可燃生活垃圾焚燒動(dòng)力學(xué)參數的熱重分析

農業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報2004,23(5):1014-1016Journal of Agro-Environment Science可燃生活垃圾焚燒動(dòng)力學(xué)參數的熱重分析沈伯雄(南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津300071)摘要:對生活垃圾中可燃的主要成分如塑料類(lèi)、廚余類(lèi)、草木類(lèi)、織物類(lèi)、紙張類(lèi)的爕燒動(dòng)力茡過(guò)程進(jìn)行了熱重分析并用適當的數學(xué)模型進(jìn)行了回歸。動(dòng)力學(xué)參數對于設計和計算垃圾焚燒過(guò)程具有指導意義。關(guān)鍵詞垃圾焚燒;熱重分析;動(dòng)力學(xué)模型中圖分類(lèi)號X705文獻標識碼:A文章編號:1672-2043(2004)05-1014-1016Thermogravimetric Analysis for Combustible Materials from Municipal Solid Wasteshen Bo-xiongCollege of Environmental Science Engineering, Nankai University, TianAbstract: The combustible materials from municipal domestic solid waste can be divided into five types: plastic type, kitchen wastetype, plant type, textile type and paper type. Five types of materials were prepared by crushing, screening, drying and studied bythermogravimetric analysis(TGA)in the air conditions. The combustion characters of ms w were determined by analyzing the valueof DTG. The results showed that when the peak value of DTG appeared in the low temperature and the width of DTG was narrow, thematerial combusted easily; otherwise, the material combusted difficultly. The order of easy combustion among the five types of Mswwas: plant> paper> kitchen waste> textile plastic. The kinetic models on the combustion characters of these materials wereconstructed. It was found that the combustion of kitchen waste type, plant type, textile type and paper type could be divided into twophases: the combustion in low temperature and the combustion in high temperature. The first phase in low temperature might attributeto the emission and combustion of volatile, and the second phase might result from the combustion of char. The combustion of plastitype showed only one phase. The mechanism for plastic type combustion was described as follows: the plastic cracked and evaporatednto gas phase, and then the gas combusted. The process of cracking and evaporating influenced the changes of the plastic weightsThe higher the temperature, the quicker the velocity of cracking and evaporating, and the kinetic process could be modeled into oneThe kinetic parameters for different materials and different phases were obtainedKeywords: combustion of MSW; thermogravimetric analysis; kinetic model垃圾焚燒是垃圾處理中的一種重要技術(shù)垃圾焚進(jìn)入焚燒爐的垃圾一般含有一定的水分。