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高水分城市生活垃圾干燥过程的动力学分析

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高水分城市生活垃圾干燥过程的动力学分析

第35卷第3期华北电力大学学报V01.35,No.32008年5月JournalofNoahChinaElectricPowerUniversityMay,2008

高水分城市生活垃圾干燥过程的动力学分析

陈梅倩1,陈允轩1,贾力1,张衍国2,李清海2,蒙爱红2

(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;

2.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084)

摘要:通过在马弗炉内对高水分城市生活垃圾(白菜茎和土豆块)进行干燥试验,分别获得了其在炉内的失

重率曲线,结果显示:当干燥温度高于120℃时,白菜茎经过25min,失重率已超过80%;对土豆块。经过

相同的时间时。失重率仅为30%。同时根据试验结果拟合整理出了试验温度范围内两种高水分垃圾干燥过程

的Arrhenius方程和动力学参数,结果表明:高水分生活垃圾的活化能较低,其干燥过程可以在较低的温度

下进行。

关键词:干燥;城市生活垃圾;动力学;失重率;活化能

中图分类号:X705文献标识码:A文章编号:1007—2691(2008)03—0075一04

KineticanalysisonthedryingofthehighmoistureMSW

CHENMei—qianl,CHENYun-xuanl,JIALil,

ZHANGYan—gu02,LIQing—hai2,MENGAi—hon92

(1.SchoolofMechanical,ElectmnicalandControlEngineering,BeijingJiaotongUniversity,

Beijing100044,China;2.KeylaboratoryforThermalScienceandPowerEngineeringofMimstryofEducation,

TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:TheexperimentsOildryingofthehighmoisturemunicipalsolidwaste(MSW)weremadeonmuffleIncin—eration.andlost—Imssratecurveswasgained.TheresNtsshowthatlost—nlasswasalreadyOVer80%forthecab—

bagestem.butonly30%forthepotatoblockafter25minwhenthedryingtemperatureWashigherthan12013.

Activationenergiesfrom100℃to200℃weregainedoncabbageStemandpotatoblock.whichshowedthatitneedlowenergywhencabbagestemandpotatoblockwerecompletelydried.

Keywords:drying;municipalsolidwaste(MSW);kinetics;lost—massrate;activationenergy

程中水分的汽化要吸收热量,并降低燃烧室温

0引言度,使燃烧效率降低;而且由于水分的存在会在

低温处腐蚀设备。因此,垃圾中水分含量的高低

对城市生活垃圾的处理有堆肥、填埋、焚烧决定着垃圾焚烧的效率、发热量和腐蚀程度等主等方法[1--3J,其中焚烧法由于具有无害化、减量要环节,干燥处理后的固体剩余物,由于水分已化和资源化等优点,在我国得到了迅速的发展。析出,空隙率增大,有利于固体内部的传热;挥现阶段,我国城市生活垃圾的含水量一般在50%发分析出流动阻力减小,有利于挥发分的析出,左右,而国外城市生活垃圾的含水量一般在30%也有利于氧气向残余固体内部的扩散和流动,有以下【4J,由于水分是垃圾中的不可燃成分,水分利于残炭的燃尽。所以对干燥过程的研究是改进含量大的垃圾的发热量低,不易着火。在燃烧过或设计新型焚烧炉适应我国高水分、低热值的固

体废弃物焚烧技术的关键;有着重大的工程技术

收稿日期:2007.08—30.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50776007).价值。目前国内外对物料干燥过程的研究主要集中

 

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76

华北电力大学学报2008年

在农作物方面[5]5,干燥目的主要是脱水保鲜以便储藏。对城市生活垃圾,文献[6,7]对部分垃圾的干燥热解特性进行了试验研究,但并没有针对干燥过程单独研究。城市生活垃圾焚烧技术在我国的一个难题就是高含水率对干燥及后续燃烧的影响。

本文试图在试验结果的基础上【8J,利用动力学原理对高水分城市生活垃圾在焚烧炉条件下干燥过程的动力学特性进行分析,从而得出温度对这类高水分垃圾干燥过程的具体影响,并拟合整理出干燥过程中的活化能以及指前因子值,以期为城市生活垃圾干燥过程的进一步研究以及工程

