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浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：；稳励 日期：沙口年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酣。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：2 d f 口年6 月日 a 期：谚萨6 其，日r， 忧 厶 掣以 名名签签 者师 作导 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 摘要 近年来由于经济的高速增长，传统的填埋方法已适应不了越来越 快的垃圾产生速度，不少城市的垃圾填埋厂已经达到饱和，而发达国 家使用较早的焚烧法目前也己出现弊端，在我国的推广遭到质疑。垃 圾衍生燃料技术不仅可以解决垃圾填埋过程中的场地短缺和渗滤液 问题，还可以有效减少垃圾焚烧过程中产生的二次污染。 本文以杭州市生活垃圾为原料，采用砌) f 一5 制备系统，将其制 成致密、柱状的垃圾衍生燃料( r d f ) 。对i f 燃烧过程中氯的释放 及脱除做了研究，测定出r d f 中含有的氯以及氯的释放随温度变化 的关系，并研究了固氯剂氧化钙的添加对燃烧过程中氯的脱除效果。 分析表明r d f 样品中含有的氯多为无机氯，且氯的释放率基本上随 燃烧温度的升高而增大。氧化钙的添加可以达到脱除p v c 中氯的效 果，且最佳钙氯比为3 ；通过对不同比例木屑、煤的添加对i m f 热 重特性的影响研究，得出添加木屑可增大挥发分含量，减少灰分的结 论，同时由于木屑本身比较松软，木屑的添加有助于成型时将砌) f 分段，并使得i f 颗粒样品孔隙率增大，有助于提高燃烧性能；添 加煤可使r d f 燃烬时间增长，且随着煤添加比例的增大，固定碳燃 烧更剧烈。 关键词：生活垃圾，垃圾衍生燃料，i m f ，燃烧 浙江工业大学硕士学位论文 t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t l c so f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e sd e r i v e df u e l a b s t r a c t w i t ht 1 1 er a p i de c o n o m i cg r o w t hi nr e c e my e a r s ，t h et r a d i t i o n a l l a u l d f i l lm e t h o dc a nn ol o n g e rm e e tt h ef a s tg r o 、v mo fm u n i c i p a ls o l i d w a s t e si nm a n yc i t i e s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ei n c i n e r a t i o nm e t h o dt ot r e a t m u n i c i p a ls o l i dw a s t e su s e db yt h ed e v e l o p e dc o u 枷e sh a sa l s o a s s o c i a t e dw i t hn e wd e f e c t s t h e r e f o r e ，t h ep r o m o t i o no ft h e s em e t h o d s i no u rc o u n t l 了a r eq u e s t i o n e d t h er e m s e d e r i v e d 如e lt e c h n o l o g yn o t o n l yc a ns o l v et 1 1 es h o r t a g e sa n dl e a c h a t ep r o b l e m si nt h ep r o c e s so f l a n d f i l l ，b u ta l s oe f r e c t i v e l yr e d u c et h es e c o n d a 巧p o l l u t i o ng e n e r a t e d d u r i n gi n c i n e r a t i o no fw a s t e s s o l i dw a s t e so fh a n g z h o u ，a sr a wm a t e r i a l s ，w e r em a d ei n t o c o m p a c t r e 如s e d e r i v e d m e l s ，s h 印e dw i t h p o d e t i u m ，b y r d f 一5 p r e p a r a t i o ns y s t e m t h ep r e s e n tr e s e a r c hw a sb a s e do nr e l e