（木材科学与技术专业论文）可用于层燃炉的rdf固氯特性和燃烧性能的研究.pdf

摘要 由于能源短缺的日益严重，众多研究机构正积极进行可再生能源方面的研究，生物质 能的研究是其中重要的一部分。i m f 是一项新的垃圾能源化利用技术，属于生物质能的 一种。由于其对燃烧设备存在腐蚀等问题，现今的r d f 研究主要集中在流化床锅炉这一 特种燃烧设备的研究上。本文结合我国工业锅炉多为层燃炉这一现状，对r d f 在层燃炉 中燃用的固氯特性、燃烧特性进行了比较全面的研究，探讨其技术的可行性。 本文首先分析了我国城市垃圾的组成成分及其百分比含量，以南京市垃圾典型配比作 为原料，分别以c a 0 和造纸黑液为固氯剂，制成圆柱状成型燃料，结合层燃炉燃烧工况， 对试样进行固氯效率的试验，分析燃烧温度、添加剂含量及试样含水率对试样固氯效率的 影响。 在对r d f 燃烧特性的研究中，本文对燃烧速率进行了正交试验，分析燃烧温度、添 加剂含量、燃料尺寸对燃烧速率的影响，以及试样中不同添加剂含量对燃料发热量、灰熔 点的影响，并使用热分析天平测定垃圾各组分以及不同添加剂含量制成的r d f 燃烧过程 的热重、微商热重和差热曲线，对试样的燃烧动力学以及着火性能进行了研究。通过一系 列试验，基本掌握了i m f 的燃烧特性。 本文在i f 的成型过程中，加入造纸黑液作为固氯剂，可以较为彻底的处理造纸黑 液，为造纸黑液的有效处理寻求了一条新的途径。 关键词：r d f ： 层燃炉； 固氯效果；燃烧特性 s t u d yo nc o m b u s t i o na n dd e c h i o r i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr d f w h i c hi s s u i t a b l ef o rg r a t e f i r e df u r n a c e a b s t r a c t t h ep r o b l e mo ft h ee n e 唱ys h o n a g eh a sb e c o m es e r i o u sd a yb yd a yal o to fr e s e a r c h i n s t i t u t i o n sa r ec 硼眵i n go nt h er e s e a r c ho ft h er e g e n e m t e de n e 玛ya c t i v e l y t h er e s e a r c ho f b i o m a l s se n e 曜yi sa i li m p o n a n tp a r t 黝o n gt h e m r d fi san e wt e c h n o l o g yo fu r b a i lw 犯t e e n e 昭yu t i l i z a t i o n f o rm em a t t e ro fe q u i p m e n tc o r r o s i o n ，m o s ti n s t i n l t i o i l sh a v ep u te m p h a s i s o nt h ef l u i db e db o i l e r ak i n do fs p e c i a l 舭l - b u m i n ge q u i p m e n t t h i sa r t i c l ei n t e g r a t e dt h e p r e s e n ts i t u a t i o no fo u rc o u n t 巧i n d u s t r ) rb o i l e rm u c hf o rg r a t e f i r e df u n l a c e ，a n a l y z e dt h e d e c h i o r i n a t i o na l l dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr d f a i l dd i s c u s s e dt h e 允a s i b i l i t yo ft h j s t e c l u l o l o g y t h i s 抓i c l ea n a l y z e dm s w c o r n p o n e n ta j l d t h eq u a l i t ) r p e r c e n t a g ec o n t e n t ，p r e p a r e d m a t e r i a l sw i t hm et y p i c a lm a t c h i n go ft h em s w o f n a n j i n g ，a d d i n gc a o o rp a p e m a l ( i n gb l a c k l i q u o ra sc h e m i c a la d d i t i v e ，c o n s i d e r e dm ec o m b u s t i o nc o n d i t