实践提供一定的借鉴。

试验装置和单元垃圾的选取

本文用马弗炉模拟固定床中城市生活垃圾的

干燥过程,垃圾装填在坩锅中。调整马弗炉的温度以模拟气相干燥空间的100~200℃的干燥氛围,以此对炉内垃圾进行干燥实验。

由于我国城市生活垃圾的构成相当复杂,简单的随机取样是不具有垃圾特征代表性的。通过对我国大部分城市生活垃圾成分的调研,获得r最能代表我国南北垃圾组成的一些典型的成分。根据综合分析,分别选取典型的单一成分、不同形状的生物质和非生物质垃圾作为研究用的单元垃圾,以保证研究结果的代表性、可重复性和一

致陛。研究中所拟采用的单元垃圾包括:土豆、

白菜叶、湿木块、湿织物、湿纸张等。开展单元垃圾在焚烧炉条件下干燥特性的试验研究工作。限于篇幅,在本文中主要对以白菜茎、土豆块(含水量分别约为98%、70%)作为研究对象的试验结果进行分析和讨论,以此为代表来获得这一类高水分城市生活垃圾干燥过程的动力学特性,详细的试验方案和更多的试验结果另文叙述。

2试验结果及分析

白菜茎和土豆块的尺寸均为15

1TlIn×15

rfl/n

×7

mIn。图1和图2分别示出了干燥温度为

100℃、120℃、140℃、160℃、180℃和200℃时,白菜茎和土豆块的失重率曲线(失重率:某时间段内,单元垃圾经干燥后损失的质量除以干

燥前含水量)。

+100℃一120℃

‘140℃

—一160℃一180℃—一200℃图1

白菜茎在不同温度下的失重率曲线

Fig.1

Lost-mass

rate

ofcabbage

sternversus

drying

time

at

differenttemperatures

+100℃?■?

120℃..Jb-140℃

一160℃一180℃

◆2000c

图2土豆块在不同温度下的失重率曲线

Fig.2

L。st—In,as8

rate

of

potato

blockversusdrying

time

atdifferent

temperatures

从图1和图2中可以看出,白菜茎和土豆块的失重率曲线在总体趋势上较相似,随着温度升高,干燥时间的增长,失重率增加。而且在一定的温度下,失重率随干燥时间近似呈指数形式变化;在一定的加热时间下,温度越高,析出的水分越多。对白菜茎的干燥过程,干燥温度高于120℃时,经过25min,失重已超过80%。对土豆块的干燥过程,当经过相同的时间时,失重仅为30%。3

垃圾干燥过程的动力学分析

在于燥过程中,水分脱出时发生了一系列的

物理和化学变化;从其在垃圾内外的存在状态角度看,是一个从液态到气态的相变过程。这个过

 

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第3期陈梅倩,等:高水分城市生活垃圾干燥过程的动力学分析

程可以认为是蒸发”反应”和冷凝”反应”的动态的竞争过程,是水分子内能递增的过程。因此,城市生活垃圾干燥失水过程可以简写为

A(1)一B(S)+C(g)

(1)

影响反应速率的主要因素是浓度和温度,其中温度对反应速率的影响比浓度更为显著。在等温干燥过程中,反应速率可表示为

_da=志(1一口)”Ur

(2)

式中:k为干燥速率常数;8为干燥过程中的失

重率;r为干燥时间;n为反应级数。

垃圾的失重率可以写成

口=(w—We)/(WO—We)

(3)

式中:Wo为起始时垃圾的质量,g;毗为垃圾

干燥完毕后最终质量,g;W为温度为T时垃圾的质量,g。

干燥速率常数是化学动力学中的一个重要的动力学量,关于温度对反应速率常数的影响规律,Arrhenius通过实验研究并在Van’tHoff工作的启发下,提出如下指数函数形式的经验方

程[9,lo]:

k=Aexp(一E。/RT)

(4)

