（环境科学专业论文）铁路固体废弃物衍生燃料rdf的燃烧过程与污染特性研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t ：r a i l w a ys o l i dw a s t ei sr e f e r e dt ot h es o l i dw a s t ep r o d u c e di nt h e o p e r a t i o n a lp r o c e d u r eo fr a i l r o a d s n o w d a y s ，i t sa m o u n th a sb e e ni n c r e a s i n gs or a p i d l y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er a i k o a d st h a ti t h a sb e 啪eav e r yp r a c t i c a la n d s e r i o u sp r o b l e mw h i c hi sa f f e c t i n gt h es u s t a i n a b l er a i l r o a d i n g r e f u s e dd c r i v o df u e l ( r d f 3h a sb e e nd e v e l o p e da sa na l t e r n a t i v ee n e t g ya n di ti s b e i n gd e v e l o p e dt ot h ei n d u s t r i a la 印l i c a f i o n b u tt h i st e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i ss t i l li n s t a r t i n gs t a g ea n dt h e r eh a s h ta n yr e l a t e dr e s e a r c h e sa b o u ti t sa p p l i c a t i o ni nr a i l w a y s o l i dw a s t ei nc h i n a t h e r e f o r e ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr d fp o l l u t a n t s e m i s s i o no ft h er a i l w a ys o l i dw a s t e ，e t c s h o u l db ef u r t h e rr e s e a r c h e da n de x p l o r e d h io r d e rt oa c h i e v et h er e d u c t i o n ，r e c y c l ea n ds a f et r e a t m e n ta p p l i e di nt h er a i l w a y s o l i dw a s t et r e a t m e n t , ao e l t a i na m o u n to fw o r k sh a v e b e e nd o n ei nt h i ss t u d y b a s e do n t h ea c h i e v e m e n t so ft h er d ft e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d , c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c a n dd y n a m i c so ft h ew a s t ea n di t sm i x t u r ew i t hc o a lh a v eb e e ns t u d i e db ym e a n so f t h e r m o g r a v i m e t r y t h ee m i s s i o nc h a r a c t e r so ft h ep o l l u t a n t s ( s u c ha sc o ，n o ds 0 2 ， h c l ) f r o mr d fh a v eb e e ns u m m a r i z e d p o l l u t a n t sm e c h a n i s ma s w e l la st h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o lh a sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e d t h ef i n a lr e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h ec o m p o s i t i o no fr a i l w a ys o l i dw a s t ei ss