生物质与脱脂餐厨垃圾混烧对灰熔融特性的影响<sup>*</sup>

我国是农业大国，而生物质作为世界第四大能源，由于其可再生、污染低、资源充足等优势被广泛利用[1]；对生物质的合理高效利用不仅可以有效缓解能源缺少的问题，还能够降低污染物的排放[2-3]，但受到地理条件、季节变化的影响以及其他因素的制约，生物质的高效利用难以实现。而我国餐厨垃圾不仅产量大，同时还具备成分复杂、含水量高等特点，如何处理餐厨垃圾一直是学术界重要研究课题[4-6]。对于餐厨垃圾的处理方法主要有填埋法、堆肥法、厌氧消化和焚烧法等[7-8]。由于餐厨垃圾含水量高，填埋会产生大量的渗滤液进而污染土壤，同时填埋也无法达到减量化的目的，餐厨垃圾含有大量的盐也影响其在堆肥过程中的应用，厌氧消化的经济成本比较高[9-10]。而通过焚烧不仅能实现能量的回收，还能大幅减少垃圾体积，故引起广泛关注。当前，采用焚烧处理餐厨垃圾之前要经过餐厨中心进行脱脂处理得到脱脂餐厨垃圾(KW)，然后在焚烧炉内进行燃烧。将生物质与KW混合燃烧，既能优化二者垃圾燃烧产物品质、显著提升垃圾入炉热值，也能避免废弃物质露天堆放腐败或者燃烧造成的环境污染[11-13]，但是混烧的过程中会出现严重的结渣现象，如何降低结渣性能是目前研究的重点。

混合灰样的结渣问题受灰熔融特性的影响很大。目前对于生物质混煤灰熔融特性的研究比较多。马修卫等[14]分析了花生壳和稻壳对煤灰熔融特性的影响，发现2种生物质灰都可以降低煤的灰熔融温度，花生壳灰助熔效果优于稻壳灰。Xu等[15]研究了不同秸秆含量对黏温特性的影响，结果表明高黏度的秸秆灰不适合直接气化，20%的秸秆含量可有效降低秸秆的黏度。李振珠等[16]分析得到生物质能一定程度地降低煤的灰熔融特性，主要受生物质灰含量及其矿物结构的影响。对KW灰熔融特性的研究还很少，主要集中在对KW的热解和燃烧特性的分析。余俭民等[17]研究了6种灰化温度下KW灰熔融特性以及矿物转化机理研究，得到灰化温度对KW灰熔融温度的影响不明显，主要是灰分中碱金属含量的变化。刘亮等[18-19]研究得到升温速率越快，KW的活化能越低，氧浓度越高，KW的活化能越高。以上研究多集中在生物质对煤灰熔融特征温度的影响规律，而对KW的研究几乎没有。故本文以水稻秸秆(RS)、玉米秸秆(CS)、小麦秸秆(WS)3种秸秆类生物质为研究对象，分别与KW以不同的掺混比例混合，研究这3种生物质对混合灰样熔融特性的影响，同时也分析了不同制灰温度下的灰样熔融特性的变化规律，以期为生物质与KW的混烧研究提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原料

KW取自长沙市某餐厨垃圾处理厂，RS、CS、WS取自长沙市某农村。未经过预处理的KW含水量较高，在80%左右，因此对试样进行实验前需将其干燥。先通过鼓风干燥箱在105 ℃干燥至恒重，干燥后含水量降低到10%左右。然后利用5E-MAG6700工业分析仪和5E-CHN2200元素分析仪按照GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》和GB/T 476—2001《煤的元素分析方法》进行工业分析和元素分析，结果见表1。

注：以质量分数计，Mad、Aad、Vad、FCad分别为水分、灰分、挥发分、固定碳。

1.2 样品制备

1)不同掺混比例的混合样：按照生物质质量分数为10%、30%、50%、70%、90%的比例制作3种生物质与KW的混合样，将混合试样放在马弗炉中制灰，在800 ℃的条件下制得混合灰样。取出后冷却、密封保存在样品袋内。

2)不同灰化温度的混合样：选取某一掺混比例下某种生物质混餐厨垃圾的混合样品，将样品放入马弗炉中，在600，800，1000，1200 ℃制得混合灰样。取出后冷却、密封保存在样品袋中。

1.3 分析测试方法

1)灰成分分析采用日本岛津1800型X-射线荧光光谱仪(XRF)，测试结果见表2。

2)根据GB/T 219—2008《煤灰熔融性的测定方法》，采用SDAF 2000 d灰熔融测试仪，在弱氧化性环境下采用角锥法对KW灰和3种生物质灰的熔融特征温度进行研究。将实验过程中灰锥变化的过程与GB/T 219—2008中规定的4个特征温度形状进行比较，得到了灰渣的特征温度。结果见表3。

