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生活垃圾典型組分富氧燃燒動力學(xué)研究

文檔作者：羅博劉英鵬付哲張世紅陳漢平文檔來源：華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月27日
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生活垃圾典型組分富氧燃燒動力學(xué)研究
羅博劉英鵬付哲張世紅陳漢平
(華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖北武漢430074)
摘要利用熱重分析法研究城市生活垃圾典型組分在O州，氣氛下富氧燃燒特性。結(jié)果表明：富氧燃燒會改善燃燒狀況，隨
著氧氣濃度的提高。各典型組分的TG曲線變化明顯，失重峰都有不同程度的變大，其中廚余垃圾的失重峰變化最為明顯；氧氣
濃度對著火溫度幾乎沒有影響，綜合燃燒特性指數(shù)會隨氧氣濃度增大而增大，燃燒效果變好，活化能會降低，指前因子會增大。
關(guān)鍵詞城市生活垃圾富氧燃燒熱重分析動力學(xué)
中圖分類號：×799 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672—9064(2018)04—005—04
近年來。我國城市生活垃圾(MSW)產(chǎn)量逐年增長，2015
年MSW清運(yùn)量已達(dá)1．914億t，垃圾年增長率保持9％左右，
人均垃圾產(chǎn)量達(dá)lk削。目前垃圾處理技術(shù)：衛(wèi)生填埋由于占
地面積大．減量化效果低，比例逐年下降：堆肥處理對垃圾分
類要求高，污染嚴(yán)重；燃燒處理由于其減量化效果明顯、無害
化程度高和資源化利用好而逐漸占有較大比例．到2014年
已達(dá)32．5％．處于快速發(fā)展階段。針對我國垃圾處理“資源
化、減量化、無害化”的目標(biāo)，燃燒技術(shù)逐漸成為垃圾處理最
理想的手段之一?。
垃圾富氧燃燒是一種新型潔凈高效的燃燒技術(shù)．其采用
較高的氧氣濃度．提高爐內(nèi)溫度，有助于燃料充分燃燒，有效
遏制二嗯英等污染物．并很好地解決了高原地區(qū)空氣含氧量
低使得燃燒更為困難的問題。垃圾燃燒狀況還取決于垃圾本
身特性．不同的垃圾組分燃燒特性不同．于是對垃圾典型組
分燃燒特性的研究顯得非常必要。研究垃圾燃燒特性及動力
學(xué)參數(shù)對燃燒系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化十分重要[2]。國內(nèi)外大量學(xué)
者針對MSW在常規(guī)空氣燃燒熱重(TG)特性及動力學(xué)進(jìn)行
了廣泛而深入的研究[”]。同時也有部分學(xué)者利用熱重分析
儀(TGA)研究MSW富氧燃燒特性[鋤]，但他們主要研究CO／
O：氣氛，對O州：氣氛研究較少。
本文主要探討MSW典型組分在0加i2氣氛下直接添人
高濃度氧氣對燃燒特性的影響，同時對其燃燒動力學(xué)特性進(jìn)
行深入分析。本文的研究將為垃圾富氧燃燒反應(yīng)器的設(shè)計及
應(yīng)用提供一定的參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1．1實(shí)驗(yàn)材料及特性
本實(shí)驗(yàn)采用生活垃圾中最典型的5種可燃組分(聚乙烯
(PE)、含氯塑料、化纖、菜葉、紙屑)作為研究對象。所有實(shí)驗(yàn)
樣品的工業(yè)分析和元素分析分別在西班牙Las Navas
TGA2000和德國VaJio EL-II上進(jìn)行測定。見表1。
1．2實(shí)驗(yàn)裝置與方法
本實(shí)驗(yàn)采用臺灣產(chǎn)LTl03型液氮粉碎機(jī)．利用液氮深冷
維持粉碎倉內(nèi)低溫環(huán)境．保證燃料脆性以及燃料本身不發(fā)生
熱變化。粉碎后的垃圾樣品再經(jīng)過篩分，樣品粒徑為100目。
本實(shí)驗(yàn)采用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的sTA—449F3型熱分
析儀研究垃圾典型組分富氧燃燒特性。將10mg的干燥樣品
以20。C／min的加熱速率從室溫加熱至9000C．反應(yīng)氣氛為
O，N2混合氣體，氣體流量為100mUmin。研究樣品在不同氧
濃度(21％、25％、30％、50％)下的失重規(guī)律，并進(jìn)行動力學(xué)分
析。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性．每個工況下的實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行重復(fù)性
實(shí)驗(yàn)。
著火溫度在熱天平上的確定方法最常用的是TG—DTG
法。在熱失重速率(DTG)曲線上，過峰值作垂線與TG曲線交
于一點(diǎn)．過這點(diǎn)作TG曲線的切線．該切線與過失重開始點(diǎn)
平行于溫度軸的直線的交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度定為著火溫度。
2結(jié)果與討論
2．1 垃圾組分的TG／D7rG分析
TG曲線能反映物質(zhì)總體失重趨勢隨溫度的變化關(guān)系．
DTG曲線可以顯示物質(zhì)在各個階段的失重速率。不同氧濃
度下垃圾典型組分燃燒的TG和DTG曲線如圖1和圖2所
示。從圖1整個失重曲線的趨勢來看．5種典型組分的失重
曲線可以分為3類。
第l類是在TG失重的起始階段．以菜葉為代表的廚余
垃圾在120℃左右開始有較為明顯的失重。在21％O：濃度
下．菜葉失重非常明顯，在200℃之前已經(jīng)失重6％左右。而
其他4種組分在200℃之前沒有明顯失重變化．這是因?yàn)椴?
