（工程热物理专业论文）城市生活垃圾典型组分的燃烧特性和排放特性研究.pdf

摘要 ( 随着经济的发展，城市生活垃圾的焚烧处理在我国发展迅速。然而，我国城 市生活垃圾焚烧特性的研究起步较晚，相对落后，有待于进一步深入。为此， 本文研究了生活垃圾典型组分的燃烧及排放特性，为进一步的研究奠定了基础， 同时也为焚烧炉的设计提供了一定的实验依据。 第一部分：通过热天平研究了典型城市生活垃圾组分的燃烧动力学特性，得 到了七种典型垃圾组分的特征值，以及燃烧动力学参数值；并探讨了判别垃圾组 分着火温度的几种方法和混合垃圾组分是否存在交互影响；皤文采用了一种新的 方法，克服了分段燃烧动力学模型带来的方程在整体上不连续的弱点，从而建立 了连续的燃烧动力学反应模型，结果表明：理论模型与试验结果拟合的非常好d 第二部分：通过流化床试验台研究了典型垃圾组分的挥发份和焦碳的燃烧特 性。填中主要研究了影响挥发份燃烧时间和焦碳燃烧时间的各种因素，并通过理 论分析计算了挥发份的燃烧时间，与实际结果比较符合。木 t 第三部分：研究了水分含量增加对生活垃圾燃烧排放特性的影响，结果表明 当水分有所增加，挥发份和焦碳的燃烧时间缩短，c o 的浓度有较大降低，而 、 n o 浓度有一定的升高。 第四部分：着重研究了城市生活垃圾典型组分常规气体( c o 、n o 、s 0 2 ) r 的排放特性。眙果表明：当过量空气系数小于1 5 的时候，一氧化碳的排放浓度 很高，在焚烧生活垃圾时，必须保持较大的过量空气系数；燃料氮向一氧化氮的 转化率一般不高于4 0 6 0 ：生活垃圾在焚烧过程中s 0 2 排放浓度和转化率都 很低。混合组分排放特性较复杂，不能等同于单种组分简单的叠加。 城市生活垃圾复杂多变，难以定量地描述其物理特性和其他特征参数，因此 本文选取主要的典型生活垃圾组分，研究单组分垃圾的燃烧特性和排放特性，并 且在此基础上研究混合组分的燃烧特性和排放特性，并分析单组分垃圾燃烧排放 特性与混合组分垃圾燃烧排放特性之间的关系，与常规的研究城市生活垃圾方法 相比，本试验研究方法上有一定的独到之处。寸 关键词： 城市生活垃圾垃圾组分流化床焚烧：水允燃烧特性j 排放特性 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , d i s p o s i n gm s w w i t hi n c i n e r a t i o ni no u rc o u n t r y d e v e l o p sq u i c k l y b u tt h er e s e a r c ho fm s wi si n s u f f i c i e n ta n ds h o u l db ec a r r i e do u ti nf u r t b e r s t e p s s ot h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e s0 1 1t h ec h a r a c t e r i s t i c so f i n c i n e r a t i o na n de m i s s i o no fm sw w h i c he s t a b l i s h e sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e sa n da l s op r o v i d e se x p e r i m e n t a l d a t af o rt h ed e s i g no f i n c i n e r a t o r t h ef l i n tp a r to f t h i sp a p e rg e t ss o m ee i g e n v a i u ea n dk i n e t i cp a r a m e t e r sa f t e rs t u d y i n gs e v e r a l t y p i c a lm s w c o n s t i t u e n t sw i t ht g at e c h n o l o g y i ta l s od i s c u s s e ss e v e r a lm e t h o d st od e t e r m i n e i g n i t i o nt e m p e r a t u r eo ft y p i c a lm s w c o n s t i t u e n t sa n dt h ei n t e r a c t i o n a le f f e c t so fm i x e dm s w c o n s t i t u e n t s t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fd i s c o n t i n u i t yo fc o m b u s t i o nk i n e t i ce q u a t i o n s d u r i n gt h ew h e l et e m p e r a t u r ei n t e r v a l