了我们采用的b p 神经网络预测模型良好的性能。 关键字：餐饮垃圾热解产油率热值神经网络 a b s t r a c t a b s t r a c t k i t c h e nt r a s hi sak i n do fh e t e r o g e n e o u sm i x t u r e ，i n c l u d i n gv a r i o u ss u b s t a n c e s ， a n da tp r e s e m ，t h ed i s p o s a lf o rk i t c h e nt r a s hi sam a j o rp r o b l e mi nm o s tc i t i e sa r o u n d t h ew o r l d b ym e a n so fn e u r a ln e t w o r k , o n l yu s i n gt h ep y r o l y s i so i lc h a r a c t e r i s t i c so f s i n g l ec o m p o n e n ta n dm i x e dc o m p o n e n ta n dt h ep r o p o r t i o no fc o m p o n e n t so fk i t c h e n t r a s hc a np r e d i c tp y r o l y s i so i lp a r a m e t e r s ，a n do u rp r e d i c t i n gm o d e lw i l lf a c i l i t a t e u n d e r s t a n d i n gp y r o l y s i s o i lc h a r a c t e r i s t i c so fk i t c h e nt r a s hw i t h o m e m p l o y i n g e x p e r i m e n t a lm e t h o d s t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e di n t e r n a t i o n a l d e v e l o p m e n to f r e s e a r c h e so n p y r o l y s i so i lc h a r a c t e r i s t i c so fk i t c h e nt r a s h , l a t e s tp r o g r e s sr e p o r tf o ra r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s a n dt h ee x p e r i m e n td e v i c es y s t e m a t i c a l l y t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n d r e a c t i o nt i m eo nt h ed i s t r i b u t i o no fp y r o l y s i sp r o d u c t sw e r es t u d i e d a td i f f e r e n t p y r o l y s i st e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m e ，t h ep y r o l y s i so i ly i e l d so ff i c e ，c a b b a g e ，p o r k , p a p e ra n dp l a s t i ca r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t ，w h i l et h ec a l o r i f i cv a l u e sh a v el i t t l e d i f f e r e n c e s t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ec a l