a s ea 1 1 d r e m o v i n go fc h l o r i n ed u r i n gc o m b u s t i o no fr d f w i t hm ec h l o r i n e c o n t e n ti nr d fm e a s u r e d ，i t sv a r i a t i o nr e l a t i o n s h i pw i t ht e m p e r a t u r e f o u n d ，a n dt h ee 饪e c to fc a l c i u mo x i d ea d d e da sd e c h l o r i n a t i n ga g e n t s t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec h l o r i n ee l e m e n tc o n t a i n e di nr d f 浙江工业大学硕士学位论文i l m a m l ye x l s t e da sl n o r g a n l cc n l o n n e 1n er e l e a s er a t eo 士c h l o n n er o s ea s 1甲1 t e m p e r a t u r er i s i n gd u r i n gc o m b u s t i o n i tl e dt od e c h l o r i n a t i o no fp v c t o a d dc a l c i u mo x i d ei n t oi 之d f w i t l lt 1 1 eb e s tr a t i om r e e r e s e a r c ho nt 1 1 e i n f l u e n c eo f a d d i n g s a w d u s ta 1 1 dc o a lo nt h e t h e m o g r a v i m e t r i c c h a r a c t e r i s t i co fi m fs h o w e dt h a ta d d i n go fs a w d u s tc o u l di n c r e a s e v o l a t i l ec o n t e n ta n dd e c r e a s ea s hc o n t e n t i na d d i t i o n ，d u et oi t ss o r p r o p e r t y ；a d d i n go fs a w d u s tw a su s e m lf o rd i v i d i n gr d fi n t os e c t i o n s a n di n c r e a s i n gp o r o s i 哆o fi ff o rm e p u 印o s eo fr a i s i n gi t sc o m b u s t i o n p r o p e n i e s a d d i n go fc o a le x t e n d e dt h eb u m - o u tt i m e a n dt h em o r e p r o p o r t i o no fc o a l ，t h em o r es e v e r et h ec o m b u s t i o np r o c e s sw a s k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e s ，r e 如s e d e r i v e d 如e l ，砌) f ， c o m b u s t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 l u 第一章 1 1 1 2 第二章 2 1 2 2 第三章 3 1 3 2 3 - 3 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 第五章 5 1 5 4 加热方式对r d f 燃烧特性的影响4 1 5 4 1 实验条件与方法4 1 5 4 2 实验结果及分析4 2 5 5 砌) f 形状改变对其燃烧特性的影响4 4 5 5 1 实验样品及方法4 4 5 5 2 实验结果及分析4 4 5 6小结4 6 第六章结论与展望4 8 6 1 结论4 8 6 2 建议与展望4 9 6 2 1 建议4 9 6 2 2 展望一4 9 参考文献5l 浙江工业大学硕士学位论文 h 符号 r d f a s t m m s w l 9 ( 3 4 ) p v c p c d d s p c d f s t g a f t - i r x r d 符号说明 意义 垃圾衍生燃料 美国材料试验学会 城市固体废弃物 四因素三水平正交表 聚氯乙烯 二噫英 呋喃 热重分析方法 傅立叶变换红外光谱仪 x 射线衍射 浙江工业大学硕士学位论文i l i 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 为缓解城市垃圾的污染问题，世界各国都在致力于城市生活垃圾综合处理与 利用的研究，并取得了一些成功经验。