an e wm e t h o di sa d o p t e da n dw i t hw h i c hc o n t i n u o u s c o m b u s t i o nk i n e t i ce q u a t i o n sa r eb u i l t t h er e s u l ts h o w st h a tt h e s ee q u a t i o n sf i tw e l lw i t h e x p e r i m e n t a l d a t a b ys t u d y i n g t h ev o l a t i l ea n dt h ec a r b o no fs e v e r a l t y p i c a lm s wc o n s t i t u e n t st h r o u g h f l u i d i z e db e d ，p a r tt w om a i n l ya n a l y z e sv a r i o u sf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ec o m b u s t i o nt i m eo f v o l a t i l ea n dc a r b o n a n dt h e nt h ec o m b u s t i o nt i m eo fv o l a t i l ei sc a l c u l a t e db yt h e o r y , w h i c h m a t c h e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tw e l l t h ee f f e c to fi n c r e a s o dw a t e ro nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f m s wc o n s t i t u e n t sa r es t u d i e di nt h et h i r dp a r to f t h i sp a p e r , t h er e s u l ts h o w st h a t w h e nw a t e r i si n c r e a s e dt os o m ed e g r e e ，t h ec o m b u s t i o nt i m eo fv o l a t i l ea n dc a r b o nb e c o m e ss h o r t e r , a n dt h e e m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fc a r b o nd e c r e a s e s ，w h i l ea tt h es a m et i m et h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no f n i t r o g e nm o n o x i d ei n c r e a s e s t h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o n v e n t i o ng a s e so f t y p i c a lm s w c o n s t i t u e n t sa r ed i s c u s s e d i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , a n dt h er e s u l t sa r el i s t e da sb e l o w w h e ne x c e s s i v ea i rc o e f f i c i e n ti s l e s st h a n1 5 ，t h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fc a r b o nm o n o x i d ei s v e r yh i g l l ，s ow h e nm s wi s i n c i n e r a t e d ，e x c e s s i v e a i rc o e f f i c i e n ts h o u l db e k e p tf a i r l yh i g h t h et r a n s f o r m r a t i oo f f u e l n i t r o g e nt on i t r o g e nm o n o x i d e i sn om o r et h a n4 0 - 6 0 t h et r a n s f o r i l lr a t i oa n dt h ee m i s s i o n c o n c e n t r a t i o no f s o l f u rd i o x i d ei sf a i r l yl o w t