lb ef o u n db yt h em a x i m u mp y r o l y s i so i l y i e l d ，a n do nt h eb a s i so ft h eb e s tt e m p e r a t u r e ，w ec a ni d e n t i f yt h eb e s tp y r o l y s i s r e a c t i o nt i m e t h ep y r o l y s i so i ly i e l d sa n dc a l o r i f i cv a l u e so fs i n g l ec o m p o n e n ta n d t h e i rm i x t u r e sw e r es t u d i e d t l l i sp a p e rr e v e a l e dh o we a c hc o m p o n e n ti n t e r a c t s 、析t l l e a c ho t h e ra n dh o wt h e yi n f l u e n c et h ep y r o l y s i so i lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e i rm i x t u r e s t i l i sp a p e ri n t r o d u c e dt h e p r o c e s so fc o n s t r u c t i n gp r e d i c a t i o nm o d e l sf o r p y r o l y s i so i lc h a r a c t e r i s t i c so fk i t c h e nt r a s h ，i n c l u d i n gm a i n l yt h es e l e c t i o no fm o d e l s t r u c t u r e ，a l g o r i t h m ，t r a n s f e rf u n c t i o n , n u m b e ro fn e u r a ln e t w o r k s ，n o d en u m b e ro f h i d d e nl a y e r s ，c h a r a c t e r i s t i c sf u n c t i o n , a n db i a s e sa n dl e a r n i n gr a t e 1 1 1 er e s u l t ss h o w t h a tt h eb pn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e lh a sa g o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：k i t c h e nt r a s h p y r o l y s i s o i l y i e l d c a l o r i f i cv a l u en e u r a l n e t w o r k s 第二节神经网络模型的研究进展1 0 第三节本文的研究主要内容和意义1 2 2 3 1 研究内容1 2 2 3 2 本课题研究的意义1 3 2 3 3 论文研究的技术方案。1 4 第三章餐饮垃圾组分热解产油特性研究1 5 第一节概述1 5 第二节实验部分1 5 3 2 1 实验原料分析15 3 2 2 预处理。l7 3 2 3 实验装置。1 7 目录 3 2 4 实验结果的影响因素1 8 3 2 。5 实验方法1 9 第三节实验结果分析与讨论2 0 3 3 1 温度对餐饮垃圾热解产油特性的影响2 0 3 3 2 物料热解反应时间对餐饮垃圾热解产油特性的影响。2 3 3 3 3 餐饮垃圾混合热解产油特性分析。2 5 第四节本章小结3 3 第四章餐饮垃圾热解产油特性的b p 神经网络预测模型3 5 第一节概述3 5 第二节b p 神经网络的基本原理3 5 4 2 1b p 神经元3 6 4 2 2b p 网络。3 7 4 2 3b p 算法的改进4 0 第三节b p 神经网络预测系统的建模过程4 1 4 3 1 隐层数的确定4 2 4 3 2b p 网络常用传递函数4 2 4 3 3 各层节点数的确定。