3)将配制好的灰渣磨至粒径≤75 μm，然后将样品置于玻璃片上，压平。利用日本Rigaku D/MAX-2550VB+型X射线粉末衍射仪进行XRD实验。实验数据处理采用JADE 6.5软件将实验图谱与已知的PDF卡片标准衍射数据进行对照鉴定出样品中的物相。

2 结果与讨论

2.1 灰成分对原料灰熔融特性的影响

根据离子势的概念，酸性组分具有较高的离子势，而碱性组分较低。离子势最高的阳离子容易和氧结合生成复杂离子或多聚物，灰熔融温度主要与灰成分有关，其中酸性组分越高，熔融温度就越高，碱性组分越高，熔融温度越低；进而得到随着碱酸比(B/A)、硅铝比(S/A)升高，硅比(G)降低，灰熔融温度会降低。其中B/A、S/A、G的表达式如式(1)—(3)，计算结果见表4。

由表2可知：KW和生物质在灰成分上存在较大的差异，其中KW灰中SiO2和CaO的含量比3种生物质要高，而生物质中MgO和K2O的含量相对都比较高，其中，CS中MgO的含量高达21.14%，WS中K2O的含量为19.94%，KW灰相比生物质灰而言，B/A、S/A都较小，G值却较大，故KW灰的熔融特征温度要高一些。因为生物质灰中包含碱金属与碱土金属，能够与其他物质反应产生低熔点的共熔物。对于生物质而言，CS中MgO的含量最高，而Na2O的含量又很低，B/A和S/A也是3种生物质中最低的，G值却是最高的，说明CS的熔融温度是这3种生物质中最高的。对于RS和WS，虽然B/A、S/A以及G都比较接近，但是从表2得到WS中碱金属化合物的含量比较高，故可以得到RS的灰熔融特征温度比WS的要高。

2.2 掺混比例对灰熔融特性的影响

随着生物质含量的增加，混合灰样的熔融特征温度的变化情况如图1所示。可知：混合灰样的熔融特征温度比KW灰低，且随着生物质含量的增加，混合灰样的熔融温度(以ST为例)不断降低。

由图1a所示：在含量达到10%时，混合灰ST下降的幅度减小，随着CS含量的增加，在30%～70%时，下降幅度降低。由图1b可知：随着掺混比例的增加，灰熔融温度总体呈下降的趋势。在掺混比例<50%时，灰熔融特征温度下降幅度不明显，只有66 ℃，当掺混比例>50%时，灰熔融温度下降迅速。由图1c可知：随着WS含量的增加，ST整体呈下降趋势，与RS的下降趋势相似，主要受这2种生物质的灰成分影响较大。从灰熔融特征温度可以看出：生物质可以降低混合灰样的熔融温度，当生物质含量较低时，下降不明显。生物质中碱金属的含量高，对于CS、RS、WS而言，灰中K2O和MgO的含量较高，而KW中SiO2和CaO的含量较高，随着温度的升高，部分碱金属与SiO2等反应生成硅酸盐或硅铝酸盐，可以降低混合灰样的灰熔融温度；同时，KW灰中SiO2的含量比生物质灰要高，K2O和Na2O等物质一部分与SiO2反应生成盐类，另一部分由于温度的增加会以气体的形式释放，最终生物质含量的变化对KW灰的熔融温度的影响较小。

2.3 矿物组成对灰熔融特性的影响

为从矿物组成的角度解释生物质掺混比例对混合灰样熔融特性的影响规律，对混合灰样进行XRD分析，结果见图2。

由图2a可知：在不同的掺混比例下，CS与KW混合灰样的成分主要是钙长石和石英，当CS含量为10%时，有少量高熔点的莫来石(熔点约1850 ℃)和硅线石(莫来石的前体)存在；当掺混比例为30%时，莫来石的衍射峰消失，硅线石的含量增大；当CS含量为50%时，产生新的白榴石(熔点约1100 ℃)的衍射峰；当CS含量增加到70%时，只有很少的硅线石，同时熔点较低的白榴石有所增加；当CS含量为90%时，混合灰中硅线石进一步降低，而白榴石的含量有所提高。由图2b可知：随着掺混比例的增加，钙长石含量的变化趋势不明显；当RS掺混比例为10%时，出现莫来石和硅线石的特征峰，两者能显著提高混合灰的灰熔融温度；但在掺混比例为30%时，莫来石的特征峰消失；在掺混比例为50%时，出现少量的云母石，并且硅线石的含量显著降低；当掺混比例为70%时，硅线石的衍射峰消失，云母石的含量增加，并且出现白榴石的结晶相。由图2c可知：在混合灰中没有莫来石的出现，只有硅线石产生，并且随着WS掺混比例的增加，钠长石一直都有存在，但硅线石的含量逐渐降低，低熔点的钠长石和白榴石的含量逐渐增加；当掺混比例为70%时，有大量的白榴石和钠长石的衍射峰，硅线石消失，导致混合灰的熔融温度降低明显；当掺混比例为90%时，混合灰中钙长石和石英的含量降低，同时白榴石和钠长石的含量进一步增加。图2d为单一样品的XRD图谱，可知：4种样品的灰成分以钙长石和石英为主，且KW灰中钙长石和石英的含量比生物质高，碱金属的含量比生物质低。