式中:A为试样的频率因子,min-1;E。为试样的表观活化能,J/mol;R为摩尔气体常数,J/(tool?K);T为试样的温度,K。A和E口为两个经验参量,可根据实验的口一r结果进行回归整理。根据试验结果[8|,可以首先回归整理出在干燥温度分别为100℃、120℃、140℃、160℃、180℃和200℃下的干燥速率常数k的值。本文在不同的反应级数下对试验结果进行了分析,发现两种单元垃圾的干燥过程均接近一级反应特点(图3和图4的分析结果证实了这一点)。因此,这里以一级反应作为前提条件对试验数据进行回归整理,即

祭=k(卜口)

(5)

对积分上式得:

In(1一a)=一忌r+矗o

(6)

式中:ko为积分常数。

由此可以得出干燥垃圾失重率与干燥时间的关系:

口=1一exp(一志r+ko)

(7)

由式(6)可知,根据单元垃圾干燥实验的ln(1一口)~r关系(见图3和图4),可以回归

 

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整理出实验温度条件下的惫值,回归结果见表1。

50

100

150

oO

o5

之O

也5

r/min

●100℃?120℃

●140℃■160℃

180℃

-200℃

图3土豆块干燥过程ln(1—171)随时间的变化

Fig.3

Relationship

betweenIn(1一口)anddryirig

timeforpotatoblock

lO

20

30

40

50

o之4

巧面

r/min

◆100℃

-120℃▲140℃t

160℃

-180℃

?200℃

图4白菜茎干燥过程hl(1一a)随时间的变化

Fig.4

RelationshipbetweenIn(1一a)anddryingtimeforcabbage

stern

表1土豆块和白菜茎干燥过程的速率常数

Tab.1

Rate

constant

ofpotatoblockandcabbiestem

千蹙多度h‘土豆块’/c

/s一

12ln@,)乜‘白菜茎’

ln‘忠,

‘’。

1一1-‘ln他一)

int息J

/s

对式(4)两边取对数,可得:

Ink=lnA—E/RT

(8)

从式(8)可以看出Ink与1/T呈线性关系。

根据表1中的动力学分析数据可以绘出图5

华北电力大学学报

2008正

和图6。

0.00l50.002l

0.0027

0.0033

0—0.5一1.O一1.5-2.0

j一2.5

-3.0—3.5—4.0—4.5

图5土豆块干燥过程的Arrhenius方程拟合图

Fig.5

Arrhenius

formfittingofpotatoblock

O.00l50.002l

0.0027

—0.5

—1.0

-1.5遵

“一2.0

-2.5

-3.0

—3.5

图6

白菜茎干燥过程的Arrhenius方程拟合图

Fig.6

Arrhenius

form

fitting

ofcabbagestem

根据图5和图6可回归整理出土豆块和白菜茎干燥过程的活化能、指前因子值,见表2。

表2土豆块和白菜茎的动力学参数表

Tab.2

Kinetics

parametersofpotatoblockandcabbagestem

因此,土豆块和白菜茎在焚烧炉条件下干燥过程的Arrhenius方程分别为

k1=32.44exp(一23820/RT)(9)k2=95.82exp(一23670/RT)

(10)

上述动力学分析结果确定了单元垃圾干燥过程中干燥速率常数与干燥温度之间具体的函数关系,明确了温度对干燥速率的具体影响。

一般来说,大多数生物质垃圾的干燥热解过程的活化能在20--400kJ/mol范围内旧J,在本试验中,所选土豆块和白菜茎干燥过程中的活化能

 

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值约为23.8kJ/mol、23.6kJ/mol,说明干燥过程所需的能量较低。干燥过程可以在较低的温度下进行。4

结论

(1)以单元垃圾为研究对象,保证了研究结果的代表性、可重复性和一致性。

(2)对白菜茎而言,干燥温度高于120℃时,经过25min,失重已超过80%。对土豆块,当经过相同的时间时,失重仅为30%。

(3)从动力学角度考虑,高水分城市生活垃圾在焚烧炉条件下干燥过程的活化能较低,这说明在干燥过程中完全脱除其内部水分所需的能量较低,说明高水分城市生活垃圾干燥过程可以在较低的温度下进行。

参考文献:

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作者简介:陈梅倩(1965一),女,北京交通大学机械与电子控制工程学院副教授,主要从事热能利用、垃圾焚烧等方面的研究。

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