（工程热物理专业论文）城市生活垃圾热解产气特性研究及神经网络预测.pdf

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，也不包含为获得逝望盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而便用过的材料。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。 一繇开需一期 溉弓月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘望盘堂有关保留、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。本人授权滥望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 签字同期：n 舞弓 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 荡 导师签名 一 善 日 签字日期：睡5 月p 日 母硼f j 孑产控鲁灸町 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 摘要 城市固体废弃物的处理已成为一个全球性问题，固体废弃物热处理技术已经 成为我国固体废弃物处理的主流技术。城市生活垃圾组成成分十分复杂。固体废 弃物的热解过程是一个十分复杂的化学反应过程，人们至今仍无法对热解过程所 发生的化学反应进行精确的描述。研究固体废弃物热解的常见方法是热重分析 法，现在我们换个角度，研究城市生活垃圾的热解产气特性及其规律。同时利用 人工神经网络技术强大的捕捉非线性规律的能力，通过输入环保部门统计数据， 对热解产物的产量进行预测，这种预测可以作为热解工艺选择、设计和运行工况 调整的依据。通过这种预测可以进一步的了解热解机理。 本文综述了国内外对城市固体废弃物的热解处理方法，介绍了研究的背景， 方法，内容和意义。 第一部分，首先选取城市固体废弃物中的常见六种组分( 纸屑，厨余，织物， 木屑，塑料，橡胶) 作为实验物料，在自行设计的热解实验台上，对单一组分城市 生活垃圾进行快速热解实验，研究其产气特性。 第二部分，把六种常见组分多个混合作为物料，考察混合垃圾的热解气体产 量与热值与各组成单质垃圾的热解气体产量和热值之间的关系。 第三部分，综述了人工神经网络算法及算法程序流程、网络局部极值产生的 原因及其改进措施，介绍了节点激励函数、网络层数、学习精度、隐含层节点数、 目标函数误差、初始的权值与阂值、学习速率的选取与设置。首次详细介绍了人 工神经网络在城市固体废弃物热解产物预测建模中的应用过程，并验证了我们采 用的b p 神经网络预测模型良好的性能。 关键词：城市固体废弃物，热解，热解产物，神经网络，预测模型 4 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 卫ed e p o s i t i o no ft h ei n c r e a s i n gm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) h a sb e c o m eo n e o ft h es e r i o u sw o r l d w i d ei s s u e s n et h e r m a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e d o m i n a n tt e c h n o l o g yf o rm s w t h ec o m p o s i t i o no fm s wi sv e r yc o m p l i c a t e da n dt h e p y r o l y s i sp r o c e s so fm s w i sa v e r yc o m p l i c a t e dc h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s s t h ep e o p l e s t i l lc a n tc a r r yo r lt h ea c c u r a t ed e s c r i p t i o nt ot h ec h e m i c a lr e a c t i o nt h a tt a k ep l a c e d u r i n gt h ep y r o l y s i sp r o c e s su pt on o w t h ef a m i l i a rm e t h o dt h a ts t u d i e st h ep y r o l y s i s o fm s wi st h e r m o g r a v i m e t r ya n a l y s i sm e t h o d w ec h a n g ea na n g l et os t u d