i o n so fg r a t e f i r e df u m a c e ，h 2 l s c a r r i e do nt h ee x p e r i m e n to fd e c h l o r i n a t i o ne m c i e n c y t h ea u t h o ra i l a l y z e dt h ee 旋c to ft h e t e m p e r a t u r e ，a d d i t i v ec o n t e n t ，a n dt h es i z eo fn u e so nt h ed e c h l o r i n a t i o ne 伍c i e n c y i nt h er e s e a r c ho ft h er d fc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h i st e x th a sc a r r i e do nt h e o r t h o g o n a lt e s tt ot h ec o m b u s t i o ns p e e d ，a n a l ) ，z e dm ee 丘- e c to ft h et e m p e r a t u r c ，a d d i t i v ec o n t e n t ， m es i z eo fn u e so nt h ed e c h l o r i n a t i o ne 伍c i e n c y ； a n a l y z e dt h ei m p a c to nt h ec a l o r i cv a l u eo f t h ef h e l ，a s hm e l t i n gp o i n to fd i 疗e r e n ta d d i t i v ec o n t e n ti ns 锄p l e s ，t e s t e dc o m b u s t i o nc o n t o u r s o ft g d t g d l ao fi f ，a n da c c o u n t e dc o m b 嚼i o nk i n e t i c sp a r 锄e t e ra n dd e t e 咖i n ei 盟i t i o n p o i n tb yc o n t o u r s b yt h e s ee x p e r i m e n t s ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r so fr d fb r i q u e t t ew e r e a c q u i r e d t h i st e x tu s e dt h ep 印e 咖a k i n gb l a c kl i q u i da st h ea d d i t i v e t h ep a p e 肌a l ( i n g b l a c kl i q u i d c o u l db ed e a l 、机t he n 宅c t i v e l y t m sr e s e a r c hp r o v i d e dan e ww a yf o rt h et r e a t m e n to f p a p e n n a k i n gb l a c kl i q u i d k e y w o r d s ：i i f g r a t e f i r e df 哪a c e ；d e c h l o r i n a t i o ne 伍c i e n c y ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：芝天曰鸥砂髀 钥f 占日学位论文作者( 本人签名) ：弓天w 临砂髀钥f 占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密彤 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者( 本人签名) ：丞罚妈 沙昭年占月“日 指一师体膳引彳m 持棚夕目 致谢 本课题是在导师孙军教授的悉心指导下完成的。从论文选题，到研究内容的安排、 技术路线的确定、实验结果的分析直至论文撰写的各个环节，都得到导师精心指导和亲切 关怀。几年来，在学习、工作上导师都给了无微不至的关怀。导师严谨的治学态度，广博 的专业知识以及孜孜不倦的教诲今学生获益匪浅。 在本文试验及论文进行中，我得到了王志和副教授、周捍东教授的热心支持，帮助 和指导。在试验和论文写作过程中，师兄刘翔、徐德良、同学赵凯峰，师妹陈小娟，师弟 吴涛、何浩、吴晓平，我的同学张伟、黄豪和方小东都给予了大量支持与帮助。 感谢我亲爱的父母和朋友，在我多年的求学路上给我的支持、关心和鼓励! 正是他们 一如既往的默默奉献，才使我顺利完成学业。感谢邓红明，在我失意时给我鼓励，得意时给 我告诫，困难时给我支持。 各方支持，未能尽列，值论文完成之际，再次向所有给与支持和帮助的老师，同学 以及我的家人表示最诚挚的谢意! 