生活垃圾中主要可燃組分熱解特性的試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著城市建設(shè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，垃圾排出量逐年增加，垃圾處理問題亟待解決。在我國(guó)，雖然垃圾處理以填埋法為主，但是，在大城市和東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，因人口密度大、土地資源緊張、已很難找到符合填埋要求的場(chǎng)地，因此，焚燒法將會(huì)逐步發(fā)展成為這些地區(qū)處理生活垃圾的主要手段。 近年來，垃圾熱解--焚燒技術(shù)是備受關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)。與直接焚燒法相比，熱解一焚燒法具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)燃燒效率高，污染排放低，設(shè)備可緊湊化。這是因

2、為，垃圾直接燃燒屬于氣、固非均相燃燒，垃圾作為固態(tài)物質(zhì)，擴(kuò)散性、混合性非常差。而熱解--焚燒則是均質(zhì)化的熱解氣態(tài)產(chǎn)物(氣體和焦油)和少量的熱解殘?zhí)窟M(jìn)入燃燒室、以低空氣比燃燒，近似均相燃燒。 (2)燃燒過程容易控制。這是因?yàn)椋嵌喾N復(fù)雜組分組成的混合物，并且各種組分理化性質(zhì)相差很大、燃燒速度相差懸殊，難以控制。而采用熱解--焚燒法，則使得性質(zhì)相差很大的混合垃圾經(jīng)過熱分解后變成了擴(kuò)散性、均質(zhì)性好的燃料進(jìn)入了燃燒室，這樣一來，燃

3、燒過程就會(huì)變得穩(wěn)定、容易控制了。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)垃圾熱解特性還缺乏深入了解，這對(duì)垃圾熱解--焚燒爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都是不利的。本文選取了聚乙烯、聚氯乙烯、木材、印刷紙、布料及自行車外胎模擬垃圾中主要的、具有代表性的4類組分一塑料、生物質(zhì)、織物及橡膠，以熱解--焚燒技術(shù)的熱解研究為目的，分別進(jìn)行了機(jī)理研究、基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究，以期對(duì)實(shí)際垃圾熱解--焚燒爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供重要參考。 第一部分：在線性升溫?zé)崽炱缴系臒峤庠囼?yàn)研究

4、，屬于機(jī)理研究。微量樣品(約10mg數(shù)量級(jí))熱解，可以忽略傳熱傳質(zhì)影響。主要結(jié)論是：①不同垃圾組分存在不同的起始熱解溫度，即使程控升溫超過了該溫度，也不是連續(xù)發(fā)生熱解，而是集中在一個(gè)或幾個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行。程控升溫到500℃時(shí)，各種組分都已實(shí)現(xiàn)了熱解轉(zhuǎn)化率70％以上，繼續(xù)從500℃升溫到700℃，熱解轉(zhuǎn)化率增加幅度不過15％；②在各種組分的混合熱解中，塑料與生物質(zhì)、塑料與橡膠、生物質(zhì)與水等混合熱解會(huì)受到單組分相互之間的影響，但影響不大；③單

5、純采用積分法和單純采用微分法、并且以很好的線性相關(guān)性作為目標(biāo)來確定動(dòng)力學(xué)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果有時(shí)會(huì)偏差很大。推薦由積分法和微分法共同確定、優(yōu)選出能使所得的活化能值最為接近且線性良好的那個(gè)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理函數(shù)和相應(yīng)的活化能值作為正確結(jié)果的計(jì)算方法；④垃圾熱解反應(yīng)機(jī)制通常是擴(kuò)散控制型，也就是說，熱解氣體的擴(kuò)散速率最慢是制約熱解反應(yīng)過程順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于實(shí)際垃圾熱解工業(yè)來說，這里所指的擴(kuò)散環(huán)節(jié)，不是氣體從熱解室向燃燒室或爐外的擴(kuò)散，而是從熱解物料

6、里面向熱解室的擴(kuò)散。這就要求在實(shí)際垃圾熱解--焚燒工業(yè)中，加強(qiáng)入爐前垃圾的破碎、入爐后垃圾的翻轉(zhuǎn)，及時(shí)將熱解室的氣體引排到燃燒室燃燒。第二部分：在等溫環(huán)境熱天平上的熱解試驗(yàn)研究，屬于基礎(chǔ)研究。多量樣品(約10g數(shù)量級(jí))熱解，不能忽略傳熱傳質(zhì)影響，近似于實(shí)際熱解環(huán)境。主要結(jié)論是：①各種垃圾組分及其混合物熱解幾乎都是集中在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行,但是，熱解起始時(shí)刻和終了時(shí)刻不盡相同。其中，聚乙烯最特殊，在環(huán)境溫度為500℃時(shí)，熱解起始時(shí)刻與終了時(shí)

7、刻都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于其它組分而獨(dú)樹一幟；②隨著環(huán)境溫度的升高，熱解時(shí)間縮短了，而且各種組分的熱解時(shí)間都在相互接近、靠攏，但是，垃圾熱解(熱重分析只能看到一次熱分解)通常是在低于環(huán)境溫度很多的情況下完成的，因此，對(duì)于不同組分的混合熱解來說，推薦500～600℃作為環(huán)境溫度(爐溫)是合理的；③不同組分“兩兩混合”時(shí)，在多數(shù)情況下，其熱解轉(zhuǎn)化規(guī)律都受到了單組分之間的相互影響。600℃的試驗(yàn)研究表明：對(duì)于生物質(zhì)和織物的混合熱解來說，通常表現(xiàn)出推遲或抑