垃圾焚烧技术能很好的达到垃圾减容、减 量的目的，并可将其产生的能量用于发电。因此，垃圾焚烧技术在工业发达国家 得到研究及应用。但是垃圾在焚烧处理过程中存在着易腐败、恶臭及难以运输、 贮藏等问题。且由于垃圾中常含有聚氯乙烯塑料和食盐以及其它含氯化合物，在 垃圾高温受热时产生具有腐蚀性的氯化氢气体，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，还易与苯环类物质反应产生二嗯英。日本等发 达国家正逐渐废弃的焚烧法正纳入我们城市生活垃圾处理方法的首选项，北京、 上海等地陆续建造了大型垃圾焚烧发电厂，近日广州预建造垃圾焚烧发电厂却引 来网友热议，不少人质疑它的安全性。众所周知，垃圾焚烧虽然会使垃圾减量化， 然而燃烧过程中会对大气产生污染，控制不好就会产生二嗯英、四氢呋喃等高致 癌物质。 r d f 技术可有效解决垃圾焚烧过程中的恶臭、运输及贮藏等问题，由于固 氯剂等添加剂的加入也大大减轻了h c l 的二次污染、腐蚀等问题，该技术在工 业发达国家已得到工业化应用，我国由于起步较晚，还处在研究阶段。本课题将 进一步对i m f 的燃烧特性进行解析，旨在将燃烧中的二次污染降到最低并达到 垃圾减量化的目的。 1 2 研究内容及意义 1 2 1 研究内容 本文以杭州市生活垃圾为原料，并加入添加剂，采用r d f 5 制备系统，将 其压制成致密、柱状的垃圾衍生燃料( i m f ) 。对此r d f 本文做了以下研究： ( 1 ) 对r d f 燃烧过程中氯的释放及脱除做了研究，测定出r d f 中含有的 氯以及氯的释放随温度变化的关系，并通过实验研究分析了固氯剂氧化钙的添加 浙江工业大学硕士学位论文 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 对燃烧过程中氯的脱除效果； ( 2 ) 分别采用热重、红外、气相分析方法对i m f 热分解气相产物及灰分作 了测定，系统地分析了l m f 在空气和氮气气氛下的热分解特性，并采用x 射线 衍射法对l m f 燃烧灰分作了检测分析； ( 3 ) 通过对不同比例木屑、煤的添加对r d f 热重特性的影响研究，分析了 木屑、煤对改善r d f 燃烧特性的贡献； ( 4 ) 通过对开槽前后r d f 燃烧过程中释放的主要气态产物的红外光谱分 析，研究了r d f 形状改变对其燃烧特性的影响。 1 2 2 研究目的和意义 本课题研究的目的就是通过研究各种添加剂的加入及形状的改变对r d f 燃 烧特性的影响来提高r d f 作为燃料使用的可行性及实用性。 该研究不仅可改善城市生活垃圾焚烧处理过程中处理成本高、易产生二嗯英 等有害气体等缺点，而且还可使l m f 作为与煤等相匹敌的燃料，解决我国能源 短缺的目的，还可达到商业化的用途。具有良好的环境效益、经济效益和社会效 益。 浙江工业大学硕士学位论文 2 量约为4 5 0 亿吨。西方工业发达国家大致以每年2 5 的速率增长，日本平均 每人每日垃圾抛弃量近1 0 年增加一倍【1 1 。据中科院国情级的研究【2 1 中，我国历年 积存垃圾已高达6 0 8 亿吨，全国人均垃圾制造量5 6 3 吨。目前，我国每年产生 的城市生活垃圾量占全世界垃圾总量的2 7 5 ，而年增长率为8 1 1 5 ，超过欧 美6 l o 的增长速度。预计到2 0 1 0 年，年产生量将达2 5 1 0 8 5 5 1 0 8t ， 紧随美国之后排第2 位【引。据报道【4 1 ，我国4 0 0 多个城市中，至少有2 3 的城市 陷入垃圾的重重包围之中。世界上很多国家都面临着这样的困境【5 j ，美国政府规 定的垃圾倾倒地2 3 已达饱和，1 3 只能维持几年，不少城市找不到合适的垃圾 堆放点。在韩国汉城，3 0 0 万平方米的兰芝岛垃圾堆放场的垃圾已高出地面3 0 米。处理城市生活垃圾，实现无害化、减量化和再资源化，消除城市生活垃圾的 污染已成为我国必须解决的重大问题。 我国大部分垃圾目前都采用填埋的处理方式，对环境的影响很大，由垃圾堆 放产生的污染事件时有发生。我国每年都有固体废弃物污染事件发生，仅1 9 9 7 年就有5 5 起，随之引发的环境纠纷案件也屡见不鲜。 垃圾堆放给自然环境带来的巨大危害，主要表现在以下几个方面嘲： ( 1 ) 对空气的污染：垃圾堆放场产生的恶臭，严重影响着周围空气的质量， 浙江工业大学硕士学位论文 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 尤其是夏天，臭气熏天，还会引来蚊虫。另外，垃圾在其堆放过程中，由于化学、 生物作用，产生了大量的h 2 s 、c h 4 等气体，同样对空气产生二次污染。 ( 2 ) 对地表水的污染：在运输的过程中，会有少量垃圾洒落在周围的池塘、 水沟及地面，直接污染了地表水。另外，垃圾场产生的污染物也会通过地面径流 进入附近的地表水体，地下的污染物也有可能通过土壤层的渗透进入地表水体， 造成对地表水的间接污染。 ( 3 ) 对地下水的污染：垃圾最严重的危害还是对地下水的污染。由于雨水 的淋滤和垃圾本身含有的水分溶解了垃圾中的许多有害成分，和大量病菌一起向 地下转移，势必造成周围地下水的污染。