h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f m i x e dc o n s t i t u e n t sa r e a l s os t u d i e d ，a n dt h er e s u l ts h e w st h a tt h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm i x e dc o n s t i t u e n t sa r em o r e c o m p l i c a t e d t h a nt h eo v e r l a do f t h a to f s i n g l ec o n s t i t u e n t s b e c a u s em s wi st o oc o m p l i c a t e da n dt o oc h a n g e f u l ，i ti s v e r yh a r dt oq u a n t i f i c a t i o n a l l y d e s c r i b et h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n do t h e rp r o p e r t i e s t h i sp a p e rs e l e c t st h em a i n l yt y p i c a lm s w c o n s t i t u e n t sa n dd e a i sw i t ht h ec o m b u s t i o na n dt h ee m i s s i o n o f s i n g l em s w c o n s t i t u e n t s ，t h e nt h i s p a p e rr e s e a r c h e so nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm i x e d m s wc o n s t i t u e n t s ，a n d a n a l y z e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s i n g l e c o n s t i t u e n t sa n dm i x e d c o n s t i t u e n t s c o m p a r e dw i t hc o n v a n t i o n a lm e t h o d s t h i se x p e r i m e n t a lm e t h o di si n i t i a t i v ei ns o m e d e g r e e k e y w o r d s ：m s w c o n s t i t u e n to fm s wf l u i d i z e db e di n c i n e r a t i o nw a t e r c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c se m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i e s 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国城市生活垃圾现状 城市生活垃圾又称为城市固体废弃物，它是指城市居民日常生活中或为城市 日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律行政法规规定视为城市生 活垃圾的固体废弃物“2 i ，其成分相当复杂，范围广泛、数量巨大。包括食物 垃圾、废纸、废木、废布、庭院修剪物、废金属、玻璃、塑料、陶瓷、燃料灰渣、 碎砖瓦、废器具、丢弃的废家具等。我国的城市垃圾主要由居民生活垃圾、街道 保洁垃圾和集团垃圾三大类组成l 。”。居民生活垃圾来自居民生活过程中遗弃的 废弃物，主要由易腐有机物、塑料、废纸、木头、玻璃等组成，其在城市垃圾中 数最最大，并且成分最为复杂。街道保洁垃圾来自清扫马路、街道等的垃圾，成 分与居民生活垃圾相似，但泥沙等无机物含量较多。集团垃圾是指各种机关、学 校、工厂和商业机构在生产和生活过程中产生的废弃物，其成分随着发生源而不 同变化。但这类垃圾成分较为单一，含水量稍低，高热值垃圾含量较高，其低位 热值一般为6 0 0 0 2 0 0 0 1 0 k g 。 目前全国城市人口人均日产垃圾量已超过1 1 千克，接近工业中等发达国家 水平。影响垃圾产量的因素有很多，如地理条件、城市人口、经济发展水平、居 民的收入情况、居民的消费水平等有关。表1 1 是我国几个主要城市的垃圾生成 率，表1 2 和表13 是我国部分城市的生活垃圾组分和工业元素分析表。 表1 1 年我国部分城市垃圾产率k 7 1 l 城市北京天津上海沈阳大连杭州深圳广州鞍山香港 l 垃圾产率 1 20 9 91 2 31 0 2l0 3o 9 22 6 21 2 00 7 6l0 7 l ( 千克天)l _ 表1 2 中国部分典型城市生活垃圾的组成。