（环境工程专业论文）火化过程中主要污染物生成研究.pdf

摘要 通过现场测试对各类材质的随葬品( 纸、纸棺、木馆、化纤、天然纤维、橡胶) 、 遗体包装物、遗体进行燃烧实验，取得各相关主要污染物的实验数据，绘制出关系 曲线进行归纳、分析、研究，找出共性的规律：研究并揭示火化过程中c 0 、s o ：、 n o x 、h 茹、n h 。等主要污染物的生成原因；确定通常情况下上述主要火化污染物的排 放园子；通过控制变化复杂的捧放因子如：燃烧温度、炉膛压力、含氧量等来寻找 出最佳的参数比，使火化过程最佳化采用燃烧化学、燃烧热力学与动力学的有关 方法原理，遵循物质不灭定律和能量守恒定律确定整体研究方案。首先完善综合模 拟试验台等实验手段和测试手段，选定有代表性的遗体、模拟随葬品和遗体包装物， 确定它们的化学组分和燃烧特性后进行理论计算；根据计算结果和实验研究，探索 火化过程中各单项污染物的生成原因、排放因子，组织试验，进行物理和化学分析 测定：控制燃烧条件，获取各项物理条件变化与主要化学反应之间的内在关系，绘 制实验曲线，总结有关变化规律。本课题属于基础理论研究范畴，取得了大量真实 可靠的数据；通过火化在线热重分析实验，揭示了遗体及随葬品的热重变化规律， 发现了人工合成化学材料的遗体包装物和随葬品是遗体火化初级阶段污染物的主 要来源，控制其总量和燃烧速度是消除污染的关键：该成果首次提出了火化过程污 染物产生的有关数据，达到国内先进水平，填补国内乃至国际空白。 关键词】火化；污染物；生成研究 a b s t r a c t t h cm a i nc o n t e n to f t l l i sr e s e a r c t lw a so b t a i n e dt h r o u g hs p o tc o m b u s t i o nt e s t so f f u n e r a r yo b j e c t s ( p a l ) e r , p a p e rc o m , w o o dc o t 5 , c h e m i c a lf i b e r , n a t u r a lf i b e r , a n d r u b b e r ) r e l i q u ew r a p p a g ea n dr e l i q u e s 1 1 坞c x p e r i m 龃t a ld a t ao f t h em a i np o l l u t a n t s w c l ea e q u i r e d ，a n dt h er e l a t i o nc u n ，e sw e d r a w nf o ri n d u c t i o na n da n a l y s i s m o l v c t , t h ca l 煳o fc l 托t i o no fc o ，s o z ，n o x h 2 5 ，n t - 1 3e r e 蝶s t u d i e d ；t h e d i s c h a r g ei n d e x e so ft l a ea b o v em a i np o l l u t a n t s 、 ，黜d e t e r m i n e d ；t h r o u g hc o e t t l o lo f t l a of a e l o r ss u e l aa sc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e h e a r t hp r 馏s u r e , o x y g e nc o n t e n d , w et r i e d t of i n do u tt h em o s ta p p r o p r i a t ep a r a m e t e rr a t i ot om a k e 删t i o np r o c e s sb e s t 1 1 托 r e s e a r e l aa d o p t e dc o m b u s t i o nc h e m i c a l ，c o m b u s t i o nt l a c r m o d y m m i e sa a dd y n a m i c s ， f o l l o w e dl a wo f e o m e r v a t i o no f m a s sa n dl a wo f c o n s e r v a t i o no f e n e r g yt od e c i d et h e w h o l er e s e a r c h p l a n f i r s t l yw e ：p e r f e c t e d t h ei m l z u m c n to ft h es i m u l a t i v e c x p c r i m e a t a lt a b l ea n dt h e t e s tm e 锄，c h o s er e p r e s e n t a t i v er e l i q