4 3 4 3 4b p 神经网络初始参数的设置4 3 4 3 5 学习速率。4 4 4 3 6 误差的选取。4 5 4 3 7 神经网络泛化能力的改进。4 5 第四节混合餐饮垃圾热解产油特性的b p 神经网络预测模型4 6 4 4 。lb p 神经网络预测模型的结构4 7 4 4 2b p 神经网络预测模型的建模过程4 8 第五节b p 神经网络预测模型的效果4 8 第六节本章小结5 4 第五章结论、创新点与展望5 5 第一节研究结论5 5 第二节创新点和展望5 6 5 2 1 创新点5 6 i v 目录 5 2 2 展望5 6 参考文献5 7 致谢6 2 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果6 3 v 第一章引言 第一章引言 第一节餐饮垃圾的特征 1 1 1 餐饮垃圾的定义 餐饮垃圾是城市生活垃圾中最主要的一种，其成分复杂，是油、水、果皮、 蔬菜、米面、鱼、肉、骨头以及废餐具、塑料、纸等多种物质的混合物，以淀 粉、动物脂肪、蛋白质和纤维素等成分为主，且盐分、油脂含量高【l 】。 1 1 2 餐饮垃圾的产量 随着我国社会、经济的发展和人们生活水平的不断提高，城市生活垃圾的 清运量在急剧增加。国家环境公报显示，我国2 0 0 1 年全年的城市生活垃圾的清 运量已经达到了1 3 4 7 0 4 万吨，其中餐饮垃圾清运量为4 0 4 1 1 5 3 8 8 2 万吨， 餐饮垃圾已占城市生活垃圾的约3 0 - - 4 0 2 1 。由于国情特殊，我国城市生活垃 圾中可回收部分已被挑拣殆尽，餐饮垃圾己成为城市生活垃圾主要成分，在餐 馆、饭店、食堂等处这一比例更高。我国一些城市和一些国家餐饮垃圾在生活 垃圾中所占的比例为：北京3 7 ，天津5 4 ，上海5 9 ，沈阳6 2 ，深圳5 7 ， 广州5 7 ，济南4 1 ，墨西哥5 6 1 4 ，马尼拉5 3 1 7 ，尼日尼亚7 6 。而且， 由于经济的发展和生活水平的提高，目前我国的餐饮垃圾产生量以每年约1 0 的速度递增，年新增厨余垃圾达5 0 0 万t 以上【3 】。 餐饮垃圾的处理一直是令世界各国头痛的一个大问题，我国基本上没有针 对餐饮垃圾处理的统一管理政策，也没有专门的技术法规。只有少数几个大城 市，如上海、青岛、深圳，开始逐步重视餐饮垃圾的处理，并根据自身的具体 情况制定了餐饮垃圾管理的地方性法规政策。餐饮垃圾的来源比较复杂，以前 的主要处理方式是作为城市近郊养猪的饲料，但是，出于病原菌污染及食品安 全等方面的考虑，现已经被政府明令禁止【4 5 】。 1 1 3 餐饮垃圾的组成及特点 餐饮垃圾是指居民在生活消费过程中形成的生活垃圾，产生于居民日常生 活、餐饮企业经营、企事业单位食堂、副食品集贸市场等场所，主要包括动植 第一章引言 物油、果皮、蔬菜根叶、肉骨、鱼刺、蛋壳、米面食物残余等物质 6 1 。餐饮垃圾 从化学成分上，富含淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐，其中以有机组分 为主，含有大量的淀粉和纤维素，无机盐中氯化钠的含量较高，同时含有一定 量的钙、镁等微量元素【7 】。 餐饮垃圾是城市生活垃圾中有机物的主要组成成分，它的组成、性质和产 生量受各种因素影响有所差别，但具备如下总体特点【8 - 1 0 l ： ( 1 ) 含水率高。餐饮垃圾的含水率高，这就给其收集、运输和处理都带来很 大的难度。餐饮垃圾渗滤水可通过地表径流和渗透作用，污染地表水和地下水， 而且由于餐饮垃圾单位质量的热值在2 1 0 0 k j k g 、 3 1 0 0 k j k g 左右，显然不能满足 垃圾焚烧发电的热值要求( 即5 0 0 0 k j k g 以上) 。在空气过剩系数达1 5 - 2 0 的条 件下，这类垃圾不能够维持8 5 0 以上的炉膛温度和垃圾的有效自燃，即使和其 它垃圾一起进行焚烧和发电，也只会降低垃圾的热值、总焚烧发热量和发电量， 甚至会干扰焚烧过程的正常连续进行。此外，只有在垃圾产生量达到1 0 0 0 t d 以 上时，才具有规模效益来建立电网。 ( 2 ) 餐饮垃圾有机物含量比例比较高( 约占干物质质量的9 5 以上) ，易腐烂变 质发臭，易滋生病菌和病原微生物。 