（工程热物理专业论文）城市生活垃圾快速热解特性的研究.pdf

焉多 ，妒 o 纠 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得盘姿盘堂或其他教育机 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谢意。 靴敝储徽：蚓辩嘲：硼年弓月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸婆盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 关嘲 导师签名 签字日期：妒灯年；月f 日签字日期：a “睁了月j 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 浙江省电力建设总公司 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 摘要 城市生活垃圾是一种非均质的多样组分的混合物，不象单一物质那样具有自 己特定的内部结构和外部特征，而且随着地域、季节等的变化有很大的差异。垃 圾的热解特性对焚烧炉的设计以及运行有着重要的意义。而目前对垃圾的热解特 性还缺乏深入的了解，这无论对流化床焚烧炉还是机械炉排炉的设计、运行都是 不利的。垃圾成分的特殊性给垃圾焚烧带来诸多问题，使得焚烧炉常常处于非设 计工况下运行。本文通过自行设计的快速热解实验装置，模拟实际焚烧过程中的 垃圾热解过程，深入分析了垃圾典型组分及其混合物的快速热解特性，以期能对 实际的焚烧炉的设计和运行有一定的参考价值。 本文首先综述了国内外垃圾处理的现状以及对城市固体废弃物热解特性研 究的成果，介绍了本文研究的背景以及采用的快速热解实验装置。 其次，本文对垃圾典型组分的快速热解特性作了研究，并同程序升温时的热 解特性作了比较，得到以下一些结论：木屑，纸屑，织物和厨余，其热解特性具 有相似之处，微分转化率曲线均表现为单峰曲线；塑料在反应时存在较明显的吸 热现象；t 。( 最大失重率所对应的时间) 由大到小依次是塑料，橡胶，织物，纸 屑，厨余，木屑。本文还选用a v r a m i e r o f e e v 方程作为快速热解失重过程的计 算模型，结果表明计算结果同实验结果在转化率曲线上吻合较好。 最后，本文详细地研究了混合组分的快速热解特性，并将实验结果同单组分 加权结果做了比较细致的对比。分析得到如下结论：纤维素类组分混合热解时， 微分转化率曲线波段会重合：如果单组分的t 。相当，它们混合热解的对应波 段也会大部分重舍，如塑料和橡胶的混合热解的第一个波段；混合物包含塑料时。 反应时间tf 一般都会延长，特别是塑料比例很大时，会出现两个波段的结果， 反应速率明显减慢；混合组分含有橡胶时，微分转化率曲线上一般出现两个波 段，第一个波段由橡胶第一个波段和另一组分波段合并而成，第二个波段为橡胶 热解的第二个波段，而橡胶的第三、四个波段很不明显；组分含氧量较大时，热 解过程可能发生部分挥发份的燃烧，从而影响混合物的热解特性；纤维素类组分 混合热解时，混合物热解特性可以近似看成单组分热解特性的线性叠加；菲完全 纤维素类组分混合热解时，混合物的热解特性与组分的热解特性呈非线性关系。 浙江大学硕士学位论文 关键字：快速热解，典型组分，城市固体废弃物，热解特性，模型 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) i sc o m p h c m e dm i x t u r ea n di t sc o m p o n e n t s c h a n g ew i t ht h ed i f f e r e n tr e g i o n sa n ds ea s o n s t h ek i n e t i cp a r a m e t e r sf o rp y r o l y s i so f m s wa r ei m p o r t a n tt ot h ed e s i g na n do p e r a t i o no ft h e r m a li n c i n e r a t i o ns y s t e m s f o r t h el a c ko fk i n e t i cp a r a m e t e r so fm s w p y r o l y s i s ，m a n yi n c i n e r a t i o ns y s t e m sa r e o p e r a t e du n d e rn o n o p t i o n a lc o n d i t i o n s b yu s i n gt h ef a s tp y r o l y s i se x p e r i m e n t a l s y s t e m ，t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h ef a c tp y r o l y s i sp r o c e s sa n dd e e p