yt h e p y r o l y s i sg a sc h a r a c t e r i s t i ca n dm a k eu s eo ft h ea b i l i t yo ft h ea r t i f i c i a ln e r v en e t w o r k t e c h n i q u et oc a t c hn o n l i n e a rr e g u l a t i o ns t r o n g l y b yi n p u t t i n gt h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ns e c t i o ns t a t i s t i c sd a t a ，w ec a r r yo nt h ee s t i m a t et ot h ey i e l do f t h ep y r o l y s i s g a s t h i sk i n do ft h ee s t i m a t ec a nb et h eb a s i so ft h ep y r o l y s i st e c h n i q u ec h o i c e ， d e s i g na n dt h ea d j u s t m e n to ft h ew o r kc o n d i t i o n 。t h r o u g ht h i sk i n do fe s t i m a t e ，w e c a nf u r t h e rt h eu n d e r s t a n d i n go f t h ep y r o l y s i sm e c h a n i s m t 1 1 i sp a p e ro v e r v i e w st h ep y r o l y s i st e c h n i q u eo ft h ed o m e s t i ca n dt h ea b r o a dt o d i s p o s em s w ，a n di n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ，m e t h o d ，c o n t e n t sa n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h p a r ti ，f i r s t l y ，w es e l e c t e dt y p i c a ls i xk i n d so fc o m p o n e n t s ( p a p e r ，f o o d ，t e x t i l e ， w o o d ，p l a s t i c ，r u b b e r ) a st h ee x p e r i m e n tm a t e r i a l s ，a n dc a r r i e do nt h ef a s tp y r o l y s i s e x p e r i m e n to nt h ee a c hc o m p o n e n to fm s w t os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg a s y i e l d p a r ti i ，s e c o n d l y ，s i xc o m p o n e n t so fm s wa r em i x e da st h em a t e r i a l s ，a n d i n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i po ft h eg a sy i e l da n dt h eh e a t i n gv a l u eb e t w e e nt h em i x e d g a r b a g ea n dt h es i n g l eg a r b a g e p a r tl l i ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n gp r e d i c a t i o nm o d e l sf o r t h ep y r o l y s i sg a sy i e l do fm s w ，i n c l u d i n gm a i n l yt h es e l e c t i o no fm o d e ls t r u c t u r e ， a l g o r i t h m ，n o d ee x c i t a t i o nf u n c t i o n ，n u m b e ro fn e u r a ln e t w o r k s ，l e a r n i n gp r e c i s i o n ， n o d en u m b e ro f h i d d e nl a y e r s ，c h a r a c