餐饮垃圾的以上特征表明，餐饮垃圾必须进行适当的处理，才能达到社会 效益、经济效益和环境效益的统一。 1 1 4 餐饮垃圾的危害 随着饮食业的快速发展，每年产生大量的餐饮垃圾。餐饮垃圾造成的污染 已经成为城市环境污染的主要问题，严重威胁人们的正常生活和身体健康，而 且，从目前趋势看，餐饮垃圾造成的危害将会越来越严重： ( 1 ) 餐饮垃圾在储存、运输过程中大多会发生腐烂变质的现象，散发出难闻 的异味，危害人体健康。餐饮垃圾含有大量病原微生物，极易引起流行病。餐 饮垃圾被加工成“泔水油 ，掺入食用油中出售，这种油含有大量致癌物质，长 期食用可致癌。 ( 2 ) 餐饮垃圾中的泔水等流入地下管网，再进入污水处理厂，造成有机物增 加，加重污水处理厂的负担，增加运行成本。 ( 3 ) 目前，餐饮垃圾运输工具十分简易，没有密封，极易造成餐饮垃圾渗漏， 而且餐饮垃圾被乱倒在下水道、路边的情况很多，严重影响了市容环境卫生。 2 第一章引言 ( 4 ) 裸露存放的泔水引来并孳生了大量的蚊蝇、鼠虫，因此，不可避免地成 为传播疾病的媒介。 综上所述，餐饮垃圾产生的危害已经是越来越严重，已经成为城市环境污 染的新污染源，严重威胁人们的正常生活和身体健康，与全面建设小康社会、 构建和谐社会不相适应，这一问题应该引起政府的高度重视和人们的广泛关注 【l l 】 o 第二节国内外餐饮垃圾处理现状和处理技术 1 2 1 国外餐饮垃圾处理现状 1 2 1 1 美国餐饮垃圾处理情况 美国2 0 0 7 年的城市生活垃圾的产生量为2 2 9 亿t ，餐饮垃圾总量为2 6 2 0 万 t ，占其生活垃圾总量的1 1 4 。城市生活垃圾处理方式主要为回收、堆肥、焚 烧、填埋，2 0 0 8 年处理率分别为2 2 4 、7 2 、1 4 7 、5 5 7 。由于美国采 用的是垃圾处理收费制度，其收费标准是以家庭垃圾的产生量为基准，家庭产 生的垃圾多，收费就相应高。所以以堆肥方式处理餐饮垃圾及庭院垃圾在美国 的家庭非常普及。在美国用堆肥方式处理餐饮垃圾一般集中在中西部地区，主 要在监狱、学校等垃圾集中收集的地方。目前应用方向以蚯蚓堆肥 ( v e r m i c o m p o s t i n g ) 、密封式容器堆肥( i n - v e s s e lc o m p o s t i n g ) 较多。 1 2 1 2 日本餐饮垃圾处理情况 日本每年的生活垃圾( 包括商业垃圾) 的总量为5 0 0 0 万t ，其中餐饮垃圾为 2 0 0 0 万t ，占生活垃圾总量的4 0 。在餐饮垃圾中，1 8 产生于食品加工业， 3 0 来源于食品销售渠道和酒店，5 2 来自于家庭，也就是说，每年产生于日 本家庭的餐饮垃圾有大约1 0 0 0 万t ，这个数字相当于日本每年的大米消耗总量。 产生于食品加工行业的垃圾由于收集比较集中，其回收处理率达4 8 ，而产生 于食品销售渠道的食品垃圾，主要为过期食品，几乎没有回收处理，而是送至 填埋场处理。在过去，日本的食品废弃物处理方法主要是堆肥处理，将食品废 弃物转变为有机肥料、土壤改良剂。而近年来，出现了许多新的研究方向，主 要包括利用食品废弃物生产动物饲料及利用食品废弃物生产生物气发电供热 b 2 1 。 3 第一章引言 1 2 2 国内餐饮垃圾处理现状 国内餐饮垃圾处理技术起步较晚，而且分类技术体系推广不力。一般来说， 餐饮垃圾往往都是同其他城市生活垃圾混合进行处理处置。餐饮垃圾与其它垃 圾混放，由环卫工人收集至垃圾站( 箱) 暂存后，运至城郊进行填埋、焚烧处理。 但是，餐饮垃圾中水分约占总量的7 0 以上，如果与其他生活垃圾混合处理， 就会使城市生活垃圾的含水量大大增加，不仅增加了城市生活垃圾的清运量、 加重了环卫工人的劳动强度，而且餐饮垃圾极易腐败，散发出恶臭气体，给暂 存地点、转运过程中的环境造成很大的影响u3 。 同时，采用与生活垃圾混合处理的方式处理餐饮垃圾给填埋、焚烧处理带 来了很大困难：首先高含水率不利于填埋场铺摊作业并会增大渗滤液处理量， 由于填埋技术的发展方向将是处理稳定化、无机化垃圾为主的最终处置场，因 此严格限制餐饮垃圾一类的有机垃圾直接进入填埋场将是必然趋势；此外餐饮 垃圾水分和油脂含量高，与生活垃圾混合焚烧会大大降低焚烧的热能利用效率， 脂类物质在重金属的催化条件下还会成为产生二恶英的重要因子【1 4 1 。