l ya n a l y z e df a s t p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ei n d i v i d u a lm s w sc o m p o n e n t sa n dt h e i rm i x t u r e s t h i sp a p e rw a sc o m p o s e do f t h ef o l l o w i n gm a i n p a r t s ： t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h es t a t u so fi n t e r n a t i o n a lm s w st r e a t m e n t sa n d r e s e a r c h e so np y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so fm s w a n dt h e ni n t r o d u c e dt h es e l f _ d e s i g n e d f a s tp y r o l y s i se x p e r i m e n t a ls y s t e m f a s tc h a r a c t e r i s t i c so fi n d i v i d u a lc o m p o n e n tw e r es t u d i e d s o m ec o n c l u s i o n s w e r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ：w o o d 、p a p e r 、f a b r i ca n dk i t c h e nr u b b i s hh a v et h e r e s e m b l ep y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c s ；i ti so b v i o u st h a tp l a s t i c sd e c a l e s c e n c eh a p p e n e d d u r i n gi t sp y r o l y s i sp r o c e s s ；t h er a n g eo f tm # f r o mg r e a tt os m a l li ns e q u e n c ei s p l a s t i c 、r u b b e r 、f a b r i c 、p a p e r 、k i t c h e nr u b b i s ha n dw o o d t h i sp a p e re v e ns e l e c t e d a v r a m i e r o f e e v se q u a t i o nt os i m u l a t et h ef a c tp r o c e s so fm s w sf a s tp y r o l y s i s i t s h o w st h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n o s c u l a t ew e l l f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ef a s tp y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so fm s wm i x t u r e s i t s h o w st h a t ：i ft h et y p i c a lc o m p o n e n t sh a v et h er e s e m b l ef a s tp y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c ， t h e i rm i x t u r e s p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i ch a sl i n e a rr e l a t i o nw i t ht h ec o m p o n e n t ，s ：o n t h ec o n t r a r y , t h er e l a t i o nb e t w e e ni sn o tl i n e a r k e yw o r d s ：f a s tp y r o l y s i s ，t y p i c a lc o m p o n e n t ，m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ， p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c s ，m o d e l 5 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着我国城市化的发展和城市经济的高速发展，城市垃圾问题变得日益突 出。