8 “1 可回收废物 有机物无机物 城市年份纸类布类木竹塑胶玻璃金属 c i t y y e a r 青岛1 9 9 7 4 22 03 61 04o o32 0 ，l l2 022 011 0 西安1 9 9 7 1 57 46 35 233 524 839 479 318 412 0 塑望查兰堕主兰焦堡塞 北京1 9 9 7 1 6 5 95 8 7 6 92 71 7 016 l l o 8 811 9 澳门1 9 9 2 3 5 9 0 43 02 1 8 01 46 067 01 1 2 0 3 5 0l0 4 浦东 5 53 3l l1 31 2 3 026 4o7 8 1 39 83 0 1o 8 3 1 9 9 6 9 7 武汉1 1 9 9 6 5 2o o1 97 8 71 21 4 217 19 8 571 4 o9 8 杭 n i l 9 9 7 5 81 92 40 03 6 822 3l2 0 76 32 0 909 8 宁波 5 36 92 54 85 4 02 9 6 1l o79 02 4 310 4 1 9 9 6 9 7 台南1 9 9 2 2 80 202 82 4 3 677 713 82 2 9 951 91 00 1 广n 1 9 9 6 6 0 1 71 7 1 254 03 ，4 010 68 9 9 33 704 9 深割l l l9 9 4 4 0o o1 5o o1 7 0 050 0 |1 5 0 050 03 0 0 表1 3 中国部分典型城市生活垃圾的工业分析和元素分析 工业分析( )元素分析( ) 城市年份固定 n h v 水分挥发分灰分 碳c 盯h 。o 村s n ”k j k g 青岛1 1 9 9 7 4 2 3 61 85 72 7 8 3 6 2 91 2 4 71 8 466 40 0 703 44 2 0 5 西安1 9 9 7 2 49 51 5 0 324 15 7 6 l96 3l4 760 200 902 2 3 3 6 5 北京1 9 9 7 2 61 71 8 8 82 85 2 1 s1 2 41 97 0 80 0 8o 2 3 4 6 2 3 澳f j 1 9 9 2 3 9 1 94 2 8 75 4 3 1 2 5 l2 7 1 03 6 91 6 6 2o 1 60 7 49 4 3 4 浦东 5 l5 82 734 1 51 6 9 71 8 4 62 6 2 98 600 80 4 36 3 4 5 1 9 9 6 9 7 武汉1 9 9 6 4 7 6 72 1 0 93 3 92 78 s1 4 0 81 9 97 9 60 0 803 6 4 4 6 8 杭州1 9 9 7 5 l5 61 893 0 42 6 51 2 2 717 57 4 3o0 90 4 03 5 7 0 宁波 4 90 91 9 8 33 1 l2 7 9 71 2 7 618 37 8 9o0 80 3 93 9 4 2 19 9 6 9 7 台南1 9 9 2 3 4 4 64 20 35 31 8 2 l2 8 8 34 0 41 3 7 9o1 305 41 0 7 5 5 广州1 9 9 6 5 35 02 1 3 733 62 l7 71 3 9 8l9 782 800 804 34 3 2 6 深圳1 9 9 4 4 09 43 l1 841 42 37 42 0 8 429 61 09 5o1 00 4 67 4 0 3 2 浙江大学硕士学位论文 据统计，1 9 9 8 年我国6 6 8 个城市的垃圾产量已经达到1 4 亿吨，城市垃圾存 量约为6 0 多亿吨，并且每年以8 1 0 的速度增长。垃圾侵占土地面积已超过5 亿 m ，全国已有2 0 0 多座城市被垃圾包围，城市人均垃圾产生量达4 0 0 k a y 。2 0 0 0 年我国城市 生活垃圾产生量达到1 5 亿吨l ”。1 1 i ，少数城市如北京，垃圾增长率高达1 5 2 0 。城 市生活垃圾产量之巨大，增长速度之快，已经非常惊人。不仅阻碍了城市的发展， 还对城市环境造成巨大的破坏，成为民众关心，政府头痛的社会问题。城市垃圾 问题解决的好坏，将会影响到民众的生活质量，城市化发展的速度，必须对城市 生活垃圾进行必要的处理。而我国的城市生活垃圾的基本状况可以为我国的垃圾 处理提供必要的依据。 1 2 城市生活垃圾的几种处理方式 目前垃圾的处理方法主要有回收法、堆肥法，填埋法、焚化法。 1 2 1 回收法 回收法适用于垃圾中有用成分含量较高，回收成本小于再利用得到的效益的 部分垃圾。在我国，有各类回收网点约1 2 万多个，各类加工厂3 0 0 0 多个。从1 9 5 0 年到1 9 9 4 年之间，回收各类废1 日物资23 8 亿吨，回收总值1 3 4 0 2 5 亿元l2 1 i ，再生 资源在节约自然资源、保护环境方面发挥了重要作用【l2 1 。但是上述回收处理的 废旧物质中，城市生活垃圾的份量较小，并且可再生资源少，在垃圾投放过程中 也没有分类投放，给垃圾的回收处理带来了较大难度，所以回收在我国垃圾处理 中的比重是比较低的。