目前国内 大多数城市尚未形成餐饮垃圾处理处置的长效机制，并缺乏必要的技术支撑， 使得餐饮垃圾管理与处理处置工作处于较为无序和混乱的状况，引发了环境污 染、资源浪费、非法经营等系列社会问题1 5 j 。 1 2 3 餐饮垃圾的处置处理方法 对于餐饮垃圾的处置处理方法包括：粉碎后排入下水管道、填埋、焚烧、 生化处理及堆肥等。 把餐饮垃圾排入市政下水管网，易产生较多污水和臭气，直接污染环境， 增加了蚊蝇的滋生和疾病的传播，并直接增加了垃圾填埋和城市污水处理厂的 压力，增加了相应系统的投资及各项处理费用，二次污染的产生也不可避免。 填埋法【1 6 以7 】，是目前世界各国城市生活垃圾处理的主要方法，即将生活垃 圾埋入地下，利用好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物将大分子降解成 小分子的生物化学过程。其优点是无需预处理，成本低，技术简单，缺点是占 地面积大。美国已有2 5 9 个填埋回收发电装置在运行，德国的垃圾填埋处理机 制也比较完善l l 引。 我国大多城市尚未实行垃圾分类制度，含水量大的餐饮垃圾与其它城市垃 圾一起填埋，增加了渗滤液对土壤和地下水的污染；餐饮垃圾营养丰富，不仅 4 第一章引言 导致了苍蝇、老鼠的大量繁殖，甚至产生沼气引起爆炸或造成大气污染【1 9 1 。 焚烧法是将垃圾放在特殊设计的封闭焚烧炉中，在1 2 0 0 以上高温下将垃 圾中的有机物彻底氧化分解，达到减量化目的的方法【2 们。该法可使生活垃圾减 重8 0 ，减容9 0 以上，产生的热能可用来发电、取暖等 2 1 - 2 3 】。 在一些发达国家，垃圾焚烧技术己有1 0 0 余年的历史，是垃圾处理的主要 手段，生活垃圾的7 0 一8 0 采用焚烧法处理【5 2 牝5 1 。我国仅有深圳等少数发达城 市采用了垃圾焚烧技术，但是对焚烧所产生的二恶英、氮氧化物、二氧化硫等 有害气体、粉尘等还未能有效控制 5 1 。这与我国城市生活垃圾中含有较大比例的 高含水量的餐饮垃圾，造成的热值低，燃烧不充分、效果差等有关。我国餐饮 垃圾的水分含量常常高达8 0 左右，发热量为2 1 0 0 3 1 0 0 k j k g ，不能满足垃圾 焚烧发电的发热量要求。 生化处理方法具有无需收集运输、处理效率高、无污染等优点，但设备及 运行费用较高，同时存在着潜在生物菌种和化学药品残留的安全性问题，无法 普遍推广。 堆肥处理法需采用特殊的运输车辆( 如罐车) ，将餐饮垃圾收集统一运到郊区 堆肥场，使其发酵变成肥料。此法虽然处理方法简单、费用低，但需用场地大、 处理周期长，所生产出的肥料经济价值较低，并且堆肥场地产生的污水和废气 将会导致新的污染、增加额外的处理费用，得不偿失。 可见，实行严格的生活垃圾分类制度，研究开发适合我国国情的餐饮垃圾 处理技术与设备，对餐饮垃圾进行无害化、资源化处理，不仅可以减少城市垃 圾清理、储运量的3 0 以上，降低填埋、焚烧等后续处理的负担和成本，大大 节省处理费用，同时还可以消除或减轻因餐饮垃圾产生的黑臭液、恶臭气等， 对城市环境的影响、减少疫病的发生，具有重大的经济、社会意义 2 6 1 。 因此，餐饮垃圾处理方式应以资源化为向导，进行单独处理。寻求资源化 处理技术替代传统的垃圾填埋等技术以消纳餐饮垃圾物流是符合节能减排、循 环经济发展要求的。在诸多资源化处理技术中，热解技术独特的优势在于：热 裂解可以把垃圾转化成热解油、燃气等可利用的能量形式，而且适应性强，二 次污染小。 5 第二章餐饮垃圾热解及神经网络研究进展 第二章餐饮垃圾热解及神经网络研究进展 第一节餐饮垃圾热解 2 1 1 定义 餐饮垃圾热裂解是指在无氧或缺氧的条件下将餐饮垃圾加热，使有机物化 合键断裂，产生小分子物质( 气态和液态) 及固态残渣的过程【2 7 】。热裂解可以把垃 圾中的有机物转化成热解油、燃气等可利用的能量形式。该项技术能显著减少 固体废物的质量和体积，获得高附加值的燃料油等资源化产品，投资和运行费 用低。该法对垃圾成分的适应性强，热值有波动时也能适应，最重要的是几乎 不会造成二次污染。通过热解和气化可以达到两个目的：一是回收储存性能源， 如燃料气、燃料油和炭黑；二是减少焚烧造成的二次污染。 