理想的燒在國內外垃圾處理中的比例逐年增加。中國旳生活垃圾焚燒過(guò)程如下:第-階段是水分旳蒸發(fā)和干燥垃圾,特別是發(fā)達地區或大城市的生活垃圾,可燃成第二階段是揮發(fā)部分的析岀與燃燒;第三階段是焦碳分旳比例在逐年增加。垃圾焚燒具有重要的應用背旳燃燒與燃盡;贔后剩下的是不可燃燒的部分。第·景階段水分的蒸發(fā)和干燥是物理過(guò)程其完成時(shí)間在整垃圾焚燒主要取決于垃圾本身特性μυ。垃圾旳個(gè)燃燒中占的比例較小,可以根據其含濕量由汽化澘成分十分復雜,不僅受地域影響,還受季節、氣候、當熱大體估計。而第二階段和第三階段中揮發(fā)部分和焦地人民的經(jīng)濟狀況等的影響S。成功的開(kāi)發(fā)垃圾焚碳的中國煤化工較長(cháng)影響整個(gè)燃燒過(guò)燒爐應該以所要處理的垃圾焚燒的動(dòng)力學(xué)為根據3。程CNMHG學(xué)過(guò)程,而且不同的垃圾成分在這個(gè)過(guò)程中表現出不同的動(dòng)力學(xué)特性研究收稿日期:2004-02-02垃圾主要成分在這個(gè)過(guò)程中反應的動(dòng)力學(xué)參數具有基金項目國家自然科學(xué)基金(20347002)南開(kāi)大學(xué)校創(chuàng )新基金資助現實(shí)意義。本文采用熱重分柢TGA琺法研究垃圾焚燒作者簡(jiǎn)介:沈男南開(kāi)大學(xué)環(huán)境學(xué)院副教授從事固體物的失重動(dòng)力學(xué)過(guò)程,并用適當的數學(xué)模型進(jìn)行描述氣凈化研究。E-mail:sheba@nankai.edu.cn第23卷第5期農業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報最后求岀各種成分燃燒過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數。廚余類(lèi)、草木類(lèi)、織物類(lèi)和紙張類(lèi)表現出十分明試驗準備和試驗條件顯的兩階段燃燒現象,說(shuō)明這些物質(zhì)的可燃成分可以分為兩個(gè)部分,一部分為容易釋出和容易焚燒的物試驗用生活垃圾來(lái)自居民區生活垃圾除去金屬質(zhì),在低溫下即完成燃燒,可能是揮發(fā)分的快速釋出和玻璃成分,經(jīng)分類(lèi),再進(jìn)行干燥、破碎(100目左與燃燒;另外一部分為不大容易釋岀和焚燒的物質(zhì)右),各分類(lèi)的垃圾成分分別在熱重天平上進(jìn)行燃燒這些物質(zhì)需要在更高的溫度下才能被焚燒。而塑料類(lèi)試驗。分類(lèi)和干燥后可燃燒的垃圾成分為塑料類(lèi)、草主要表現為一個(gè)階段的焚燒估計是塑料在高溫下先木類(lèi)、紙張類(lèi)、布料類(lèi)、廚余類(lèi)。各類(lèi)垃圾成分的工業(yè)裂解蒸發(fā)變?yōu)闅庀嗳缓笫菤庀嗟娜紵?。而影響重量分析?jiàn)表1。熱重分析的條件為:試驗樣品重量在10變化主要是塑料的裂解蒸發(fā)過(guò)程,該過(guò)程隨著(zhù)溫度的mg左右;升溫速率為25℃·min-1;空氣流速:20變化呈現出一個(gè)階段。mL. min焚燒動(dòng)力學(xué)的模擬表1垃圾的分類(lèi)及工業(yè)分析Table 1 Classification and proximate analysis for MSW為了描述焚燒的動(dòng)力學(xué)過(guò)程引入了下面的數學(xué)各種成分的工業(yè)分析表達式對實(shí)驗數據進(jìn)行回歸假設垃圾各成分的燃燒垃圾分類(lèi)水分/%灰分/%揮發(fā)分/%固定碳/%符合1級反應級數。廚余類(lèi)32.63塑料類(lèi)dhexp(-e(2)織物類(lèi)2,0169.02草木類(lèi)1.9512.7015.54式中:hevn(,E)為燃燒反應速率h為低張2,11頻率因子,1·s;E為宏觀(guān)活化能,kJ·mol-l;T為2試驗結論與分析絕熱溫度,K;R為氣體通用常數,kJ·mol-.K1:B幾類(lèi)垃圾的熱重分析的DTG見(jiàn)圖1。圖中的DTG為升溫速率,K·s-l。