u e s ，s i m u l a t i v e f u n e r a r yo b j e c t sa n dw r a p p a g eb a s e do ni n v e s t i g a t i o n , d e t e r m i n e dt h e i rc h e m i c a l c o n a l ) o s i t i o na n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb e f o r et h e o r e t i cc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt o t h ee a l e u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h , w es t u d i e dt h ec a u s co f c r e a t i o na n d d i s c h a r g ei n d e x e so fc a e l ap o l l u t a n t , a n dw ec o n t r o l l e dt h ec o m b u s t i o ne o n d i t i o d st o o b t a i nt i l ei n h e r e n tr e l a t i o nb c t w e c np h y s i c a lc o n d i t i o nc h a n g e sa n dm a i nc h e m i c a l r e a c t i o d a d r e we x o e r i m e n t a lc u r 、髑a n de o a c l u d e dr e l c v a n tr u l e s t h r o u g ho n l i n e h e a tt r a n s f e rs t u d yo fc r e m a t i o n , w cf o u n do u tt h eh e a ti r a m f e rr u l eo fr e l i q u e sa n d f u n e r a r yo b j e c t s a n dc a r r i e do u tt h ec o n c l u s i o nt h a t h cf u n e r a r yo b j e c t sm a d eo f m a n - m 础e o m p o s i t i v ec h e m i c a l 嵋i e r i a l sa i et h em a i n l t c s o u r c l eo fp o l l u t a n t sd u r i n g t h ep i i m a i yp r o c e s so fc r e m a t i o n , a n di ti sv i t a lt oc o n t r o lt h e i rq u a n t i t ya n d c o m b u s t i o ns p e e di no r d e rt oe i m a i m t ep o l l u l i o n 1 1 始r e s e a r c hf i l mb r o u g h tf o r w a r df i l er e l e v a n td a t aa b o u t 也ep o l l u t a n t so f c r e m a t i o n k e yw o r d s ：c r e m a t i o n ；p o l l u t a n t ；s t u d yo f e r e a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至边导师签名：盔兰日期：趁芝查：垡 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 殡葬，是任何国家、任何民族都不可缺少、无法回避的永久性、公益性的事 业。不同的民族风俗有着不同的殡葬方式。我国殡葬现行的方式主要有两种，即 葬和火葬。据民政部最新统计资料表明，2 0 0 4 年我国火化遗体数为4 3 7 万具， 约占5 2 5 。就土葬而言，每年有近3 7 0 万遗体被埋在地下，假如每座坟墓占地 2m 2 ，以此数据计算，那么，每年至少占用土地7 4 0 万m 2 ，并且这个数字时刻 都在增加。死人与活人争地的矛盾日益加剧j 随着殡葬改革工作的深化，国民文明意识的增强，火葬的数量逐渐增加，同 时，火葬带来了能源问题和环境污染问题。虽然近几年我国的火化机制造技术水 平有了很大的进步，但是，火化过程中能源利用率相对较低和污染环境两大关键 问题越来越突出，亟待解决 本项目通过。火化机综合模拟试验台”这一实验手段，进行一系列火化遗体 和随葬品的物化试验、各主要污染物的生成及有关规律、火化条件的最佳控制途 径的探讨研究。