i m p l i e r t h a nm u n i c i p a ls o l i dw a s t ea n dt h ef o r m e rh a sh i g h e rc a l o r i f i cv a l u e ；i g n i t i o np o i n ta n d a c t i v a t i o ne n e r g yo ft h ec o a lb l e n d e dw i t ht h ew a s t ea r eo b v i o u s l yl o w e rt h a nt h ec o a l i t s e l f ；p o l l u t a n t se m i s s i o nc o n c e n t r a t i o n sf r o mr d fc o m b u s t i o na r el o w e rt h a nt h a t f r o mw a s t eo rc o a lc o m b u s t i o n ；t h ec o r r o s i o nb r o u g h tb yh c i 锄b el e s s e n e db ya d d i n g c a l c i u ms o r b e n t st h r o u g ht h ep r e p r o c e s s i n g t h ec o n c l u s i o n sa b o v ec a nb eu s e da sar e f e r e n c ef o rt h ef u r n a c ed e s i g na n d c o m b u s t i o no p e r a t i o n a n dt h i ss t u d yh a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o re f f e c t i v ea p p l i c a t i o no f t h er a i l w a yg a r b a g e k e y w o r d s ：r a i l w a y s o l i dw a s t e ；r d f ；t h e r m o g r a v i m e t r y ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c ； h a c l a s s n 0 ：x 1 3 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：身忮蟊 签字日期：聊7 年，月仃日 幻7 枷朋 侈 年 刁 繇 - 签 期 口 j 师 日 导 字签 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通大学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了谢意 学位论文储签名：辫牧蕾 签字日期 渺 年，2 月7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师任福民副教授的悉心指导下完成的，任福民副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来任福民老师对我的关心和指导。 任福民副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向任福民老师表示衷心的谢意。 许兆义教授、周岩梅副教授、于晓华副教授和王锦副教授对于我的科研工作 和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张玉磊、高明、于敏等同学对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的亲人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 北京交通大学硕士学位论文 引言 1 引言 1 1 固废问题及其处理现状 1 1 1 我国固废产生现状 随着人类社会的发展，固体废弃物也在以惊人的速度增加，不仅造成了对景 观、市容的污染，而且对人类的生存和生态环境也产生了严重危害。因此，固体 废弃物已经成为现代社会面临的严重问题之一，加速固废的减量化、无害化、资 源化进程，已成为社会的共识。 铁路固体废弃物是指在铁路部门运营过程中，产生的站、车、场生活固体废 弃物。随着我国铁路的迅速发展，铁路固体废弃物的产量连年大幅上升，成为铁 路重要的环境污染源，不但造成大量有用资源的浪费流失，还严重影响铁路建设 的可持续发展，是近年来令人瞩目的铁路建设问题之一。近年来，铁道部门一直 致力于铁路固体废弃物的治理，但由于缺乏对垃圾的理化及污染特性进行全面的 调查分析，而未能提出综合有效的治理方案，影响了治理效果。 1 1 2 国内外的固废处理现状 解决好固体废弃物的问题是现在社会所面临的难题之一，各国都在不断寻求 解决处理固废垃圾的具体有效方法。