在美国由于其垃圾分类投放，回收处理的比例较大f l ”， 对于那些不太适合回收处理的，一般采用焚烧或者填埋方法。 1 2 2 卫生填埋法 此法的优点是建设和运行费用较低，操作简单。目前在世界各国仍被广泛采用， 尽管在一些发达国家中废物焚烧法日渐增加，填埋法有所减少，但不少国家仍以 填埋为主要处理方式，在我国城市垃圾处理中应用也较多。但就此项技术的总体而 言，我国城市垃圾卫生填埋技术尚属初步应用阶段。由于技术上的不完善而造成 的环境问题很多i l 。其中很多垃圾中有机成分在填埋场厌氧环境下产生的甲烷等 气体，不仅会造成大气污染，而且容易引起甲烷爆炸事故。还有填埋场的废物受 雨水淋滤或地下水的浸蚀，大量污染物浸入地下水或地表水，造成水体的污染。 水体的污染反过来又会影响人的健康安全，导致恶性循环。 塑翌丕兰堡主兰堡垒塞 卫生填埋法的另一问题是需要大面积的土地，随着我国城市化的迅速发展，城 市人口的急剧增加，城市用地日益减少，很难提供大量的土地。这对卫生填埋法带 来了很大的限制，加上卫生填埋说带来的环境问题及其他潜在危害，卫生填埋已经 引起了世界各国的日益关注。 1 2 3 堆肥法 此法利用微生物对垃圾中的有机物进行代谢合成，在高温下进行无害处理， 并能生产有机肥料。工业发达国家采用成套机械进行堆填作业，在我国则采用传 统自然堆肥法。堆肥技术简单，其影响因素主要有需氧量、生活垃圾的组成及粒 度、温度、p h 值以及混合程度。堆肥法既解决了垃圾的出路问题，又可达到再 资源化的目的，具有一定的经济效益和社会效益。但是生活垃圾堆肥量大，养分 含量低，长期使用易造成土壤板结。另外堆肥处理的周期长，不易处理大规模垃 圾，因而需要与其他处理方式相结合。 1 2 4 焚烧处理法 焚烧是一种对城市垃圾进行高温化学处理的技术。垃圾燃烧产生的高温烟气 可作为热能回收利用，性质稳定的残渣可直接填埋。经过焚烧处理，垃圾中的细 菌、病毒能彻底被消灭，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经处理 达标后排放。因此，可以说焚烧处理是实现垃圾无害化、减量化和资源化的最有 效的手段之一。当然利用垃圾焚烧处理方法也有一定的缺点，如投资与运行费用 比较高。现在城市生活垃圾的资源化、无害化和减容化是世界关注的课题，世界 各国在处理城市生活垃圾时，都要考虑这几个方面的要求，而焚烧处理方法恰好 能够比较好地满足这些方面的要求。近年来，城市生活垃圾的焚烧法处理发展迅 速，特别是在欧美和日本获得迅速发展 1 5 - 1 7 i ，在世界上一些国家成为城市生活垃 圾处理的主要方式。到1 9 9 5 年，德国已有近5 3 座垃圾焚烧发电厂，年处理垃圾 量达到1 0 0 0 万吨以上；法国有近3 0 0 座垃圾焚烧厂，巴黎有4 座垃圾焚烧厂， 年处理量为1 7 0 万吨，占全市垃圾总量的9 0 ；美国从8 0 年代开始，政府投资 7 0 亿美元兴建了1 0 0 多座垃圾焚烧厂，年处理能力约为3 0 0 0 万吨；日本目前拥 有垃圾焚烧厂1 8 9 9 座，年焚烧垃圾量3 0 8 6 万吨l ”i ，在日本，垃圾焚烧处理的 比例由1 9 7 6 年的5 7 上升到1 9 8 1 年的6 5 ，现在日本共有垃圾焚烧厂1 9 8 3 座。 在瑞士、丹麦等国焚烧处理的比例也都己超过填埋。在很近年来，由于我国的城 4 浙江大学硕士学位论文 市生活垃圾的质量提高，焚烧处理也得到了迅速发展( 见表1 4 ) 。 表14 部分国家的垃圾处理方式比较1 ，( 单位：) 填埋堆肥焚烧回收 美国 6 052 5 中国 7 02 0 纸板 废纸 化纤 厨余 废塑料 p v c 。 o 一2 0 ，、一4 0 艺 2 6 0 8 0 1 0 0 0 2 0 一4 0 苎 窖一6 0 一8 0 一l o o 6 0 08 0 01 0 0 0 t ( ) 图2 8 厨余的热解和燃烧失重曲线图 t ( ) 图2 9p v o 粉末的热解和燃烧失重曲线图 塑江盔堂堡主兰焦堡塞 2 0 04 0 06 0 0 8 0 c t ( ) 圈2 1 0 着火温度判别简图 2 4 3 各组分的特征参数 为了更好的了解各个垃圾组分地失重情况，表2 3 列出了不同垃圾组分的各 个反应波段的特征参数。 表2 3 七种垃圾组分失重过程中的特征参数 长 波段数各波段有各波段失各波段温 d t g 曲线v 。( ) 无叠加重量( )度区间峰值温度 ( )( ) p v c3无 3 5 72 5 0 3 6 03 0 07 0 2 2 2 73 9 0 5 9 05 1 0 6 26 5 0 7 1 56 9 0 废塑料 2有 4 62 5 0 3 4 03 1 09 7 1 5 9 0 43 4 0 5 4 04 4 0 纸板 2有5 6 62 3 0 3 7 03 2 0 7 0 6 8 2 5 73 7 0 4 9 04 1 0 废纸 2有7 1 12 4 0 3 6 03 2 0 8 9 2 1 3 43 6 0 4 9 04 5 0 木屑 2有 4 4 32 3 0 3 4 03 2 56 8 8 4 2 53 4 0 5 2 04 4 0 厨余 2有6 1 71 7 0 3 9 02 5 36 0 1 4 2 7 93 9 0 5 3 08 5 4 化纤 2有4 9 42 4 0 4 2 03 4 08 5 6 1 1 8 24 5 0 5 3 04 8 0 2 5 多组分垃圾的燃烧特性 浙江大学硕士学位论文 城市生活垃圾都是有很多成分组分，由于多组分垃圾之间可能会有各种复杂 的反应，他们在燃烧过程中可能会产生一定的交互作用，仅研究单组分的生活垃 圾是不够的。