t e r i s t i c sf u n c t i o n ，b i a s e sa n dl e a r n i n gr a t e k e y w o r d s ：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 s ，p y r o l y s i sg a sy i e l d ，a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k s ，p r e d i c a t i o nm o d e l e 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 城市生活垃圾是城市居民在生活中和为城市日常活动提供服务中产生的综 合废弃物。在收集、运输和处理处置过程中，所含有的和产生的有害成分，会对 大气、土壤、水体造成污染，不仅严重影响了城市环境卫生，而且威胁人民身体 健康，破坏了人们生存的环境，成为社会公害之一。 城市生活垃圾的收集、运输和处理过程会产生大量的有害成分，从而对大气、 土壤、水等造成污染，不仅严重破坏城市景观，而且传播疾病，威胁人类的生命 安全。城市生活垃圾已成为社会公害之一，是我国和世界各大城市面临的重大环 境问题”。因此，城市生活垃圾处理技术与保护和改善生活、生态、防治污染、 协调经济发展和环境保护等方面息息相关。 1 2 中国城市生活垃圾的现状及特点 1 2 1 城市生活垃圾的产量 随着城市的发展，居民生活水平的提高，城市固体废弃物的产量在不断上升。 自1 9 7 9 年以来，我国城市生活垃圾平均以每年8 1 0 左右的速度增长，生活垃 圾的增长率与经济发达程度有关，我国所产生的生活垃圾主要集中于人口密集 的北京、上海、天津、重庆等大中城市，其总量约占亚洲总量的1 6 7 4 。2 0 0 0 年我国6 6 8 座城市实际产生垃圾1 5 亿吨，城市生活垃圾累计存量约为6 0 多亿 吨，垃圾侵蚀土地面积己超过5 亿平方米，城市人均垃圾产生量已达4 0 0 公斤 年，全国已有三分之二的城市被垃圾包围，城市垃圾处理正日益变成一项亟待解 决的环境问题【2 3 1 。 1 2 2 城市生活垃圾的污染现状 长期以来，我国城市生活垃圾的处理处置主要是以寻找合适地点加以“消纳” 为目的。目前我国的城市垃圾处理处置技术最常用的是填埋，其次是焚烧和堆肥。 其中，填埋占总处理量的7 9 2 ，堆肥占1 8 8 ，焚烧约占2 。我国传统的垃圾 消纳倾倒方式是一种不负责任的“服务于当代”的“污染物转移”方式。而现有 的垃圾处理场的数量和规模远远不能满足城市垃圾增长的要求，大部分垃圾仍然 浙江大学硕士学位论文 处于露天集中堆放状态，对环境的即时和潜在危害很大，污染事故频出，污染口 趋严重。 1 ) 侵占大量土地、对农田破坏严重 堆放在城市郊区的垃圾，侵占了大量农田，未经处理或未经严格处理的垃圾 直接用于农田，或仅经农民简易处理后用于农田后果严重。由于这种垃圾肥颗粒 大，而且含有大量玻璃、金属、碎砖瓦等杂质，破坏了土壤的团粒结构和理化性 质，致使土壤保水、保肥能力降低。重庆市有些地方因长期使用未经严格处理的 垃圾肥，土壤的汞浓度已超过本地3 倍 4 , 5 1 。 2 ) 严重污染空气 在大量垃圾露天堆放的场区，臭气冲天，老鼠成灾，蚊蝇孽生，有大量的氨、 硫化物等污染物向大气释放。仅有机挥发性气体就多达1 0 0 多种，其中含有许多 致癌、致畸物 。 3 ) 严重污染水体 垃圾不但含有病原微生物，在堆放腐败过程中还会产生大量的酸性和碱性有 机污染物，并且会将垃圾中的重金属溶解出来，是有机物、重金属和病原微生物 三位一体的污染源。任意堆放或简易填埋的垃圾，其内所含水量和淋入堆放垃圾 中的雨水产生的渗滤液流入周围地表水体和渗入土壤，会造成地表水或地下水的 严重污染，致使污染环境的事件屡有发生【7 1 。 4 ) 垃圾堆放场爆炸事故不断发生 随着城市垃圾中有机质含量的提高和有露天分散堆放变为集中堆存，只采用 简单覆盖易造成产生甲烷气体的厌氧环境，使垃圾产生沼气的危害日益突出。近 年来垃圾堆放场发生垃圾爆炸事故频繁发生，造成巨大损失。 5 ) 同益严重的城市垃圾污染，成为社会关注的焦点 城市垃圾问题伴随城市化进程日趋尖锐，已经成为一个人民关心、旅游观光者 留心、新闻媒体关注、对政府部门压力较大的一个社会问题。不仅对城市环境造 成了巨大压力，而且也限制了城市的发展。 1 2 3 城市生活垃圾的组成特征及变化趋势 表1 1 列出了中国部分城市生活垃圾的组成，从表可知，城市整体经济水平 的差异导致了垃圾各组分含量的明显差别，在统计表中，各城市的橡胶的数据不 浙江大学硕士学位论文 齐，或归入塑料类或缺少。中国城市生活垃圾的特点是有机物、灰土、水分含量 高而热值普遍偏低，一般有机物3 0 5 5 ，灰土1 0 - - - 5 0 ，水分4 0 6 0 ，热值大 多低于4 0 0 0 k j k g 8 - 1 0 。从表1 2 2 】可知，近年来中国城市生活垃圾构成在总体上 呈现含水率降低，纸类、塑料、木质和纤维等有机成分增加，生活垃圾的热值大 大增加，这无疑为我国城市生活垃圾的资源化利用创造了条件。 