美国、德国、日本、巴西等国采取各种措施 加强固废回收利用以控制垃圾产量；一些国家用法律作为手段，对不可回收的物 品及乱扔垃圾的现象进行交税、处罚；发达国家，如瑞典、德国、日本都较注重 固废垃圾的分类收集处理，这样处理效率会更高。世界现行的固废处理技术主要 有【1 2 l ：焚烧法( i n c i n e r a t i o n ) 、热解法( p y r o l y s i s ) 、堆肥法( c o m p o s i n g ) 和填 埋法( l a n d f i l l ) 。 ( 一) 焚烧法 焚烧技术是以燃烧反应彻底转化垃圾中的可燃组分，现代应用的焚烧工艺基 本上以混合物燃烧为主，即不对废物作分选等预处理( 或极有限的破碎等预处 理) 。其主流技术方法是机械炉排燃烧，通过炉排使废物翻滚、松散。焚烧时的 8 0 0 一1 0 0 0 c 的高温可以将垃圾中的有机物彻底氧化分解，因而可以最大程度地 减少垃圾的最终处置数量，达到减量化。垃圾中的细菌、病毒被彻底消灭，恶臭 气被高温分解，可以最快速度达到无害化。 焚烧法能使垃圾在最短的时间内减量化、稳定化、无害化和资源化，但垃圾 焚烧的吨投资为5 0 - 7 0 万元【3 】且垃圾焚烧也必须配备完备的二次污染治理系统 和具备一些特定的工艺条件，需要很大的投资和较高的技术管理水平，否则容易 导致二次污染。而小规模的焚烧炉进行完备的配置，不论从投资还是运行角度讲 北京交通大学硕士学位论文 引言 都不具备规模效应。 1 8 7 4 年，英国诺特汉姆建造了世界上第一座垃圾焚烧平炉，其后在美国、 德国、法国等也陆续建立了垃圾焚烧厂。但直到2 0 世纪6 0 年代，垃圾焚烧才出 现快速发展。 ( 二) 热解法 热解工艺已有很长的历史，如木材和煤的干馏、重油裂解生产各种燃料油等。 但将热解原理应用到固废垃圾制造燃料，还是近几十年的事。它是利用有机物的 热不稳定性，在无氧或缺氧条件下受热分解的过程。热解法与焚烧法相比是完全 不同的两个过程，焚烧是放热的，热解是吸热的；焚烧的产物主要是二氧化碳和 水，而热解的产物主要是可燃的低分子化合物气态的有氢、甲烷、一氧化碳， 液态的主要有甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等，固态的主要 是焦炭或碳黑。 热解气化技术过程不适用于混合城市生活垃圾和湿度高的可燃垃圾，目前已 经验证的热解气化工艺适用于干燥的特殊组分( 塑料、橡胶) 废物的处理。 ( - - ) 堆肥法 堆肥法是在控制条件下，使来源于生物界的有机废物发生生物稳定作用的过 程。人类在早期的生产实践中就懂得利用秸秆、落叶、野草和禽畜粪便堆积发酵 制作肥料。固废垃圾经过堆肥法处理，制得的成品叫堆肥，也称腐殖土，是一类 腐殖质含量很高的疏松物质，体积只有原体积的5 0 7 0 。 垃圾堆肥技术具有投资较省，技术管理相对简单，并可通过堆肥产品获得经 济效益等优点。但垃圾堆肥由于受垃圾成份、化肥的大量使用、以及季节、地区 等诸多因素的限制，应用范围不大。而且垃圾堆肥需要一定的温度条件，对于铁 路固废而言，由于铁路沿线温度不等，无法满足快速堆肥所需的温度要求。因此， 不宜选用堆肥法来处理铁路固体废物。 ( 四) 填埋法 填埋处理是从堆放和回填处理发展起来的一项技术。填埋处理就是在陆地上 选择合适的天然场所或人工改造出的合适场所，把垃圾用土层覆盖起来的方法。 城市生活垃圾填埋场一般建在距市区1 5 2 5 k m ，使用年限能满足1 5 年以上的地 区。每天运到填埋场的垃圾在限定的范围内铺成4 0 - 7 0 c i n 的薄层，然后整实， 一般生活垃圾层厚度为2 5 3 m 。一次性填埋处理生活垃圾层最大厚度9 m ，每层 生活垃圾压实后必须盖土2 0 - 3 0 c m 。生活垃圾层和土壤覆盖层共同构成一个单 元，即填埋单元i 删。 但一般填埋场的占地面积较大，对于土地资源紧张的地区就成为一大限制因 素。同时，由于绝大部分垃圾未经无害化处理，会污染空气、水环境及土壤。垃 2 北京交通大学硕士学位论文引言 圾填埋过程中，渗滤液是危害最严重、控制最困难的二次污染源。 综上所述，可以看出，填埋法占用大量土地，污染地下水体，造成严重后患； 而卫生填埋法，虽能防止污染扩散，但同样占用大量土地，同时，成本高，也难 于普及，因此，填埋法并非长久之计。堆肥法应用过程中，有机成分不易分选， 堆肥质量不易控制，在各个国家的比例都不大。焚烧法虽然可以实现减量化，但 在处理过程中会产生以二嗯英( d i o x i n s ) 为代表的大量有毒有害气体，净化处 理成本高，且燃烧中水分蒸发，需要消耗燃油，因此，焚烧法也难于普及。 近年来，又产生了一种新兴的固废垃圾处理方法燃料资源化回收法一 它主要分为：直接固化法、燃气法、高温炭化法。直接固化法虽然处理过程简单、 成本低，但在燃烧时易产生二次污染，并使灰分增加，难于找到用户。燃气法需 在8 0 0 以上的条件下进行热解，成本增加，且产生的燃气不易贮存，给稳定利 用造成困难；高温炭化法须在高温状态下运行，成本高，也难以推广。 我国城市生活垃圾处理工作起步较晚，目前最常用的垃圾处理技术为卫生填 埋和露天堆放，占总处理量的7 9 2 ，其次采用堆肥法，占总处理量的1 8 8 ， 少量采用焚烧技术，约占总处理量的2 1 7 1 。而发达国家已经建立起比较完善的 收集、分捡、利用、处理设施。 