在国外有人用纤维、木质素、半纤维素来代替生物质【l 3 “1 ，研究其 热解情况，最后认为他们之间不会产生耦合，混合物质反应的失重情况与单组分 物质情况的加权平均一样j i m e n e z ，j l o p e z 曾研究过p v c 粉末和d e l l ? 1 1 9 的混合 的热分解特性，他认为这两种物质混合以后，有比较明显的耦合作用，两种物质 混合后的热分解量小于各自的加权平均。国内也有曾经选用几种物质来代表生活 垃圾，研究起其混合燃烧特性，但是得到的结果却有矛盾之处【l ”。本文选用几 种典型垃圾组分，主要研究混合组分的燃烧情况以及各种组分混合后是否存在交 互影响。以下是选取的垃圾组分以及其混合情况，这几种组分的分析同上。 表24 几种物质混合比例 混合物比例 p v c ：木屑 1 ：2 纸板：废塑料 1 ：1 纸板：废塑料：木屑 l ：l ：1 2 5 1p v g 和木屑 p v c 和木屑单组分的热重、热差分析曲线见2 4 部分，图2 1 l 为混合组分 的热重、差重、热差曲线图，t g 曲线在开始阶段有一定的失重，其来源为木屑 中含有的水分，其后有三个明显的失重阶段，这从d t g 曲线可以看得很明显。 d t a 曲线仅出现一个波峰，曲线变化趋缓，图2 1 2 显示p v c 和木屑各个组分 与混合的失重曲线。从图2 1 3 看出，混合组分失重与各部分加权平均的失重总 量基本一致，在第一和第二个过程中，混合组分失重量大于加权平均的失重量， 第三个阶段基本上重合。在第一个快速失重阶段，混合组分的失重快于各部分加 权平均的失重，这可能是因为这个阶段是木屑和p v c 的挥发份析较快的阶段， 相互之间产生了一定的影响，放出的热量相互叠加，加剧了反应，使得反应速度 加快，在第二个阶段木屑主要是焦碳的反应，而p v c 部分主要是第二部分挥发 份的析出反应，反应速度放慢，但仍大于加权平均的失重，在第二个阶段完成时， 木屑的反应基本结速，仅剩余残渣，这时仅有p v c 的反应仍在进行，混合与各 部分加权的失重相当。为了忽略水分的影响，除去1 7 0 之前的失重，化成无量 纲失重，得到失重标化曲线，图21 4 可以更清楚地显示上述状况。 塑塑盔兰堡主堂焦堡茎 o 一1 0 2 0 一3 0 主一4 0 2 5 0 一6 0 7 0 8 0 9 0 02 0 0 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 t ( ) 图2 11p v o 和木屑混合时的热重、差重、热差分析曲线 o4 0 0 6 0 0 t ( ) 图2 1 2p v o 、木屑单组分与混合组分的热重分析曲线 o l o 一2 0 一3 0 s 一4 0 2 5 0 6 0 一7 0 8 0 一9 0 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 t ( ) 图21 3p v o 、木屑混合与加权的热重分析曲线 一p1)oooo_【*2b 8(，j嗜。铷 州 。枷锄枷枷枷铷m枷枷m 一9 6 一窖 浙江大学硕士学位论文 圈2 1 4p v c 、木屑混台与加权的热重标化曲线 2 5 2 纸板与废塑料 纸板与废塑料混合的情况见图2 1 5 2 1 7 。从图2 1 5 看出，纸板与废塑料混 合的失重曲线与各个组分失重曲线差异比较大，混合失重有两个非常明显得失重 过程，失重量比较小，废塑料仅有一个失重过程，纸板虽有两个失重过程，但是 两个过程的失重温度段和失重速率差异较大。图2 1 6 为混合与加权失重比较， 总体上可以看出，混合情况下失重量要比加权情况下失重量小约为4 0 ，其失重 结束温度早于加权平均情况下的失重结束温度。混合失重的第一个阶段的失重大 大低于加权情况的失重，第二个阶段的失重与加权情况下的基本重合，但是第二 个阶段的失重区间缩短了。废塑料与纸板混合失重量之所以减少，说明他们之间 发生了交互作用。在纸板和塑料的挥发份析出过程中，他们之间相互影响，使得 开始阶段混合组分的析出变缓，并且对焦碳的孔隙结构有一定的影响，或有不燃 性物质生成，导致最后的灰渣量增加。 浙江大学硕士学位论文 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 t ( ) 图2 1 5 纸板与废塑料单质、混合时的热重分析曲线 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 t ( ) 图2 16 纸板、废塑料混合与加权的热重分析曲线 2 0 04 0 06 0 0 t ( ) 图21 7 纸板、废塑料混合与加权的热重标化曲线 o m啪芎；m瑚珈啪瑚圳 一l o l l 。