为开发高效、文明、安全、节能的清洁火化技术提供必要的理论 基础。 1 2 课题来源 本课题为国家高技术产业发展项目之一，国家和民政部资助专项研究经费 3 6 万元人民币 1 3 国内外文献综述 殡葬行业属于特种行业，国内的专家、学者很少涉足此领域，火化作为殡葬 行业的一个分支，相对其它行业比较，存在高技术人员少、理论基础较浅、研究 手段贫乏、起步较晚和火化过程复杂等现实问题。通过中国科学技术信息研究所 课题查新，没有检索到相关内容的研究信息，“课题查新报告”显示结果为零 北京工业大学工程硕士学位论文 1 4 相关研究领域的现状和研究进展分析 在火化过程中污染物生成研究领域，目前国内环保、卫生和殡葬行业均无人 涉足，属国内空白，在国际上也未见此方面研究的公开报道。 火化燃料的选择已从固体燃料转向更易于燃烧和控制的液体或气体燃科。各 种燃料的组成、基本的物理和化学性质早已确定。 火化对象的物理构成和化学组分相当复杂。其复杂性主要取决于各种类型的 遗体、随葬品和遗体包装物。国内外对火化对象的研究探讨的重点主要是对遗体 的消毒、防腐和整容技术，远不及对燃料本身的研究。 与火化领域相关的医疗垃圾焚烧、固体废弃物或生活垃圾焚烧技术和实际应 用的研究都取得了快速的发展。随着国民环保意识的不断增强，火化遗体过程中 所带来的环境问题近年来越来越被人们所重视 1 5 主要研究内容 研究并揭示火化废气中s o , 、l l o x 、c o 、n i t , 、t l , s 等主要污染物的生成；确定 通常条件下上述主要火化污染物的排放因子：绘制各主要污染物随温度、压力、 时间、含氧量等燃烧条件变化的实验曲线，总结有关污染变化规律；对遗体及随 葬品的热重变化规律及人体组织发热量的测定结果进行研究和探讨。 1 5 1 技术路线、技术措施 本选题采用燃烧化学、燃烧热力学与动力学的有关方法原理，遵循物质不灭 定律和能量守恒定律确定整体研究方案 首先完善综合模拟试验台等实验手段和测试手段在调研的基础上选定有代 表性的遗体、模拟随葬品和遗体包装物，确定它们的化学组分和燃烧特性后进行 理论计算。根据计算结果和实验目的拟定单项污染物生成原因、排放因子试验规 程，组织试验并同步进行物理和化学分析测定。 控制燃烧条件，开展多项且综合模拟试验，获取各项物理磊件变化与主要化 学反应之间的内在关系，绘制实验曲线，总结有关变化规律；并对实验曲线和有 关规律的可靠性、捧放因子的代表性进行验证 第1 章绪论 1 5 2 技术条件、实验条件 目前，已经收集了部分国内外有关垃圾焚烧的技术资料，查明了火化燃料的 化学组成及燃烧特性；对尸体的种类，随葬品和遗体包装物的成分进行了初步的 调研。掌握现场试验测试技术。 本题以民政部一零一研究所为依托，所内的基础设施和各种物理化学实验室 能够提供所需的理论研究和监测分析。现场试验以山东乳山殡仪馆为基地，可提 供由捡灰炉改造的火化综合试验台及足够的实验样品( 尸体、随葬品及遗体包装 物) 。 1 5 3 要解决的主要问题和技术关键 本课题要解决的主要问题是通过现场测试对各类材质的随葬品( 纸、纸棺、 木馆、化纤、天然纤维、橡胶) 、遗体包装物、遗体进行燃烧实验，取得各相关 主要污染物的实验数据，绘制出关系曲线进行归纳、分析、研究，找出共性的规 律：技术方面的关键问题是研究并揭示火化过程中s o z 、n o x 、c o 、h 2 s 、n h 3 等主要污染物的生成，确定通常情况下上述主要火化污染物的排放因子，通过控 制变化复杂的排放因子如：燃烧温度、炉膛压力、含氧量等来寻找出最佳的参数 比，使火化过程最佳化，各污染物排放达标 1 6 预期能达到的目标，可期望的创新成果 本题属于基础理论研究范畴，成果经过理论到实践的转化，可产生巨大的 经济效益和社会效益。成果应用于火化设备的生产领域，能全面提高其产品的技 术水平，避免较低水平的盲目设计。重复生产等浪费现象发生；在火化设备的应 用领域，可提高劳效、节约能源、减少污染、推进文明火化进程；成果可指导殡 葬行业引进和吸收国内外相关技术，科学地改进产品质量和性能，为制修订火化 设备产品标准、污染物排放和安全卫生等标准提供大量技术数据有利于殡葬行 业的环境监测、评价及治理等技术工作的开展，为科学管理服务。 北京工业大学工程硕士学位论文 1 7 遇到的困难及应对 火化过程实质是一个非常复杂、不确定因素很多的物理化学燃烧过程，本课 题进行中遇到各实验结果无法完全满足理论设计的要求，尤其是各排放因子的控 制和对比试验( 重现性) 的问题。在条件允许的情况下通过反复试验测试，筛选 出有规律的数据进行分析研究。 第2 章遗体及随葬品的热重变化规律研究 第2 章遗体及随葬品的热重变化规律研究 2 1 简介 人作为自然环境发展到一定历史阶段的产物，最终要回归大自然。人的生命 终止的瞬间，就发生了质变，即从宝贵的人力资源变成了污染环境的特种有毒有 害固体废弃物。殡葬行业的一切环境问题都是围绕着如何处置遗体这种固体废弃 物而产生的。 人体是一个复杂的有机体，它主要由脂肪、蛋白质等有机化合物和各种矿物 质、水等无机物质构成。