近年，垃圾焚烧处理在垃圾综合处理中的比重逐年增加。美国对垃圾处理原 以填埋法为主，但1 9 8 3 年调查1 2 3 座垃圾填埋厂中已有5 0 改为垃圾焚烧厂； 法国、荷兰、比利时等国也兴建了多处垃圾焚烧厂。在国内除深圳已建成垃圾焚 烧厂，北京、上海、广州等大城市也正在建设大型垃圾焚烧综合厂l ”。但垃圾直 接焚烧由于热利用率低，燃烧不稳定，燃烧过程中形成二次污染严重，发达国家 正积极发展垃圾衍生燃料( i m f ) 技术。 1 1 3 我国铁路固废的处理现状 我国铁路部门自1 9 9 9 年起，实行列车垃圾定点投放的方式，与之相适应， 沿线各站对站车垃圾进行收集、中转清运处置。据调查，目前我国铁路站段垃圾 的最终处理主要有以下3 种方式【川：( 1 ) 距城市较近，且城市垃圾处理设施较完 善的铁路站段，将其集中收集的车站垃圾、列车垃圾和站段生活垃圾统一纳入城 市垃圾处理系统进行处理，垃圾被定时收集清运，基本得到了妥善处置；由于多 数中小城市不具备完善的垃圾清运和处理系统，该方式主要适用于大城市附近的 较大铁路站段。( 2 ) 采用简易焚化炉将垃圾焚烧减量后进行简易堆填；主要被一 些经济条件较好，所在地用地紧张，难以选择填埋场址的站段所采用。受经济和 技术因素制约，采用这种方式的铁路站段较少。由于采用简易焚化炉焚烧垃圾， 势必造成二次空气污染。( 3 ) 就近选择天然或人工低洼地形如沟谷、取土坑等， 将收集的垃圾由站段集中进行简易填埋处理或直接堆填。该处置方式因操作简 北京交通大学硕士学位论文 引言 单，经济易行，被个别中小铁路站段所采用，如敦煌和乌西站。然而这种堆放或 简易填埋的处理方式，没有考虑防渗、气液导捧、渗滤液处理等环保措施，常常 引起严重的二次污染。 1 2 垃圾衍生燃料( r d f ) 技术 1 2 1r d f 技术概述 垃圾衍生燃料( r e f u s ed e r i v e df u e l ，简称r d f ) 是垃圾经分拣、破碎、风 选、压缩和干燥等工序制成的一种固体燃料。它具有热值高、燃烧稳定、易于运 输、易于储存、二次污染低和二嗯英类物质捧放量低等如下特点： ( 1 ) 尺寸大小均匀，组成相对稳定均一，可保证燃烧稳定、充分；( 2 ) 由 于r d f 是垃圾中可燃物经干燥后挤压成型，增大了能量密度，提升了燃料品位， 因此具有较高的发热量，可以在低于其它燃料单位费用情况下提供热能，将燃烧 效率提高8 1 2 ，可达标准煤的2 3 ；( 3 ) 垃圾经过破碎、磁选、风选及筛 选等，制成r d f 后体积减小，有利于运输：又因r d f 水分减少且在生产过程中 加入添加剂如c a ( o n ) 2 、c a o 等，可防止恶臭产生便于贮存； ( 4 ) 能与其他物 质如煤、生物质等进行共处理，且可在现有燃料处理系统内制做，仅对设备和操 作程序作较小改动即可；( 5 ) r d f 焚烧产生污染物浓度低，有利于环保，在干 燥时刻进行脱氯等预处理，而添加剂的加入有助于炉内脱氯、硫，h c i 、s o , 和 二恶英的排放量少。由此可见，r d f 是垃圾洁净能源处理的新技术方向。 垃圾衍生燃料的诞生，为垃圾能利用带来了生机，正成为该领域新的生长点。 r d f 化设备作为过去垃圾焚烧设备的代替设备，得到社会的广泛承认，技术日 趋成熟，己在美国、日本、欧洲等一些发达国家引起高度重视i ，1 ”。 近年日本政府极其重视r d f 利用技术，把它作为国家推广的垃圾处理方式 和方向。日本拥有的垃圾焚烧设备约8 0 是间歇运行的，因此在防止二嗯英发 生的新指针中规定，通过引入r d f 设备，集中焚烧设施，以追求有效率的运营 和最佳的燃烧管理。2 0 0 0 年时，美国有2 6 家大型的r d f 生产厂，日生产达2 7 0 0 0 吨，现已有r d f 发电站3 7 处，占垃圾发电站的2 1 6 。近年来我国有中科院广 州能源所、太原理工大学等单位开展r d f 研究工作i “j 。 1 2 2r d f 的分类与制造 ( 一) r d f 的分类 美国材料测试学会( 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 ga n dm a t e r i a l s ) 把 r d f 分为下表所示的7 种，其中使用最广泛的是f l u f f - r d f 。它是将垃圾破碎后 除去金属物质得到的r d f ，是美国于1 9 7 5 年在a m e s ( i o w a 州) ，作为2 0 0 t d 燃煤锅炉的部分代替燃料首先开始使用的。但是由于发生了锅炉腐蚀等种种问 4 北京交通大学硕士学位论文 引言 题，在对锅炉构造、材质等进行改造后，到了1 9 8 0 年才开始使用r d f 的专用燃 烧设备。在城市垃圾燃烧设备中r d f 燃烧炉( 包括煤混烧) 燃烧的垃圾占垃圾 燃烧量的3 2 ，已被认为是一种有效的垃圾焚烧处理技术。美国的焚烧设备是用 输送机把块状r d f 直接供应到锅炉中，燃烧方法属于气流或浮游燃烧，炉的下 部一般设置移动式炉排，因此其技术是燃煤炉排炉的延续。在日本，至今为止， 把r d f 视为垃圾处理的一环，尤其是垃圾固体化、均质化的一环，因此一般把 a s l m 分类中的d e n s i f i e d r i ) f 称为r d f 。 