随着时间的延续，它对地下水的污染也 越来越严重。 ( 4 ) 对土壤的污染：垃圾堆放对土壤造成的污染主要是随着垃圾淋滤液渗 入土层中，与土壤发生一系列的化学、生物作用，将有毒有害物质留在土壤中。 虽然有部分污染物能降解掉，但仍有一部分滞留在土壤中，污染土壤，降低土壤 肥力。 此外，垃圾堆放及填埋对环境造成的污染还会通过食物链进入动植物和人的 体内，对人体健康造成极大影响。 2 1 2 城市生活垃圾的处理现状 目前，我国城市生活垃圾的处理技术主要包括填埋、堆肥和焚烧。其中，填 埋约占全部处置总量的7 0 以上，堆肥约占2 0 以上，焚烧量甚微【3 1 。 ( 1 ) 填埋 卫生填埋是“利用工程手段，采取有效技术措施，防止渗滤液及有害气体对 水体和大气的污染，并将垃圾压实至最小，填埋占地面积也最小。在每天操作结 束或每隔一定时间用土覆盖，使整个过程对公共卫生安全及环境污染均无害的一 种土地处理垃圾方法 【7 1 。现在的卫生填埋场一般包括填埋系统、淋滤液回收系 统、废物处理系统等一系列设施，基本把污染控制在填埋场内。美国9 0 的垃圾 用卫生填埋法处理，日本有3 7 1 的垃圾采用卫生填埋处置【6 1 。该方法具有处理 量大、操作方便简单、处理费用低及适应性强等优点，作为大量消纳城市生活垃 圾的最有效也是最终的处理方法，在我国城市生活垃圾处理中一直占最主要的位 置。 浙江工业大学硕士学位论文 4 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 ( 2 ) 堆肥 堆肥法处理生活垃圾是指利用微生物的生化作用，在人工控制条件下，将生 活垃圾中的有机质分解、腐熟、转换成稳定的类似腐殖质土的方法。它具有成本 小、操作简单、实现废弃物资源化的优点。但是，由于堆肥机械设备技术水平较 低，难以保证设备正常、稳定运行；进入堆肥系统的垃圾没有进行分类和细分选， 堆肥产品肥效不高，杂质较多，垃圾中的不可降解成分也还需要做进一步的处理。 ( 3 ) 焚烧 焚烧是一种高温热处理技术，即以一定量的过剩空气与被处理的有机废物在 焚烧炉内进行氧化燃烧反应，废物中的有害有毒物质在8 0 0 1 2 0 0 的高温下 氧化、热解而被破坏【8 】。垃圾焚烧产生的高温燃料气可作为热能回收利用，性质 稳定的残渣可直接填埋处理。经过焚烧处理后，垃圾中的细菌、病毒能被彻底消 灭，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经过处理达标后排放，而且 固体废物经过焚烧，一般体积会减少8 0 9 0 ，减容效果好，可节约大量土 地资源。可见，焚烧处理是实现垃圾无害化、减量化和资源化的最有效途径之一 【9 1 o 焚烧法虽然处理效率高，但垃圾含水率高、热值低，需添加优质燃料助燃，因 此费用高；同时，含有二嗯英和重金属的飞灰处理困难，虽然采用先进而复杂 的净化系统，但烟气中仍含有微量二噫英，排入大气污染环境；此外，完全的焚 烧未能使垃圾得到最大资源化。填埋法处理量大，方便简单，且处理成本低，但 占地面积太大，且多年以后难保不对地下水造成污染。堆肥虽然是个好方法，但 处理时间长，占地面积也比较大。鉴于常规的垃圾处理方法存在这些问题，各国 学者开始寻找更好的垃圾处理和利用方法，垃圾衍生燃料技术由此诞生并成为固 废能源领域新的生长点。 2 2 垃圾燃烧过程中氯化氢的危害及脱除 2 2 1 垃圾燃烧过程中产物h c l 的来源及危害 随着城市化进程的加快，城市生活垃圾产生量越来越大，传统的填埋法由于 占地面积大，在发达国家已经很少使用，取而代之的是焚烧法，因为它能够最大 限度地实现城市生活垃圾的减量化、无害化、资源化。截至2 0 0 6 年底我国己建 浙江工业大学硕士学位论文 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 成垃圾焚烧厂6 9 座，近期还将有大量在建及拟建垃圾焚烧发电厂。虽然焚烧解 决了垃圾处理中的很多难题，但同时也存在一定的弊端，其中最大的弊端就是焚 烧时产生的h c l 带来的一系列问题。 因垃圾中含有氯元素，包括有机氯( 主要是p v c 类物质) 和无机氯( 主要 是无机氯化物) f l o 】。无机氯在低温时较稳定，在高温时( 1 0 0 0 以上) 与垃圾 中的s i 0 2 、a 1 2 0 3 、h 2 0 等反应以h c l 形式放出【1 1 1 。有研究表明，含n a c l 成分 o 6 9 5 的垃圾，可以等价于含c l 成分0 4 2 的煤，在焚烧过程中有可能产生h c l 、 p c d d s 、p c d f s 等含氯有害物质【1 2 1 。在充分燃烧的情况下，p v c 类物质中的氯 可以全部转化为h c l 【1 3 1 4 1 ，氯化氢的产生是有机物氧化的结果【1 0 1 。h c l 的生成 机理如反应( 4 1 ) 、( 4 2 ) 所示。 c 。h 。c l 。