由于城市垃圾产量与日俱增，且产生量远大于清运量和无害化处理量，致使 我国城市垃圾历史累计积存量高达6 0 x 1 0 8 t ，侵占土地面积多达5 x 1 0 s m 2 ，约有三 分之二的城市处于垃圾包围之中，且有四分之一的城市已无合适场所堆放垃圾n “，垃圾污染事故频出，严重破坏了城市生态环境系统的平衡。城市垃圾处理问 题已经成为亟待解决的环境问题。 1 2 我国城市垃圾的来源与产生现状 1 2 1 城市生活垃圾的来源与特征 根据垃圾产生源不同，可将我国城市垃圾主要分为居民生活垃圾、街道保洁 垃圾和集团( 机关、学校、工厂和服务业) 垃圾三大类。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、煤灰、泥沙、塑料、纸类等构成。 它在城市垃圾整体中，不仅数量占据首位，而且成分最为复杂，其构成受时间和 季节的影响，变化大且极不均匀。街道保洁垃圾来自清扫马路、街道和小巷路面。 其成分与居民生活垃圾相似，但是泥沙、枯枝落叶和商品包装物较多，易腐有机 物较少，平均含水量较低。集团垃圾系指机关、团体、学校、工厂和第三产业等 在生活和工作过程中产生的废弃物。它的成分随发生源不同而变化。与居民生活 垃圾相比，具有成分较为单一稳定，平均含水量较低和易燃物、特别是高热值的 易燃物多的特点。 城市生活垃圾的构成主要受城市的规模、性质、地理条件、居民生活习惯、 生活水平和民用燃料结构的影响。城市生活垃圾的产生大部分集中于大中城市， 其中大城市又占有较大份额。一般情况下，经济发达、生活水平较高的城市，有 机物如厨余、纸张、塑料、橡胶的含量均较高。“1 表1 - - 1 列出了中国部分城市 生活垃圾的组成。 1 2 2 城市生活垃圾产生现状 近年来，随着城市人口的增加和居民生活水平的提高，我国城市生活垃圾的 6 浙江大学硕士学位论文 产生总量大幅度增加。自1 9 8 6 年以来，我国的城市垃圾平均以每年9 1 的速 度增长，少数城市( 如北京) 的增长率达1 5 2 0 。2 0 0 0 年，我国城市生活垃 圾清运量已达1 1 8 x 1 0 8 t 。我国生活垃圾产量的6 0 集中在全国5 0 万以上人口 的5 2 座重点城市“1 。此外，近年来中小城市生活垃圾产量的高速增长趋势也不 容忽视。 生活垃圾总量大幅度增长首先与我国城市数量增加有关，1 9 8 6 年全国城市 数量为3 5 3 个，2 0 0 0 年增加到6 6 3 个，增加了近一倍；其次，城市规模和城市 人口的增加也是导致城市生活垃圾增加的主要原因，2 0 0 0 年的6 6 3 个城市中5 0 万以上人口的城市有9 3 个。我国城市垃圾在总量迅速增加的同时，构成也相应 地发生了很大变化，表现出生活垃圾中的无机物含量持续下降、有机物含量不断 上升、可燃物增多、可利用价值增加的趋势。表1 - - 2 “3 列出近l o 年我国城市生 活垃圾组成变化。 表1 1中国部分典型城市生活垃圾的组成 有机物无机物可回收废物 城市，年份 纸类布类木竹塑胶玻璃 金属 青岛1 9 9 7 4 2 2 0 3 6 1 04 o o3 2 0l 1 1 2 02 2 01 1 0 西安1 9 9 7 1 5 7 4 6 3 5 23 3 52 4 83 9 4 7 9 3 1 8 4 1 - 2 0 北京门9 9 7 1 6 5 95 8 7 69 2 71 7 0 1 6 11 0 8 8，1 1 9 澳f 7 1 9 9 2 3 5 9 04 3 02 1 8 0 1 4 6 06 7 01 1 2 03 5 01 0 4 浦东1 9 9 6 9 7 5 5 3 3 1 1 1 31 2 3 02 6 40 7 81 3 9 83 o lo 8 3 武汉1 9 9 6 5 2 0 0 1 9 7 87 1 21 4 21 7 l9 8 57 。1 4 0 。9 8 杭_ - h 1 9 9 7 5 8 1 9 2 4 0 03 6 82 2 31 2 07 6 32 0 9o 9 8 宁波1 9 9 6 9 7 5 3 6 92 5 4 85 4 02 9 61 1 07 9 02 4 31 0 4 台南1 9 9 2 2 8 0 2 0 2 8 2 4 _ 3 6 7 7 7 1 3 82 2 9 05 1 9 1 0 0 1 广，1 4 19 9 6 6 0 1 7 1 7 1 25 4 03 4 01 0 68 9 9 3 3 70 4 9 深圳1 9 9 4 4 0 0 01 5 0 01 7 0 05 0 0| 1 5 0 05 0 03 0 0 浙江大学硕士学位论文 表i 一2 近1 0 年我国城市生活垃圾组成变化 城市重点城市中小城市 垃圾 有无废金塑织有无废金 塑织 组成机机机 机 年份物物纸 属料 物 物物 纸属 料物 1 9 9 05 4 o3 0 7 8 8 01 - 6 01 9 71 7 12 3 96 8 5 2 7 2 o 7 41 3 9l _ o o 1 9 9 55 1 5 2 4 81 4 0 2 5 4 2 1 4 2 7 45 4 03 0 7 8 8 0 1 6 0 1 9 71 7 l 2 0 0 04 8 o1 8 91 9 43 4 8 3 3 43 7 3 5 1 5 2 4 81 4 02 5 4 2 1 42 7 4 1 3 国内外城市生活垃圾处理现状 目前，世界各国都把城市生活垃圾的减量化、无害化和资源化作为综合解决 城市生活垃圾的原则，我们政府颁布的中华人民共和国固体废弃物污染环境防 治法中也提出对固体废弃物防治应实行减量化、资源化、无害化的方向发展。 