在论文完成的过程中，还参考了许多文献资料，在此，向各参考文献的作者、译者 和出版者一并表示感谢! 作者：赵鹏 二零零八年四月 1 1 课题背景 1 绪论 生活垃圾会对大气、土壤、水体造成污染，不仅严重影响城市环境质量，而且威胁人 民身体健康，成为社会公害之一。我国垃圾的历年堆存量达到6 0 多亿吨，全国有2 0 0 多 座城市陷入垃圾的包围之中，垃圾堆存侵占的土地面积多达5 亿多平方米。2 0 0 3 年，中 国城市生活垃圾年产量达到了1 5 亿吨l i j ，相当于中等发达国家水平。如何解决城市垃圾 问题，还城乡居民一个健康洁净的生存环境，已引起全社会的高度重视，与此同时，能源 的缺乏也逐渐明显，因此，如何将垃圾合理地能源化利用成为人们关心的热点问题。 1 1 1 当今世界及我国能源与环境问题 当今世界现有的能源供应和环境保护显然称不上“可持续”。联合国公布的一些数字 颇能说明问题：目前全球有2 0 亿人用不上电，约占世界人口的约三分之一，他们主要生 活在贫困的乡村地区；全球矿物能源消耗量在1 9 9 2 至1 9 9 9 年间增加了1 0 【2 j ，发达国 家是其中的大户，人均矿物燃料年消耗量约达到发展中国家人口的约1 0 倍；1 9 6 5 至1 9 9 8 年，全球二氧化碳排放量翻了一番，燃烧矿物燃料产生的温室气体是全球温室气体的最主 要来源，所占份额达到7 5 。自1 9 9 9 年里约地球首脑会议以来，世界能源消耗量显著增 加，据预测在未来2 0 年内仍将以平均每年2 的速度上升。 当前我国能源消费总量已经位居世界第二，约占世界能源消费总量的1 1 ，2 0 0 3 年， 我国能源消费总量为1 6 8 亿吨标准煤，其中煤炭占6 7 1 ，原油占2 2 7 ，天然气占2 8 ，可再生能源占7 - 3 。 我国未来能源结构政策的基本方略是“煤为基础、多元发展”。同时将积极优化二次 能源结构，全力提高煤炭利用效率和清洁性。目前，我国面临着受常规能源资源约束、过 分依赖煤炭资源，在能源的使用过程中存在着污染严重、能源利用效率低等问题。数据显 示1 3 】，我国人均煤炭、石油、天然气资源量仅为世界平均水平的6 0 、l o 和5 。与此 同时，我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的1 0 3 、欧盟的1 6 8 。我国未来能 源结构政策的基本方略是“煤为基础、多元发展”。维持以煤炭为主体、电力为中心，油气、 新能源全面发展的一次能源结构，优化二次能源结构，特别是提高煤炭利用效率和清洁性。 “立足国内、开拓国外”是我国能源开发战略的重要内容。我国石油、天然气资源短缺，当 今世界能源市场存在巨大的变数，给我国经济的发展带来了极大的风险。面对经济发展和 环境保护之间日益突出的矛盾，中国必须大举调整能源结构，积极发展水能、风能、太阳 能、地热、生物质能等新能源和可再生能源，努力提高能源利用效率，以实现国民经济的 可持续发展。按照我国的新能源产业发展规划，到2 0 1 5 年，中国新能源和可再生能源的 年开发量将达到四千三百万吨标准煤，占当时全国能源消费总量的百分之二，相当于每年 少用六千万吨煤炭，可减少二氧化碳排放量近三千万吨，二氧化硫、氮氧化物和烟尘二百 一十万吨。 囫煤 6 7 1 困石油2 2 7 目可再生能源7 3 口天然气2 8 图l l 我国能源结构图 f i g l le n e 唱ys t n l c t u r eo f o u rc o n 舡y 在当今世界上，环境已经成为全球普遍关注的焦点问题。早在1 9 9 2 年6 月，联合国 环境与发展大会就通过了著名的关于环境与发展的里约热内卢宣言，制订了2 l 世纪 议程，得到了世界各国的普遍认同，无论是发达国家还是发展中国家，都把可持续发展作 为国家宏观经济发展战略的一种必然选择。各国政府越来越清醒地认识到，必须使环境与 经济协调发展，才能真正实现可持续发展。保护人类生存的环境，实施可持续发展战略， 已成为2 1 世纪国际社会“环境与发展”与“和平与发展”两个同等重要主题的内容之一。中 国在经济持续高速增长、生活水平迅速提高、城市化进程不断加快的同时，也面临着日趋 严重的环境问题，特别是城市垃圾的处理。 城市生活垃圾是人们生活中产生的固体废弃物。在收集、运输和处理处置过程中， 垃圾中所含有的和产生的有害成份，会对大气、土壤、水体造成污染，不仅严重影响城市 环境质量，而且威胁人民身体健康，成为社会公害之一。我国城市生活垃圾产量日益增多， 卫生填埋仍是今后我国垃圾无害化处理的主要方法，大量的生活垃圾被永久填埋占据了大 量宝贵的土地资源。 1 1 2 我国垃圾处理现状 由于城市化发展致使人口密集、交通紊乱、垃圾成灾。发达国家垃圾增长率为3 2 4 5 ，发展中国家垃圾增长率为2 3 ，全球年产垃圾8 0 1 0 0 亿吨。发达国家人均年产 垃圾3 吨，发展中国家人均年产垃圾1 吨。如此大量的垃圾严重地坡坏了生态环境，使许 多国家深受其害。因此，城市垃圾引起各国的重视，许多国家研究对策，制定种种措施， 采用物理和化学方法以及生物方法加以处理，使其变害为利。 