

熱重-紅外聯(lián)用分析垃圾衍生燃料的熱解特性
- 期刊名字:化工學(xué)報
- 文件大?。?/li>
- 論文作者:柏繼松,余春江,吳鵬,方夢(mèng)祥,駱仲泱
- 作者單位:浙江大學(xué)
- 更新時(shí)間:2020-03-24
- 下載次數:次
第64卷第3期化工學(xué)報Vol. 64 No. 32013年3月CIESC JournalMarch 201研究論文 資熱重-紅外聯(lián)用分析垃圾衍生燃料的熱解特性柏繼松,余春江,吳鵬,方夢(mèng)樣,駱仲泱(能源清沽利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室(浙江大學(xué)), 浙江杭州310027)摘要:利用熱重紅外分析儀(TG-FTIR)研究了兩種不同垃圾衍生燃料(RDF) 的熱解特性。研究發(fā)現,盡管兩種RDF的來(lái)源不同,但卻具有相似的熱解特性,其熱解過(guò)程主要分為3個(gè)階段:生物質(zhì)組分(220~430C)、塑料類(lèi)物質(zhì)(430~520C)以及無(wú)機碳酸鹽(>650C)的分解。利用Coats-Redfern法,求得了RDF熱解前兩個(gè)階段的表觀(guān)動(dòng)力學(xué)參數,計算結果表明高溫段的反應活化能要高于低溫段。通過(guò)FTIR對RDF熱解析出的氣體進(jìn)行了在線(xiàn)分析,發(fā)現兩種RDF熱解過(guò)程中的氣相產(chǎn)物析出規律基本一致,析出的氣體主要包括H2O、CO3、CO以及CH,等烴類(lèi)。HCI 在低溫階段(230~400C) 即析出完畢。相比之下,NH開(kāi)始析出的溫度較高(260C),并且整個(gè)析出溫度范圍較廣,高溫下仍有少量析出。SO2 在熱解條件下仍有相當量的生成,其析出主要集中在300~600C的溫度范圍內.關(guān)鍵詞:垃圾衍生燃料;熱重紅外聯(lián)用:熱解;動(dòng)力學(xué)參數;氣相產(chǎn)物DOI: 10. 3969/j. issn. 0438- 1157. 2013. 03. 036中圖分類(lèi)號: X705文獻標志碼: A文章編號: 0438-1157 (2013) 03- 1042-07TG-FTIR analysis on pyrolysis characteristics of refuse-derived fuelBAI Jisong, Y∪Chunjiang, WU Peng, fang Mengxiang, LUO Zhongyang(State Key Laboratory of Clean Energy Urilization,Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China)Abstract: The pyrolysis characteristics of two different kinds of refuse derived fuels (RDF) wereinvestigated using thermogravimetric analysis Fourier transform infrared spectrometer (TG-FTIR). Iwas found that the pyrolysis characteristics of two RDFs were similar. The pyrolysis process could bedivided into three main stages, corresponding to the decomposition of biomass components (220一 430C),plastic substances (430- 520°C) and carbonates (> 650°C). The Coats-Redfern method was used toanalyze the apparent kinetic parameters of the first two stages, and the results showed that the activationenergy was higher for the middle- temperature stage than for the low-temperature stage. By FTIR analysis,it was found that the major volatile gases released from the two RDFs were similar, mainly includingH2O,CO2, CO,CH, and other hydrocarbons. The release of gaseous pollutants was paid specialattention. The emission of HCI is completed at the low temperature stage (230- - -400C). In contrast, therelease of NH3 begins at 260C and goes through a much wider temperature range, and there is still a smallamount of NH: release at much higher temperature. In pyrolysis condition investigated, it was surprised todetect large amount of SO2, mainly released in the temperature range of 300- -600C.Key words: refuse-derived fuel; TG-FTIR; pyrolysis; kinetic parameters; gas products2012- -05 - 22收到初稿,2012-07-06收到修改稿。Received date: 2012-05- 22.聯(lián)系人:余春江。第一作者:柏繼松(1985),男,博士研Corresponding author: YU Chunjiang, chunjiang@ zju, edu. cn究生。Foundation item: supported by the National Natural Science基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50976102); 中央高?;鵉oundation of China (50976102). the Fundamental Research Funds本科研業(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金項目;國際科技合作項目(2011DFA61060).for the Central Universities and the International Science &Technology Cooperation Progratn of China (2011DFA61060).