m删珈舢铆邶刑铷聿： 一曩一o _ l 2 1 8 6 4 2 0 1 0 0 0 0 口 浙江大学硕士学位论文 2 5 3 纸板、废塑料和木屑混合 其失重情况见图2 1 8 和2 1 9 ，从图看出，当三者混合时，其失重情况和各 个组分加权平均时的失重情况有一定差别，但相差不大，混合情况的最终失重为 8 73 5 ，加权平均最终失重量为8 94 ，从失重总量看，混合后失重减少，相互 之间存在一定的抑制作用，失重量的减少可能与纸板、废塑料混合失重减少属于 同种情况。忽略掉水分的影响，得到各自失重的标化曲线，从图2 1 9 可以看 出，两条曲线比较吻合。 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 t ( ) 图2 1 8 纸板、废塑料混合与加权的热重分析曲线 图2 1 9 纸板、木屑、废塑料混合与加权的热重标化曲线 通过以上结果看出，p v c 与木屑混合时，没有出现明显得交互影响，混合 前后的总体失重量基本上没有变化。纸板与废塑料混合时，交互影响比较明显， 总体失重量明显减少，残渣量明显增大。纸板、废塑料与木屑混合后，相互之间 。珈删专；圳亏；铷圳删枷 浙江大学硕士学位论文 有一定的交互影响，总体失重量有一定的减少。总之，生活垃圾成分复杂，不同 组分之间混合可能会有一定的交互影响。 2 6 生活垃圾组分的燃烧动力学研究 通过垃圾组分的燃烧动力学的研究，可以求取垃圾组分的燃烧动力学参数， 建立垃圾组分的燃烧动力学方程。虽然根据反应的情况，可以有多种形式的方程 来描述其反应情况，反应的各种机理k e a t t c h 和d o l l i m o r e 以及b r o w n 早已经总 结过，但是垃圾的反应比较复杂，具体的反应动力学参数和反应关系式还需要进 一步研究得出。 2 6 1 反应动力学求解的各种方法 用于确定物质的表观动力学参数的通常方法是首先测量物质热分解或燃烧 时的失重行为，然后应用阿累尼乌兹公式去拟合失重数据，阿累尼乌兹公式可以 表示为： d a ：可 ) d t( 2 1 ) 其中为失重率，口：! 芷( 2 2 ) w o w ， w o 为初始质量，w 为在时间t 时刻的质量，w ，为反应终了时的质量。 ，( 口) 依赖于具体反应的热解机理，这种方法的形成和有效性为许多研 究者关，c , j 15 1 ，一般认为( 口) 与( 1 一a ) 的n 次方成正比关系，即 ( = 0 一口) ” ( 2 3 ) 对于一级反应时选取n = l ，方程简化为：7 ( = a 。当然还有很多更复杂 的模型，如： ) = ( 1 一口) ”口“ ( 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文 k 为反应速率，露= a e “”7 ( 2 5 ) 这样阿累尼乌兹公式可以写成： d a ：a e - e r t f l 一口) 一 ( 2 6 ) d t 在实验时，选取一定的加热速率b ，方程( 2 6 ) 变为 一d a d o t d t ：卢粤：a e e r t a 进而方程通过取对数变为： d td tm j d t d 口 l n ( 等) _ 1 州一n 卢一意( 2 - 7 ) 由于n a 和e 均为待定常量，这样方程就变成了关于l ，t 的线性方程式，如果已 经知道了n 的值，那么通过斜率就得到表观活化能e ，通过截矩得到指前因子a 。 n 的求取通过以下方程： 首先定义一个方差值e ，定义如下： s = ( 等) 2 - ( 鲁) 2 】 ( 2 _ 8 ) 口。为实验值，口，为假设值，取n = 0 4 ，步长为0l ，在这个过程中，如果得到在n 等于 某个值时，取最小值，这时的n 就是所要得到的反应级数。 利用这种方法的优点是只需在一个加热速率1 3 下，就可以求出反应的活化 能e ，反应级数n 和指前因子a 。缺点是在求取反应级数n 到时候，要多次拟合。 求取反应动力学参数的方法有多种，以下是比较流行的一种求取方法，这里 称作方法二。它是将方程( 2 8 ) 变换成如下形式： - n ( 渤= l n a - l n 3 + n l n a - 面e 协， 对于相同的a ，不同的加热速率b ， l t 对应不同的i n ( 等 ，多选取几 个a 值，可以得到几条近似平行的直线，通过斜率可以求出表观活化能e ，令 s = i n a + n l n 口一i n ，通过不同的a 值和1 3 值得到不同的截矩s ，从而可以求 出a 和n 。这种方法的优点是求取比较容易，但是必须在实验时选取至少3 个不 同的加热速率。 浙江大学硕士学位论文 26 2 本文方法 以上方法求解为了比较好的拟合数据，一般都是采用分段拟合的方法，这就 不可避免得造成总体方程的不连续，不可避免得出现断点，为了使方程连续化， 更好的拟合方程，本文对于不同的组分根据其波峰出现的个数1 1 ，用n 部分连续 的独立方程来拟合数据，不仅避免了方程的不连续、断点的出现，也得到了很好 的结果。本方法以p v c 为例。 从实验结果表明，p v c 燃烧呈现三个阶段。文献研究表明：p v c 燃烧的第 一阶段、第二阶段的产物由h c i 、苯、甲苯及其他碳氢化合物组成，第一阶段主 要是h c l 的析出。