在我国，由于经济的快速增长，城市垃圾人均年产量达到4 4 0 公斤，1 9 9 6 年，中国 城市生活垃圾清运量就已达到了l 亿吨，而且每年以8 至1 0 的速度增长。垃圾的历年 2 堆存量达到6 0 多亿吨，全国有2 0 0 多座城市陷入垃圾的包围之中。垃圾堆存侵占的土地 面积多达5 亿多平方米。2 0 0 0 年，中国城市生活垃圾年产量达到了1 5 亿吨，相当于中等 发达国家水平。 城市生活垃圾引起了公众的广泛关注，特别是引起了党和国家领导的高度重视。这就 给解决这个问题提供了新的机遇。前国务院副总理李岚清曾指出：目前垃圾处理问题已成 为城乡环保的严重问题，要求要加强研究适合我国国情的先进、适用、经济、简便的垃圾 处理技术和方法。在1 9 9 8 年国家1 0 0 0 亿元债券和1 0 0 0 亿元贷款计划中，城市生话垃圾 处理项目占2 1 8 1 亿元，这充分表明了中央政府对生话垃圾处理的重视和解决问题的决 心。 目前我国城市垃圾处理主要方法有卫生填埋、堆肥和焚烧，每一种方法都有一定的 适应范围。卫生填埋是我国垃圾无害化处理的主要方法。 焚烧是一种对城市垃圾进行高温热化学处理的技术，可以实现垃圾的能源化利用。 将生活垃圾作为固体燃料送人炉膛内燃烧，在8 0 0 1 0 0 0 的高温条件下，城市生活垃圾 中的可燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，释放出热量并转化为高温的燃烧气体和 少量性质稳定的固体残渣。当生活垃圾有足够的热值时，生活垃圾能靠自身的能量维持自 燃，而不需提供辅助燃料。垃圾燃烧产生的高温可燃气体可作为热能回收利用，性质稳定 的残渣可直接填埋处理。经过焚烧处理，垃圾中的细菌、病毒等有害微生物能被彻底消灭， 各种恶臭气体能得到高温分解，烟气中的有害气体经处理达标后排放。欧美和日本等国都 建有垃圾发电厂，荷兰阿姆斯特丹市垃圾焚烧发出的电占该市总耗电的6 。 将城市垃圾经破碎、筛选出不燃物后所得以废塑料、纸屑等可燃物为主体的废弃物 或将可燃废弃物进一步粉碎、干燥成型制成固体燃料，这种由城市垃圾加工而成的新型燃 料被称作垃圾衍生燃料或垃圾固型燃料( r e 觚ed e r i v e df u e l ，r d f ) ，r d f 具有防腐、无臭、 便于运输，有利于环保等优点。) f 经过分选压制成型后具有了无臭、防腐等特性：含 水率一般小于1 0 ，低位发热量可达4 1 0 0 k c a l 埏，因成分不同略微有所变化，而且形状 一致，有利于提高燃烧效率，可以单独燃烧，也可以与煤、木屑等其他燃料混合燃烧； r d f 的生产可不受场地和规模的限制，且便于运输管理。正是由于以上这些优点，r d f 已 成为一种新兴的燃料而逐渐被人们所关注。 1 2 本课题相关的研究进展 在国外，关于废弃物再利用固体燃料( r d f ) 的研究是热门研究方向。美国、芬兰、瑞 典等国主要研究r d f 的混烧、流化床燃烧、热解与气化燃烧，并且已经达到商业化应用程 度。型块i m f 研究主要集中在日本、美国。 早在上世纪7 0 8 0 年代欧美一些发达国家即开始尝试一种新的城市生活垃圾处理方 式垃圾衍生燃料( r d f 5 ) ，并相继建成了一批示范工厂，取得了一定的运行实绩和经验 【4 一i o 】 o 在美国能源部( d o e ) 和环保署( e p a ) 的共同资助下，a m e s 电厂进行了煤与垃圾衍生燃 料( r d f ) 的混烧工业性试验，主要评估混烧的环境影响、经济性和技术可行性等几项指标。 研究结果表明【i l j ：尾气中h c l 含量高，加重了受热面的腐蚀，降低了设备的使用寿命， 尾气中二恶英含量较高，但仍然符合标准。至2 0 0 3 年，美国已建有r d f 发电站3 7 处， 占垃圾发电站的2 1 6 【1 2 j 。 日本各研究组织对r d f 都表现出浓厚兴趣。设备厂家在进行产品开发的同时，实施有 关r d f 的调查和研究开发计划，各地都在计划建设r d f 生产、利用设备，如：川崎重工业 公司、新明和工业公司、神户制钢所、田熊公司、住友金属公司等许多厂家都进行了r d f 的研制开发。 日本的垃圾衍生燃料的生产利用设备厂家，自1 9 9 0 年以后迅速增加，至1 9 9 6 年底，达到 1 9 处。 日本川崎重工业公司开发的垃圾处理技术是以破碎、分选、燃烧、热利用技术为基础， 多年来，不断进行包含燃烧试验在内的有关r d f 大规模研究开发。在i m f 成型过程中， 添加了添加剂，目的是为了防止腐败，便于燃料运输、储藏。该公司主要研究r d f 在循 环流化床锅炉中的燃烧。 新明和工业公司提出了粉碎r d f ，在旋风燃烧器中燃烧的新方法。该燃烧设备的特点 ( 1 ) 高负荷高温燃烧，能够使二恶英类物质减少或熔化成灰；( 2 ) 粉体燃烧性能良好，状态容 易控制，稳定性强；( 3 ) 利用旋风器燃烧，使装置小型化。这种燃烧方式属于煤粉炉中燃烧。 日本名古屋大学曾在实验室规模的研究过鼓泡流化床中燃烧i m f 一5 l l 引，燃烧后得到 如下结论：当过量空气系数从1 4 增加到2 4 时，c o 排放从几百p p m 降低到几十p p m 。