+ p 0 2 x c 0 2 个+ y c o 个+ 别h 2 0 个+ w h c l 个 ( 4 1 ) 2 n a c l ( g ) + s 0 2 ( g ) + 0 5 0 2 + h 2 0 ( g ) n a 2 s 0 4 ( s ) + h c l ( g ) ( 4 2 ) 4 h c l + 0 2 付2 h 2 0 + 2 c 1 2 ( d e a c o n 反应)( 4 - 3 ) c 6 h 5 0 h + c 1 2 专氯酚 ( 4 4 ) 氯酚缩合专p c d d s 和p c d f s( 4 5 ) 焚烧时产生的h c l 不仅直接影响焚烧炉的寿命，还会对人体产生严重危害， 如腐蚀皮肤和粘膜，致使声音嘶哑，鼻粘膜溃疡，眼角膜浑浊等【1 5 1 ，焚烧过程 中产生的氯化氢还可能与苯环类物质发生一系列反应产生高致癌性的含氯有机 物p c d d f s l l6 1 ，有不少学者认为h c l 为二噫英的前驱物1 7 - 1 引，即h c l 在一定条 件下反应会生成二噫英( 反应( 4 3 ) ( 4 5 ) ) ，( 因h c l 与c 1 2 之间可相互转化 ( 反应( 4 3 ) ) ，故也有研究者认为c 1 2 是二嗯英的前驱物【1 6 】) 。 对垃圾焚烧过程中二噫英类物质生成机理的研究还处在发展阶段，目前为止 还没有一套系统、完整的理论能很好的解释和被普遍认可，垃圾中的氯含量对 p c d d f s 的生成量的影响还没有一致的结谢1 2 1 。 2 2 2p v c 热分解h c l 产生机理 p v c 的焚烧是一个分解燃烧过程，p v c 进入反应皿后，首先在较低温度区 ( 2 0 0 3 5 0 ) 发生侧基消除反应，生成h c l 和共轭双键的聚多烯烃，随着 温度逐渐提高，聚多烯烃在有氧气氛下发生无规降解，生成焦油和小分子气态烃， 浙江工k 大学硕士学位论文6 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 这些热解产物再迅速与周围的0 2 进行扩散燃烧i l 刿。所以，h c l 的生成主要完成 于低温度区( 2 0 0 3 5 0 ) ，温度从7 0 0 升高到9 0 0 ，c l h c l 的转化率 变化较为平缓，但温度升高会加快p v c 热解速率，进而使热解过程进行的更为 彻底，则c l h c l 的转化率相应也有所提耐博j 。 p v c 热解分两个阶段。热解的第一阶段p v c 分子中c c l 键应先于c c 键 和c h 键断裂，因为c c l 键的键能为3 2 6 k j m o l ，而c c 键和c h 键的键能分 别为4 3 5k j m o l 和3 4 7k j m o l ，当c c l 键断裂后则可认为c 原子表现为失电子 或自由基状态，从而影响与c 原子相连的h 原子易脱除，脱除的h 原子迅速与 c l 相结合生成h c l ，h c l 之间的键能为4 3 1 k j m o l ，它比其它元素或基团与氯相 连的键能要大得多，这也是热解产物绝大多数是h c l 形式的氯化物的主要原因。 失去氯原子后p v c 就剩下碳碳直链结构，由于其断裂属于随机断裂( 无规 降解) ，所以第二阶段的产物也较复杂，可能有小分子的烷烃，也有可能产生环 烃结构的物质，从p v c 热解失重的第二阶段逸出气体的红外图谱可以检测到不 同的烃类物质，如甲烷，庚烯，环辛烯，正己烷等，可见其热解产物较为复杂， 且与升温速率有关。因此，可以判定热解第二阶段属于随机断裂( 无规降解) ， 因而在不同的升温速率、不同温度下的热量变化以及失重速率等均是随机的，这 可能是不同学者在对p v c 作热解动力学研究时得到的第一阶段活化能和反应常 数等能很好统一，而在第二阶段的数据各不相同的主要原因之一【2 们。 2 2 3 钙基化合物的固氯机理 为降低燃料燃烧生成的h c l 的量，降低其危害，必须对燃料中的氯进行脱 除。脱氯技术分为烟气脱氯和燃烧固氯。烟气脱氯是指在除尘器前的烟道中利用 碱液淋洗或喷射固氯剂等除掉h c l ；燃烧脱氯则是指预先在垃圾燃料或床料中掺 入固氯剂或者向燃烧室中喷加固氯剂从而实现燃烧过程中脱除h c l 。燃烧固氯的 优势表现在：无论对流化床、炉排、还是回转窑垃圾焚烧系统，只需在床料或燃 料中直接添加固氯剂，无需烟气脱氯庞大的设备投资和运行费用；可以有效地遏 制焚烧炉内氯源和垃圾有机成分生成p c d d f s 前驱物的高温气相反应【2 1 1 。 燃烧过程中脱氯和烟气脱氯反应过程不同在于燃烧区温度较高，吸收剂一般 先进行自身煅烧反应生成多孔状的c a o 或m g o ，而c a o ( m g o ) 再与烟气中的 h c l 发生气一固反应，使氯以c a c l 2 的形式留存在灰渣中【1 8 】，各反应历程的化学 浙江工业大学硕士学位论文 7 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 方程式表示如式( 4 6 ) ( 4 9 ) ： c a c 0 3 c a o + c 0 2 ( 4 - 6 ) c a ( 0 h ) 2 c a o + h 2 0 ( 4 7 ) c a o + 2 h c l 营c a c l 2 + h 2 0 ( 4 - 8 ) m g o + 2 h c l m g c l 2 + h 2 0 ( 4 9 ) 常用的固氯剂有c a c 0 3 、c “0 h ) 2 、c a o 等钙基固氯剂以及m g ( o h ) 2 、c a c 0 3 、 n a o h 等碱性化合物，相关研究表明，各种固氯剂中钙基化合物对氯的脱除效果 最好。 