根据表2中各样品的灰成分计算混合灰的B/A、S/A和G随掺混比例增大的变化情况，结果见表5。

由表5可知：随着生物质掺混比例的增大，B/A和S/A逐渐增大，G逐渐减小，故混合灰熔融特征温度应随掺混比例增大逐渐降低，这能够较好地说明CS、RS、WS与KW混合灰样的熔融特征温度的变化情况。

2.4 制灰温度对灰熔融特性的影响

结合图1、图2可知：在掺混比例为50%时，灰熔融特征温度和矿物成分的变化比较大，选取在KW中掺混50%的WS样品，将混合燃料置于管式炉中分别升温至600，800，1000，1200 ℃，终温下灼烧2 h后取出并在N2氛围下冷却，对冷却后的灰样进行灰熔融特性分析。

表6为不同制灰温度下灰样的熔融温度。可知：随着制灰温度的增加，灰样的灰熔融温度不断增加。主要是由于灰样中Na盐和K盐的含量较多，在不同制灰温度进行制灰时，Na盐和K盐挥发较多。温度较高时部分未挥发的碱金属会和其他物质反应产生熔点较低的物质，当制灰温度增加时，这些低熔点的共熔物也会发生变化，同时出现熔点较高的共熔物。在温度到达1200 ℃时，共熔物发生分解，使得熔融温度不断地增加。

由不同温度下混烧灰的XRD图谱(图3)可知：随着制灰温度的升高，无论是混合灰样还是单一的灰样，最高的衍射峰值在逐渐降低，且碱金属含量不断减少，特别是在800 ℃时，碱金属的含量降幅最大。

对于KW，在600 ℃时，含有较多的白榴石和钠长石，随着温度的升高，两者含量逐渐降低，在800 ℃时，有莫来石出现，且含量逐渐增加，在1200 ℃时，莫来石和硅线石含量很高，而白榴石和钠长石的含量很低，因为随着温度升高，碱金属逐渐挥发，在1200 ℃时，只含有很少的一部分碱金属。对于WS，在温度较低时，衍射强度最大的衍射峰主要是钾盐，且钾盐和钠盐的含量都比较高，特别是在600 ℃时，钾盐和钠盐的含量最大，随着温度的升高钠盐的衍射峰消失，并且出现钠长石的衍射峰，当温度升高到1000 ℃时，钾盐的衍射峰消失，白榴石含量增加。对于混合灰样，钠盐和钾盐在600 ℃时的含量最高，而随着温度升高碱金属含量逐渐降低。在800 ℃时，钠盐和钾盐的衍射峰消失，并且出现钠长石和白榴石的衍射峰，当温度达到1000 ℃时，石英和钙长石的含量增加，在温度升高到1200 ℃时，出现莫来石和硅线石的衍射峰。对于3种灰样，随着制灰温度的增加，灰熔融特征温度也会增加。

3 结论

1)随着生物质掺混比例的增大，混合灰样的灰熔融特征温度逐渐降低，但是降低的幅度不明显。

2)CS和RS混KW混合灰样熔融温度降低的主要原因是莫来石和硅线石的生成和消失以及白榴石含量的增加；硅线石含量的降低以及白榴石和钠长石含量的增加是造成WS与KW混合灰样灰熔融温度降低的原因。

3)随着制灰温度的增加，KW、WS和混合灰样的碱金属元素的含量降低，主要是高温条件下，钠盐、钾盐挥发，并且混合灰样，以及KW灰在高温条件下有硅线石、莫来石出现。因此，随着制灰温度的增加，灰熔融温度也有所提高。

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生物质与脱脂餐厨垃圾混烧对灰熔融特性的影响*

0 引言

1 实验部分

1.1 实验原料

1.2 样品制备

1.3 分析测试方法

2 结果与讨论

2.1 灰成分对原料灰熔融特性的影响

2.2 掺混比例对灰熔融特性的影响

2.3 矿物组成对灰熔融特性的影响

2.4 制灰温度对灰熔融特性的影响

3 结论

EFFECTS OF BIOMASS ON ASH MELTING CHARACTERISTICS OF DEFATTED KITCHEN WASTE

生物质与脱脂餐厨垃圾混烧对灰熔融特性的影响*

0 引 言

1 实验部分

1.1 实验原料

1.2 样品制备

1.3 分析测试方法

2 结果与讨论

2.1 灰成分对原料灰熔融特性的影响

2.2 掺混比例对灰熔融特性的影响

2.3 矿物组成对灰熔融特性的影响

2.4 制灰温度对灰熔融特性的影响

3 结 论

EFFECTS OF BIOMASS ON ASH MELTING CHARACTERISTICS OF DEFATTED KITCHEN WASTE

0 引言

3 结论