表1 - 1r d f 的分类i 廿l ( a s t m ) t a b l e1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fr d f ( a ( 二) r d f 的制造 r d f 的制造技术基本上是破碎、分选、干燥、成形的综合技术。其中，干 燥过程的导入取决于废弃物含水率的多少。另外也有利用废塑料、废木材制造 r d f 的设备，以下主要以城市垃圾为对象介绍r d f 的制造过程。 城市垃圾中可以作为r d f 利用的是可燃性物质，所以要预先分选除掉罐子、 瓶子、土砂等不燃物，以简化选别设备。垃圾的固体化技术一般是采用过去的废 弃物处理技术，这种方法不仅可以适应垃圾成分的变化，而且可以得到高强度的 成形r d f 。成形后的r d f 是直径1 0 - 2 0 r a m 、长2 0 - 5 0 r a m 的柱状体，一般采用 的成形机是多孔压形造粒机。 北京交通大学硬士学位论文 引言 以含水5 0 的物料平衡为例，水分通过干燥机、主反应机和成形机蒸发，成 形后的r d f 含水率为5 。另外从垃圾中除掉了难破碎物和磁选物，它们约占城 市垃圾的1 。供应的添加剂约占垃圾投入量的2 。 r d f 的发热量根据原料的灰分、可燃成分的含量有所不同，但是以城市垃 圾为原料的r d f 发热量范围大约是3 0 0 0 - - 4 5 0 0 k e a l a g 。其成品率通常为5 0 - 7 0 ， 而表现相对密度为4 5 0 - 7 0 0 k g m 3 ，高于城市垃圾。 1 3 国内外研究及应用现状 从二十世纪八十年代末开始，有关r d f 的研究和应用在一些经济发达国家 得到了广泛的开展。近几年来有关r d f 的基础研究，各国学者傲了许多工作， 对r d f 颗粒的燃烧特性、燃烧时温度分布、气体成分变化等方面做了大量研究。 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r d 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【州。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。芬兰学者对二嚼英类物质的浓度及 形成进行了研究。美国科学家探讨了固体废弃物焚烧过程中与二啄英形成有关的 物理及化学过程。各国科学家还研究了r d f 的挥发分的组成、r d f 内加钙脱氯 机理、垃圾中二嚼英类物质的形成机理、飞灰中二嚼英的形成等课题i i s i t 。 v a l e r i oc o z z a n i 9 1 通过不同r d f 在不同的加热温度下的热解特性的研究表明 r d f 的重量减少可分为两部分，分别是纤维材料及塑料的分解，并且，r d f 的 热速率可认为是r d f 主要成分速率的总和，并得出r d f 的动力学模型。u n 等 i l s 利用固定床和t g 技术对主要含有各种纸张和各种塑料k d f 的热解产物以及 热解动力学进行了研究。结果同样发现r d f 的热解特性表现为两个阶段，在计 算出各种组分的热解动力学参数的基础上，得到了r d f 热解两个阶段的总反应 速率方程。郭小汾1 1 9 j 对广州市垃圾中纸张、纺织品、草木、塑料、厨余等五种 可燃组分及其r d f 的燃烧特性和动力学参数进行了研究，结果认为垃圾可燃组 分的燃烧行为可分为草木、纺织品、纸等物质的热分解并气相燃烧、上述物质的 残炭燃烧和塑料分解以及塑料热解气体燃烧三个过程，然后给出了燃烧反应模 型。 日本学者在大量的基础实验结果之上，还在实验室内对r d f 在流化床和循 环流化床中燃烧反应时的脱氯、二恶英释放特性进行了研究1 2 0 - 2 3 1 ，并在示范性 的循环流化床锅炉中进行了燃烧实验i 川。美国则进行了直接在燃烧锅炉中燃烧 或掺烧r d f 的工业实验m i 。 6 北京交通大学硕士学位论文引言 l a i 瞄】对单个r d f 颗粒在不同加热速率下的温度分布、热解气体的产量和组 成进行了研究，结果发现快速升温可以大幅度提高气体的产量，烃类气体产物数 量增加，而c o 和c 0 2 的变化不明显；同时他们还发现在足够高的加热速率下水 分含量对气体产量及组成的影响不大，却显著地影响r d f 颗粒内部的传热和温 度分布。丰田隆治等1 1 0 j 对r d f 在不同温度和空气比下的燃烧特性研究结果表明： 1 ) 在流动气体中，含c a 和r d f 燃烧产生的h c i 浓度很低，并且飞灰中未燃尽 的碳也很低，且未检出s 0 2 ，n o 和n 2 0 始终保持在一个较低的水平。成川公史 等1 1 5 1 通过实验证明，在燃烧条件下，低温下氧化钙除盐酸气的效率比高温下的 高。他们1 1 6 】从循环流化床r d f 的研究发现，r d f 中的钙化物在燃烧炉内有很好 的除盐酸气的效果。刘贵庆等 2 6 1 发现当氧存在时r d f 内部的温度高于外部气氛 l 或更多。氧的存在可加速并提高失重，并影响失重组分。并认为失重速率 及温度梯度明显受加热速度的影响，然而第一阶段失重部分受加热速度的影响较 小。