当采用 二次风燃烧时，燃烧形成的c o 浓度都降低。当床内温度为1 0 7 3 k 时，h c i 的排放浓度最低， 低于6 0 p p m ，床内温度超过l1 7 3 k ，h c i 的脱除率大于7 0 ，r d f 中钙可以有效脱除h c l 。 意大利的g r e v e 城市【1 5 】建有垃圾r d f 气化示范工程，其气化系统包括两个循环流化床 气化炉轮流对一个燃气锅炉提供低热值气体。燃气轮机的功率为6 7 m w ，平常工作负荷为 3 0 4 0 。气化系统从1 9 9 3 年开始运行，有一段时间运行良好，但由于i m f 气化后形成的 低热值气体中含有大量的焦炭物质( 约5 0 8 0 9 n m 3 ) ，这些物质在锅炉中结垢，使蒸汽量从 1 8 3 t h 减少到1 5 5 t h ，从而影响系统经济性。准备在i f 气化炉后面安装气体净化系 统进行改造，它包括一级除尘器、除氯系统、二级除尘器和陶瓷过滤器，改造它将提高整个 系统的利用率【1 6 1 。 我国的相关r d f 技术研究起步较晚，但也取得了一些进展，对i m f 的研究主要集中 在其热解( 广州能源所进行的喷流移动床垃圾衍生燃料( r d f ) 热解燃烧机理研究) 、气化 机理( 废物衍生燃料气化反应动力学研究) 、生物质型煤成型特性与燃烧机理。浙江大学热 能工程研究所【1 7 】【1 8 】，东南大学热能工程研究所【1 9 2 1 1 对垃圾焚烧进行研究，现在也逐渐关 注砒) f 的研究。中国科学院广州能源研究所固体废弃物利用实验室和太原理工大学煤科 学与技术山西省重点实验室，1 9 9 6 年两单位在国内率先开展一系列r d f 成型、热解、气 化、污染物控制等方而的研究，并联合培养了i 国f 技术领域方而的博士生。中国矿业大 学张宪生等人以经预处理后的生活垃圾和少量煤为主要原料，在室温、无粘结剂条件下， 采用不同的成型压力等工艺参数，利用对辊成型机冷压制备出了r d f ，在实验条件下，得 4 到的较优工艺参数为煤配比3 0 、成型压力1 5 m p a 。另据报道，2 0 0 1 年1 0 月，中国科学 院工程热物理研究所与日木石川岛播磨重工业公司在环境能源领域进行了技术合作，并接 受了一套对方赠送的价值6 0 0 0 万日元的r d f 生产设备，安装于北京市延庆县。我国台湾 一些学者也在研究r d f 【2 2 】。 表l l 相关研究情况( 部分) t a b l el lr e l e v a n tr e s e a r c hs i t u a t i o n s 1 3 本课题的研究目的 从相关的研究进展可以看出，现阶段r d f 的应用研究主要有两个侧重点：研究特 种燃烧设备，现在多集中在流化床和煤粉炉的研究上，这主要是因为r d f 在燃烧时释放腐 蚀性气体h c l ，对设备腐蚀严重，可采用固氯剂将氯元素固定，6 0 0 时固氯产物开始分解，产 生h c l ，温度越高，分解程度越大，流化床锅炉燃烧温度约为8 5 0 ，层燃炉燃烧温度约为 1 2 5 0 ，因而在相同固氯剂含量的情况下，流化床锅炉的固氯效率要高于层燃炉；( 二) 将r d f 进行液化、气化。这些研究都没有把我国当前中小型企业大量使用的层燃炉考虑在内，如 果r d f 可以较好的在层燃炉中燃用，我国广大的中小型企业可以在不改动或少改动燃烧 设备的情况下使用l m f ，减少了使用成本，这无疑对我国的r d f 推广使用起到巨大的推 动作用。同时，应用于层燃炉的r d f 有以下优点： ( 1 ) r d f 尺寸均匀，孑l 隙率高，能强化燃烧，灰渣含碳量明显减少； ( 2 ) r d f 有较好的热变形特性，确保其能完全烧透； ( 3 ) r d f 燃烧时，飞灰和漏煤量大为减少，能减轻污染，节约能源； ( 4 ) r d f 可以有较合适的焦结特性，以满足层燃的要求； ( 5 ) r d f 可以获得较高的灰熔融性，使其燃烧时不结渣，也有利于提高炉膛内的温 度； 5 ( 6 ) r d f 含硫量低，可以降低s 0 2 的排放，有利于环保； ( 7 ) 扩大了r d f 的应用面，有利于r d f 的推广。 可见，相对于我国来讲，l m f 在层燃炉中推广使用具有重大的意义，本课题希望通 过试验研究r d f 在模拟层燃炉燃烧条件下的燃用情况，研究各因素对i f 固氯效率的影 响，分析其在层燃炉使用的可行性，为i f 的制备( 主要包括固氯剂的添加量) 提供理 论数据；通过对r d f 高温条件下的燃烧特性的研究，可以进一步分析r d f 的燃烧机理， 得出r d f 的燃烧速度控制因素，为燃用r d f 工业锅炉的优化运行及燃烧控制技术提供可 靠的技术参数。 1 4 本课题研究的主要内容及意义 美国a m e s 公司曾做过r d f 的工业性燃烧试验，包括将r d f 在层燃炉中的使用，试验 结束后发现在r d f 在层燃炉中燃烧时，尾气中酸性气体h c l 的含量显著增加，对设备腐蚀 极为严重。