2 1 2 热解分类 按温度高低将热解分类如下t e a l ： ( 1 ) 高温热解 热解温度一般都在1 0 0 0 以上，将热解残留的惰性固体熔化，以液态渣形 式排出反应器，这样可大大减少固态残留物的处理困难。 ( 2 ) 中温热解 热解温度一般在6 0 0 7 0 0 之间，主要用在比较单一的物料作能源和资源回 收的工艺上，如废轮胎转换成类重油物质的工艺。所得到的类重油物质既可作 为能源，亦可作为化工初级原料。 ( 3 ) 低温热解 热解温度一般在6 0 0 c 以下。林业、农业产品加工后的废物和城市生活垃圾 就可用低温热解制出生物燃油，实现资源化。 2 1 3 低温热解 2 1 3 1 垃圾热解早期研究 早在1 9 2 9 年美国矿业局就进行过一些固体废物( 非城市生活垃圾) 的热解 研究，但直到二十世纪六十年代，人们才开始以城市垃圾为原料的资源化研究。 6 第二章餐饮垃圾热解及神经网络研究进展 1 9 7 0 年s a n n e r 等进行实验证明，城市垃圾热解不需要辅助燃料，能够满足热解 过程中所需热量的要求。1 9 7 3 年b a t t l e 研究使用垃圾热解过程所产生的能量超 过固体废物含能量的8 0 获得成功。原联邦德国于1 9 8 3 年在巴伐利亚的 e b e n h a u s e n 建设了第一座废轮胎、废塑料、废电缆的热解厂，年处理能力为6 0 0 8 0 0 t 废物。而后，又在巴伐利亚州的昆斯堡建立了处理城市垃圾的热解工厂， 年处理能力为3 5 0 0 0 t 废物，成为原联邦德国热解新工艺的实验工厂。1 9 8 1 年我 国农机科学研究院，利用低热值的农村废物进行了热解燃气装置的试验取得成 功。小型农用气化炉已定点生产，为解决农用动力和生活能源，找到了方便可 行的代用途径拉引。 2 1 3 2 低温热解原理 热解的产物除了可燃的低分子物质，如h 2 、c h 4 、c o ，还有液态的甲醇、 丙酮、乙酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等液态产物，以及焦炭或炭黑等固 态残渣。但是在实际的热解过程中，还同时发生c 0 2 等其他产物的生成反应。 有机物的成分不同，整体热解过程开始的温度也不同。从热解开始到结束，有 机物都处在一个复杂热解过程中，不同的温度区间所进行的反应过程不同，产 物的组成也不同，总之，热解的实质是有机物大分子裂解成小分子析出的过程。 热解需要吸收大量的热量，产物是燃料油及燃料气，便于贮存和远距离输送。 热解反应所需的能量取决于各种产物的生成比，而生成比又与温度及原料 的粒度有关。在温度较低的加热条件下，有机分子有足够时间在其最薄弱的接 点处分解，重新结合为热稳定性固体，而难以进一步分解，固体产率增加；在 温度较高的加热条件下，有机物分子结构发生全面裂解，生成大范围的低分子 有机物，产物中气体组成增加。对于粒度较大的原料，热解时要达到均匀的温 度分布需要较长的传热时间，热解产生的气体和液体也要通过较长的传质过程， 这期间将会发生许多二次反应【3 0 】。图2 1 为餐饮垃圾热解过程示意图。 7 第二章餐饮垃圾热解及神经网络研究进展 蒸汽 米饭 白菜；焦 炭残渣率：猪肉 白菜，由此 可见挥发分高的物质，热解后残渣就少，而生成热解油的可能性就较大。米饭 和白菜热解的变化趋势较平缓，所制热解油为黄褐色，含水率较大。猪肉热解 油为黑褐色，相对粘稠，由于猪肉本身含有脂肪、蛋白质等多种有机成分，所 以产油量较高。米饭、白菜和猪肉分别在4 1 0 、4 5 0 和4 1 0 实现热解油最 大质量产率为4 7 7 0 、2 8 9 2 和7 1 8 9 。 纸在不同热解温度下，收集到的热解油差异不大，都为粘稠状黑色液体， 亲水性强，但热稳定性差，在3 0 0 。c 时就会受热裂解【7 7 】。纸的热解温度区间较大， 在2 5 0 - 4 5 0 热解速率很快，焦炭量大幅度减少，热解油和气体的质量产率明 显增加；4 5 0 以后热解速率变慢，直到8 0 0 才能基本热解完全，图( d ) 给出了 纸在3 9 0 - 4 9 0 热解时各种产物随温度变化的趋势图，最佳热解产油温度为 4 5 0 。 在塑料热解过程中发现：当温度低于4 2 0 时，热解不完全，热解反应器中 会残留类似于重油的粘稠油，冷凝收集所得的液相产物较少，延长反应时间可 以使热解完全，但是相应的能耗也增加。