8、制熱解過程的進(jìn)行；對(duì)于塑料與生物質(zhì)的混合熱解來說，隨著熱解過程進(jìn)行到塑料中碳?xì)浠衔锏姆纸鈺r(shí)，就會(huì)與生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物發(fā)生較為強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，從而促進(jìn)熱解過程的進(jìn)行；對(duì)于橡膠與生物質(zhì)的混合熱解來說，一般不會(huì)受到單組分之間的相互影響；對(duì)于聚乙烯塑料、橡膠以及織物“兩兩混合”熱解的結(jié)果，一般地，都會(huì)表現(xiàn)出推遲或抑制熱解過程的進(jìn)行。此外，PVC塑料明顯表現(xiàn)出：與木屑混合、與含棉織物混合熱解時(shí)，可以促進(jìn)熱解過程進(jìn)行的特性；④在500～600℃的溫

9、度環(huán)境下，相同質(zhì)量的水蒸發(fā)時(shí)間相差不多。但在850℃的溫度環(huán)境下，水蒸發(fā)時(shí)間(終了時(shí)刻)就會(huì)大大縮短，蒸發(fā)速率就會(huì)大大提高。從實(shí)際工業(yè)應(yīng)用來看，采用回轉(zhuǎn)窯熱解一流化床焚燒技術(shù)將會(huì)使高水分垃圾原本直接進(jìn)入流化床的劇烈蒸發(fā)現(xiàn)象得到大大緩解，燃燒過程更加穩(wěn)定；⑤不同垃圾組分與水的混合熱解過程都會(huì)受到不同程度的、單組分(此時(shí)，水也視為1種組分)之間的相互影響。其中，對(duì)于塑料、橡膠與水混合熱解來說，總的時(shí)間與單獨(dú)熱解或蒸發(fā)所需時(shí)間基本相同，而對(duì)于

10、生物質(zhì)、織物與水的混合熱解來說，總的時(shí)間比單獨(dú)熱解或蒸發(fā)所需時(shí)間延長(zhǎng)了。⑥緩慢線性升溫和等溫環(huán)境下的2種熱重分析方法，在垃圾熱解研究中所做的貢獻(xiàn)具有互補(bǔ)性、在各自層面中具有相互不可替代的作用。前者可以觀察到溫度的高低對(duì)熱解轉(zhuǎn)化程度的影響，例如，各種垃圾組分的起始熱解溫度是多少?哪些溫度區(qū)間會(huì)發(fā)生熱分解，熱解速度怎么樣?它具有微觀性和機(jī)理性，是一種科學(xué)試驗(yàn)研究方法，而在實(shí)際工業(yè)中是不存在這種運(yùn)行工況的；后者可以觀察到時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)熱解轉(zhuǎn)化程

11、度的影響，同時(shí)，后者(等溫環(huán)境)近似于實(shí)際熱解環(huán)境。前者的研究為后者的研究確定了溫度范圍，減少了盲目性；后者的研究彌補(bǔ)了前者關(guān)于時(shí)間因素研究的缺陷，同時(shí)，研究結(jié)果對(duì)實(shí)際應(yīng)用也有參考意義。 第三部分：在連續(xù)給料回轉(zhuǎn)窯爐內(nèi)的熱解試驗(yàn)研究，屬于應(yīng)用研究。大物料量(1kg/h)熱解，更不能忽略傳熱傳質(zhì)影響，試驗(yàn)熱解過程與實(shí)際熱解過程具有相似性。主要結(jié)論是：①熱解產(chǎn)物分布特性：除了聚乙烯500℃熱解(聚乙烯500℃熱解轉(zhuǎn)化率小于50％)

12、以外，在給料量相等時(shí)，同一垃圾組分在500～700℃熱解向氣態(tài)產(chǎn)物(包括氣體和焦油)的轉(zhuǎn)化程度相差不大。對(duì)于粒徑小(例如薄片狀)的組分，熱解產(chǎn)物中氣體比例高；反之，熱解產(chǎn)物中焦油比例上升；②熱解前后的熱值對(duì)比：塑料和橡膠不含氧或含氧量很少，在熱解過程中發(fā)生吸熱反應(yīng)，熱解后總熱值一般是增加的(聚乙烯500℃熱解除外)。熱值增加的原因是，吸收的熱量轉(zhuǎn)化到熱解產(chǎn)物上了。生物質(zhì)和織物含氧量高、在熱解過程中發(fā)生了部分燃燒放熱反應(yīng)，熱解后的總熱值是

13、減少的。熱解產(chǎn)物的總熱值減去給料熱值就是熱解反應(yīng)熱。③熱解能耗：垃圾熱解能耗包括熱解裝置的散熱損失、熱解反應(yīng)熱以及水的蒸發(fā)熱。當(dāng)熱解反應(yīng)熱為正值時(shí)，反應(yīng)熱真正成為熱解能耗的一部分；當(dāng)熱解反應(yīng)熱為負(fù)值時(shí)，表示放熱。此時(shí)，反應(yīng)熱成為熱解能量補(bǔ)充的唯一內(nèi)部來源。在假設(shè)垃圾熱解過程中各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等條件下，建立了垃圾在長(zhǎng)徑比為4.36的外熱式回轉(zhuǎn)窯爐內(nèi)、熱解停留時(shí)間為31.58min的條件下的熱解能耗設(shè)計(jì)計(jì)算模型，可供在實(shí)際應(yīng)用垃圾熱