城市生活垃圾熱解燃燒特性及其并流條件下焚燒實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著人類社會工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致了城市生活垃圾量日益增多，質(zhì)日益復(fù)雜，成為世界各國面臨的一個(gè)嚴(yán)重的社會公害，是各國迫切需要解決的重大環(huán)境保護(hù)問題之一。填埋、堆肥和焚燒是目前普遍使用的城市生活垃圾處理方法。焚燒法具有資源化和減量化優(yōu)勢，使其成為城市生活垃圾的主要處理技術(shù)之一。但由于焚燒設(shè)施設(shè)計(jì)上的不完善，對焚燒條件的控制不合理，產(chǎn)生了二噁英和重金屬的二次污染，使焚燒技術(shù)的應(yīng)用受到了限制。為此，在深入研究垃圾熱解和燃燒機(jī)理的基礎(chǔ)上

2、，開發(fā)新一代生活垃圾焚燒工藝是國內(nèi)外科技領(lǐng)域普遍關(guān)注的課題。
　　論文對城市生活垃圾的特點(diǎn)、焚燒技術(shù)及其存在的問題、直接氣化熔融焚燒技術(shù)及其改進(jìn)方向、城市生活垃圾熱解及燃燒特性研究現(xiàn)狀和方向進(jìn)行了全面分析。采用TG-DSC-MS聯(lián)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)，檢測了七種典型城市生活垃圾試樣熱解和燃燒過程中的質(zhì)量損失、熱效應(yīng)和逸出氣體成分，采用熱分析熱重動力學(xué)和熱動力學(xué)方法進(jìn)行了垃圾熱解和燃燒反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)研究。提出了城市生活垃圾并流豎爐氣化熔融焚

3、燒新工藝流程，并進(jìn)行了并流豎爐熱態(tài)模擬試驗(yàn)研究。
　　1.垃圾熱解機(jī)理及動力學(xué)。以塑料和橡膠為代表的有機(jī)高分子化合物在熱解前存在軟化吸熱過程。熱解過程一步完成，熱解逸出的氣體以烷烴和烯烴為主。塑料熱解呈吸熱效應(yīng)，橡膠熱解呈放熱效應(yīng)。以木屑、落葉、菜葉和棉布為代表的生物質(zhì)成分熱解過程分為三個(gè)階段:先是脫水干燥階段，之后是纖維素的快速熱解階段，逸出氣體主要有H2O、CO2和CH4，最后是木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為焦炭的緩慢熱解階段，逸出氣體主要是C

4、O2。棉布和紙的熱解為吸熱反應(yīng)，而木屑、落葉和菜葉的熱解都是放熱反應(yīng)。各種垃圾組分熱解活化能由小到大的順序?yàn)槟拘?、落葉、橡膠、紙、菜葉、棉布、塑料。熱解活化能與熱效應(yīng)之間滿足Evans-Palanyi關(guān)系式，放熱反應(yīng)的活化能通常小于吸熱反應(yīng)的活化能。
　　2.垃圾燃燒機(jī)理及動力學(xué)。通過對TG、DSC和MS曲線的綜合分析，全面地揭示燃燒反應(yīng)路徑及機(jī)理，并采用DSC熱動力學(xué)解析方法，獲得垃圾試樣燃燒的動力學(xué)參數(shù)。塑料和橡膠類有機(jī)高分子

5、化合物，燃燒開始溫度高，燃燒速度快;木屑、落葉、菜葉、棉布和紙這些生物質(zhì)類，垃圾試樣總的燃燒反應(yīng)大都可分為脫水干燥、快速燃燒和緩慢燃燒三個(gè)過程，快速燃燒過程中試樣先熱解，析出大量揮發(fā)份氣體，氣體又不斷被氧化;緩慢燃燒過程緊接著快速燃燒過程發(fā)生，其燃燒速率只是稍低于快速燃燒，是中間產(chǎn)物及殘?zhí)嫉难趸^程，放出大量熱量。棉布和塑料燃燒特性指數(shù)P較大，燃燒特性較好，而木屑的燃燒特性最差。對于高分子化合物類垃圾，塑料燃燒反應(yīng)的活化能值都比較高，而

6、橡膠的活化能則相對較小。生物質(zhì)類的垃圾中，木屑、落葉、菜葉和紙的活化能較小，棉布的活化能較大。DSC熱動力學(xué)參數(shù)與熱重反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)差別很大，可以認(rèn)為是有一定的互補(bǔ)性。
　　3.提出了并流豎爐氣化熔融焚燒新工藝路線。該工藝以豎爐為氣化熔融主體設(shè)備，垃圾料層與助燃空氣在爐內(nèi)自上而下并流流動，能夠使垃圾熱解產(chǎn)生的可燃性氣體在焚燒爐下部完全燃燒，以提供灰渣熔融耗熱，從而減少、甚至不用輔助燃料量，達(dá)到自熱焚燒和縮短工藝流程目的。建立了并流

7、豎爐氣化熔融焚燒工藝系統(tǒng)的物質(zhì)平衡和熱平衡方程，得出了滿足該工藝要求的生活垃圾臨界熱值和絕熱火焰溫度。通過與并流工藝對比表明，逆流工藝對垃圾水份限制更為嚴(yán)格;在相同的空氣預(yù)熱溫度和灰份下，并流工藝要求的垃圾臨界熱值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于逆流工藝，兩種工藝要求的臨界熱值平均相差約5800 kJ·kg-1。在自建的并流豎爐實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了熱態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，將并流與逆流情況對比。實(shí)驗(yàn)表明，并流時(shí)垃圾料層中各點(diǎn)的溫度明顯高于逆流情況;逆流情況下反應(yīng)管中產(chǎn)生一些焦