表1 - 1 中国部分典型城市生活垃圾的组成 城市有机物无机物纸织物木竹塑料橡胶玻璃金属 青岛9 7 年 4 2 2 03 6 1 04 o o3 2 0 术 1 1 2 0 2 2 01 1 0 西安9 7 年 1 5 7 4 6 3 5 23 3 5 2 4 83 9 47 9 3 采 1 8 41 2 0 芜湖9 7 年 6 7 6 01 9 5 04 0 00 6 0 女 1 7 03 6 0 2 0 0 1 0 0 浦东9 6 9 7 5 5 3 31 1 1 31 2 3 02 6 4o 7 81 3 9 8 术 3 0 1o 8 3 武汉9 6 年 5 2 o o1 9 7 87 1 21 4 21 7 l9 2 90 5 67 1 4o 9 8 杭i ，1 9 7 年 5 8 1 92 4 0 03 6 82 2 31 2 06 6 21 o l2 0 90 9 8 宁波9 6 9 7 5 3 6 92 5 4 85 4 02 9 61 1 07 9 0 木 2 4 31 0 4 温州龙港9 64 4 7 0 1 7 9 07 6 81 6 91 8 72 3 8 6 术 1 3 01 0 0 广i 1 1 9 6 年 6 0 1 71 7 1 25 4 03 4 01 0 68 9 9 木 3 3 7o 4 9 深彭1 1 9 4 年 4 0 0 01 5 0 01 7 o o5 o o 霉 1 3 o o2 0 05 0 03 ，0 0 香港9 7 年 2 5 5 01 5 7 02 5 7 04 2 05 o o1 7 1 0 出 3 2 03 6 0 注：空格为数据缺省， 为数据已归入其它类。所有数据为各城市统计资料。 表l 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 0 3 0 78 8 01 6 01 9 71 7 12 3 96 8 52 7 2o 7 41 3 91 0 0 1 9 9 55 1 5 2 4 81 4 o2 5 42 1 42 7 4 5 4 03 0 7 8 8 01 6 0l - 9 71 7 1 2 0 0 04 8 o1 8 91 9 4 3 4 83 3 43 7 3 5 1 5 2 4 81 4 o2 5 42 。1 42 7 4 1 2 4 城市生活垃圾的物理与化学性质 城市生活垃圾是一种非均质的多样物质的混合物，不象单一物质那样具有 自己特定的内部结构和外部特狂，故不存在特定的物理性质。它的物理性质常随 其构成物的性质和比例的改变而变化。 浙江大学硕士学位论文 城市生活垃圾是多种物质的混合物、其化学特性与垃圾的各构成组分的化学 性质有着密切的关系。对于垃圾堆肥处理技术，常考虑的垃圾化学特性有：水分、 有机质及元素组成等。对于垃圾热处理的热解、气化、焚烧而言，主要考虑的垃 圾化学特性有：水分、挥发分、固定碳、热值等，而主要元素为c 、h 、0 、n 、s 、 c 1 等。表1 3 列出了中国典型城市生活垃圾的工业与元素分析，其中上海浦东、 深圳、香港的挥发分含量比其它城市高出许多，热值也较其它城市高，固定碳含 量多在2 6 之间，显然较其它城市高，而灰分则明显偏低。上海浦东、深圳、 香港的c h 0 ，的含量与其它城市有较明显的区别，产生的原因是这几个城 市的纸类、塑料类有一种或两种含量比其它城市更高。 表1 - 3 中国部分典型城市生活垃圾的工业与元素分析 项目工业分析元素分析 单淡 v 时c 。a 。，地。c 。 h a r 0 。s 。n 。，a 盯 青岛9 7 4 2 3 61 7 6 82 7 83 7 1 84 2 3 61 2 4 71 8 46 6 4o 0 70 3 43 6 2 9 西安9 7 2 4 9 5 1 3 1 22 4 15 9 5 22 4 9 59 6 3 1 4 76 0 2 0 0 9o 2 25 7 6 1 芜湖9 7 5 5 9 91 7 9 02 8 82 3 2 35 5 9 91 1 5 71 6 37 2 6o 1 20 4 32 3 o o 常i i 9 7 4 3 0 41 7 1 02 8 33 7 0 34 3 0 41 1 5 91 6 87 0 7o 0 8o 3 53 6 1 9 浦东9 6 、9 7 5 1 5 92 7 2 54 1 51 7 o o5 1 5 91 8 4 62 6 29 8 7 o 0 80 4 31 6 9 7 武汉9 6 4 7 6 72 0 6 73 3 92 8 2 74 7 6 71 4 0 81 9 9 7 9 60 0 8o 3 62 7 8 5 杭卅1 9 7 5 1 5 7 1 8 4 83 0 42 6 9 l5 l _ 5 71 2 2 71 7 57 4 30 0 9o 4 02 6 5 0 宁波9 6 “9 7 4 9 0 91 9 3 43 1 12 8 4 54 9 0 9 1 2 7 61 8 37 8 9o 0 80 3 92 7 9 7 广卅1 9 6 5 3 5 02 1 2 33 3 62 1 9 25 3 5 01 3 9 81 9 78 2 8 0 0 80 4 32 l7 7 深爿1 1 9 4 4 0 9 4 3 0 6 94 1 42 4 2 24 0 9 42 0 8 42 9 61 0 9 5o 1 00 4 62 3 7 4 香港9 7 3 3 5 63 7 5 05 4 82 3 4 63 3 5 62 5 4 13 6 01 4 0 80 】1o 4 22 2 8 3 1 3 国内外城市生活垃圾处理技术 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堆肥、卫生填埋、热处理三大技术1 1 - 1 射。 