在空气中氧气的浓度以及r d f 的升温速度对r d f 颗粒中的内部温度分布有 很大影响。 另外，国内外学者对p v c 热解或燃烧时生成h a 的特性及n a c i 生成h c i 的特性也进行了较为深入的研究【刀3 1 】。w p p a n 等人对煤中的氯化氢释放特性做 了许多研究，结果显示h c i 的释放主要来自垃圾中有机氯的分解，但是同时垃 圾中无机氯在焚烧过程同样会有大量h a 放出。1 w a s a k i 等对高温下n a c i 与水 反应的研究1 3 2 表明当温度高于8 0 0 ，几百p p m 的h c i 被测出，而当温度升至 9 0 0 时，h c i 浓度高达l o o o p p m ，随着升温速率的提高，氯化氢的开始释放温 度及释放速率也相应提高。对于钙化物脱除h c i 的特性，国内外学者也进行了 较多的研究1 3 3 3 5 】。郭小汾的研究【1 9 1 显示，钙的化合物脱氯的最佳温度范围为 8 7 3 k - 9 7 3 k ，脱氯反应的动力学可用收缩核模型描述，钙化物的加入促使m ) f 自身在燃烧过程中脱除氯化氢。9 7 3 k 是最佳脱氯温度，r d f 燃烧过程中释放的 氯大部分被r d f 中的钙化物所捕获。 r d f 是垃圾处理的新技术，同时又是良好的补充燃料，因此在美国、日本、 欧洲等国家得到了极大的重视和发展，并且已经实现了r d f 的工业化和商品化 1 3 6 - 3 , s 1 。美国在伊利诺斯州和俄亥俄州己形成日产1 0 0 0 吨和2 2 0 0 吨的巨大规模。 日本受能源依赖进口和土地狭小而导致垃圾填埋场已近爆满的影响下，大力发展 r d f 技术，已有超过美国的势头。日本p 9 i 从1 9 9 2 年开始由n o g i 市再循环研究 中心在n o g i 市建成一个实验工厂，该厂每8 小时可将1 0 吨垃圾处理为7 吨r d f 。 许多国际大公司也对r d f 技术进行了研究开发，并已取得不少成果。如德 国a g r 公司，意大利的v o nr o l l 、e c o l o g i a 公司，英国的b i r w e l c o 公司，日本 的荏原、三菱、钢管等公司，美国的s p s a 、b & w 锅炉公司。美国s p s a l 钟j 于 7 北京交通大学硕士学位论文引言 1 9 8 8 年1 月着手建成r d f 工厂，通过s p s a 采集的4 0 固体废气物被转化为能 源，工厂日处理垃圾2 0 0 0 吨。s p s a 公司于1 9 9 0 年5 月为美国海军最大的造船 厂设计了日燃烧1 5 0 0 吨r d f 的发电厂，此发电厂发出的电主要用于船厂，余下 的卖给弗吉尼亚电网。而我国目前尚处于刚刚起步阶段，国内从事r d f 研究的 较少【1 94 1 】，因此应加大研究力度。开展自己的基础工艺技术研究，为有效地解 决我国城市生活垃圾问题提供新的工艺技术和方法。 1 4 课题研究内容及意义 综上所述，r d f 作为垃圾处理的新技术已逐渐得到世界各国的重视，并在 应用方面取得了一定的成果，但在r d f 的制造工艺、燃烧方式、炉内脱氯机理 以及排灰处理等方面仍存在着许多尚未探明的问题。另外，关于我国铁路r d f 的深层次研究还未展开，铁路垃圾的基本物性参数和燃烧特性还不完全，尾气中 各种污染气体的形成以及炉内脱氯仍存在许多未探明的问题。因此十分有必要进 行这方面的系统研究。 本课题属于铁道部科技发展计划重点项目( 2 6 z 0 0 8 ) 的研究内容。课题 针对上述存在的问题并结合实际情况，将以下几个方面的研究作为本人硕士论文 工作：选择有代表性的铁路垃圾，采用先进的测试方法，开展对我国铁路固体废 弃物燃烧机理和特性的研究，开展铁路r d f 燃烧的污染机理及污染控制方法研 究，获得燃烧速度常数、燃烧开始温度、着火温度、燃烧动力学模型、燃烧气体 成分、氯化氢生成特性等一系列研究结果；并通过研究取得较系统全面的研究成 果，为铁路垃圾能的实际应用奠定理论和实验基础。 本研究将铁路垃圾制备成垃圾衍生燃料进行焚烧，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、取暖供热等利用。可为国内铁路垃 圾提供一条新型资源化解决途径，既节省了铁路垃圾的处理费和供热燃料费，又 减少了固体废弃物，是改善铁路沿线和站场周围环境质量的有效措施，是迄今为 止解决铁路垃圾问题最有效的手段。 8 北京交通大学硕士学位论文我国铁路垃圾状况调研 2 我国铁路垃圾状况调研 旅客列车固体废弃物理化特性调查是综合治理和综合利用系统的重要组成 部分，是我们开展旅客列车废弃物控制及车站处理措旌规划的基础和依据，也是 旅客列车废弃物实现“无害化、减量化、资源化”目标，保证全系统整体功能正常 发挥的重要基础。 对铁路客车垃圾污染进行分析并选择合理的客车垃圾处理方法，除了要考虑 客车垃圾的组成构成外，还必须考虑到客车垃圾的其它理化特性，确定其中可能 造成污染的成分，为探索客车垃圾的污染以及为其无害化、减量化、资源化的处 理方法提供技术支持。 本研究对我国目前的铁路垃圾组成、物化特性及其处理措施进行了综合调 研，以根据我国的实际情况研究铁路垃圾处理的途径。 