厨余垃圾真空干燥特性研究

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通常来说,如何及时有效地去除厨余垃圾中含量较高的有机质及水分,是避免其发酵产生垃圾渗滤液、恶臭气味和微生物对环境造成二次污染,提高垃圾处理效率的关键,也是“双碳”倡议下垃圾分类行业亟需解决的难题。然而,当前大多数国家仍采用直接焚烧法进行厨余垃圾处理,但在不添加任何辅助剂的条件下,厨余垃圾较低的热值使其难以单独燃烧。相关研究表明,对厨余垃圾进行干燥脱水预处理能够有效降低其含水率并消灭部分微生物,减轻后续处理工艺的负荷,改善燃烧工况,大幅提高厨余垃圾的处理效率。目前,有关厨余垃圾干燥处理的研究多集中在热风干燥、微波干燥等方面,有关真空干燥的研究成果相对较少。基于此,本文选择萝卜和西瓜皮作为厨余垃圾典型单组分,并添加猪肉、牛肉等配制厨余垃圾混合组分作为试验材料,首先对垃圾组分在不同真空度下的干燥特性开展系列试验研究,其次借助薄层干燥模型对试验结果进行理论拟合,最后对其干燥过程进行动力学分析,主要研究内容及结论如下:(1)采用真空干燥箱开展多组干燥试验,研究温度、真空度、铺设厚度及混合比例等因素对垃圾典型单组分和混合组分干燥特性的影响。试验结果表明:提高干燥温度、真空度,并减少垃圾组分铺设厚度,可有效缩短垃圾组分干燥时长,提升最大干燥速率。其中温度对垃圾组分含水率的影响主要出现在高温区,影响幅度随温度上升而下降,垃圾组分混合比例对干燥特性无明显影响。在所有试验工况下混合组分及典型单组分干燥结束后的干基低位热值均高于我国大部分垃圾焚烧的燃烧最低热值限度,说明在不添加辅助燃烧剂的情况下垃圾组分可达到单独燃烧的标准。(2)基于六种常见薄层干燥模型(Lewis模型、Modified PageⅠ模型、Modified PageⅡ模型、Henderson and Pabis模型、Two term模型、Quatratic equation模型)对厨余垃圾典型单组分及混合组分在不同真空度下的干燥试验结果进行拟合,发现在任一试验工况下无论是混合组分还是典型单组分,Modified PageⅡ模型对干燥试验结果的拟合效果较好,可用来较为准确地描述垃圾组分干燥过程。(3)对厨余垃圾典型单组分及混合组分的干燥过程进行动力学分析,运用Fick扩散模型计算得到在真空度为0 MPa和0.04 MPa的条件下,干燥温度从90℃上升至140℃时干燥物料有效水分扩散系数的变化范围在4.3546×10-9m~2/s~2.1637×10-8m~2/s之间。根据Arrhenius方程建立干燥温度与有效水分扩散系数的线性关系,得到厨余垃圾混合组分及典型单组分在0 MPa和0.04 MPa条件下,干燥温度从90℃上升至140℃时干燥活化能的变化范围在20.58 k J/mol~40.26k J/mol之间。综上可知,采用真空干燥的方式进行厨余垃圾干燥处理能够有效降低干燥活化能,减少干燥过程所需能耗,且经真空干燥的厨余垃圾能够达到独立燃烧的标准。因此,在厨余垃圾焚烧前对其进行真空干燥处理能有效改善其燃烧工况,提高厨余垃圾处理效率。
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