目前，r d f 的燃烧研究中，燃烧设备大多是流化床这种特种锅炉，而可以在层 燃炉中燃烧的r d f 的研究尚未见报道。在我国，中小型的层燃炉，无论是数量还是总吨位， 都占有相当大的比重，同时有其适应面广，灵活性强的优点，即在我国中小型的层燃炉是 非常普遍的。倘若r d f 可在层燃炉中较好的使用，用户在使用r d f 时可以减少燃烧设备的 投资，具有十分重大的意义。 本文主要研究r d f 的固硫特性及燃烧特性，进行i m f 固氯特性的试验及研究，分析在层 燃炉燃烧条件下燃用r d f 的固氯情况，r d f 燃烧特性的试验及研究，分析在层燃炉中尉) f 的燃烧情况 r d f 中硫元素含量很低，但塑料中含有一定量的氯元素，燃烧时释放出酸性气体， 对燃烧设备有腐蚀，减少设备使用寿命。本文通过试验来研究r d f 燃烧时的固氯效果，改 变燃烧温度、添加剂含量等因素来设置试验，研究固氯效率的变化趋势。 燃料的燃烧特性主要是指发热量、挥发份、焦结性和灰熔点。在工业实际应用中它表 现在燃烧失重速率、挥发分逸出、着火点、最大燃烧反应速率时的温度及燃烬温度等方面， 可用t g 、d t g 、d t a 等曲线反映。 本课题旨在研究可在层燃炉中使用的r d f ，在压缩成型时添加造纸废液或c a o 用来固 氯，通过实验研究其燃烧及固氯特性。添加剂选用造纸废液在文献中也未见报道，本课题 选用其作为添加剂用来固氯，又为造纸废液的处理提供了一个新的途径。 造纸黑液来源于蒸煮制浆过程，占造纸废液污染总负荷的9 0 。碱法制浆过程中，大约 有5 0 的纤维原料物质溶解于蒸煮液中，成为造纸黑液【2 9 1 。现行黑液处理技术主要有碱回 收法、酸析法、絮凝沉淀法、生物制气法等，这些处理方法，存在一个普遍性问题是处理 不彻底，资源未充分利用，甚至存在二次污染p 0 驯。 由于燃烧i m f 时会产生h c l 等腐蚀性气体，大部分专家学者着重研究对) f 在流化床中 的燃烧情况，而本课题则从i m f 自身出发，着眼于制备r d f 时选取新的添加剂。 本课题研究的主要内容包括以下两个方面： 6 ( 1 ) 本文在r d f 的固氯特性的试验中，采用c a o 及造纸黑液作为固氯剂，分析燃烧 温度、固氯剂含量、试样含水率对固氯效率的影响。流化床锅炉的燃烧温度为8 0 0 9 0 0 ，层燃炉的燃烧温度为1 2 0 0 1 2 5 0 ，试验中温度设置为8 0 0 、9 0 0 ：1 2 0 0 、 1 2 5 0 ，目的是通过试验得出r d f 在流化床锅炉及层燃炉中燃用时的固氯效率，分析i f 在层燃炉中燃用的可行性。这部分内容主要在论文的第三章介绍。 ( 2 ) 在r d f 燃烧特性的研究中，对燃烧速率进行正交试验，分析燃烧温度、添加剂 含量、燃料尺寸对燃烧速率的影响，以及试样中不同添加剂含量对燃料发热量、灰熔点的 影响，并使用热分析天平测定垃圾各组分以及不同添加剂含量制成的r d f 燃烧过程的热 重、微商热重和差热曲线，对试样的燃烧动力学以及着火性能进行了研究。在r d f 灰熔点 的试验中，本文主要研究固氯剂种类及含量对r d f 灰熔点的影响。这部分内容主要在论文 的第四章介绍。 本文的研究意义有以下几点： ( 1 ) 将城市垃圾制成燃料加以利用，从而达到降低煤炭消耗，减少s 0 2 排放，保护环 境的目的； ( 2 ) 我国中小型企业的锅炉炉型多为层燃炉，用户可以不改动锅炉而使用r d f ，对 于r d f 的推广使用有着重大意义； ( 3 ) 为造纸黑液的利用提供了一条新的途径； ( 4 ) 为i m f 的使用提供一定的技术指导。 1 5 本课题的创新之处 ( 1 ) r d f 是一种新的能源利用技术，一方面开辟了一种新的垃圾处理途径，另一方面提供 了新的能源。 ( 2 ) 燃烧r d f 时会产生酸性气体h c l ，还伴随有其他有害气体，所以目前使用对) f 的燃烧 设备多为循环流化床，这是一种特种燃烧设备；本课题试图通过添加一定量的固氯剂，使得 该燃料在层燃炉中也可使用( 将燃料中的氯元素固定在灰渣中，尾气中只含有少量的，符合 相关标准的酸性气体) ，从更广范围实现i m f 的洁净使用。 ( 3 ) 固氯剂选用造纸黑液，为造纸黑液提供了一条新的处理途径，在处理造纸黑液时有了 更大的选择空间。 7 2 1r d f 简介 2r d f 简介及试样的制备 r d f 的概念最早由英国于1 9 8 0 年提出，后来美国、德国等西方发达国家迅速投资进 行研发并将成果应用于实践。日本政府于2 0 世纪9 0 年代初开始支持该技术的引进和研发 工作，并于9 0 年代末期推广应用。i m f 一般是指将城市垃圾经破碎、筛选出不燃物后所 得以废塑料、纸屑等可燃物为主体的废弃物或将可燃废弃物进一步粉碎、干燥成型而制得 的固体燃料。这种由城市垃圾加工而成的新型燃料被称作垃圾衍生燃料或垃圾固型燃料 ( r e f b ed e r i v e df u el ，i f ) 。 