浙江大学硕士学位论文 将生活垃圾收集成群、保温储存、发酵，借助垃圾中微生物分解的能力，将 有机物分解成无机养分。一般的堆肥操作能使其温度上升至7 0 。c 生活垃圾中的 病原体大多被消灭。经过该堆肥处理后，生活垃圾变成卫生的，无味的腐殖质。 1 3 1 堆肥 堆肥技术简单，其影响因素主要有总需氧量，生活垃圾的组成及粒度、温度 、p h 值以及搅拌程度。堆肥法既解决垃圾的出路问题，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。但是生活堆肥量大，养分含量低，长期使 用易造成土壤板结，所以堆肥的规模不易太大。生活垃圾不可能全靠堆肥技术处 理，而必须与其它处理技术相结合。 1 3 2 卫生填埋 卫生填埋处理技术作为一种工程处理方式，是将垃圾堆黄在相对封闭的环境 中，使其对周围环境的影响降低到最小程度，它有一套非常严格的操作处理程序 和相应的技术措施作为保障。但填埋废物中的有机成分在厌氧环境中由于微生物 的降解作用会产生气体，这些气体不仅增加了大气污染和全球变暖的趋势，而且 易引起甲烷爆炸事故。另外填埋场的废物受雨水淋滤或地下水的浸蚀，大量污染 物进入了地下水或地表水，造成水体的污染。卫生填埋还有一个直接的后果就是 产生大量的渗滤液。由于渗滤液成分复杂，有害物质浓度高，必须进行处理后方 可排入水体。 1 3 3 热处理法 固体废物中有机物可分为天然的和人工合成的两类。天然的有橡胶、木材、 纸张、蛋白质污泥等；人工合成的有塑料、合成橡胶、合成纤维等。随着现代工 业发展和人民生活水平的提高，固体废物中有机物质的组成不断增加。这些废物 都具有可燃性，能通过焚烧和热解回收能量和能源。城市生活垃圾热处理法主要 包括热解、气化、焚烧或几种工艺联合方法。 1 3 3 1 焚烧 焚烧是如今城市生活垃圾处理的三大方法之一，在城市垃圾处理方面的技术 地位仅次于填埋。焚烧在处理城市生活垃圾方面能得到如此广泛的应用，是因为 它有许多独特的优点：( 1 ) 焚烧占地小；( 2 ) 焚烧对垃圾处理彻底，残渣二次污染 危险较小；( 3 ) 焚烧操作是全天候的不受天气影响；( 4 ) 垃圾炉可安装在接近垃圾 浙江大学硕士学位论文 源的地方，节约运输费用；( j ) 焚烧的适用面广，除城市垃圾以外的许多城市废 弃物也可以采用焚烧方法进行净化；( 6 ) 随着对城市垃圾填埋的环境措施要求的 提高，焚烧的操作费用可望低于填埋。当然焚烧方法也不是完美的，首先它的投 资大，占用资金用期长；其次焚烧对垃圾的热值有一定的要求，一般不能低于 8 0 0 k c a l k g ，这限制了它的应用范围；最后，焚烧的废气排放问题，虽已花了很 大的代价，但远非完全解决，而近年来出现的“二嗯英”问题更使人们的这个担 心变得沉重起来。焚烧的优势和缺陷决定了它将在一个时期内继续作为主要的垃 圾处理方法得到应用，但在将来会逐步被更安全、资源化意义更大的垃圾处理方 法，如热解和废弃衍生燃料( r d f ) 制造法等所代替 1 9 - 2 1 】。 1 i3 3 2 热解 热解又叫干馏，热分解或碳化。固体废物热解工艺是：在无氧或缺氧条件下， 高温加热有机物，使有机物的大分子裂解成为小分子直到变为气体，从而获得可 燃气体以及少量油品的技术 6 】。该项技术能显著减少固体废物的质量和体积，获 得高附加值的燃料油等资源化产品，二次污染小，投资和运行费用低。该法对垃 圾成分的适应性强，热值有波动时也能适应，最重要的是几乎不会造成二次污染。 通过热解和气化可以达到两个目的：一是回收储存性能源，如燃料气、燃料油和 炭黑；二是减少焚烧造成的二次污染。热解气化在处理单组分废弃物( 如塑料、 橡胶、生物质等) 方面取得了较为成功的经验。但由于城市生活垃圾组成极其复 杂，垃圾里过高的水分和灰分含量导致热解产物品质较低，同时由于产物中含有 硫、金属、玻璃等杂质，导致其应用价值大大降低。所以城市垃圾热解回收能源 在工业化方面没有取得太大的进展 1 “。 1 4 本文研究的背景、方法、意义、内容 1 4 1 研究背景 由于垃圾成分复杂，不象单一物质那样具有自己特定的内部结构和外部特征 而且垃圾各组分热解交互影响，又不能像煤一样通过元素分析而了解其热解特 性，因此国内大多地方在设计和运行垃圾焚烧炉时，往往对所要焚烧垃圾的热解 特性缺乏了解，这为他们的工作带来极大的不便。