这些物质大都是复杂的高分子有机化合物和多种小分子， 有些分子结构至今尚未完全弄清楚，尚需进一步地研究和探讨然丽，构成这些 物质的主要化学成分早已确定，它们是：蛋白质、脂肪、糖类、水和无机盐，其 含量参见下表2 - 1 “1 表2 1 构成人体主要化学物质的含量( 以体重6 嗽计算) t a b l e 2 1t h ec o n t e n t so fm a i nc h e u s u b s t a n c ef o r m i n gb o d y 衣物及其它随葬品的组成基本上是由棉花、羊毛、蚕丝等天然高分子化合物 及尼龙、腈纶、涤纶，氯纶、丙纶、维纶、橡胶等合成高分子化合物，皮革、纸 张及某些金属等组成上述高分子化合物分子结构都很复杂，但组成这些分子的 基本化学成分却很简单，它们的基本成分与燃料和人体的成分大体相近，并无太 多的例外。不管任何民族，不管任何尸体与随葬品如何，也不管组成这些物质的 分子结构如何，它们的基本组成元素却是大同小异，它们无非是由c 、h 、n 、s 、 0 水分和灰分等组成的。这里的灰分大都是金属无机矿物的氧化物根据数理统 北京工业大学工程硕士学位论文 计的结果，确定了人体及随葬品的化学元素的百分含量，按人体重平均为6 0 k g ， 随葬品为5 k g ，得到的统计结果。见表2 - 2 嘲 表2 - 2 火化物质的化学元素及百分含量 t a b l e 2 1t h ep e r c e n ta n dc h e fe l e m e n t so fc r e m a t i o nm a t t e r s 尸重 重量l 【g 1 0 6 0 13 9 1 41 8 0 0 1 52 1 06 0 0 0 百分比 1 s o1 0 0 6 5 2 3 0o f 33 51 0 0 。0 随葬品 重量k g 2 5 00 3 31 9 2 0 2 55 0 0 百分比 5 0 06 63 8 45 01 0 0 0 前己述及，不管人体、随葬品和燃料等物质的分子结构如何复杂，它们的基 本组成元素却很简单，基本上是由碳( c ) 、氢( h ) 、氧( o ) 、氮( n ) 、硫( s ) 、和金 属元素等组成，当燃烧湿度达到上述物质的着火点时，就会分解出可燃物质c 、 h 、s 等，与氧发生强烈氧化燃烧，并放出大量热量，不论是何种方式燃烧，基 本的燃烧反应却是相同的，火化过程中的最基本的燃烧反应为： c 十也0 0 i( 2 一】) 2 c + 仉一2 c o ( 2 2 ) 2 h 2 + 仉2 h 2 0( z 一3 ) s + g s m( 2 4 ) n + o - - - - n o + 0 】一n 0 2( 2 5 ) 2 c a + 0 p 2 c a 0 ( 2 一1 ) 4 吼+ ( 4 m + n ) 孵一4 mc o , + 2 nf ( 2 6 ) 2 2 实验部分 2 2 i 实验设备 电子热重分析仪、液压程控双尸车燃油式火化综合实验台( 灵天牌) 主要技术指标： ( 1 ) 炉体设有主燃室和再燃室，两个燃烧室都有可调式自动燃烧器。主燃室净 第2 章遗体及随葬品的热重变化规律研究 尺寸为：2 1 0 0 7 0 0 8 0 0 ( 叫) ； ( 2 ) 主燃室、再燃室、水平烟道和垂直烟道均备有满足检测要求的采样孔，主 燃室和再燃室另设口= 1 0 0 ( 珊) 的观测孔； ( 3 ) 进尸系统为液压程控的双尸车结构，保证运行平稳、定位准确、双尸车可 交替实验； ( 4 ) 移动炕面部分具有热重计量分析装置，其精确度为：o i k g ： ( 5 ) 供油系统具有油量计量仪表，显示精度为：0 i l ； ( 6 ) 两个燃烧室均有温度计量，其精度为l ； ( 7 ) 两个燃烧室均有压力计量，其精度为：l p a ； ( 8 ) 供风系统有流量可调节的分风装置，可随时提供燃烧用的底风、侧风、顶 风和再燃风； ( 9 ) 捧放系统附设采样支架、检测平台和外接电源； ( 1 0 ) 实验台炉体有防爆装置，整套设备运行安全、可靠 2 2 2 实验方法 对4 具遗体和随葬品作了熟重变化实验。遗体和随葬品进炉前设定好实验台 各工作参数，点火后每隔i m i n 测量一次遗体失重情况和燃烧室温度、压力、油 耗等状态参数。火化过程中根据遗体和随葬品焚烧情况火化工对火化机工作状态 的调节也做了记录；并同步测试各采样点火化污染物的排放情况 2 3 热重实验结果 2 3 1 遗体火化过程中的热重变化规律 各样品的实验结果见图2 1 一图2 - 6 北京工业大学工程硬士学位论文 1 2 0 1 0 0 8 0 岳 譬如 2 d 0 0 2 04 08 01 1 2 0 t i m e r a i n 圈2 1 第一具遗体火化热重曲线 f i 船一1n o 1t h ec u r v eo fw e i g i i tc h a n g eo fc r e m a t e dr e l i q u i a e 该曲线经拟合可得指数函数，= 1 1 1 3 5 e 4 4 ，相关系数厅= 0 9 9 6 2 0 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 o2 04 06 08 0 1 0 0 t i m e r a i n 图2 - 2 第二具遗体火化热重曲线 p i 9 2 2 2t h ec u r v eo fw e i g i i tc h a n g eo fc r e m a t e dr e l i q u i a e 该曲线经拟合可得指数函数y = 1 0 6 e 4 一，相关系数r = 0 9 8 5 。 