垃圾的处理技术主要有卫生填埋法、堆肥法、焚烧法、热解法和垃圾固体燃料化 技术等睁2 “。 1 3 1 卫生填埋法 卫生填埋法是将垃圾倾倒在指定场所，填埋到一定深度后压实，并在其上覆 盖一层泥土的方法。这种方法的最大优点是费用低、技术简单、容易实施。其缺 点是仅考虑了无害化而没有考虑减量化和资源化，且占地面积大，还有就是大多 数垃圾填埋厂没有按卫生填埋的要求进行建设和管理，使垃圾处于裸露堆置的状 态，造成空气污染和地下水污染。 1 3 2 堆肥法 堆肥法是指在人工控制条件下，让垃圾中的有机物在微生物作用下降解转化 为稳定的腐殖质，使其成为可施于农田的土壤改良剂。垃圾堆肥适用于可生物降 解的有机物且含量( 质量分数) 大于4 0 的垃圾，国家鼓励在垃圾分类收集的 基础上，进行高温堆肥处理。一般垃圾经堆肥后体积可降为原体积的5 0 7 0 ，现代化堆肥工艺大都是好氧堆肥，系统温度为5 0 6 5 c ，最高可达8 0 9 0 。堆肥法的资源化程度较高，但堆肥的卫生条件差、占地面积大，生产的有机 肥料肥效较低、成本高，目前难以达到实用效果。 浙江大学硕士学位论文 1 _ 3 3 焚烧法 焚烧法是将生活垃圾中可燃烧的部分分拣后，投入焚烧炉内焚烧，并以焚烧 所产生的热能进行发电、取暖、制冷以及其它能源转化，从而达到在减量化及无 害化处理的基础上进行资源化处理的目的。这种方法的优点是，垃圾减容量大， 一般焚烧后的垃圾残渣仅为原量的1 0 2 0 ，一些新设计的焚烧装置，焚烧 后废物体积只是原体积的5 或更少。此外，通过焚烧可烧死垃圾中的细菌及病 原体，焚烧法还具有周期短、占地面积小及选址灵活的特点。这种方法要求垃圾 的平均低位热值高于5 0 0 0 k j k g ，同时为避免焚烧引起二次污染，焚烧炉内因焚 烧产生的化学有害物质须加专门的设备进行处理，这样就导致了焚烧设备一次性 投资大，运行成本高。近年来受能源危机的冲击，以及气体污染净化技术和新的 高效低污染燃烧技术的应用，加上各种环保法规的实施与不断强化，焚烧法逐渐 成为处理城市垃圾的主流。 1 3 4 热解法 热解法是使垃圾中的有机化合物在缺氧条件下，利用热能使化合物的化合键 断裂，由大分子量的有机物转化成小分子量的可燃气体、液体燃料和焦炭的过程。 热解法处理垃圾可获得高热值的燃气和燃料油，资源化率高，可以有效地减少垃 圾的重量和体积由于重金属被最终被固定在灰渣中，所以基本没有二次污染。 我国在固体废弃物热解技术方面还处于试验性研究阶段。 1 3 5 垃圾固体燃料化技术 垃圾固体燃料化技术是将垃圾作为燃料来被利用，一般称为r d f ( r e f u s e d e r i v e df u e l ：从垃圾衍生的燃料) 2 2 2 4 o 目前世界上具有代表性的r d f 生产工 艺如下： 垃圾一破碎一分选一二次破碎一添加生石灰一反应器一成型一千燥一产品 在反应器中c a o 和垃圾中的水分发生如下反应： c a o + h ：o c a ( o h ) ： c a ( 0 h ) 。+ 垃圾中的有机物一有机钙酸盐+ n h 。 在干燥机中发生如下反应： c a ( o h ) ：+ c 0 2 - c a c 0 3 + h 2 0 采用这种方法的基本条件是垃圾中的可燃物需要在5 0 以上。国内有些城市已 浙江大学硕士学位论文 在考虑采用这种方法。需要指出，这种燃料基本保持了垃圾原有的成分，燃烧时 还需要烟气处理装置，二嗯英污染问题仍然不容忽视。 1 4 垃圾热解研究现状 城市生活垃圾是一种非均质的多样组分的混合物，不象单一物质那样具有自 己特定的内部结构和外部特征，而且垃圾组分随时间、地域不同而差异较大。目 前对垃圾的热解特性还缺乏深入的了解，这一点无论对流化床焚烧炉还是机械炉 排炉的设计都是不利的，并为垃圾焚烧带来诸多问题，使焚烧炉常常处于非设计 工况下运行。 活化能和频率因子是与燃烧有关而且对焚烧炉的设计以及运行有着重要的 指导意义的化学动力学参数。活化能是物质的一种固有特性。它是使反应物分子 达到有效碰撞所需要的最小能量，不同物质分子结构不同，反应所需要的能量也 不同。对于某指定的反应，活化能是定值，基本上可以认为与温度无关。垃圾的 活化能越小，反应活性越大，反应能力越强，反应速度越快，故而也比较容易着 火燃烧。频率因子是表示活化分子有效碰撞总次数的量。其值越大，说明活化分 子间的有效碰撞次数越多，反应就越容易进行，反应速度越快。垃圾的动力学参 数是决定反应速度的两个参数，可以通过垃圾热解实验获得。 国内外的垃圾热解实验研究主要通过热天平进行。”