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  1. 本书以厨余垃圾为研究对象，利用电热干燥箱、微波干燥设备、热重分析仪、烟气分析仪、管式炉以及微波裂解炉等设备，对厨余垃圾的干燥、燃烧及热解特性进行了全面研究，建立了厨余垃圾的微波干燥动力学模型，求解了燃烧特性参数并分析了微波干燥对燃烧特性的影响，探究了燃烧烟气污染物的排放规律，分析了热解产气特性与动力学，探讨了微波热解特性。论文的研究成果可望为厨余垃圾处理设备的改进与设计提供参考。
  2. 前  言
    随着社会经济的发展，人们生活水平不断提高，厨余垃圾的产量与日俱增。厨余垃圾含水率高，有机物质含量丰富，极易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒，会对周围大气及环境卫生造成非常恶劣的影响。尤其严重的是，不法商贩以厨余垃圾为原料，从中提炼“地沟油”，并非法送上餐桌，严重危害人们的身体健康。因此，如何安全有效地处理厨余垃圾已受到社会各界的广泛关注。
    本书利用电热干燥实验台、微波干燥实验台、热重[ 实为质量，包括后文的称重、重量等，但在生物、农林等相关行业的生产实际中一直沿用，为使读者了解、熟悉生产、科研实际，本书予以保留。──编者注。]分析实验台、管式炉烟气分析实验台以及微波裂解系统，对厨余垃圾的干燥、燃烧及热解特性进行了全面研究，为厨余垃圾处理提供新的技术路线和理论指导。
    （1）对厨余垃圾进行微波干燥与电热干燥实验研究，比较了6种典型的恒温干燥模型，建立了微波干燥的动力学模型，并进行了动力学分析。结果表明，在6种典型的恒温干燥模型中，Modified Page模型最适合拟合厨余垃圾的干燥过程；微波干燥具有显著的节能效果，同样的装载量，微波干燥的能耗不足电热干燥的10%；微波功率和装载量都对干燥特性影响很大，选择恰当的装载量与微波功率既能保证干燥的质量，又可降低干燥单位质量垃圾的能耗；厨余垃圾干燥的活化能为16.00kJ/mol左右，物质获得非热效应能以及指前因子的增大，是微波加快干燥速率的主要原因；微波使干燥过程的反应级数n增加，而增大微波强度又有降低反应级数n的作用，非热效应能占比系数可能与物质的结构、种类、体积等因素有关。
    （2）利用热重分析的方法，求解厨余垃圾中的典型组分菜叶与米饭的燃烧特性参数以及燃烧动力学参数。结果表明，干燥的米饭与菜叶都是较好的燃料，它们的综合燃烧特性指数皆高于麦秆与锯木屑等典型生物质；微波干燥改善了厨余垃圾的燃烧性能，随着微波干燥强度的增大，燃烧性能变好；微波干燥对菜叶燃烧性能的改善非常显著，而对米饭的改善较小，1500W微波干燥后，菜叶综合燃烧特性指数比电热干燥时增加了34.47%，而米饭的综合燃烧特性指数仅增加8.12%；微波干燥改变了厨余垃圾的燃烧动力学，通过在低温段减少活化能而在高温段增加活化能，从而加快了厨余垃圾的燃烧速度。
    （3）利用自行搭建的管式炉烟气分析平台，分析厨余垃圾的典型组分（米饭与菜叶）燃烧过程中的烟气污染物排放情况。结果表明，米饭与菜叶的燃烧烟气中，存在NOx及少量的CO与H2；每条CO的排放曲线都存在一个峰值，当燃烧温度从400C逐渐增至1000C时，峰值先增大再减少，燃烧耗时逐渐缩短；在400～700C，CO的排放量较大，而在800～1000C较小，因此，从控制CO排放的角度考虑，厨余垃圾应该避免在400～700C燃烧；H2排放规律与CO相似，某一温度下的CO排放量较大，则该温度下的H2排放量也较大；部分NOx的排放曲线出现了双峰（米饭1000C，菜叶600～1000C），温度越高，第二排放峰越高；米饭在400～500C下燃烧，NOx排放量较大，而菜叶则是600～700C取较大值，因此，从减少NOx排放的角度，米饭应该避免在400～500C燃烧，而菜叶则应避免在600～700C燃烧。
    （4）对厨余垃圾的热解产气特性进行了探究，分析了热解温度与催化剂种类对热解产气规律的影响，建立了热解产气的动力学模型并进行了动力学分析。研究表明，当燃烧温度从400C逐渐升高至1000C时，CO与H2的排放量先增大再减少，750C时取最大值；随着温度升高，合成气能量产出率先增大再减小，750C时取最大值（米饭为27.54%，菜叶为20.04%）；催化剂能提高合成气能量产出率（菜叶中添加活性炭除外），从合成气能量产出的角度考虑，MgO与CuO分别是米饭与菜叶的最佳催化剂，增幅分别为11.08%与21.34%；米饭热解生成合成气是一级反应，而菜叶是二级反应；H2的生成活化能比CO大1个数量级；米饭催化热解过程中，CO与H2生成活化能的顺序分别为EMgO（5）对厨余垃圾进行了微波热解实验，分析了微波功率、不同的催化剂或微波吸收剂对热解特性的影响。研究表明，厨余垃圾能转化为固体残渣、生物油及可燃气体等能源，400W是测试功率中的最佳裂解功率，此时的生物油产率达35.73%，ERPC值为0.91；CuO、CaO及MgCl2对裂解过程具有负面作用，Fe2O3与NaCl对裂解过程的影响甚微，而MgO、MnO2及CuCl2对裂解过程具有显著的催化作用；金属氧化物MgO、Fe2O3、MnO2及氯盐CuCl2、NaCl能降低生物油产率而提高气体产率，同时，金属氧化物MgO、MnO2还能降低固体残渣的热值而提高下层生物油的pH，而氯盐CuCl2、NaCl则相反；从能量输入与产出的角度考虑，氧化物中最佳的催化剂为MnO2（ERPC=1.93），氯盐中最佳的催化剂为CuCl2（ERPC=2.04）；厨余垃圾的裂解固体残渣是一种较好的微波吸收剂，使物料升温加快，裂解能耗降低；当固体残渣含量从0逐渐增加到15%时，固体产率先增大再减小，而气体产率则是先减小再增大，液体产率逐渐增大，固体残渣的热值逐渐降低，下层生物油的pH逐渐增大；当固体残渣含量为5%时，ERPC值最大，为1.95；功率400W，固体残渣含量为5%是测试中的最佳裂解工况。根据该结论设计出一套较完整的厨余垃圾微波热解系统，该系统由螺旋挤压脱水机、2个传送带、微波螺旋干燥器、微波裂解炉、冷凝系统、燃气发电系统及控制系统组成。