图2 1r d f 生产工艺流程示意图 f i 9 2 一lt e c h n o l o g i c a lf l o wc h a r to fr d f 表2 一l 美国a s t m 的r d f 分类3 4 l 1 a b l e 2 1r d fc l a s s i f i c a t i o no fu s a a s t m 分类内容 备注 仅仅是将普通城市生活垃圾中的大件垃 圾除去而得到的可燃固体废弃物 将城市生活垃圾中去除金属和玻璃，粗碎通过1 5 2 咖的 c o a r s e ( 粗) 筛后得到的可燃固体废弃物 r d fc r d f 将城市生活垃圾中去除金属和玻璃，粗碎通过5 0 m m 的筛f l u f f ( 绒状) 后得到的可燃固体废弃物 r d ff r d f 将城市生活垃圾中去除金属和玻璃，粗碎通过1 8 3 m m 的p o w d e r ( 粉) 筛后得到的可燃固体废弃物r d fp - i f 8 将城市生活垃圾分拣出金属和玻璃等不燃物、粉碎、干燥、d e n s e ( 密) r d f - 5 加工成型后得到的可燃固体废弃物 r d fd r d f r d f 具有防腐、无臭、便于运输，有利于环保等优点。砌) f 经过分选压制成型后含 水率一般小于l o ，热值可达4 1 0 0 k c a 冰g ，因成分不同略微有所变化，而且形状一致， 有利于提高燃烧效率，可以单独燃烧，也可以与煤、木屑等其他燃料混合燃烧，i f 可 不受场地和规模的限制而生产，生产方便，且便于运输管理。 2 2 试样的制备 垃圾随地域及季节不同而有所差异，南京市垃圾中除去不可燃烧的成分，如玻璃、 金属、砂石等，剩余成分的质量百分比见下表 表2 2 南京市垃圾各组分比重f 1 9 】 t a b l e 2 2c o m p o n e n t sp r o p o r t i o no f n 觚j i n gm s w 组分类别 平均重量份额( ) 厨余物 废纸 塑料和橡胶 废木料 纤维织物 总计 5 7 5 1 8 1 4 8 7 - 2 2 5 1 0 0 试样的制备采用模化的概念处理，即收集垃圾的各个组分，按表中的配比制备试样。 各城市的垃圾组分比重不尽相同，氯元素的含量也不尽不同，只需根据垃圾中氯元素含量的 变化调整固氯剂的添加量即可取得较理想的固氯效果。 2 2 1 原料来源 从南京林业大学学生食堂收集厨房剩余物，主要有剩菜剩饭、鸡鸭猪骨头、鱼内脏 等；从校外锁金社区垃圾箱中收集废纸、废木料、纤维织物等；各种塑料中含氯量不同， 有可能会影响固氯效率的计算、对比，为消除这种影响，试验中只选用一种塑料一聚氯乙 烯( p v c ) ，该塑料含氯量为5 6 5 8 。 造纸黑液是从蒸煮后的纸浆中提取的深褐色碱性溶液。本文选用的造纸黑液取自山 东亚太森博浆纸有限公司，该黑液的成分见表2 3 。 9 表2 3 黑液成分分析表 7 r a b l e 2 3a n a i y s i so fc o m p o s i t i o ni np a p e 加a k i n gb l a c kl i q u i d 2 2 2 试样的压制 参考文献中的数据【2 3 】【3 5 】，按照广州、上海市的垃圾配比制备r d f ( 广州) 、r d f ( 上 海) 。 金余其、徐旭【3 6 】等通过试验研究发现：采用钙基固氯剂，当c a ：c l 5 时，即c a ：2 c 2 5 时，固氯效率的增加趋势将不再明显，因此，本试验中添加剂含量这一因素水平的选取上限 定为c a ：2 c l _ 2 5 ；固氯剂与氯元素完全反应时的摩尔比定为添加剂含量因素水平的选取 下限，此时c a ：2 c l = l 。 按南京市垃圾组分配比试样氯元素质量百分比为7 按c a ：2 c l 为1 、1 5 、2 、2 5 选择添加剂的质量，分别是1 0 0 9 垃圾添加c a 0 5 6 9 、8 4 9 、1 1 2 9 、1 4 9 ；造纸黑液中总 碱成分复杂，大多为钠盐，通常以n a 2 0 表示，按摩尔比n a 2 0 ：2 c l 为l 、1 5 、2 、2 5 选择添加剂的质量，分别是1 0 0 9 垃圾添加总碱4 1g 、6 3g 、8 2g 、1 0 2 5g ，折合成干燥 后的造纸黑液为3 2 9 、4 8 9 、6 4 9 、8 0 9 。 中国矿业大学张宪生f 2 5 】等人以经预处理后的生活垃圾和少量煤为主要原料，采用压 力机，在室温、无粘结剂条件下制取r d f ，得到的较优工艺参数为煤配比3 0 、成型压 力1 5 mp a 。是否添加粘结剂会影响燃料的成型压力，张宪生在试验中并未添加，本文试验中 i f 也未添加粘结剂，因此本文的的成型压力参考其结果，也选为1 5 mp a ，使用平板压力 机压制试样，压力机压力范围：0 4 0 0 m p a ：分度：5m p a ； 图2 3 试样及模具 f i 9 2 3s a m p l ea n dm o u l d 同时对r d f 进行了工业分析，由于我国还没有生物质燃料的工业分析标准，因此参 照煤的工业分析方法即g b 2 1 2 9 l 对本试验的试样进行工业分析。试验结果见表2 4 。试 验设备有： ( 1 ) s a i t o r i u sb s 2 2 4 s 电子天平。