生活垃圾主要组分在回转窑内不同热解阶段的传热特性

引 言

生活垃圾的热解可以回收高热值的气体和油类、回收利用能源与资源，并能有效控制二次污染,因而逐渐受到关注。回转窑以其广泛的物料适应性及操作简单、控制方便等一系列优点，成为最常采用的热解反应器。废弃物在回转窑内随窑体转动而向前运动的过程中，会经历干燥、加热升温、热解反应和反应完成等阶段。在上述阶段，一般需要外界提供大量的热量，这些热量通过回转窑的壁面后以对流换热和辐射传热的方式传递给物料，了解和掌握各个阶段的传热特性对回转窑热解反应器的精确设计和运行非常重要。

本研究采用回转窑，用实验测试手段，获得除去惰性物质的生活垃圾及其 3 种主要组分：织物、纸类、生物质类(含厨余)在不同的升温速率以及不同的转速下热解过程的表观传热系数变化曲线;同时，对垃圾及其 3 种主要组分(织物、纸类、生物质类)分别在热天平内进行与回转窑相同加热速率下的热重实验，获得划分不同热解阶段的温度范围;将上述表观传热系数变化曲线与不同热解阶段相对应，综合分析生活垃圾及其主要组分在不同热解阶段的传热特性。所谓表观传热系数，是将化学反应、挥发分析出传质等对物料与壁面之间的换热影响归于一个综合传热系数来考虑。

1 实验装置与实验方法

1.1 材料

实验用的城市生活垃圾来源于某市的中转站垃圾。将垃圾快速干燥后进行人工分选，样品被分选为塑料、织物、纸类、生物质类(含厨余)与其他(惰性物质及无法分选的混合物)共 5 类。

1.2 实验装置

回转窑加热段筒体长 0.4 m，管内径为 41 mm，管外径为 48 mm，保温层厚 51 mm。加热装置为特制均温电加热套，额定功率为 3kW，实际加热功率可调。

2 实验结果与讨论

2.1 各垃圾组分在不同热解阶段的表观传热系数

热解过程中，先检验不同热解阶段的传热特性。设置物料的升温速率为(222)℃min1，回转窑转速为 1 rmin1，实验材料分别为织物、纸类、生物质类及去掉惰性物质的混合垃圾，对应的热重实验的升温速率为 22℃min1。

2.2 转速及升温速率的影响

升温速率和转速是影响物料热解过程的最关键因素。热解升温速率的快慢直接影响反应物热解的历程，从而对热解机理产生直接影响。不同的升温速率下，垃圾成分中有机质大分子化学键断裂的方式不同，产生挥发分的量和速率不同，因此也将对其表观传热系数产生影响。

3 结 论

(1)生活垃圾主要组分[纸类、织物、生物质类(含厨余)]及除去惰性成分后混合垃圾的热解过程可分为干燥阶段、热解预备阶段、剧烈热解阶段和热解完成阶段 4 个阶段。采用外热式回转窑热解垃圾及其主要组分时，在 4 个热解阶段的物料与回转窑内壁间的表观传热系数变化均表现出相似的规律：在干燥阶段的表观传热系数最大，并随着温度的升高迅速减小，到水分蒸发完、进入热解预备阶段时降至最低;在热解预备阶段的升温过程中，各物料的表观传热系数随温度升高基本不变，具备最低稳定传热系数特征;在剧烈热解阶段，表观传热系数随温度的升高逐渐增大;在热解完成阶段，热解接近完毕，表观传热系数再次减小。

(2)在(222)℃min1的较低升温速率下，随着回转窑转速的增加，由于贴壁或者滑落等不同的原因，在干燥末段和热解预备阶段物料与壁面间的换热性能变差，表观传热系数降低;但是在热解后期，表观传热系数均随转速的增加而增大。在(322)℃min1的较高升温速率条件下，热解全程时段明显缩短;且随着回转窑转速的增加，除生物质外其他组分和除去惰性物质后混合垃圾的表观传热系数都增大;此外，热解预备阶段在 3rmin1的高转速下消失。

(3)对于织物的热解，选择 1 rmin1的转速更有利于全程平均表观传热系数的增大。对于纸类的热解，更高的加热速率明显有利于表观传热系数的增大，且在较高的加热速率下，转速增加也有利于传热系数的增加。对于生物质的热解，升温速率的增加更有利于表观传热系数的增大。对于混合垃圾，在较高的升温速率下，转速增加对表观传热系数增大的效果更好。