2 1 铁路垃圾特性 2 1 1 铁路垃圾构成 我国铁路垃圾主要来源于 4 2 1 ：到站列车下交的袋装垃圾；站台垃圾； 车站广场及候车、工作人员产生的垃圾；附属车站的经营单位产生的垃圾。 由于铁路客车垃圾发生量大、分布范围广，这在时间和空间上给客车垃圾的 理化特性分析带来一定的困难。但由于列车的运行使得其跨越的空间大，从而弱 化了其地方特性。根据客车垃圾上述两方面的发生特点，在对客车垃圾进行理化 特性调查时，可以采用随车调查分析和定点取样分析相结合的调查分析方法 4 2 1 。 表2 - 1 、2 - 2 为北京站、北京西站、永定门站候车室垃圾和京广线、京沪线、陇 海线列车垃圾分类称重结果。 表2 - 11 9 9 7 年铁路垃圾成分构成比情况( 重量百分比) 4 2 1 t a b l e2 - ic o m p o s i t i o no ft h er a i l w a yg a r b a g ei n1 9 9 7 ( w e i g h tp e r c e n t a g e ) 垃圾种类车站垃圾构成比( ) 客车垃圾构成比( ) 注：1 类：以食物残渣、果皮果核为主其次为废纸、烟头、木筷等即生物性垃圾 n 类：可回收利用垃圾。如：各种酒瓶、易拉罐、废旧塑料瓶等。 m 类：不能降解的有机垃圾。如：塑料饭盒( 方便面碗为主) 塑料软包装等。 9 北京交通大学硕士学位论文我国铁路垃圾状况调研 类：其它如：渣土、餐车炉灰等 表2 - 2 北京地区铁路车站垃圾构成比较( 重量百分比) 1 1 日 t a b l e2 - 2c n m p m i t i o no ft h er a i l w a yg a r b a g ei nb e i j i n g ( w e i g h tp e r c e n t a g e ) 由表2 1 、表2 2 可以看出，我国铁路车站垃圾主要是旅客三餐发生的食物 残渣、瓜果皮核、瓶罐、各种包装物等，除餐车垃圾中的炉灰及候车室中扫地渣 土为无机物外，以生物性垃圾及可回收垃圾为主。垃圾成分较城市生活垃圾成分 简单。 车站垃圾分三大类，其中第一类生物性垃圾占5 0 以上，最高为8 0 ，第二 大类的污迹垃圾如玻璃瓶罐可以回收利用，第三大类的塑料制品也可以作为再生 资源回收，车站垃圾分类收集处理已势在必行。这样可使车站垃圾减容减量，也 可减轻车站支付给环卫部门的垃圾经费，同时减少垃圾储运环节中的一些运输费 用等。 表2 - 3 为国内外生活垃圾的构成情况。 表2 - 3 国内外生活垃圾的构成情况i ，l t a b l e2 - 3c o m p o s i t i o no ft h eh o u s e h o l dw a s t ea th o m ea n da b r o a d 可以看出：( 1 ) 客车垃圾的构成成分较生活垃圾简单( 基本无煤渣土、沙、 破布及废金属等) ：( 2 ) 客车垃圾有机物的含量，特别是食物残渣的含量远高于城 市生活垃圾；( 3 ) 客车垃圾中的废弃塑料包装物的含量较高。 2 1 2 铁路垃圾的元素组成 根据旅客列车废弃物主要是旅客在列车上餐饮所产生的生活垃圾的特点，参 考中华人民共和国城镇建设行业标准( g j 厂r3 0 3 9 9 5 ) 城市生活垃圾采样和物理 分析方法，分别在夏季和冬季对旅客列车垃圾的元素组成进行了测定，测定结 果见表2 - 4 。 1 0 北京交通大学硕士学位论文 我国铁路垃圾状况调研 表2 _ 4 夏季、冬季旅客列车垃圾的元素组成州 t a b l e2 - 4e l e m e n tc o n s t i t u t i o no ft h eg a r b a g ef o mr a i l w a yp a s s e n g e rt r a i n si ns u m m e ra n dw i n l e r 时间ch ns0c ipk 可以看出，铁路垃圾元素的组成，夏季、冬季总的方面是相似的，这里以夏 季为例说明。夏季由于食品残渣发酵，因而含碳量、含氮量均较冬季有明显下降。 食品残渣是c 、h 、n 、s 、o 元素的主要提供者，废塑料对c 、h 元素的提供量 居第二位，废纸居第三位，如果实现垃圾的分类收集或处理站分类处理，食品垃 圾既可堆肥，也可以焚烧供热。塑料、废纸可回收利用。 2 1 3 我国铁路垃圾的三组分分析 三组分分析法是按照水分、可燃分，灰分的比率表示废弃物质量的一种方法。 其中水分即原生垃圾的含水量，灰分的数值要换算成以湿的原生垃圾作基准时的 数值，剩余的成分即是以湿的原生垃圾作基准时的可燃分。可燃分、灰分、水分 三者含量关系反映了原生垃圾的性质。以原生湿垃圾为基准，冬、夏季旅客列车 垃圾的水分、可燃成分及灰分含量的三组分分析结果见表2 - 5 。 表2 - 5 旅客列车垃圾三组分分析川 t a b l e2 - 5a n a l y s i so ft h r e ec o m p o n e n t si nt h eg a r b a g ef r o mr a i l w a yp a s s e n g e rt r a i n s 2 1 4 铁路车站垃圾热值 热值又称为发热量，它指的是1 k g 的客车废弃物完全燃烧后所放出的热量， 单位为】d 恕。