第三阶段的燃烧可能是含碳化合物及部分无机助剂的高温分 解。本文撇开p v c 燃烧过程中每种产物生成机理的研究，着重研究p v c 燃烧的 宏观动力学，把与每一阶段对应的所有反应联在一起考虑，假设p v c 由三部分 物质组成，各部分物质在燃烧升温过程中独立进行反应，如图2 l 所示，其中 ( p v c ) i 、( p v 0 2 、( p v c b 燃烧反应分别集中于第一阶段( 2 5 0 3 7 0 。0 ) 、第二阶 段( 3 9 0 5 9 0 c ) 和第三阶段( 6 5 0 7 2 0 。c ) 。并假设( p v c ) l 、( p v c ) 2 在燃烧过 程中的转化率为1 0 0 。 k lk 2k 3 ( p v c ) i + ( p v c h + ( p v c ) 3 图2 2 0p v o 燃烧主要过程示意图 每部分物质的燃烧反应可写成如f 形式： 粤= k i ( 1 飞) “( 2 1 0 ) a t k 。= a i e x p ( r 旦t ) ( 2 - 1 1 ) i = 1 , 2 ，3 是p v c 在燃烧过程中i 部分物质在t 时刻的转化率，定义如下： 晓= 旦。二生 ( 2 1 2 ) w i o w i 。 其中，w 。为i 部分物质的初始重量：w 为i 部分物质在t 时刻的测试重量： 浙江大学硕士学位论文 w i 。为i 部分物质完全燃烧时的剩余重量，根据假设，w 。一w ：w 3 = o ， k ，为】 部分物质速度反应常数；e i 为i 部分物质表观活化能( j m 0 1 ) ；n 。为i 部分物质反 应级数；a i 为i 部分物质指前频率因子( m i n 。) ；r 为气体常数( j t o o lk ) ；t 为燃 烧反应温度( k ) 。 在燃烧过程中，保持升温速率b 为一常数，则 p=dt出(2-13) 把( 2 1 1 ) 、( 2 1 3 ) 式代入( 2 1 0 ) 式后，得到： 鲁= - e x p ( 一r 鲁) ( 1 - o t i l - - o t i ) “言2 。 ) “ 于是，p v c 总的燃烧反应为 a = z i 0 一w o w l z i 02 一 w 0 一w a ：婴q 二兰 w 0 一w ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) r 2 1 7 ) a 是p v c 在燃烧过程中在t 时刻的总转化率，w o 为p v c 试样的初始重 量；w 为p v c 燃烧过程中在t 时刻的重量；w 。为p v c 燃烧完全时的剩余重 量，根据假设，、v 矿w 3 。；z i o 为第i 部分物质完全燃烧时失重量占总失重量的 份额。得到： d aod 伍 而。各毛。才 ( 2 _ 1 8 ) 这样，只要求得p v c 各部分物质的z + i o 值及动力学参数e 。、n 。、a i 等数 值就可求出p v c 燃烧的整体方程。上述参数通过最小二乘法而求解，即使下 列函数值最小： 浙江大学硕士学位论文 s = 萼c ( 帮h 挈一2 ( 2 1 9 ) 下标j 表示所用的数据点，n 表示数据点的个数，( d c t d t ) ”表示测试值， ( d e d t ) 一表示计算值。同时，为了描述拟合结果的精确程度，本文采用平均 偏离指数。这一指标，定义如下： ，匡 g ：旦1 0 0 ( 2 2 0 ) ( 等) ：! ：p 动力学模型各参数求解结果如表2 4 所示。图22 1 22 3 则示出了由试 验得出的热重及热重微分曲线与动力学模型拟合的曲线对比。 从表25 的计算结果和图2 2 1 22 3 的对比曲线显示，本动力学模型在 整个实验温度范围内( 室温1 0 0 0 c ) 较好地模拟了不同升温速率下p v c 的 燃烧过程，误差很小，偏离指数为4 7 8 ；当然，本文的研究结果是在样品 粒度和升温速率较小的情况下得出的，即认为传热、传质不影响燃烧的速率。 在实际应用中，如粒度或升温速率较大，则必须综合考虑传热、传质对燃烧 的影响。 从图2 2 3 看到，模型的三个曲线代表三部分反应，第一曲线表示p v c 的第一部分物质的反应，第二三曲线分别表示p v c 的第二、三部分反应，当 各部分的反应叠加在一起，就得到总的反应模型，各部分叠加后，各部分反 应的起始与终止温度难以辨别，所通过各部分模型可以方便的求出各个反应 的起始、终止温度。根据模型，各部分的反应起始温度分别为2 6 0 。c 、3 8 0 6 c 、 6 5 0 ，终止温度分别为3 7 0 、6 2 0 、7 3 0 。 表2 5p v c 动力学模型参数值 泌 部分划各部分份指前因子活化能e反应级偏离指数 分额( z i 0 ) a ( r a i n l ) ( k j m o l 1 )数n o ( ) p v c30 5 2 01 7 0 e + 2 l2 3 4 52 24 7 8 0 3 2 31 1 8 e + 0 71 1 2 81 3 o 1 5 71 2 9 e + 3 15 7 1 91 7 堑堑丕兰雯主堂鱼堡茎 0 0 1 6 00 1 4 00 1 2 00 l 0 0 0 8 00 0 6 0 ，0 0 4 00 0