表1 垃圾樣品的工業(yè)分析和元素分析I空干基)
基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目(2016YFB0600202)，國家自然科學(xué)基金(51476067)；
作者簡介：羅博(1990一)，男，碩士研究生，研究方向：固廢處理及污染物控制。
擬8’NOA 9
萬方數(shù)據(jù)
T?
(e)紙屑
圖l 不同氧濃度下垃圾典型
組分的TG變化曲線
?L
(d)菜葉
葉中本身含有內(nèi)在水．從加熱
開始到200℃時．內(nèi)在水開始
揮發(fā)出來．因此較早的表現(xiàn)出
失重現(xiàn)象。菜葉的失重曲線
在490℃時反應(yīng)完全．整個反
應(yīng)可分為3階段：第l階段是
內(nèi)水的揮發(fā)．在120～180℃之
間失重3．6％．第2階段是其
揮發(fā)分的析出．在180～376℃
之間失重43．6％．第3階段是固定碳的燃燒．在376。490℃之
間失重31．6％．從DTG曲線可以看出第3階段的失重更快。
第2類是PE和化纖．這兩類物質(zhì)本身內(nèi)水較少或者沒
有．而且整個熱重反應(yīng)較為單一僅有一個失重階段．在DTG
曲線上體現(xiàn)為一個明顯的失重峰．因?yàn)閮煞N物質(zhì)都是由有機(jī)
物聚合而成，其組成全是揮發(fā)分．幾乎沒有灰分。在2l％O：
濃度下，PE在300℃開始反應(yīng)到500℃反應(yīng)結(jié)束．失重
96．5％：化纖在360℃開始到520℃反應(yīng)完全．失重95％。
第3類為含氯塑料、紙屑等自身不含內(nèi)水或內(nèi)水很少．
但整個熱重曲線呈多階段反應(yīng)。含氯塑料以聚氯乙烯(PVC)
為主，在2l％0：濃度下，曲線第l階段是揮發(fā)份的析出，
PVC受熱后大量的HCl會揮發(fā)出來．在245．325℃失重
60％。第三個失重階段在412～600℃之間，是含碳物質(zhì)的分解
與燃燒．失重32％．而在325～412℃之間有一小段失重不明
顯，失重約為4％，這是因?yàn)榈?階段有大量的HCl的生成，
而HCl又是不可燃物質(zhì)．抑制了燃燒反應(yīng)(揮發(fā)分的析出和
燃燒)的繼續(xù)進(jìn)行．因此出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。紙屑有揮發(fā)分析出
與燃燒．同定碳燃燒等反應(yīng)的發(fā)生。在2l％0，濃度下．紙屑
的第一段在230．340℃．失重6l％，第2階段在340．460℃．
失重26％。
從TG趨勢圖可以看出．隨著氧氣濃度的提高．TG曲線
變化明顯．下面將TG曲線與DTG曲線綜合分析．氧濃度的
升高對燃燒的影響能得到更清楚的認(rèn)識．
對于第l類菜葉類廚余垃圾．氧氣濃度的提高．TG曲線
中的失重斜率呈增大趨勢．在DTG曲線中這種趨勢更加明
顯，失重峰明顯變大。這說明隨著氧氣濃度提高．燃燒反應(yīng)會
2018．NO．4．
加劇．物質(zhì)會更快速的失重。
對于第2類PE和化纖全
是揮發(fā)分的垃圾．氧氣濃度的
提高．TG曲線中的失重斜率
也有增大的趨勢．但是變化程
度卻存在了差異性．在DTG曲
線中PE的失重峰變化明顯．
而化纖的DTG失重峰隨著氧
氣濃度的升高并未發(fā)生明顯
㈣【
(c)紙啊
圖2垃圾典型組分在不同
氯濃度下的DTG曲線
變化，原因在于滌綸化纖樣品呈現(xiàn)的是纖維狀，十分疏松．在
反應(yīng)過程中樣品可以充分的與氧氣接觸．因此氧濃度的升高
對其失重峰的影響較小。
對于第3類含氯塑料和紙屑．TG和DTG曲線都有比較
明顯的變化。含氯塑料第一階段包含大量HCl的析出．因此
TG曲線并未出現(xiàn)變化．第三階段主要為含碳物質(zhì)的燃燒反
應(yīng)．因此TG曲線出現(xiàn)了失重斜率變大的趨勢。DTG曲線中
前兩個峰位并未出現(xiàn)變化．第三個失重峰明顯增大。而紙屑
則呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律．首先是揮發(fā)分析出的失重斜率增
大．然后是固定碳燃燒階段前移．TG曲線逐漸向單階段燃燒
反應(yīng)變化．主要原因在于氧氣濃度的升高．揮發(fā)分和固定碳
都能迅速燃燒．使得兩個反應(yīng)階段間的時間間隔大幅度縮短
甚至消失。DTG曲線變化趨勢也印證了氧氣濃度對燃燒反
應(yīng)的加?。畠蓚€失重峰逐漸演變?yōu)橐粋€失重峰．并且失重峰
明顯變大．
綜合垃圾典型組分在不同氧氣濃度下的TG巾TG曲線可
以明顯發(fā)現(xiàn)．富氧燃燒無疑會改善垃圾的燃燒狀況。見圖2。
2．2著火溫度
各種垃圾典型組分確定的著火溫度如表2所示．化纖的
著火溫度最高，菜葉的最低：在外界壓力沒有發(fā)生明顯變化
時，氧氣濃度對垃圾典型組分在0州：氣氛下燃燒的著火溫
度幾乎沒有影響。各組分的著火溫度由小到大的順序?yàn)椋翰?
葉<含氯塑料><紙屑><化纖．></紙屑></含氯塑料>

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