1 2 0 7 0 g 2 0 | - 3 0 i i1 n9 nq n五ne nr t i m e m i n 图2 - 3 第三具遗体火化热重曲线 v i s 2 - 3n o 3t h ec u r v eo fw e i g h tc h 缸睇o fc r e m a t e dr e l i q u i a e i _9pllho鼻 该曲线经拟合可得指数函数y = 1 1 7 8 5 一，相关系数r = 0 9 9 4 。 1 2 0 1 器 焉6 0 ：4 0 蕾 2 0 o o2 04 0 6 08 0 1 0 01 2 0 t i m e m i n 图2 - 4 第四具遗体火化热重曲线 f i 9 2 - 4n o 4t h ec t t r v o fw e i 曲tc h a n g eo fc r e m a t e dr e l i q u i a e 该曲线经拟合可得指数函数y = 1 1 4 。6 2 e 1 ”，相关系数r - - 0 9 9 5 。 2 5 t i m e r a i n 图2 - 5 第一具遗体火化热重微分曲线 f i 9 2 - 5n o 1t h ed i f f e r e n t i a lc u i r v eo fw e i g h tc h a n g eo fc r e m a t e dr e l i q u i a e 1 2 0 弱 o o468 t i m e r a i n 罂2 - 6 随葬品十件套热重曲线 f i 醴- 6t 1 1 ec u r v eo fw e i g h tc l l a n g eo ft e nf u n e r a r yo b j e c t s 9 - 北京工业大学工程硕士学位论文 o o 5 一l - 1 5 t i m e m i n 图2 7 随葬品十件套热重微分曲线 p i 9 2 7t h ed i f f e r e n t i a lc u r v eo fw e i g i i tc h a n g eo ft e nf u n e r a r yo b j e c t s 2 4 实验结果分析与讨论 ( 1 ) 从以上曲线图看出，由于每具遗体的重量不等，火化时问的长短不一 但都是随着火化时间的延长而逐渐失重。在火化前约2 0 r a i n 内，每具遗体失重 较快，这是因为水分及大部分挥发分都在这段时间析出其后，随着火化时间的 延长，失重现象趋于缓慢。 ( 2 )遗体火化热重变化具备一定规律性，各热重曲线都可相应拟合成指数函 数，并且相关性很好。以第一具遗体火化热重曲线为例，经拟合可得指数函数y = 1 1 1 3 5 e 4 。，相关系数l l ：0 9 9 6 ( 3 )从图2 - 5 可以看出，在火化初期几分钟内出现的失重峰十分陡峭，这是 因为遗体的水分及大部分挥发分都在这段时间析出，特别是最先燃着衣物、尸袋 等随葬品以及皮下脂肪失重速度特别快。随着火化时间的增加，水分与大部分挥 发分的析出，可燃组分的减少，遗体失重速度减慢，曲线趋于平缓”。 ( 4 )从图2 _ 5 可以看出十件套在燃烧初期l m i n 内燃烧速度极快，0 5 m i n 即 失重5 0 9 6 ，随后燃烧速度趋于平缓相应地从十件套热重微分曲线可以看出失重 蜂出现在燃烧i m i n 时。同遗体火化类似，十件套热重曲线近似于指数函数，经 曲线拟合，方程为y = 7 1 1 4 7 e ，相关系数r = 0 9 7 ( 5 ) 遗体实际上是高含水率的物质，燃烧时为了脱水还需要一定量的能源， 如何减少这部分能耗，是改进现有火化设备的重要技术环节 第2 章遗体及随葬品的搏重变化规律研究 2 5 本章小结 本章针对遗体这种特殊固体废弃物的特点，利用火化机综合模拟实验台火化 遗体和随葬品，考察了火化过程中两者的热重变化规律。 火化，是目前世界上提倡和奉行的一种殡葬方式。即在人死亡后，将其遗 体放在用耐火材料砌成，用金属板装饰外壳并附有电器电子控制设备的燃烧炉 内，用煤、柴油或液化石油气、煤气等燃料，将遗体焚烧的过程。火化遗体是通 过高温燃烧，把遗体中的各种细菌和病毒杀灭，同时达到使遗体这种固体废弃物 减容减量的效果。从燃烧学的角度来讲，遗体火化的实质就是燃料、遗体及随葬 品等可燃物质在高温条件下的强烈氧化过程，同时伴随着物质的分解、化合等反 应。 遗体是超级的化学污染源，地球表面上所有的有毒有害元素和化合物几乎 都能通过水体、空气、动植物食物链、烟草、化学制品、药剂等进入人体，随着 年龄的增长和自然环境污染的加剧而逐年积累富集，在死亡时达到最高峰值；遗 体又是超级的生物污染源，危害人类的各种细菌、病菌、病原性寄生虫等都滋生 寄存其中。