基于热风微波联合干燥厨余垃圾的工艺特性及参数优化研究

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厨余垃圾一般是指在家庭日常烹饪中废弃食用的生料、剩饭剩菜或果蔬等易腐的有机垃圾,水分大,有机物质含量高,盐分含量高,油脂含量高等。目前,厨余垃圾的处理量与产量处于严重失衡状态。因此,厨余垃圾的减量化、资源化对人类社会的可持续发展具有重要意义。焚烧处理厨余垃圾的减容性效果明显,大多数城市厨余垃圾现在最有效的处理方式就是干燥处理。然而,厨余垃圾的含水率会大大降低垃圾的燃烧热值,影响焚烧效率。因此,需要对厨余垃圾在焚烧前进行干燥处理,采用干燥处理来降低含水率可以直接有效地提高厨余垃圾的热值、环境污染小。常见的垃圾干燥方法有热风干燥、微波干燥、生物干化技术。热风干燥方式效率高,操作简单,但能源消耗大。微波干燥方式干燥速率高,时间较短,但容易导致加热不均且物料容易变焦。生物干化时间周期长,工艺复杂。为了克服单一方法的不足,本文利用热风微波联合干燥技术干燥厨余垃圾。热风微波联合干燥技术在农作物、果蔬加工方面已被广泛应用,但鲜见在厨余垃圾处理中运用。为实现厨余垃圾减量化和资源化的利用,本文开展了热风微波联合干燥厨余垃圾的试验研究,探索研究了热风微波联合干燥技术对厨余垃圾干燥过程的影响因素和干燥特性,从动力学角度研究分析了热风微波联合干燥厨余垃圾的过程中水分的迁移规律,以及对通过单因素试验对热风微波联合干燥工艺进行了优化,为厨余垃圾后续处理工艺的设计提供了理论参考。论文的主要结论如下:(1)通过研究分析3种干燥方式的干燥效果以及3种不同配比的厨余垃圾的联合干燥特性。结果表明:3种干燥方式中,联合干燥可以得到更好的干燥效果。干燥时间随着热风温度升高而缩短,160℃和20 min时,联合干燥厨余垃圾效果较好,速率最大;微波功率为P50时,干燥时间最短且效果最好;转换含水率为60%时,干燥时间最短、效率最大;物料厚度对初始含水量高的厨余垃圾影响较大且越薄越利于脱水。热风微波联合干燥技术处理的厨余垃圾的平均热值为24.64 MJ/Kg,可以独立燃烧,具有改善干燥质量、提高干燥效率的优点。(2)研究厨余垃圾在热风温度、微波功率、物料厚度条件下干燥时,分析厨余垃圾在热风微波联合干燥过程中的水分迁移特性,得到最优模型,结果表明:有效水分扩散系数随热风温度和微波功率升高而增大,3种不同配比的厨余垃圾在热风干燥阶段的有效水分扩散系数Deff值范围为5.071-8.114×10-9m~2·s,在微波干燥阶段的有效水分扩散系数Deff值范围为0.811-12.070×10-8m~2·s;在热风干燥阶段的平均活化能为15.13 KJ/mol,微波干燥阶段的平均活化能为44.28 J/mol;在7种薄层干燥模型中,Midilli模型对样品1和样品3的试验数据的拟合度最好,Logarithmic模型与样品2的试验数据的拟合度最好。(3)为了研究厨余垃圾热风微波联合干燥工艺,根据响应面法,进行响应面试验,从而确定联合干燥的最佳干燥工艺参数。试验结果表明:微波功率和热风温度对热风微波联合厨余垃圾的干燥时间、平均干燥强度影响最为显著;优化后的联合干燥的最佳工艺参数分别为:样品1:热风温度159.02℃、微波功率493.08W、转换含水率为58.97%;样品2:热风温度159.73℃、微波功率528.57 W、转换含水率为44.94%;样品3:热风温度159.71℃、微波功率466.97W、转换含水率为59.79%。在此条件下,分别得到干燥时间为34.69 min、39.91 min、30.60 min,平均干燥强度分别为0.064 g/(g·min)、0.103 g/(g·min)、0.065 g/(g·min)。本文试验结果可为研究基于热风微波联合干燥厨余垃圾的工艺设计提供参考。
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