当热解温度高于4 8 0 时，在冷凝管中 出现一定量的蜡状固体，这是因为热解温度过高，塑料迅速无规则热解为长链 烯烃类油蒸汽，直接进入冷凝管，从而产生蜡状固体，是热解不充分的体现【7 8 j 。 由此可见，温度过高或者过低都不利于塑料的热解液化，通过实验，最后确定 塑料的最佳反应温度为4 6 0 。 由图( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 可以看出，各种物料在不同热解温度下，热解油 的热值变化不规律且差别不大( qm j k g ) 。在最佳产油率的温度下并不一定能 实现产油最高热值，热值与生物油的氧含量、水含量有着密切的关系【7 9 0 1 。温 度过高也会造成热解油品质的下降。高温有利于二次裂解反应的进行，导致水 含量增加。米饭、白菜和纸的热解油含水率较高，水分主要来源于物料所携带 的表面水和热裂解过程中的脱水反应，对低分子量的醇、醛、酮和酸具有助溶 效应【8 卜翻，并且可以增强生物油的流动性，但是却降低了生物油的热值，在最 佳温度下米饭、白菜和纸的热解油热值分别为1 9 0 6m j k g 、1 7 4 7m j k g 和2 0 4 2 m j k g 。而猪肉和塑料热解后的油品质较高，含水量较低，最佳温度下热值分别 为3 7 8 0m j k g 和4 5 1 7m j k g ，和前三种热解油比较，则具有更高的利用价值。 表3 2 所列为不同种原料在最佳反应温度下热解液化的实验结果。 第三章餐饮垃圾组分热解产油特性研究 表3 2 最佳温度下不同原料热解液化的实验结果 原料粒径 氮气流量反应温度热解油质热解油热 序号 原料 m mm 1 m i n 1 c量产率 值m j k g 1 a 米饭 0 1 5 - - 一0 1 8 3 04 1 04 7 7 01 9 0 6 b白菜 o 1 5 0 1 83 04 5 02 8 9 21 7 4 7 c猪肉 l 23 04 1 07 1 8 93 7 8 0 d纸 2 33 04 5 03 6 9 72 0 4 2 e塑料2 33 04 6 08 0 2 9 4 5 1 7 3 3 2 物料热解反应时间对餐饮垃圾热解产油特性的影响 餐饮垃圾热解过程中物料的反应时间和温度一样是影响液化产油特性的重 要参数，在本文实验系统中，在载气流量恒定( 气相停留时间固定) 的条件下， 针对5 种物料，分别选取5 个不同的热解反应时间( 5 m i n 、l o m i n 、1 5 m i n 、2 0 m i n 、 2 5 r a i n ) ，分析各物料在最佳热解温度下，不同反应时间的热解产油率和热解油热 值。 第三章餐饮垃圾组分热 弼 0 3 60 0 s c = ；3 4 三3 2 0 0 颦3 0 0 0 羁i 2 8 0 0 猪肉 51 01 52 02 5 停留时间( m i n ) 阻寥 柏槲 2 0 0 0 惫 o o o 1 嘤 4 7 j d d ：4 5 j d 0 j ；4 3 伪 三4 1 o o 掣3 9 o o 耀3 7 o o ( e ) 塑料 1 8 0 o o ； 一 4 0 0 0 釜 加啷 0 0 0 峰 51 0 1 5 2 52 0 停留时间( m i n ) ! _ 热解油热值+ 热解油+ 焦炭卜气体5 。一 a y - 1 = 、- ， 逛 番 图3 3 不同物料热解产物与反应时间之间的关系 从( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 5 个图中，可以看出随着热解时间的增加， 焦炭是不断减少的；气体变化的基本趋势是增加的；而液体变化的趋势是先逐 渐增加，到一定程度后开始减少。原因是物料热解时间较短时，反应不完全， 原料来不及分解液化或液化不够彻底，使得固相大量残余，主要液体和气体产 物的量明显降低。物料热解时间过长时，固相原料已经基本热解完全，再延长 时间固相的变化量极小，而且，延长时间就会消耗更多的电能，不符合经济收 益，与此同时，已经生成的长链液相分子发生二次反应缓慢裂解成小分子气体 产物瞵引，从而降低产油量，增加气体产量。 从图3 3 中可以看出，米饭在不同热解反应时间下，热解油、气体、焦炭的 产量变化趋势比较平稳，而其他4 种物料的变化趋势要相对明显很多。