据文献报道，尸体中细菌、病毒、病原性寄生虫等种类，甚至多到整 理不过来的程度。从环境医学角度看，尸体又是一个。病菌库”。假如在中心城 市任尸体暴子街头，那后果将不堪设想地震后的瘟疫就是最有力的例证。我国 每年死亡人口8 0 0 多万，如以每人6 0 k g 计，全国每年就有近5 0 万吨遗体需要 妥善处理，采用原始的殡葬方式根本无法避免尸体本身的化学污染和生物污染， 只有采取科学的殡葬手段，才能减少或消除其对环境的潜在危害。 北京工业大学工程硕士学位论文 3 1 简介 第3 章人体组织发热量的测定结果 所谓人体组织的发热量，是指单位重量的人体组织完全燃烧后，冷却到原来 温度所放出的热量，也称人体组织的热值人体组织的燃烧过程也就是试样中的 碳转变为二氧化碳、氢转变成水、硫变成二氧化硫、其他元素变成游离状态或氧 化物的过程1 4 】本实验采用氧弹法，也称弹筒法，使用一定纯度的苯甲酸作为标 定氧弹热量计的“标准量热物质”，来测量试样的发热量。此方法可用于固态、 液态等人体组织的热值测定。 3 2 测定原理 测定发热量是在一个密；j j 的容器( 通称氧弹) 中测定，在有过量氧气存在 的条件下，一定量的燃烧热标准物质苯甲酸在热量计氧弹内燃烧，放出的热量使 整个量热体系( 包括内筒、内筒中的水或其他介质、氧弹、搅拌器、温度计等) 由初态温度历升到殆，然后将一定量的被测人体组织在上述同等条件下进行燃 烧测定嗍由于使用的热量计相同，而且量热体系温度交化又一致，因而可以得 到人体组织的热值通过此种方法所获得的热量数值称之为人体组织弹简发热 量，其终态产物为2 5 下的二氧化碳、过量氧气、液态水以及固态灰等。 3 3 实验部分 3 3 1 实验仪器及样品 ( 1 ) 苯甲酸：标准值2 6 4 5 7 j g ( 国家标准物质中心) ( 2 ) 氧气：纯度 9 9 麟 ( 3 ) 点火丝：驴= o 。l 衄单根释放热值2 8 j ( 4 ) 热量计：w g r - 1 型微电脑氧弹式热量计( 长沙仪器厂) 仪器热容量约 1 2 - 第3 章人体组织发热量的铡定结果 1 0 0 0 0 j k ，温度分辨率0 0 0 1 ，热容量重复性误差4 0 2 9 6 ，温度测量范围7 4 2 ( 5 ) 控制器：w s r - i 型微电脑测热控制器( 长沙奔特仪器厂) 分辨率0 0 0 1 k ， 畏4 温范围8 4 0 ，温度传感器：铂电阻重复性误差；不超过0 0 0 2 1 ( 。 ( 6 )电子天平：承重o 6 k g ，感量l g 。 ( 7 ) 分析天平：感量0 i m g 。 ( 8 ) 实验样品：取自捐赠遗体，分别选取心脏、皮下脂肪、肝脏、肺、小肠、 皮肤、肌肉、胸骨、血液、头发等人体组织或其它成分重量均为5 9 。 3 3 2 仪器的标定 为了保证测定结果的准确可靠，我们按照仪器标定的要求，用苯甲酸标样对 仪器进行了标定，苯甲酸的测定结果及其标准值见表3 - i 表3 一l 苯甲酸测定结果与标准值 t a b l e 3 1t h es t a n d a r dv a l u ea n dr e s u l t so fd e t e r m i n e db e n z o i ca c i d 3 3 3 人体组织样品的制备 用手术刀、手术钳等工具将已剥离的人体组织分割成约0 3 o 9 9 的碎片， 用镊子将分割好的碎片夹入已恒重的坩埚中，放进分析天平中用差减法准确称 量，及时分析。所取各种人体组织样品重量见表3 - 2 袭3 2 测定组织样品重量 t a b l e 3 - 2t h ew e i g h to fo r g a n i cs a m p l eb yd e t e r m i n e d 肌肉脂肪肝脏胸骨肺叶心脏皮肤小肠血液头发 ( g )( g )( g )( g )( g ) ( g )( g )( g )( g )( g ) 0 8 6 8 80 7 9 5 8 o 4 0 5 30 3 0 4 2 o 4 9 0 5o 4 5 2 6 0 3 0 2 2 o 6 2 6 8 3 3 4 实验方法 以肌肉样品发热量测定为例，实验方法如下：准确称取肌肉组织样品 北京工业大学工程硕士学位论文 0 8 6 8 8 9 ，用压片机将苯甲酸粉末压成0 3 9 左右的薄片，并准确称量每一片苯甲 酸的质量。取2 片( o 2 9 1 4 9 ，0 3 1 4 3g ) 分别置于肌肉组织样品上下层，将含 有肌肉夹层的苯甲酸片剂放入坩埚中。取一段已知质量的点火丝，把两端分别接 在两个电极柱上，保持良好接触。把盛有肌肉组织试样的坩埚放在支架上，调节 下垂的点火丝使之与试样接触。 在氧弹中加入1 0 o m l 蒸馏水，拧紧氧弹盖，向氧弹中缓缓充入氧气，直到 压力达2 8 3 o m p a ，充氧时间约为2 0 s ；调节内筒水温，称量2 0 0 0 o g 内简水， 把装好水的内筒放在外筒中的绝缘架上，盖上外简盖。