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淀粉厨余是我国城市生活垃圾中的一种重要组分,类似于木质纤维素类的生物质,其具有含水率高、能量密度低、破碎性能差等缺点,这些缺点对于收集运输以及热处理都极为不利。烘焙-气化技术被认为是一项具有前景的针对这类低能量密度固体废弃物的资源化处理技术,但是目前还缺乏烘焙-气化工况对淀粉厨余产物及能量分布特性的研究。 钠作为食品添加剂残留在厨余垃圾中,对厨余垃圾的烘焙-气化特性具有重要的催化作用。同时钠的催化特性与其化学形态密切相关,已有的相关研究主要关注于中高温热解气化条件下钠的迁移规律,缺乏烘焙(低温热解)过程中钠的迁移转化规律的研究。本文主要研究了淀粉厨余烘焙-气化过程中钠的转化及影响。 论文首先研究了烘焙过程的两个重要参数-烘焙温度和停留时间对淀粉厨余烘焙过程的影响。实验结果表明,淀粉厨余的主要失重温度范围为200-400℃,总体而言,在等温热重条件下,烘焙过程的失重阶段主要在前900 s;烘焙温度的提高和停留时间的延长,能降低样品的固态产物产率,提高液态产物和气态产物产率,提高固态产物中的 C元素的含量,降低 O元素含量,提高固定碳含量,降低挥发分含量,提高热值,降低液态产物中糖类、醇类和醛类的比例,提高气态产物中CO产量。例如与淀粉厨余原样相比,300℃停留15 min的烘焙焦样中C元素含量升高18.6%,O元素含量降低19.4%,固定碳含量升高19.9%,挥发分含量降低20.8%,热值增加24%。 论文研究了两种方式下烘焙过程对气化产物特性的影响。实验结果表明,若只比较未烘焙原样和烘焙焦样的气化过程,则烘焙焦样的冷煤气效率高于未烘焙原样的,表明在不考虑烘焙过程的产物及能量分布的前提下,烘焙能够提高气化的效率;对比直接气化和烘焙-气化过程,由于烘焙阶段产生的挥发分(液态和气态产物)未进入气化反应器被利用,在整体的烘焙-气化过程中,直接气化样品的冷煤气效率高于烘焙-气化样品的。 基于烘焙工况对淀粉厨余的影响,论文随后研究了不同化学形态的钠在淀粉厨余烘焙-气化过程中的迁移转化规律。实验结果表明,淀粉厨余中的少部分钠(<10%)会在烘焙过程中释放,绝大部分钠(>70%)会在气化阶段释放;不同化学形态钠的释放量具有以下顺序:Na-exchanged(离子交换态钠样品)>NaB-loaded(苯甲酸钠添加样品)>Na2CO3-loaded(碳酸钠添加样品)>NaCl-loaded(氯化钠添加样品);烘焙阶段,部分水溶态的钠(Na2CO3)和醋酸铵溶态的钠之间会发生相互转化,例如在300℃的 Na2CO3-loaded焦样中有37.3%的醋酸铵溶态钠生成,而在300℃的Na-exchanged焦样中有18.3%的水溶态钠生成。同时,少量的水溶态和醋酸铵溶态的钠会转化为酸溶态和稳定态的钠。 在掌握了淀粉厨余烘焙-气化过程中钠的迁移转化规律的基础上,论文进一步研究了不同化学形态的钠对淀粉厨余烘焙-气化过程的影响。实验结果表明,钠能促进烘焙过程气态产物的生成以及抑制液态产物的生成;钠能提高烘焙固态产物中碳元素的含量,降低氧元素的含量,促进液态产物中糖类的分解,提高气态产物中CO的产量,促进气态产物热值的增加;钠能促进气化过程液态产物的减少和气态产物的增加,例如在1000℃的气化过程中,与AW-C(酸洗样品的烘焙焦样)样品相比,NaE-C(离子交换态钠样品的烘焙焦样)样品的液态产物减少7.9%,气态产物增加15.7%;钠能降低液态产物中多环物质的比例,提高气态产物中CO的产量,提高气化过程的碳转化率和冷煤气效率,例如在1000℃的气化过程中,与AW-C样品相比,NaE-C样品的CO产量升高50%,碳转化率升高12.5%,冷煤气效率升高19.7%;不同化学形态钠的影响规律是类似的,其中羧酸态钠的影响程度大于水溶态钠的。