热值是用来衡量或表示客车垃圾作为燃料的价值和能力。在工作 中，常用高位发热量与低位发热量来表示垃圾的热值，高位发热量是指客车垃圾 完全燃烧后燃烧产物冷却到使其中的水蒸汽凝结成0 的水时所发出的热量；低 位发热量是指垃圾完全燃烧后燃烧产物中的水蒸汽冷却到2 0 c 时放出的热量也 可理解为燃烧时产生的反应水一般以蒸汽形式跑掉，所以相当一部分能源不能被 利用，低位热值是指比高位热值低的可用热量。 计算和选择焚烧工艺及设备时，需要的是焚烧物的低位热值的资料。一般来 讲，被焚烧处理物的低位热值达3 3 4 9 k j k g 时，焚烧过程无须添加任何助燃剂。 热值愈高，提供可利用的热能愈多，获得经济效益越大。 为了解铁路车站垃圾热值情况，也分别在冬夏季节对北京地区三个客运站候 车室的垃圾按中华人民共和国城镇建设行业标准( g j 厂r 3 0 3 9 9 5 ) 城市生活垃圾 l l 北京交通大学硕士学位论文 我国铁路垃圾状况调研 采样和物理分析方法中的要求进行采样和分析。测定结果见表2 - 6 表2 - 6 铁路车站候车室的垃圾热值及含水量 4 5 1 t a b l e 2 - 6c a l o r i f i cv a l u ea n dw a t e rc o n t e n ti nt h eg a r b a g ef r o md i f f e r e n tr a i l w a yw a i t i n gr o o m s 上表中对北京地区三个客运站候车室垃圾的热值分析( 车站垃圾冬、夏两季 含水量均值为6 0 5 4 。其中，高位热值平均为8 9 7 0 3 4k j k g ，低位热值平均为 6 9 8 2 6 5i o k g ) 表明车站垃圾可以进行焚烧处理。而我国城市生活垃圾中一般厨 余占3 0 5 5 、灰土占1 0 5 0 、水分占4 0 6 0 、热值普遍低于 4 0 0 0 k j k g ”。由此可见，铁路垃圾的热值偏高，因此，用焚烧炉对铁路垃圾进行 焚烧在技术上是可行的。 2 2 车站垃圾处理设施情况 对全国铁路车站的调查结果表明，我国铁路车站垃圾处理以中转储运为主。 除郑州站是自己清运至垃圾填埋场，乌鲁木齐西站、柳园站自己拉至戈壁滩挖个 坑填埋外，其余多数是由当地环卫部门来清运。各站分别按3 1 6 元吨不等的金 额向当地环卫部门交垃圾清运费，最多的是广州站，年要交2 7 3 8 万元；其次是 上海站，2 4 万元，年：再次为北京站，2 0 4 万元年；最少的也要1 万元，年。车站 垃圾清运周期一般为2 次日，基本可做到日产日清。在调查的车站中，由当地 环卫部门来清运的车站占6 0 ( 广州、北京、天津、南京、上海、蚌埠、成都、 重庆、鹰潭、武昌、韶关等) ，其中主要是直辖市和省会所在地。郑州、长沙、 保定、乌鲁木齐西站、柳园站等是均为车站自己清运。除乌鲁木齐站、柳园站不 交环境污染费外，均需向当地环卫部门上交环境污染费及垃圾清运费。 因此，我国铁路车站每年都要花费大量的人力、物力和金钱来对车站垃圾进 行处理。如果在现有燃煤锅炉的基础上改烧r d f 的话，既能实现车站垃圾的减 容减量化，从而节省每年上缴环卫部门的垃圾处理费用，又可将现有垃圾资源的 能量转化为热能加以利用，同时也减少了垃圾储运环节中的一些运输费用等。 2 3 西安站调研情况 北京交通大学硕士学位论文我国铁路垃圾状况调研 由于西安站领导的支持，本课题组前往西安站进行了铁路站点垃圾处理及锅 炉使用状况的调研。西安站每天所接车辆中，客车7 0 对，货车6 0 对，属于一类 铁路站点。站点的垃圾日产量平均为8 1 0 吨，春运、五一，十一及暑运期问平 均日产垃圾1 5 吨。垃圾年产量为4 2 5 0 吨。 车站配有单独的垃圾转运站，转运站每班有3 人进行压挤垃圾作业，处理后 的垃圾由环卫部门有偿清运，清运费每年2 0 万元。 图2 1 曲安站垃圾转运站 f i g u r e2 - 1w a s t es t o r a g es i t ei nx i a l lr a i l w a ys t a t i o n i ! i2 - 2 曲安站锚炉膀 f i g u r e2 - 2b o i l e r si nx i a l lr a i l w a ys t a t i o n 西安站的锅炉房和垃圾转运站距离很近。锅炉房共有4 台锅炉，均为粉煤与 环保型煤( 每吨4 0 3 元) 混烧，其中两台为4t l l 蒸发量的蒸汽锅炉，另外两台 为2 8 m w 的卧式快装热水锅炉( 水水热交换) ，用以冬季供热。夏季运转1 台锅 炉，每天消耗煤碳5 吨，每班3 人作业。冬季四台锅炉同时运转，总供热面积6 万平方米。锅炉年耗煤炭6 0 0 0 吨，年燃料费为2 4 0 万元。 根据以上西安站垃圾处理及锅炉使用的状况，考虑将铁路垃圾现场制成垃圾 衍生燃料后掺混到燃煤锅炉中，以实现资源化利用。该方法既可使车站垃圾减容 减量，将其产生的能量用于供热，也可减轻车站支付给环卫部门的垃圾处置经费 和垃圾储运环节中的一些运输费用等，是一种投资少、污染低的方法。 1 3 北京交通大学硕士学位论文我国铁路垃圾状况调研 2 4 结论 1 通过对我国铁路站场垃圾构成及物化特性的调研，发现我国铁路站场