对于低热值、高水分、组分变 化大的城市生活垃圾，不经分选进行热解，对其热解机理的掌握非常困难，故而 目前国内外常用的研究方法是由单一组分出发，先研究每一组分各自的热解特 性，然后通过逐渐增加组分研究各组分间互相的影响。常用的手段有：热重分析 浙江大学硕士学位论文 ( 包括t g ，d t o 及d t a 方法) ；动力学模型分析( 利用阿累尼乌斯定律等进行 计算) 以及d s c ( 微分扫描热量仪) 加元素分析法确定热值 2 2 - 3 5 1 ：热解产物分 析方法口6 。3 9 1 。 热重分析方法是在程序控制温度下测量物质的质量与温度关系的一种方法， 是研究燃料燃烧及热解动力学特性的常用方法。通常用于热重法的仪器是热天 平，在恒定温升速率的实验条件下，将一定质量的试样在规定气氛的实验环境中 加热到设定温度，记录温度，质量及时间数据获得如下3 种曲线： i 、t g 曲线y ：一竺止2 1 关于z ：t 的变化曲线 w 0 2 、d t g 曲线y ：墨孕关于x ：t 的变化曲线 a 3 、d t a 曲线样品温度与环境温度之间的差值。 其中，w t 表示的是样品t 时刻，t 温度下的质量。w 0 表示的是样品初始的质量。 以废纸热解为例，下图为热失重技术中废纸热解过程中的样品失重曲线和失重微 分曲线i2 8 1 。 芒 一 隶 血 蜒 动力学模型分析是在t g 实验的基础上运用动力学定理获得各项动力学参数 的方法，如：按照质量作用定律得到反应速度的关系式为： 珂= 一k c ? 1 c ；2 式中：k 表示反应速度常数，它与反应物的浓度无关，其单位由反应物浓度的单 位来决定。由此可得燃烧反应的速度： 百d o e = ( 1 一d ) ” ( 1 ) 其中k 一反应速度常数d 一反应过程中的转化率n 一反应级数t 一反应时间 。暑、譬联 浙江大学硕士学位论文 假设反应速度常数服从阿累尼乌斯方程： k = a e 一5 7 “7 a 一频率因子e 一活化能r 一气体常数t 一反应温度 实验为恒速升温，升温速率矽= d t d t 则式可表示为： 塑：_ ae - e r r ( 1 口) 一 d t击 7 国外有学者将燃烧过程描述为一级动力学，在此拟将燃烧反应方 程i t l 叫砜小- - 为、：d _ f f ：尝p ”( 1 一口) d t西 导出有下式眦 l i l 掣 _ 1 n 尝( 1 一争卜寺帅瑚叫伊】对 作图与正确机理对应的应是直线。通过直线斜率和截距可得到动力学参数e 和a 。式中燃烧转化率a 由失重曲线t g 得到，并按下式计算： 口= 洄一吼) ( q 一) 式中万。，刃，t 7 9 c 分别为燃烧开始、任一时刻和结束时试样的重量。以此方法获得如 动力学参数。2 。2 “。 在垃圾热值的估算方法上目前比较常用的是根据多种有机物燃烧热的简单 加和均值结合d s c 和t g a 分析结果，可非常方便地估算垃圾热值。大量实验结果 表明，蒸发热( 指d s c 测定值) 与起始温度呈线性关系，用某一温度下( 如室温) 所 测出的样品蒸发热除以该温度下的纯水蒸发热，所得的值即为样品的含水率。垃 圾热值估算，包括糖类、氨基酸、肽、有机磷和硫化物、酪、醚等，计算出平均 热值，对污泥中纯有机物的高位热值的测定和计算结果与此相同，故此认为，这 个平均燃烧热亦适合于垃圾中纯有机物热值的估算。高位热值与低位热值的关系 为： h h v = l h v ( 1 0 0 - l w ) 1 0 0 2 4 4 3 5 w l h v 低位热值，k j k g i 一惰性物( 灼烧残渣) ， h h v 高位热值，k j k g w 一含水率， 浙江大学硕士学位论文 利用所测定的有机物含量i 和含水率w 就可以计算得到h h v ”“。 前人对热解气体产物的研究甚少，有的实验是在固定床热解实验台上，采用 程序升温的方式，设定一定的升温速率，考察不同热解终温对热解产气量、气体 热值的影响，同时研究整个升温过程中气体产物成分的变化情况。有的实验研究 生物质类废弃物在回转窑内的热解特性，讨论了物料种类、热解终温、加热方式 、给料粒径和含水率对热解产物分布的影响以及回转窑内热解气体的瞬态析出 特性。通过前人的研究可以得出以下结论：( 1 ) 热解终温是热解过程中的一个重 要的控制参数，热解终温对气体的产量以及气体的热值都有影响。( 2 ) 在程序升 温的过程中热解气体的析出有一定的规律。( 3 ) 在回转窑内的热解产气实验中， 物料挥发分和热解终温高，加热快、粒径小，有利于燃气产率的提高。热解过程 中产生的燃气气流率峰值出现时间随热解温度的升高而提前。 1 4 2 研究方法 固体废弃物的热解是一个十分复杂的化学反应过程，包含大分子的键断裂、 异构化和小分子的聚合等反应。由于影响热解过程的因素很多，各因素对产物产 率的作用也非常复杂，至今人们仍无法对热解过程所发生的化学反应进行精确的 描述。为了更深步的了解垃圾热解的特性，本文采用气体产物分析方法。 气体产物分析方法和热重分析都是固体废弃物热解的研究方法，只是从两个 不同的角度。