最大量程2 2 0 9 ，最小分度0 0 0 0 l g ，北京赛多利 斯仪器有限公司。 ( 2 ) d h g c 型全自动电脑干燥箱。控温范围：1 0 2 5 0 ，恒温波动值：士1 ，控温 精度：士l ，杭州蓝天化验仪器厂。 ( 3 ) 可控温马弗炉。s x f 程控器，温度范围：室温1 2 0 0 ，燃烧室尺寸： 3 0 0 枣2 0 0 木1 2 0 m l ，杭州蓝天化验仪器厂。 ( 4 ) 万能粉碎机。型号：f w 8 0 ，转速：1 0 0 0 0 r m i n ，体积：币1 3 0 2 5 0 ，刀片材料： 不锈钢。 表2 4r d f 工业分析表 t a b i e 2 4p r o x i m a t ea n a i y s i so fr d f 烟煤的固定碳约为4 0 ，挥发分约为2 5 ，由表可以看出i m f 挥发分含量比烟煤高 很多，固定碳含量要低，本文认为这是生物质燃料比煤燃烧速率快的主要原因。 为便于表述，下文中，对不同成分的r d f 进行简化称呼，具体见表2 5 。 表2 5r d f 简称及代表含义 t a b l e 2 5a b b r e v i a t i o na n dm e a n i n go fr d fi nt h i st e s t 注：如不特别指出，试样所选取的垃圾配比均是指南京市垃圾典型配比。 1 2 3r d f 固氯特性研究 垃圾高温受热时产生具有腐蚀性的氯化氢气体( h c l ) ，h c l 不仅排放到大气中可形成 酸雨，而且在炉内可腐蚀金属设备。氯化腐蚀的特点是挥发性腐蚀，在氧 化性气氛下，h c l 穿过氧化层到达氧化膜金属界面上积聚，与金属元素发生反应( 式( 3 一1 ) ) ： 凡+ 2 删+ 丢d 2 专凡c f 2 ( s ) + 日：d ( 3 - 1 ) 而金属氯化物通常具有低的熔点和相当高的蒸气压，因此将连续挥发( 式( 3 2 ) ) ： 屁a 2 ( s ) j 凡d 2 ( g ) ( 3 2 ) 挥发性氯化物的扩散效应使氧化膜金属界面出现大量的裂纹和空洞，使得设备寿命大大 降低。 h c l 气体在温度超过3 0 0 时，对金属的气相腐蚀速度加快【3 刀，各国研究者正致力于 h c l 产生机理及除去h c l 的方法的研究。本文通过试验研究当影响因素变化时r d f 固氯 效率的变化趋势，进而得出影响因素的主次顺序，即对r d f 固氯效率影响的大小，旨在为 r i ) f 的固氯提供理论依据。 3 1 固氯机理 垃圾中的氯元素主要以有机物的形式存在于塑料中，在约1 5 0 时，开始释放h c l ，在温 度高于3 0 0 时，c l _ h c l 的转化率就超过7 0 ，而且受气氛影响很小。 郭小汾等人研究发现垃圾燃烧开始释放的h c l 是塑料燃烧所为，塑料燃烧过程的第 一阶段为脱氯阶段j 。 与煤的脱硫方法类似，r d f 的脱氯也可以分为燃烧前脱氯，燃烧中脱氯( 固氯) 和 燃烧后脱氯。燃烧前脱氯是指将) f 进行酸洗脱氯；燃烧中脱氯适合于流化床燃烧以及 r d f 型块燃料的燃烧( 本文是在r d f 成型时加入固氯剂，属于燃烧中脱氯) ：用碱性溶 液将尾部烟气中的h c l 吸收属于燃烧后脱氯。 3 1 2 钙化物固氯机理 垃圾中的氯元素在高温高温受热时绝大部分转化为h c l ，钙化物与h c l 发生酸碱中 和反应，该反应为放热反应，反应热为一2 6 1 9 4 l ( j i n o l 【3 9 1 。 国( d h ) 2 一白d + 日2 0国d + 2 删专劬a 2 + 日2 d c a c 0 3 专c n o + c 0 2 c n o 七2 h c lj c q c l 2 + h p 添加在燃料中的c a o 与h c l 反应后，氯元素以c a c l 2 的形式存在于灰渣中，达到了 固氯的目的。 3 1 3 钠盐固氯机理 钠盐与h c l 发生酸碱中和反应，该反应为放热反应，反应热为一7 8 6 6 3 砌恤o l 【3 9 1 。 n a 2 c q + 2 日a 专2 a + 必d + c d 2 n q o h + h c t 专n 犯l + h 2 0 添加在燃料中的碱性钠盐与h c l 反应后，氯元素以c a c l 2 的形式存在于灰渣中，达到 了固氯的目的。 3 2 固氯实验 3 2 1 实验仪器及方法 实验工作在马弗炉中进行。电炉的温度在0 1 2 0 0 范围内可调，实验要求在某一温度 t 下燃烧时，把电炉温度定在t 士5 ，当温度达到设定温度范围内时，把置于坩埚中的 r d f 放入电炉中燃烧，直至燃烧完全。燃烧前对i f 样品进行氯元素分析，称量并记录 样品的质量，计算出样品中氯元素的质量。燃烧后称灰的重量，配制成溶液，并用氯离子 选择性电极测量氯元素的浓度( 并非氯离子浓度，该电极可以测量包括次氯酸根离子在内 的所有离子状态下的氯元素浓度) ，进而计算出灰分中氯元素的质量。 f 样品 图3 一lr d f 固氯特性研究装置 f i 驴- ls o l i dc h l o r i n ec h a r a