    本书的研究仅为一个开始，对厨余垃圾的处理，很多问题有待进一步的研究与解决。由于作者水平有限，书中难免存在疏漏与不妥之处，敬请专家、学者批评指正。


    作者
    2015年7月
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  1. 目  录
    1  绪  论 1
    1.1  研究背景与意义 1
       1.1.1  厨余垃圾概况 1
       1.1.2  厨余垃圾无害化处理的必要性 2
       1.1.3  厨余垃圾的主要处理方法 3
    1.2  国内外厨余垃圾热处理研究现状 4
    1.3  课题来源及本书的主要内容 6
       1.3.1  课题来源 6
       1.3.2  本书主要研究思路及研究内容 6
    2  厨余垃圾的干燥特性及其动力学模型 8
    2.1  引  言 8
    2.2  材料与方法 9
       2.2.1  实验材料 9
       2.2.2  实验主要装置 9
       2.2.3  实验方法 11
    2.3  电热干燥特性及动力学模型 13
       2.3.1  电热干燥特性 13
       2.3.2  电热干燥的动力学模型 14
    2.4  微波干燥特性及动力学模型 17
       2.4.1  微波加热的原理与优点 17
       2.4.2  微波干燥特性 20
       2.4.3  微波干燥的动力学模型 24
    2.5  本章小结 31
    3  微波干燥对厨余垃圾燃烧特性的影响 32
    3.1  引  言 32
    3.2  材料与方法 33
       3.2.1  材  料 33
       3.2.2  实验主要装置 34
       3.2.3  分析指标 35
    3.3  厨余垃圾的燃烧特性 37
    3.4  微波干燥对燃烧的影响 41
       3.4.1  微波干燥对燃烧特性的影响 41
       3.4.2  微波干燥对燃烧动力学的影响 42
    3.5  本章小结 46
    4  厨余垃圾的燃烧烟气污染物排放特性 47
    4.1  引  言 47
    4.2  材料与方法 48
       4.2.1  材  料 48
       4.2.2  实验装置 48
       4.2.3  方  法 49
    4.3  燃烧气体排放规律 50
       4.3.1  CO排放规律 51
       4.3.2  H2排放规律 53
       4.3.3  NOx排放规律 56
    4.4  本章小结 59
    5  厨余垃圾的热解产气特性及其动力学 60
    5.1  引  言 60
    5.2  实验方法 61
    5.3  不同温度下的热解产气规律 62
       5.3.1  CO产生规律 62
       5.3.2  H2产生规律 65
       5.3.3  合成气产率、失重率及合成气能量产出率 67
    5.4  催化热解产气规律 68
       5.4.1  催化剂对合成气产生的影响 68
       5.4.2  催化剂对失重率与合成气能量产出率的影响 72
    5.5  催化剂对热解气生成动力学的影响 74
       5.5.1  动力学模型的建立 74
       5.5.2  催化剂对热解气生成动力学的影响分析 75
    5.6  本章小结 81
    6  厨余垃圾的微波热解特性及其系统设计 82
    6.1  引  言 82
    6.2  实验设备、材料及方法 83
       6.2.1  实验设备 83
       6.2.2  实验材料 85
       6.2.3  实验方法 86
    6.3  实验结果与讨论 88
       6.3.1  不同微波功率下的裂解特性 88
       6.3.2  金属氧化物作用下的裂解特性 93
       6.3.3  氯盐作用下的裂解特性 98
       6.3.4  固体残渣作用下的裂解特性 101
    6.4  厨余垃圾的微波裂解系统设计 104
       6.4.1  工艺流程 104
       6.4.2  主要设备功能设计 105
       6.4.3  整套系统及工艺流程说明 109
    6.5  本章小结 112
    7  结论与展望 114
    7.1  研究结论 114
    7.2  本研究创新之处 116
    7.3  进一步工作展望 117
    参考文献 118
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