但是这两种方法是对应的，无论从实验物料，还是一定热解温度下 气体的采集都是对应的，只有这样才能更好的从两种不同的研究方法中总结出垃 圾的热解特性和内在规律。众所周知，热解是一个非常复杂的化学反应过程，在 不同的时间段内，不同的热解温度下会产生不同的燃料气。利用采气装置把不同 温度区间内的所得气体收集，然后对气体进行分析，可以测气体总量，也可以利 用气相色谱分析仪分析出各气体组分所占的体积分额。 1 4 3 研究意义 在己进行的研究中，大多数学者都采用了程序升温的方式，使物料历经一个 温度由低到高的全过程并基于或结合了热重( t g ) 技术而展开的，利用这些方法 已经获得了比较详尽的数据，总结了丰富的经验。但在快速热解产气特性方面尚 无人企及，所谓快速，是为了模拟燃料( 城市垃圾) 在投入正在运行的焚烧炉时 所表现出来的热解行为。由于焚烧炉在运行的过程中其炉膛温度基本稳定在一个 浙江大学硕士学位论文 较高的数值，此时投入的燃料( 城市垃圾) 并不是经历了一个缓慢加温的过程的。 我们所进行的实验是将物料直接投入8 5 0 。c 的高温中，物料的升温速度可以达到 3 0 0 - - 4 0 0 。c m i n ，所以我们称之为快速热解。对快速热解产气特性的研究有助于 进一步了解城市垃圾在温度突变时的产气特性，完善垃圾焚烧技术。 气体产物分析方法和热重分析方法都是固体废弃物热解的研究方法，只是从 两个不同的角度。但是这两种方法是对应的，无论从实验物料，还是定热解温 度下气体的采集都是对应的，这样就从两种不同的研究方法得出的实验结果进行 对比，看物料失重最快和产气量最大是否在同一个温度区间内，更好的总结出垃 圾的热解特性和内在规律。 在工程应用中，人们更关心的是各种热解产物的产率和性质而非热解产物的 析出过程。基于以上原因，采用神经网络方法对实际热解工艺热解产物的建模。 比如说固定炉温，把固体废弃物的各组分的组成比例作为影响气体产物的一大因 素，建立以这些因素作为网络的输入，以实测的物料各产物的产率作为网络的输 出，对网络进行训练。然后以此模型进行预测，当我们知道了某城市的垃圾组成 比例，就能预测出热解产物的产率。这种预测是热解工艺选择、设计和运行工况 调整的重要依据，并将直接关系到热解工艺的经济性和操作性能。我们通过热重 分析法和气体产物分析法的对比，就可以从微观上对热解机理加以认识，并有可 能直接写出垃圾组分的热解反应方程式。 1 4 4 研究内容 本文首先从城市生活垃圾单组分快速热解的研究开始，然后是混合组分，最 后利用神经网络对热解气体的产气量和混合气的热值进行预测。内容如下： ( 1 ) 首先选取城市固体废弃物中的常见六种组分( 纸屑、厨余、织物、木屑 、塑料、橡胶) 作为实验物料，在管式电阻炉热解实验台上，对单一组分城市生 活垃圾进行快速热解实验，分析产气特性和混合气的热值变化，不同热解气体的 体积产率和质量产率。 ( 2 ) 然后把六种常见组分多个混合作为物料，考察混合垃圾的热解特性；混 合垃圾的热解气体产量与热值与各单组分垃圾的热解气体产量和热值之间的关 系。 ( 3 ) 最后介绍了神经网络理论知识并详细论述了我们采用的b p 神经网络预 浙江大学硕士学位论文 测模型。目前对垃圾热解产物的预测还没有有效的方法。而神经网络作为一种非 线性建模和预测方法，具有良好的非线性品质、极高的拟合精度 4 0 ”1 、我们期望 通过神经网络良好的捕捉非线性规律的特性，利用神经网络对垃圾热解产物进行 预测，本文的b p 神经网络预测模型能通过输入垃圾混合物主要组分的比例而预 测垃圾的热解产物，这样可以充分利用各地环保部门对当地垃圾组分的统计数 据。这一章简要介绍了神经网络理论的基础知识，并详细论述了我们根据单组分 热解和混合组分热解的气体析出情况，对垃圾热解产物的b p 神经网络预测模型 进行建模的过程，也详细介绍了我们在建模前后对数据的一些处理方法。 参考文献： 1 方磊我国城市生活垃圾现状与对策科技日报，1 9 9 9 ，1 2 ( 1 ) ：2 1 - - 2 3 2 国家统计局中国统计年鉴( 2 0 0 1 年) 北京：中国统计出版社，2 0 0 1 3 杜友垃圾焚烧处理技术进展新能源，2 0 0 0 ，2 2 ( 1 ) ：2 4 - 2 9 4 国家环境保护总局污染控制司城市固体废物管理与处理处置技术北京：中国石化出 版社，2 0 0 1 5 李光德，张建勇我国垃圾焚烧处理现状及其发展环境科学进展，1 9 9 8 ，6 ( 6 ) ：7 8 8 1 6 芈振明，高忠爱，祁梦兰等固体废弃物的处理与处置( 修订版) 北京：高等教育出 版社，1 9 9 3 7 张向东我国城市固体废弃物的危害及处理求知，2 0 0 0 ( 3 ) ：2 2 2 5 8 李晓东，陆胜勇，徐旭等中国部分城市生活垃圾热值的分析中国环境科学，2 0 0 1 ， 2 1 ( 2 ) ：1 5 6 - 1 6 0 9 徐旭燃烧过程中二唾英的生成及排放特性研究浙江大学博士学位论文，2 0 0 1 ，1 2 1 0 刘慧群，王明杰，高敏等城市生活垃圾热值估算方法研究环境卫生工程，19 9 9 ，7 ( 3 ) ：1 0 0 - 1 0 6 1 1 