。1 。目前进行的垃圾热解 特性研究大都局限于垃圾中主要单组分的热解特性研究，对垃圾混合物进行的热 解研究比较少，仅有几位学者研究过垃圾组分热解特性对混合物热解特性的影 响，有的虽然包含了多种组分的研究，但也是假设垃圾组分热解特性之间是没有 相互影响的，并因此认为垃圾混合物热解特性是组分热解特性的线性叠加。 许多研究已证实城市固体废弃物成分复杂，其热解过程不能用一个反应来描 述。7 。g a r c i a 。7 认为由于活化能及指前因子与d t g 曲线中波峰的宽度有关，而 在不同加热速率下，最大失重率对应的温度t 。以及d t g 曲线中的波峰都会出现 移动，因此仅用一个反应来模拟时会造成热解动力学参数与真实值差异较大。针 对包含多个反应的热解过程，比较有效的热解模型是由多个独立平行反应的加权 来描述的“7 “。 当由多个平行反应建立的热解动力学模型时，每个反应中的动力学参数不随 加热速率变化。g a r c i a 通过实验证实了这一点。他的m s w 的热解模型由两个主 1 0 浙江大学硕士学位论文 要的平行分解过程组成，包含纤维素类c 和非纤维素类( 塑料等) n c 。通过实验， 他发现动力学参数随着加热速率不同并没有太大的的差异，如表l 一3 。其中& 表示纤维素的活化能，艮表示非纤维素的活化能。 表l 一3g a r c i a 在不同加热速率下得到的热解动力学参数 加热速率( m i n ) e j r ( k )r ( k ) 1 51 7 5 2 62 0 7 6 2 01 5 6 3 12 8 8 0 4 01 7 2 3 53 3 1 7 8 01 6 2 1 93 1 4 6 1 0 01 6 7 3 73 7 4 8 2 0 01 4 7 3 23 2 4 3 在浙江大学也有学者对垃圾的热解特性进行了研究“。该研究的实验是在大 物量和程序升温的条件下对垃圾典型组分及其混合物进行热解。通过对典型组分 热解特性的分析( t g 和d t g ) ，结合混合组分的热解结果对混合热解特性作了分 析，并应用神经网络模型建立混合热解特性同单组分热解特性的非线性关系。 综上所述，目前对混合垃圾的热解特性还没有比较深入的研究，采用多个平 行反应的加权来拟和热解过程的热解动力学模型时，活化能与指前因子不随加热 速率的变化而改变。目前学者在热解方面所作研究大都是t g 、d t g 等，主要在热 天平上完成实验研究，有学者也进行大物量的实验研究，但局限于程序升温且升 温速率较小的条件下。 1 5 本文的工作背景、意义和主要内容 由于对所要焚烧垃圾的热解特性缺乏了解，使焚烧炉的设计和运行缺少可靠 依据。各地环保部门都有当地垃圾组成的统计数据，如果能根据这些统计数据为 焚烧装置的设计及运行提供参考，将有很大的意义。 垃圾实际的热解过程是：当焚烧装置加热到较高的并且稳定的温度时，才投 入垃圾使其热解焚烧，那么这时垃圾的实际热解特性随时问变化是什么样的，垃 圾热解过程可否用比较合适的动力学方程来模拟，对于混合组分，是否也可以通 浙江大学硕士学位论文 过单组分动力学方程来计算，垃圾热解动力学参数是否会有所改变等，这些方面 的研究目前还没有见文献作过披露。这些正是本文研究的出发点。 为了比较深入了解垃圾各组分快速解特性以及它们之间的混合热解特性，我 们对组成原生垃圾主要成分如木屑纸屑，塑料，织物，橡胶，厨房垃圾等可燃 组分，采用模拟垃圾( 各单组分垃圾统计组合而成) 进行了实验，本文分析 了它们的热解特性，并力求找到一个较为合适的模型来计算模拟典型组分的实际 热解过程。 本文第二章介绍了我们进行快速热解特性实验研究的装置、实验方法，分析 了典型组分的快速热解特性，并同程序升温所得到的结果进行了比较，还比较了 不同炉温条件下垃圾的热解特性的异同点。目前国内外的垃圾热解实验研究主要 在热天平上进行。由于热天平上的实验物量只能是几毫克，而我们实验采用的模 拟垃圾组分多达六种，这为我们的实验带来极大不便。也有的研究采用程序升温 加大物量物料的方式来研究垃圾组分的热解特性，但是在实际应用中，垃圾熟解 是在炉温基本恒定且温度较高的条件下完成的，为了更真实的模拟实际的垃圾热 解过程，我们自行设计了一种能进行大物量热解实验的实验装置。在该装置上能 对多达十几克的垃圾进行热重实验。该装置能通过温度控制器使得温度控制在基 本恒定的数值，并能自动记录实验过程中垃圾失重数据以及物料温度。这一自行 设计的实验装置为研究垃圾各组分热解特性之间的相互影响以及对整体热解特 性的影响提供了有效的途径。 本文第三章介绍了等温热解实验的理论知识、反应机制等，根据实验条件选 择了比较合适的热解动力学方程来模拟实际热解过程。 本文第四章根据双组分混合的快速热解实验的结果，对垃圾混合热解的特性 作了比较详细的分析。并同单组分线性叠加的结果做了一些比较，分析各个组分 混合热解时的相互影响以及非线性规律。 