尤其是 第三章餐饮垃圾组分热解产油特性研究 图( b ) 和图( c ) 所示，白菜和塑料的气体产量在l o m i n 时有个升高的折点， 而后到1 5 m i n 又降低，然后再逐渐上升。这是因为物料在l o m i n 时正处于热解 高峰期，产生大量气体，但是这个时候停止实验，将物料移出管式炉，造成大 量可冷凝气体没有及时冷凝成液体油，而直接以气体形式释放出来。 不同热解反应时间下，各种物料热解油的热值相差不大。其中，米饭和塑 料热解油的热值基本是不变的；比较之下，白菜和纸的热值变化要相对大一些 ( 从图( b ) 和( c ) 中可以看出) ，这是由于原料成分不同造成的，白菜和纸 的主要成分都是纤维素，由此推断，热解反应时间的变化对纤维素类物质( 白 菜和纸) 产油热值的影响要大于猪肉、米饭和塑料。 表3 3 所列为不同种原料在最佳热解反应时间下热解液化的实验结果。 表3 3 最佳热解反应时间下不同原料热解液化的实验结果 原料粒径 氮气流量 热解时间 热解油质 热解油热值 序号原料 m m m 1 m i n 。1 m i n 量产率觞 m j k 9 1 a t 米饭 o 1 5 - 0 1 83 02 04 7 4 31 8 8 6 b 白菜 0 1 5 - - 0 1 83 02 02 8 7 61 7 8 2 c 猪肉 l 2 3 02 0 7 1 2 3 3 6 9 8 d 纸2 3 3 02 03 6 8 02 0 9 4 e 塑料 2 33 0 1 5 7 9 4 9 4 5 7 4 3 3 3 餐饮垃圾混合热解产油特性分析 选择合适的热解温度和反应时间对提高热解油的产率和品质，增强热解油 的燃烧特性具有重要意义。根据单组分实验结果可以确定各种物料最佳热解温 度和反应时间，通过比较，选取4 5 0 和2 0 m i n 作为混合物料的热解温度和反应 时间。在此温度和时间的基础上，将5 种物料每2 种、3 种、4 种、5 种按不同 比例混合进行热解，从而考察混合垃圾的热解产油特性产油率和热值。表 3 4 输入样本系列所示为5 种物料混合的比例情况。 表3 4 输入样本系列 样本号米饭白菜猪肉纸塑料 ll0oo0 20l 0 o0 30ol0 0 4o001 o 5000ol 61 2 1 2o00 7 3 4 ol 4oo 2 5 第三章餐饮垃圾组分热解产油特性研究 续表3 4 输入样本系列 样本号 米饭白菜 猪肉 纸塑料 8 l 6 00 5 60 92 30o0 1 3 1 00l 2l 20 0 1 l03 805 80 1 203 4001 4 1 3005 6l 60 1 4 002 3 0 1 3 1 5 0003 4l 4 1 63 8 4 8 1 80o 1 73 1 0 1 1 0 06 1 00 1 81 52 5oo2 5 1 9l 4o1 42 40 2 02 602 602 6 2 l 2 ，80o3 83 8 2 2o1 6 2 63 60 2 302 94 903 9 2 4o2 5o1 52 5 2 5o02 73 72 7 2 63 82 81 82 80 2 7 3 1 0 2 1 04 1 0o1 1 0 2 8l 4l 4 01 4 1 4 2 9l 702 73 71 7 3 003 1 24 1 21 1 24 1 2 3 12 92 91 91 93 9 3 22 1 34 1 32 1 3 4 1 31 1 3 3 33 1 47 1 41 1 4 1 1 42 1 4 3 46 1 51 1 55 1 52 1 51 1 5 3 52 1 61 1 63 1 68 1 62 1 6 3 6 1 1 72 1 79 1 73 1 72 1 7 3 71 0 1 83 1 82 1 8 1 1 82 1 8 3 84 2 01 3 2 0l 2 0 l 2 01 2 0 3 92 2 54 2 55 2 5l 2 51 3 2 5 4 09 3 04 3 06 3 08 3 03 3 0 4 l2 1 91 1 9 3 1 9 2 1 91 1 1 9 4 22 2 l1 2 11 3 2 11 2 1 4 2 1 4 31 5 2 22 2 2l 2 23 2 2l 2 2 4 44 2 3l 2 3 1 2 3 1 5 2 32 2 3 4 52 2 41 7 2 4 2 2 4 l 2