2 3 垃圾衍生燃料技术 2 3 1 垃圾衍生燃料的组成和分类 垃圾衍生燃料( r e m s ed e r i v e df u e l ，简称r d 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。 目前r d f 的分类【2 2 】基本上是按照美国a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n g a i l dm a t e r i a l s ) 对r d f 所做的分类定义，分类标准见表2 1 ，各个国家研究的r d f 具体内容是不同的。美国一般研究的是i m f 一3 以上的物质，欧洲等国则以i m f 5 为主要研究对象，日本国内通常所说的i f 即指i m f 5 。 表2 1美国a s t m 的r d f 分类 浙江工业大学硕士学位论文 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 随着人民生活水平的提高，城市生活垃圾中的有机物含量及垃圾的热值进一 步增加，使l m f 5 技术具有广阔的应用前景。r d f 5 是将垃圾经不同处理程序制 成燃料的技术，即将生活垃圾破碎、分拣、干燥、添加助剂，挤压成型等处理过 程，制成固体形态燃料。其特点是大小均匀、所含热值均匀( 约为标煤热值的2 3 ， 在4 5 0 0 k c a l l ( g 5 0 0 0 k c 舭g ) ，易运输及储备，在常温下可储存6 1 2 个月，且 不会腐坏。可以临时将一部分垃圾存贮起来，以解决锅炉停运或者因旺季而导致 垃圾产出高峰时期的处置能力问题。这种燃料可以作为主要原料单独燃烧，亦可 根据锅炉工艺要求，与煤、燃油混烧。 2 3 2 垃圾衍生燃料的性质 i f 具有以下特性【2 2 五3 1 。 ( 1 ) 运营性：不受规模和场地的限制，生产方便，由于是固体，提取容易， 可用一般的运输车辆运输； ( 2 ) 贮存性：由于是干燥物，含水率低，且由于在制造过程中加入钙基化 合物等添加剂，具有较好的防腐性，在室内保存1 年不会发生垃圾的特异臭味， 而且不会吸湿而粉碎，可长期贮存； ( 3 ) 燃烧性：由于形状和性状均一，可保持一定的燃烧性能，低位发热量 稳定，可望提高热效率，可单独燃烧，也可与煤、木屑等混合燃烧； ( 4 ) 环保特性：由于含氯塑料只占其中的一部分，加入钙基化合物添加剂 后可在炉内进行脱氯，抑制h c l 等气体的产生，有效降低二噫英等污染物排放量， 发生的气体稳定，容易定出排气处理对策； ( 5 ) 利用性：作为燃料使用虽不如油、气方便，但和低质煤类似，且燃烧 灰分也可作为水泥原料； ( 6 ) 残渣特性：r d f 制造过程中产生的不燃物少，约占1 8 ，仅需适 浙江工_ k 大学硕士学位论文9 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 当处理即可；燃后残渣约占8 2 5 ，比焚化炉少，且干净，易利用； ( 7 ) 改善居住环境：由于实施可燃垃圾的再循环，可有效利用垃圾所持有 的能量，推进再循环及有效进行垃圾处理。 表2 2 垃圾衍生燃料i m f - 5 与原生垃圾比较表2 4 1 具有如下缺点：与石油或城市煤气相比，有提取难的问题( 必须要有搬运装 置，载重卡车等) ；燃烧时发生残留物质问题( 由于使用的炉不同，残渣发生量 也不同，有必要进行残渣的处理) ；必须有专烧锅炉。 表2 2 为与原生垃圾相比垃圾衍生燃料各方面的性质。表2 3 为l m f 系统与掩 埋系统、焚化系统的比较。从这两个表可以看出，i m f 在物理性能、热值、应用 等方面都具有优于原生垃圾的特性，r d f 系统在能源利用、污染防治、灰烬处理 及费用等方面对比焚化系统都表现出巨大的优势。 表2 - 3 掩埋系统、焚化系统与r d f 系统比较嗍 浙江工业大学硕士学位论文1 0 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 2 3 3 垃圾衍生燃料的制造工艺 城市生活垃圾衍生燃料的制备工艺一般有散装r d f 制备工艺、干操成型 i f 制备工艺和化学处理的i m f 制备工艺f 2 2 ，2 6 1 。 ( 1 ) 散装r d f 制备工艺 散装i m f 是由美国研发的，目前主要在美国应用。其流程图见图2 1 。该工 艺非常简单。与原生活固废相比具有不含大件固废、不含非可燃物、粒度比较均 匀和利于燃烧等优点；但有不宜长期储存和长途运输，易于发酵产生沼气、c o 、 c 0 2 和恶臭，污染环境等缺点。 图2 1 散装i m f 制备工艺流程示意图 ( 2 ) 干燥成型r d f 制备工艺 干燥成型i f 制备工艺是由美国、欧洲一些国家开发的。其流程图见图2 2 。 浙江工业大学硕士学位论文 l l 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 城市生活垃圾经粉碎、分选、干燥和高压成型等加工工序后，其最终的形状 一般为圆柱状。