1 2 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 t 伟，袁光钰我国的固体废物处理处置现状与发展环境科学1 9 9 7 ，1 8 ( 2 ) ： 8 7 - 9 0 2 殷兴军，许桂珍论我国城市固体废弃物辽宁城乡环境科技1 9 9 9 ，9 ( 4 ) ： 5 4 5 8 3 宋晓岚城市垃圾处理与可持续发展长沙大学学报2 0 0 1 ，1 5 ( 4 ) ：3 6 叫o 4 】阂庆文，裴晓菲，余卫东我国城市垃圾及其处理的现状、问题与对策城市 环境与城市生态2 0 0 2 ，1 2 ( 6 ) ：5 1 5 4 5 】国家统计局中国统计年鉴( 1 9 8 7 2 0 0 1 ) 北京：中国统计出版社1 9 8 7 2 0 0 1 6 李海红城市生活垃圾的处理及存在的问题西北轻工业学院学报，2 0 0 2 ，2 0 ( 5 ) ：8 6 8 9 7 李国刚，曹杰山，汪志国我国城市生活垃圾处理处置的现状与问题环境 保护，2 0 0 2 ( 4 ) ：3 5 3 8 8 朱红兵，李秀城市生活垃圾无害化处理工艺环境科学与技术2 0 0 2 ，2 5 ( 5 ) ：2 8 3 0 9 吕薇，李瑞杨，齐冲我国城市生活垃圾焚烧处理的现状和发展趋势节能 技术2 0 0 3 ，2 1 ( 1 ) ：3 9 4 1 1 0 王明武城市生活垃圾处理方法综述矿山环保2 0 0 1 ，( 1 ) ：2 2 2 3 1 1 楚华，李爱民城市生活垃圾在热解处理中的产气特性研究安全与环境学 报2 0 0 2 ，2 ( 2 ) ：2 2 2 7 1 2 y a n gg u o q i n g ( 杨国清) t h ee n g i n e e r i n go fs o l i dw a s t ed i s p o s a l ( 固 体废物处理工程) m b e i j i n g ：s c i e n c ep r e s s 2 0 0 0 1 3 d a s k a o p o u l o s ， e b a d r ，0 & p r o b e r t ，s d e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t e v a l u a t i o n so fw a s t et r e a t m e n ta n dd i s p o s a l t e c h n o l o g i e sf o r m u n i c i p a ls o l i dw a s t e a p p l i e de n e r g y ，1 9 9 8 ，5 8 ( 4 ) ：2 0 9 2 5 5 1 4 邓志文，徐衍美我国垃圾焚烧处理现状及其发展方向初探环境与开发， 1 9 9 9 ，1 4 ( 3 ) ：2 3 2 4 1 5 曹作中，程发彬现阶段我国生活垃圾焚烧发展方向探讨环境保护，2 0 0 2 ， 2 ：1 3 】5 浙江大学硕士学位论文 1 6 王学江，华珞等城市生活垃圾的资源化利用首都师范大学学报，2 0 0 4 ， 2 5 ( 2 ) ：8 0 8 4 1 7 沈伯雄，朱坦城市生活垃圾治理过程的能源化技术城市环境与城市生 态，2 0 0 3 ，1 6 ( 6 ) ：1 6 6 1 6 8 1 8 邵敏等我国生活垃圾处理与管理方式探讨煤炭技术，2 0 0 4 ，2 3 ( 8 ) ：l 2 1 9 张宪生等城市生活垃圾处理处置现状分析安全与环境学报，2 0 0 3 ，3 ( 4 ) ： 6 0 6 4 2 0 赵军我国城市生活垃圾的组成及其处理方法山西能源与节能，2 0 0 3 ( 4 ) ： 3 3 3 4 2 1 胡震峰城市生活垃圾处理方式的比较与展望山西建筑，2 0 0 3 ，2 9 ( 1 8 ) ：2 5 1 2 5 2 2 2 苏铭华，陈晓华衍生燃料r d f 一5 技术应用前景中国资源综合利用，2 0 0 4 2 3 陈盛建等垃圾衍生燃料( r d f ) 的制备应用节能环保技术 2 4 王志奇，陈勇垃圾衍生燃料等温快速热解特性和燃烧反应特性燃料化学 学报2 0 0 4 ，3 2 ( 4 ) ：4 4 0 4 4 5 2 5 金余其城市生活垃圾燃烧特性及新型流化床焚烧技术的研究浙江大学 博士学位论文，2 0 0 2 ，1 2 2 6 i ! e 淑琴，矫维红城市生活垃圾的燃烧性能研究中国工程热物理学会燃烧 学学术会议，1 9 9 7 2 7 郭小汾，杨雪莲，陈勇等垃圾中可燃物的动力学特性燃料化学报，1 9 9 9 ， 2 7 ：6 2 6 7 2 8 李斌，严建华，尚娜等城市生活垃圾的燃烧特性研究燃料化学报，1 9 9 8 ，2 6 ( 6 ) ：5 6 2 5 6 7 2 9 姜凡，姜淑琴等混合垃圾在热重分析仪中燃烧特性分析新能源2 0 0 0 ， 2 2 ( 4 ) ：5 9 3 0 姚强等t 6 a 技术研究城市生活垃圾燃烧特性燃料化学报 2 0 0 1 ，2 9 ( 2 ) ：2 8 3 2 3 1 沈吉敏等城市生活垃圾燃烧和热解特性的研究苏州科技学院学报， 2 0 0 3 ，1 6 ( 3 ) ：i 5 1 4 浙江大学硕士学位论文 3 2 3 3 3 4 熊祖鸿，王秋红等城市固体垃圾的热解特性研究华北水利水电学院学 报，2 0 0 2 ，2 3 ( 4 ) ：7 5 7 8 解强，吴国光等垃圾衍生燃料( r d f ) 热解特性的研究苏州科技学院学 报，工程技术版，2 0 0 3 ，1 6 ( 1 ) ：1 6 2 1 李季，张铮等城市生活垃圾热解特性的t g - - d s c 分析化工学报，2 0 0 2 ， 5 3 ( 7 ) ：7 5 9 7 6 4 3 5 廖洪强，姚强等城市生活垃圾热解失重特性环境卫生工程，2 0 0 2 ，1 0 ( 2 ) ：5 1 5 3 3 6 卢苇，马晓茜热带城市垃圾典型组分的热解特性研究太阳能学报，2 0 0 2 ， 2 3 ( 3 ) ：3 5 7 3 6 0 3 7 g a r i c a ，a n m a r c i l l a ，a f o n t ，r t h e m o g r a v i m e t r i ck i n e t i cs t u d yo ft h e p y r o l y s i so fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e t h e r m o c h i m i c aa c t a 2 5 4 ，1 9 9 5 ：2 7 7 3 0 4 3 8 s o r u m ，l g r o n li ，m g h u s t a d ，j e p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c sa n d k i n e t i c so fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e s f u e l ，2 0 0 1 ，8 0 ：1 2 1 7 1 2 2 7 3 9 c h a o h s i u n g ，w u c h i n g - - y u a n ，c h a n g p y r o l y s i sp r o d u c td i s t r i b u t i o n o fw a s t en e w s p a p e ri nm s w j o u r n a lo fa n a l y t i c a la n da p p lie d p y r o l y s i s ，2 0 0 3 ，6 7 ( 1 ) ：4 1 5 3 4 0 k u e n s o n g ，l i n w a n g ，h p a u l ，l i u p y r o l y s i sk i n e t i c so fr e f u s e d e r i v e d f u e l f u e l ，1 9 9 9 ，6 0 ( 2 ) ：1 0 3 1 1 0 4 1 s s k i m ，s h k i m p y r o l y s i sk i n e t i c so fw a s t ea u t o m o b i l el u b r i c a t i n g o i l f u e l ，2 0 0 0 ，7 9 ：1 9 4 3 1 9 4 9 4 2 t r a v i sf i s h e r ，m o h a m m a dh a j a l i g o l ，b r u c ew a y m a c k ，d i a n ek e l l o g g p y r o l y s i sb e h a v i o ra n dk i n e t i c so fb i o m a s s d e r i v e dm a t e r i a l s j o u r n a l o fa n a l y t i c a la n da p p l i e dp y r o l y s i s ，2 0 0 2 ，6 2 ：3 3 1 3 4 9 4 3 罗春鹏垃圾热解特性研究及热解特性神经网络预测浙江大学硕士论文， 2 0 0 4 1 5 浙江大学硕士学位论文 第二章垃圾典型组分快速热解特性 2 1 引言 目前国内外对垃圾热解动力学的研究主要在热天平上进行。由于所放置的物 料很少( 只能几毫克) ，不能很好地揭示垃圾组分的热解特性以及混合时组分之 间的相互影响。而我们实验时模拟垃圾组分有六种之多，而且需采用快速热解的 方式做实验，因此我们自行设计了一种可以进行大物量物料快速热解实验的装 置。该装置方便我们对多达十几克的垃圾进行快速热解实验。 本章将介绍进行垃圾典型组分及其混合组分热解特性研究的实验装置及实 验结果的影响因素：根据单组分实验结果分析了六种单组分热解特性，并同程序 升温时的热解特性作比较，为研究混合组分的热解特性及其非线性规律奠定基 础。 2 2 本文的实验装置系统以及实验方法 本实验所采用的实验台由浙江大学热能所自行设计研制的，实验装置图如图 2 1 所示： 图2 1 实验装置图 1 6 l 、电子天平 2 、热电偶一 3 、坩锅： 4 、氮气瓶； 5 、石英管； 6 、保温材料 7 、热电偶二 8 、流量计； 9 、管式电阻 l o 、数据采集 1 1 、计算机； 1 2 、温控仪； - ， _ 炉仪 浙江大学硕士学位论文 实验台包括五个部分：反应系统：数据处理系统；温度控制系统；炉内气氛系统 以及升降装置。 