进入r z g 实验程序，点击 点火按钮，这时计算机将自动记录外筒温度，计算冷却校正值、弹筒发热量并跟 踪外筒温度数值绘制测试温度曲线图。 其它样品发热量的测定按肌肉组织的测定方法进行 3 3 5 样品发热量的测定 用氧弹法测定的人体各组织的发热量结果见表3 - - 3 表3 - - 3 人体组织发热量测试结果 t a b l e 3 3t h et e s t i n gr e s u l t so fb o d y so r g a n i z eq u a n t i t yo fh e a t 各组织的发热量测试温度曲线见图3 1 至图3 - - 1 0 第3 章人体组织发热量的测定结果 厂 f 图3 一l 肌肉测试温度曲线图 f i g 3 - 1t h et e m p e r a t u r ec u r v eo f t e s t e dm u s c l e 3 4 结果与讨论 ， j 图3 - 2 苯甲酸铡试温度曲线图 f i g 3 - 2t h et e m p e r a t u r ec u r v eo f t e s t e db e n z o i ca c i d 通过对人体组织发热量的测定，我们不难发现，单位组织发热量大小的顺序 为：头发 脂肪 肌肉 心脏 皮肤 | 盱脏 骨骼 小肠 肺 血液，头发、脂肪为高热 值人体组织，肌肉、骨骼以及内脏为中热值人体组织，血液则为低热值或吸热人 体组织。在遗体火化过程中，由于人体中脂肪、肌肉组织的总重较大，且单位热 | 图3 - - 3 腊肪测试温度曲线图 f i g 3 - 3t h et e m p e r a t u r ec r v eo f t e s t e df a t t i n e s s f ， 图3 - 5 脾骨测试温度曲线图 f i g 3 - 5t h et e m p e r a t u r ec u r y eo f t e s t e db r e a s t b o n e 厂。 | f u 图卜_ 4 肝脏测试温度曲线图 f i g 3 - 4t h et e m p e r a t u r ec u r v eo f t e s t e d1 i v e r f j 图3 6 肺叶测试温度曲线图 f i g 3 - - 6t h et e m p e r a t u r ec u r v eo f t e s t e dl u n g 北京工业大学工程硕士学位论文 f ， j 图3 - - 7 心脏罚试温度曲线图 f i g 3 - 7t h et e m p e r a t u r ec u r v eo f t e s t e dh e s r t 厂 | 【f 厂 | ， lj 图3 8 皮肤测试温度曲线图 f i g 3 - 8t h et e m p e r a t u r ec u r v eo f t e s t e ds k i n 厂 l 图3 9 小肠测试温度曲线图圈3 - - 1 0 血液测试温度曲线图 f i g 3 - 9t h et e m p e r a t u r ec u r v eo ff i g 3 - 1 0t h et e m p e r a t u r ec g r v eo f t e s t e de m a l li n t e s t i n et e s t e db l o o d 值较高，所以脂肪以及瘦体中的肌肉组织燃烧所释放出的总热能也非常高，占人 体总释放热能的8 1 8 8 9 6 左右。实验证明，人体组织中脂肪和肌肉的含量是计算 燃烧总热值的重要参数，同时也是每具遗体火化所需理论供油量的重要参数。表 3 4 给出了人体有关成分的含量及总重 表 - 4 b 人体有关成分的含量及总重1 t a b l e 3 4 at h eg r o s sw e i g h ta n dc o n t e n t so fb o d y s c o m p o n e n t i a l 注：引用骨骼千、湿重概念，根据已有的干、湿重比值，换算出骨骼湿重含量骨骼干重数 据来自4 8 6 具成年人骨骼标本 表3 4 b 人体有关成分的含量及总重” t a b l e 3 - 4 bt h eg r o s sw e i g h ta n dc o n t e n t so fb o d y s c o m p o n e n t i a 血液总重血液含量肝脏总重肝脏含量肌肉总重肌肉含量其它总重其它含量 ( k g ) ( ) ( k g ) ( )( k g ) ( ) ( k g ) ( ) 5 6 08 0 1 5 02 12 8 0 04 0 0 1 7 。1 92 1 6 4 ，8 08 0 l4 02 ，02 1 0 0 3 5 01 2 7 62 1 6 注：其它成分为除肝脏外的内脏以及毛发等 1 6 第3 章人体组织发热量的铡定结果 以6 0 岁左右的成年人为例，假设男性平均体重为7 0 k g ，女性平均体重为 6 0 k g ，根据各人体组织总重和单位发热量，计算出相应的热能，从而求和得出人 体燃烧所释放的全部热能。