它具有适于长期储存、长途运输、性能较稳定等优点。缺点是不 易将城市生活垃圾中的厨余除去、干燥后短时间内较稳定，长时间储存后易吸湿。 图2 2 干燥成型砌) f 制备工艺流程示意图 ( 3 ) 化学处理的r d f 制备工艺 化学处理r d f 有两种制备工艺，一种是瑞士的卡特热公司的j c a r e r l 法， 另一种是日本再生管理公司的r m j 法。其制备工艺流程分别见图2 3 和图2 4 。 图2 - 3 化学处理中压i m f 制备工艺流程示意图( j c a 聆r l 法) 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 图2 4 化学处理高压助f 制备工艺流程示意图限m j 法) j c a r e d 法工艺流程的特点是先将含有厨余、不燃物的生活固废进行破碎， 然后将金属、无机不燃物分选除去，在余下的可燃生活垃圾中加入垃圾量3 5 的生石灰( c a o ) 进行化学处理，最后进行中压成型和干燥得到尺寸为巾1 0 巾 2 0 i m 2 0 8 0 n l i i l 圆柱状，其热值为1 4 6 0 0 2 1 0 0 0 k j l 噜的i f 。该法具有很多 优点：( 1 ) i m f 可长期储存不发臭，燃烧时n o x 、h c l 和s o x 的量少，并抑制了 二恶英的产生；( 2 ) i m f 成型时不需高压设备；( 3 ) 压缩成型机的容量降低，动力 消耗下降，运行费用低；( 4 ) 干燥机内塑料等不会熔融或燃烧，干燥机可小型化， 设备投资少。j c a r e r l 法在日本札幌市和小山町等地分别建成处理能力2 0 m 和 1 5 m 的i m f 加工厂。 r m j 法与j c a r e r l 法工艺流程大致相同，优点也差不多。r m j 法是先干燥， 再加入消石灰添加剂，加入量约为固废的1 0 ，再进行高压成型；j c a r e r l 法是 先在固废含湿的状态下加入生石灰，再进行中压成型和干燥。鼢m 法目前在日 本的资贺县和富山县分别建成生产能力为3 3 t l l 和4 t l l 的i m f 加工厂。 第一种工艺流程简单，主要是除去了原生垃圾中的不可燃物，i f 颗粒粗 糙。后两种工艺主要应用在日本和欧洲，其工艺的主要区别是干燥程序在r d f 加入添加剂之前还是在成型后。 2 - 3 4 垃圾衍生燃料的技术进展与应用 近几年来有关) f 的基础研究，各国学者做了许多工作。芬兰和日本的科 学家就r d f 的燃烧特性、燃烧时温度分布、气体成分变化等方面做了大量研究。 意大利学者则对i m f 在固定床反应器内热解行为以及模型进行了探讨。比利时 浙江工业大学硕士学位论文 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 学者通过热解和焚化的研究得出了r d f 热解较焚化更为有效的结论。随着热处 理技术日益工业化，有关废物及r d f 燃烧及热解后尾气处理及研究方面日益得 到国外学者的关注【6 】。 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i m f 的混烧、流化床燃烧、热解与气化燃烧，已经达 到商业化应用程度【2 7 之9 1 。 型块r d f 研究主要集中在日本、美国。美国哥伦比亚大学着重在单纯型块 i m f 与煤混合燃烧特性研究，对轮胎r d f 做过初步试验研究【3 2 1 ；日本一研究 所对型块r d f ( 单纯可燃垃圾制成) 成型、生产研究深入，可以达到中小规模商用 化【3 3 1 ；日本名古屋大学对型块i m f 生产中燃烧、腐蚀及有害气体的吸附和防止 有较多的研究【3 4 1 。 在工业发达国家，i f 被认为是城市生活垃圾资源化的最优解决方案。英 国学者对i m f 在流化床中的燃烧特性和污染物的释放规律做了研究，分析了床 温、不同气流和供料量对燃烧特性的影响以及钙基化合物对飞灰中氯的捕集作用 【3 5 1 o 希腊固体燃料科技与应用研究所对垃圾衍生燃料燃烧特性及热解动力学进 行了分析研究【3 6 1 。 在国内r d f 的研究起步较晚，也取得了一定的成果。 台湾学者比较了l m f 和城市生活垃圾在同一流化床中的燃烧特性，通过实 验证明i f 在热平衡、飞灰性质及流化气成分等几个方面都比城市生活垃圾优 越【3 7 】。 郭小汾，杨学莲，陈勇等提出了垃圾衍生燃料( i m f ) 的制备方法，研究了 不同成型条件对r d f 的物理特性及脱氯效率的影响，根据实验结果总结了制备 垃圾衍生燃料的优化工艺【3 8 】。 中国科学院工程热物理研究所的秦成等在国内第一条日产6 ti f ( 垃圾衍生 燃料) 的生产线上，采用垃圾中可燃垃圾组分进行制备) f 的可行性实验研究；对 工艺的环境影响及运行经济性进行了评价；提出了评价r d f 成型性的方法，并 研究了原料含水量、含钙量及干燥方式对r d f 成型性的影响，并采用热重分析 法对i m f 燃烧特性进行了初步研究，结果表明r d f 是一种优质燃料，热值与无 浙江工业大学硕士学位论文1 4 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 烟煤相当，可用来作替代燃料f 3 9 】。 