1 、反应系统：主体是一台管式电阻炉，中间有空心的陶瓷管，管外缠绕 着电热丝。实验物料放在3 0 m l 的坩锅内，通过耐高温的挂钩挂于电子天 平的弹簧片上。 2 、数据处理系统；实验中的数据有试样重量，炉温及实验温度三种，分别 由电子天平，热电偶二和热电偶一测量，天平由自带的数据接口直接与 计算机相连，热电偶通过h p 3 4 9 7 0 a 数据采集仪将温度值输入计算机保 存。 3 、温度控制系统：热电偶二同时与温度控制箱相连，控制温度恒定于指定 的实验温度范围内。 4 、炉内气氛系统：为保证炉内良好的惰性气氛，我们在陶瓷管内又放入了 石英管，石英管的一端通过流量计接入氮气，另一端开口较大，以容纳 坩锅，通入的氮气在确保炉内良好惰性气氛的同时也有利于排出反应过 程中释放的挥发分，避免挥发分与残余物进行二次反应。 5 、升降装置，炉体通过一对滑轮与动力机构相连，从而使得整个炉体能在 需要的范围内自由升降，以保证天平静止，确保实验数据的准确。 本文所采用的六种试样，已经过了预处理，加工至粒径在l 铀啪之间的小 颗粒，并经过烘干，尽量排除了水分的影响，实验的物料质量在2 7 9 之间，实 验开始前先向炉内以2 0 0 m l m i n 的速率通入氮气，以排出炉内空气。将炉温加热 到实验所需的温度后，通过升降装置将炉子升高到反应位置( 如图2 1 虚线所 示位置) ，同时开始以两秒为周期采集数据，直至物料重量不再变化。 2 3 影响实验结果的因素 和其他实验分析方法一样，热重法的实验结果也受到一些因素的影响，加 之温度的动态特性和天平的平衡特性，使影响热重曲线的因素更加复杂。基本上 可以分为两类：仪器因素和样品因素。具体的讲前者包括升温速率、数据记录频 率、炉内气氛、天平和记录机构的灵敏度以及坩埚材料等，后者包括样品量、样 品粒度、样品属性、样品填充方式和导热性等。【1 】 1 7 浙江大学硕士学位论文 1 、仪器因素 ( 1 ) 升温速率的影响：已经证明，发生反应时，升温速率快的，样品温度 和炉温之差也大。升温速率越大，产生的热滞后现象越严重，往往导 致热重曲线上的起始温度和终止温度偏高。另一方面，升温速率的突 然变化还会使热重曲线突然弯曲，引起虚假的现象。 ( 2 ) 数据记录频率的影响：较快的记录频率，会使热重曲线变的平斜，而 且当存在多个反应时，可以比较明显地分开各个反应。 ( 3 ) 炉内气氛的影响：如果采用静态气氛，随着炉温的升高，样品反应速 率加快，但是由于样品周围热解产生的气体浓度加大，又会降低反应 速率。为了得到较好的实验结果，一般采用动态气氛。另一方面，如 果采用的气氛中含有与样品热解产生的气体相同的气体，或者是可以 反应的气体，将对热重曲线形状产生严重影响。因此本文实验中采用 氮气作为实验气氛。 2 、样品因素 ( 1 ) 样品量的影响：这种影响可以归结为三个方面：( i ) 样品吸热或放热 会使样品温度偏离程序温度，从而改变热重曲线的位置。样品量越大， 这种影响就越大。( ) 热解产生的气体通过样品粒子周围的空隙向外 扩散的速率与样品量有直接的关系。样品量很大时，内部样品热解产 生的气体产物难以逸出，阻碍反应的顺畅进行，甚至还会改变热重曲 线的形状( i i i ) 样品量大，整个样品内的温度梯度就大，样品导热性 差时，更是如此。样品量越大，完成反应所需时间势必越长，从而导 致反应终止温度偏高，甚至热重曲线上相邻反应过程的分辨率降低。 ( 2 ) 样品粒度的影响：样品粒度不同，对气体产物扩散的影响也不同，因 而改变反应速度，进而改变热重曲线的形状。样品粒度大，会产生烧 爆作用，致使热重曲线上出现突然失重。粒度越小，达到温度平衡也 越快。对于给定的温度，分解程度也越大。 ( 3 ) 样品填充方式的影响；一般来说，样品填充越紧密，样品颗粒问接触 越好，有利于传导，因而温度滞后现象越小。但却不利于气氛与样品 颗粒的接触，阻碍了热解气体产物的扩散和逸出。 浙江大学硕士学位论文 为了尽量减少各种因素的不利影响，本文实验采用的样品粒径在1 4 m m 之 间，实验物料的重量在2 7 9 之间，并使物料充分混合。采用氮气作为炉内气氛 气体，实验开始后通氮气速率为1 0 0 m l m i n 。 2 4 垃圾典型组分的快速热解特性 2 4 1 典型单组分的快速热解特性 我国的城市生活垃圾由于受到时间和地域等的影响，成分比较复杂。因而有 必要科学地选取有代表性的垃圾组分来模拟实际生活垃圾。在垃圾中，木屑、纸 屑、织物、厨余、橡胶和塑料这六种成分所占比例很大，为了使研究更具有普遍 性和代表性，在试验的的样品选取上，本文选取了这六种垃圾组分进行研究，它 们的工业分析及元素分析见表2 1 。 表2 1 垃圾典型有机组分元素分析与工业分析 工业分析元素分析 组分m a da a ddf c a d c a d h a dn a ds t a dq b ，a d ( j q b ，a d o a d 鲫( 卡克) 木屑 9 2 2 l _ 3 57 9 0 41 0 3 94 6 2 64 0 60 1 4 0 0 73 8 9 1 8 3 2 5 4 3 8 2 织物 3 9 20 8 4 8 0