表示熱失重百分比的一階微分其物理意義如下Q=0-WW/Wo(3)DTG=dr≈(-4WdW/Wo(1)式(3):W為不可燃部分:W/W為表1中工業(yè)分式中:W表示不同時(shí)刻樣品的實(shí)際質(zhì)量;W表示樣析的灰分。把(3試代入1試再對兩邊求自然對數可以得到表達式(4品初質(zhì)量表示時(shí)間。那么DTG曲線(xiàn)的最大值表示最大失重速率也即燃燒最激烈的位置。DTG曲線(xiàn)與)=In_EB R(4)DTG為0的直線(xiàn)構成的封閉面積積分為1。通過(guò)分析這樣,通過(guò)Y與1/T的線(xiàn)性關(guān)系可以確定頻率DTG曲線(xiàn)的峰值和峰寬,可以定性說(shuō)明了該物質(zhì)燃因子和活化能E。由相關(guān)系數判斷分段和反應級數的燒的相對難易程度。一般來(lái)說(shuō)如果DTG的峰值發(fā)生合理性。具體的回歸情況和動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)圖2~圖在越低溫段,DTG的峰值越高,峰寬越窄,說(shuō)明該物6。表2概括了動(dòng)力學(xué)回歸情況。質(zhì)越容易焚燒反之則不容易焚燒。從圖1可以看岀草木類(lèi)和紙張類(lèi)相對好燒,隨后是廚余類(lèi)、織物類(lèi)和4結論塑料類(lèi)熱重分析較好地描述了垃圾中有機物如塑料類(lèi)0[→草木一廚余類(lèi)(1/T)×1000K1.31.51.71.9派浮-|90二900紙張類(lèi)塑料類(lèi)700中國煤化工類(lèi)CNMHG-85001000150020002500各類(lèi)垃圾焚燒中的DTG圖2草木類(lèi)動(dòng)力學(xué)回歸情冫F方數撬 TG for different types of MSVFigure 2 The kinetic parameters for plant type1016沈伯雄河燃生活垃圾焚燒動(dòng)力學(xué)參數的熱重分析2004年10月(1/7)×1000K-1表2各類(lèi)垃圾的動(dòng)力學(xué)參數回歸1.31.51.71.9Table 2 The kinetic parameters for different types of MSW塑料類(lèi)頻率因子k活化能E垃圾類(lèi)型/kJm-相關(guān)系數草木類(lèi)階段28685.93第二階段4170290.99-10廚余類(lèi)第一階段2.92圖3塑料類(lèi)動(dòng)力學(xué)回歸情況第二階段75.150.97igure 3 The kinetic parameters for plastic typ織物類(lèi)第一階段0.93第二階段(1/T)×1000K188213.430.991.01.21.41.61.82紙張類(lèi)第一階段112042.3383.910.992.0第二階段1.65081E9194.380.883.0織物類(lèi)塑料類(lèi)共一階段408.9367.932845.0廚余類(lèi)、草木類(lèi)、織物類(lèi)、紙張類(lèi)的焚燒動(dòng)力學(xué)過(guò)程。-7.0試驗結果表明了草木類(lèi)、廚余類(lèi)、織物類(lèi)、紙張類(lèi)較好符合兩個(gè)階段的模型而塑料類(lèi)較好符合一個(gè)階段的圖4織物類(lèi)動(dòng)力學(xué)回歸情況模型。由試驗數據得岀了各類(lèi)垃圾各階段焚燒的動(dòng)力Figure 4 The kinetic parameters for textile type學(xué)參數。(1/T)×1000K1.01.21.41.61.82,02.2-2參考文獻「]田文棟魏小林黎軍,等.北京市城市生活垃圾特性分析IJ456789環(huán)境科學(xué)學(xué)報2000,20(4):435紙張類(lèi)[2]屈超蜀.垃圾焚燒過(guò)程特性及焚燒爐設計概要[J.重慶大學(xué)學(xué)報,1997,20(5):523]聶永豐,劉富強,王進(jìn)軍,我國堿市垃圾焚燒技術(shù)發(fā)展方向探討圖5紙張類(lèi)動(dòng)力學(xué)回歸情況J].環(huán)境科學(xué)研究,2000,13(3):21Figure 5 The kinetic parameters for paper type4]鄭眀輝,張兵.臺灣城市生活垃圾焚燒處理現狀[J.環(huán)境科學(xué)(l/T)×1000K-101.41.82.2研究,2000.13(3):245]吳文偉,北京市垃圾人均日產(chǎn)量分析與預測[J.環(huán)境衛生工程3456781998,6(4):141.廚余類(lèi)圖6廚余類(lèi)動(dòng)力學(xué)回歸情況Figure 6 The kinetic parameters for kitchen waste type中國煤化工CNMHG