中国矿业大学的解强、武建军等利用对辊成型的方法以城市固体废弃物 ( m s w ) 为原料采用无黏结剂冷压成型工艺制备了垃圾衍生燃料( i m f ) ，研究了掺 煤量、成型压力等工艺条件对制备的i f 冷热强度、黏结性、反应活性等工艺 性质的影响。结果表明，在r d f 制备过程中掺入煤可以起到调节r d f 热值的 作用，保证i m f 具有满意的冷热强度，提高反应活性，全面满足了贮存、运输 和用于固定床焚烧或气化时对r d f 的要求。在研究条件下，向m s w 中掺入2 0 3 0 的煤、1 5m p a 左右的成型压力是制备i f 的较优条件【柏】。 任福民，张玉磊等利用北京门头沟煤和铁路站车垃圾，在室温下采用钢模制 备出了垃圾衍生燃料。选用l9 ( 3 4 ) 正交表，以落下强度和热稳定性为评价指标， 考察了含水率、成型压力、煤配比和垃圾破碎粒度4 个主要因素和3 个水平条件 对铁路垃圾衍生燃料制备工艺的影响，得到各因素对垃圾衍生燃料( r d f ) 的热 稳定性均无显著影响的结论。试验得到的最优生产工艺参数为：成型压力5 0 m p a ，含水率2 0 ，粒径大小 1 3m m ，煤配比9 0 【4 1 1 。 垃圾衍生燃料具有热值高、燃烧稳定、易于运输、易于储存、二次污染低和 二嗯英类物质排放量低等特点，广泛应用于干燥工程、水泥制造、供热工程和发 电工程等领域。r d f 技术在国外己应用多年，目前欧美等国家主要偏重于发展 r d f 2 和i f 3 ，在欧洲已有i m f 5 的商品，而日本则是着重在r d f 5 的应用 上【4 2 】。发达国家对r d f 技术的重视，使其应用范围不断扩大，目前主要应用在 以下几个方面【2 2 】： ( 1 ) 中小公共场合。主要是指温水游泳池、体育、医院、公共浴池、老人福 利院、融化积雪等方面。 ( 2 ) 干燥工程。在特制的锅炉中燃烧l m f ，将其作为干燥和热脱臭中的热源 利用。 ( 3 ) 水泥制造。日本将r d f 的燃烧灰作为水泥制造中的原料进行利用，从 而取消r d f 的燃烧灰处理过程，降低运行费用。此技术已实现了工业化应用。 ( 4 ) 地区供热工程。在供热工程基础建设比较完备的地区，只需建设专门的 i f 燃烧锅炉就可以实现r d f 供热，投资较少。 ( 5 ) 发电工程。在火力发电厂将i m f 与煤混烧进行发电，十分经济。在特 浙江工业大学硕士学位论文 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 制的i f 燃烧锅炉中进行小型规模的燃烧发电，也得到了较快的发展。日本政 府从1 9 9 3 年开始研究r d f 燃烧发电方案，并已投资进行r d f 燃烧发电厂的建 设。 ( 6 ) 作为碳化物应用。将r d f 在空气隔绝的情况下进行热解碳化，制得的 可燃气体燃烧，作为干燥工程的热源，热解残留物即为碳化物，可作为还原剂在 炼铁高炉中替代焦炭进行利用。 虽然我国各地对技术都非常感兴趣，上海神工环保股份有限公司研制并实施 工程化应用的“城市生活垃圾综合处理成套技术中也有再生燃料生产线配置， 但主要还是处于试验和观望阶段，离大规模产业化生产还有相当大的距离【4 2 】。 浙江工业大学硕士学位论文 1 6 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 第三章实验样品的前处理及物化特性 3 1 实验样品的选取及r d f 的制备 实验原料选自杭州市丁桥垃圾处理中转站。取样方法为采集当日运送到垃圾 填埋厂的垃圾车中的垃圾，每次取两车，采用四分法取约2 0 k g 垃圾原料样品。 然后将垃圾原料通过r d f 制备系统制成直径15 i m ，长2 0 5 0 i 啪的致密 棒状r d f 样品。l m f 制备系统由破碎机、滚筒干燥器、传送带、成型机等部分 组成。图3 1 为r d f 制备系统工艺流程图。 图3 - li m f 制备系统工艺流程图 城市垃圾从加料斗加入，在传送带上实行人工分选，去除金属、石块等不可 燃物，经传送带运至破碎机进行破碎，再经二次分选、破碎，之后与由加料器加 入的添加剂混合，由传输带运送至滚筒干燥器，并通过离心通风机将热风炉内的 热风引入滚筒干燥器，在滚筒干燥器内实现垃圾与添加剂的均匀混合和干燥，经 干燥后的垃圾混合原料进入成型机，压制成致密、柱状的i m f 。 3 2 垃圾样品的物化特性 r d f 样品工业分析值的测定方法如下：首先将样品置于烘箱中，在3 7 8 士 5 k 的条件下烘约4 小时，直至质量恒定，根据失重量，计算水分含量。然后， 浙江工业大学硕士学位论文 1 7 城市生活垃圾衍生燃料燃烧特性研究 分别在1 1 7 3 k 的氮气气氛下和氧气氛下将垃圾中的可燃物加热，从而测得挥发 分、固碳成份及灰分含量。 元素分析采用的是t l l e m o f i n n i g a i l 厂家的f l a s he a l l1 2 型元素分析仪，由 于氧和硫元素的分析缺乏相应部件，仅测得碳、氢、氮三种元素的