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 1 5 1 2 宋国英，牛静波编译国外城市固体废弃物的处理技术的进展国外环境科学技术， 1 9 9 3 ，2 ：5 3 - 5 7 13 国家环境保护总局污染控制司城市固体废弃物管理与处理处置技术北京：中国石 化出版社，2 0 0 0 1 4 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 f 1 6 浙江大学硕士学位论文 w a s t e t r e m m e ma n dd i s p o s a l t e c h n o l o g i e s f o r m u n i c i p a ls o l i d w a s t e a p p l i e d e n e r g y ，1 9 9 8 ， 5 8 ( 4 ) ：2 0 9 2 5 5 1 5 g u p m ，a k t h e r m a ld e s t r u c t i o no f s o l i dw a s t e j o u r n a lo f e n e r g yr e s o u r c e st e c h n o l o g y ， 1 9 9 6 ，1 1 8 ：18 7 - 1 9 2 1 6 王磊，别如山，庄慧颖，鲍亦令，杨励丹焚烧城市垃圾回收能源新能源，1 9 9 7 ， 1 9 ( 5 ) ：4 4 - - 4 8 1 7 ，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 8 郭蔚如，海颖，兰嗣国介绍一种垃圾焚烧处理新技术环境科学研究，1 9 9 8 ，1 1 ( 3 ) ： 1 5 - 1 8 19 c cw i l e s m u n i c i p a ls o l i dw a s t ec o m b u s t i o na s h ：s t a t e - o f - t h e - k n o w l e d g e ，j o u r n a lo f h a z a r d o u sm a t e r i a l s ，4 7 ( 1 9 9 6 ) ：3 2 5 3 4 4 2 0 cc l e ea n dg e o r g el ，h u f f m a n n ，i n c i n e r a t i o no fs o l i dw a s t e ，e n v i r o n m e n t a lp r o g r e s s ， 8 ( 1 9 8 9 ) ：1 4 3 - 1 5 1 2 1 王中民，城市垃圾处理与处置，北京：中国环境科学出版社，1 9 9 2 2 2 郐晓寒论城市垃圾的处理处置哈尔滨师范大学自然科学学报v 0 1 1 9 ，n o 2 2 0 0 3 2 3 姜凡，潘忠刚等城市固体废弃物的燃烧特性实验研究热能动力 _ 程，总第9 l 期 2 4 常青，赵由才城市生活垃圾的d s c 和t g a 分析与热值估算云南环境科学，第1 6 卷第2 期 2 5 c o a t s ，a w a n dr e d f e m ，j p k i n e t i cp a r a m e t e r sf r o mt h e r m o g r a v i m e t e r i cd a t a ，n a t u r e ， 1 9 6 4 ，2 0 1 ( 6 8 ) 2 6 郭小汾，杨雪莲，陈勇等垃圾中可燃物的动力学研究燃料化学报，1 9 9 9 ，2 7 ：6 2 - 6 7 2 7 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 8 陈清如城市垃圾处理的对策环境科学学报，0 2 5 3 - 2 4 6 8 ( 2 0 0 0 ) 一0 5 0 6 4 5 - 0 3 2 9姚强等t g 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 0 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 3 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 2 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 l - 5 3 3 3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 ) ： 1 7 浙江大学硕士学位论文 3 5 7 - 3 6 0 3 4 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 f r e f u s e d e r i v e df u e l f u e l 一 1 9 9 9 ，6 0 ( 2 ) ：1 0 3 - 11 0 3 5 f o n t ，r m a r c i l l a ，a ，g