如表8 - - - 5 所示。通过计算我们发现女性完全燃烧所 释放的总热能要高于男性，女性脂肪以及肌肉组织的燃烧热值之和占人体总热值 的8 8 1 ，而男性则为8 0 5 。从环保节能的角度考虑，女性遗体的焚烧更有 利于省油节能。 表3 5 人体组织燃烧所释放的热值及总热值 t a b l e 3 5t h et o t a lh e a tv a l u ea n dh e a tv a l u eb yb o d y so r g a n i z ec o m b u s t i o n 注：其它人体组织的单位热值取表3 3 中心脏、肺、皮肤、小肠的平均值。 3 5 本章小结 + 本研究采用氧弹法对人体组织进行了发热量测试，并对人体燃烧释放的总热 能进行了估算。研究结果对于殡葬行业遗体火化具有一定的指导性意义。令人意 犹未尽的是，本研究遗留很大的研究空间，对于脂肪、肌肉组织的含量与每具遗 体火化供油量、火化燃烧速率、总火化时间等之间的关系，理论最佳单具供油量、 理论火化时间等相关经验公式的推导等方面还有待做进一步探讨。 北京工业大学工程硕士学位论文 第4 章火化过程中二氧化硫( s 0 ：) 的生成与控制 4 1 二氧化硫( s 0 2 ) 简介 s 0 2 分子量为6 4 0 7 ，也被称为亚硫酸气体( s u l f u r o u s ) 的s 0 2 是一种比空气 重2 2 6 倍的无色气体，具有特有的刺激性气味【7 1 。e h s 0 2 等酸性气体导致酸沉降 已经成为举世关注的区域性环境问题。s o z 的危害性主要有：刺激粘膜、引起 支气管炎、肺气肿、肺癌等呼吸道疾病；生成硫酸烟雾，引致酸雨的产生，使 土地酸度增加，树木和其他植物毁坏，建筑物受到侵蚀：破坏大气层，产生温 室效应，使生态平衡受到直接的威胁嗍焚烧具有减容、减量、高温消毒、破坏 去除有害物质等优点，国外在处理有害废弃物时多采用焚烧法【9 】【l o 1 1 1 由于火化 遗体是一个非常复杂的燃烧过程，遗体火化过程中同样产生s 0 2 如何根据燃料、 燃烧方法和燃烧设备来控制s 0 2 的生成，必须考虑到各种因素的影响。本课题组 通过现场较长时问的实验，实测了大量s 0 2 随燃烧过程、温度、含氧量等因素变 化的数据，通过对曲线图分析、研究，从而得出结论 4 1 2 实验部分 4 2 1 实验仪器设备及物料 火化综合实验台、电子计重计、英国舳0 0 型燃烧效率测定仪、德国德尔格 便携式二氧化硫测定仪、9 0 5 - t 2 型表温仪、t e s 高温计、美国无吸附高强度聚四 氟采样管和采气袋、p , p i 高精度压力变送器、q c 系列气体采样器、国家一级标准 气、实验用塑料、橡胶、黄纸、木材、天然纤维衣物、化纤衣物、纸板、o # 轻柴 油、遗体等。 4 2 2 实验方法 通常火化过程中伴随着遗体包装物、随葬品及遗体的燃烧。由于火化过程中， 燃烧的总体成分存在差别，除遗体本身外，遗体包装物和随葬品的成分基本分为： 第4 章火化过程中二氧化硫( s o ，) 的生成与控制 纸、纸棺、木棺、塑料包装袋、天然纤维衣物、化纤衣物、橡胶等。本次现场实 验，针对燃油、不同种类的随葬品、遗体进行了分类试验。 4 3s 0 2 生成的影响因素 4 3 1 温度对s 0 2 生成的影响 - ( 1 ) 图4 - 1 是单独燃烧燃料情况下得出的曲线圈，由于燃料本身就含有一定量 的硫，从图中可以看出，燃料被点燃后，随着燃烧温度的逐渐升高，s o , 生成量也 随着升高。 1 5 0 善。 篓卯 爱 0 1 2 92 4 43 5 04 1 0 主燃室量度( ) 1 5 0 童 e1 基 爱舯 8 o 5 6 鲫 主燃浓度( ) 图4 1 燃油燃烧过程中s o z t 变化图图4 2 化纤燃烧过程中s o , t 变化图 f i g 4 - 1 t h ec h a n g eo fs gb y f i g 4 - 2t h ec h a n g eo fs 仅b yt e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r ei n t h e p r o c e s so ft h e i nt h e p r o c e s s o ft h ef i b r e o 订c o m b u s t i o nc o m b u s t i o n ( 2 ) 图4 2 一图4 8 是5 k g 不同的模拟随葬品( 化纤衣物、橡胶、塑料、木材、 制版、天然纤维衣物) 燃烧时，s 仉生成量随时间变化的曲线图。其中以橡胶燃 烧( 图4 - 3 ) 产生的s 0 ：最高，为9 3 p p m ，这主要是因为橡胶是有机硫的主要来源 之一，燃烧初期，有机硫被分解为s o ：外，还产生h 2 s 、s 、s o 等物质，这些物质 较易与氧发生反应生成s 仉，温度越高，反应越快，生成的s 如便会越多。当充分 燃烧时，将全部燃烧生成s q ；图2 - 3 基本反映了这种现象：木材燃烧( 图4 5 ) 时间较长，燃烧比较稳定，产生的s 0 b 最低，s p i