第3期柏繼松等:熱重紅外聯(lián)用分析垃圾衍生燃料的熱解特性●1043.引言通過(guò)兩種不同的工藝生產(chǎn)得到。其中RDF1由各垃圾組分人為混合得到,其工藝目標為制取特定性質(zhì)目前,城市生活垃圾對環(huán)境造成的危害日益嚴的衍生燃料,而RDF2則是由原生垃圾采用- -種特重。在我國,歷年積存垃圾已高達60多億噸,殊工藝直接分選和加工處理而來(lái),其工藝重點(diǎn)在于2010年全國垃圾清運量已達1.58億噸甲。熱處理垃圾分選回收利用。兩種RDF燃料的典型組分主方法是垃圾處理及資源化利用的一種重要技術(shù),減要包括廢紙板、織物、木屑以及塑料類(lèi)物質(zhì)。燃料容減量程度高,同時(shí)還能實(shí)現能源的回收利用,因的工業(yè)分析和元素分析(均基于收到基)以及發(fā)熱此逐漸成為最有前景的垃圾處理技術(shù)(27]。垃圾術(shù)量分析結果見(jiàn)表1。其中工業(yè)分析按照國家標準生燃料(RDF) 是將原生垃圾進(jìn)行分選去除不可(GB/T 212- -2001),C、 H、N含量分析采用長(cháng)沙燃成分,并經(jīng)干燥、破碎以及壓縮成型等工藝而得開(kāi)元儀器元素分析儀(5E-CHN2000), 全S含量到的商品化燃料,具有高熱值、便于儲藏和運輸等分析采用紅外測硫儀(5E-IRSI), 全CI含量則通優(yōu)點(diǎn)(8-9]。過(guò)高溫水解,再用離子色譜測量吸收溶液中的氯離熱解作為一種熱處理技術(shù),對深入研究燃燒和子含量得到。氣化過(guò)程具有重要意義。前人對各種垃圾組分(廢從表1可見(jiàn),兩種RDF燃料都具有揮發(fā)分和紙、木屑、塑料等)的熱解特性已有大量研含氧量高以及低灰分等典型生物質(zhì)燃料的特點(diǎn),但究([0.14], 并大多認為它們之間無(wú)相互作用,從而其低位熱值卻又相對較高。燃料的N、S含量較.通過(guò)線(xiàn)性疊加的方法來(lái)分析、推斷RDF燃料的熱低,然而值得注意的是由于RDF中含有大量的塑解特性。由于垃圾術(shù)生燃料主要由生物質(zhì)類(lèi)組分和.料類(lèi)物質(zhì)(主要是PVC),因而Cl含量較高。由塑料類(lèi)物質(zhì)組成,因而也有研究[15-1]采用其主要表2的灰成分分析可知RDF2中的鈣含量較高,這組分(半纖維素、纖維素、木質(zhì)素和塑料物質(zhì))的主要是由于原生垃圾中不可避免地存在較多的無(wú)機平行反應模型來(lái)模擬RDF的熱解過(guò)程。含鈣組分。另外,RDF燃料的生產(chǎn)工藝中也可能盡管各單--垃圾組分熱解特性的研究有助于了會(huì )加入CaO和CaCO3等脫氯劑。解RDF燃料最基本的熱轉化特性,但關(guān)于各組分表2燃料的灰成分分析在共熱解過(guò)程中是否存在協(xié)同作用依然存在爭議。Table 2 Ash component analysis of fuel/ %另外,垃圾組分的多變性以及混合過(guò)程的不均勻性Sample SiO2 Al2Os FeOz CaO MgO K,O Na2O會(huì )對RDF燃料的特性產(chǎn)生重大影響。因此,本文RDF141.2217.31 10.13 21.08 7.96 0.19 0.63對通過(guò)不同生產(chǎn)工藝制得的兩種RDF燃料的熱解RDF2 43.04 8.44 6.62 29.24 5.86 1.42 1.64特性進(jìn)行了對比研究。以往的研究大多局限在對熱1.2試驗設備 與方法解失重特性和動(dòng)力學(xué)參數的分析。本文利用熱重-試驗采用的儀器是梅特勒-托利多TGA/SD-紅外聯(lián)用的方法,同時(shí)對各失重區間的氣體析出情T(mén)A851e熱重分析(TGA)儀和Nicolet NETXUS況進(jìn)行在線(xiàn)分析,從而更好地理解RDF燃料的熱670型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)。 熱天平出解過(guò)程,為其工業(yè)化熱處置工藝的設計提供理論口與紅外光譜儀采用聚四氟乙烯管連接,并把連接參考。管和紅外氣體池預熱至180°C以防止氣體冷凝。在熱解過(guò)程中揮發(fā)分一經(jīng)析出便迅速被高純氮吹掃進(jìn)1試驗部分人紅外檢測器。傅里葉變換紅外光譜儀的光譜范圍1.1試驗 物料為4000~400 cm-',試驗設定分辨率為4 cm-',試驗所用的RDF燃料(RDF1和RDF2)分別掃描方式為雙面雙向,掃描速率為12次●s~'。表1燃料的工業(yè)、 元素及發(fā)熱量分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of fuelUltimate analysis/ %Proximate analyis/%Heat value.Qne.SampleHn O。Nr5_ClarMr二Aw V。FC/MJ. kg-1RDF1 53. 076. 8722.510. 200. 171. 235.910.03 75. 528. 5321. 22RDF2 43.61 5. 8628. 100.460. 180.822.2219.5768.110.1116.571044●化工學(xué)報第64卷樣品研磨并篩分至100~250 μm,在試驗過(guò)程然而,從圖中還可以看出兩者在熱解過(guò)程中仍中,樣品質(zhì)量取10mg,用作載氣的氮氣流量保持然存在一- 定的差異性。RDF1 的熱解半焦產(chǎn)率要略在60 ml. min~',升溫速率30K●min-',試驗溫低于RDF2,同時(shí)前者第- -個(gè)階段和第三個(gè)階段的度范圍為25 ~950C。失重速率峰值所對應的溫度也低于后者,這說(shuō)明RDF1具有相對較高的反應活性。另外,RDF1 第2試驗結果與分析二個(gè)階段的失重峰要顯著(zhù)高于RDF2,由于此階段2.1 RDF燃料的熱解特性分析的失重主要對應塑料物質(zhì)的分解,這說(shuō)明RDF1中圖1和圖2為兩種RDF燃料熱解的TG-DTG的塑料物質(zhì)含量較高,而塑料類(lèi)物質(zhì)的熱值比一般結果??梢园l(fā)現,兩種RDF總體上具有相似的熱纖維素類(lèi)物質(zhì)高。再加上生產(chǎn)工藝上的差別,解失重特性,均主要包括3個(gè)反應階段。RDF1存在的無(wú)機雜質(zhì)較少。因而RDF1的低位熱:值要大大高于RDF2 (表1)。705C2.2熱解動(dòng)力學(xué)分析8(-0.007根據Arrhenius定律,RDF的熱解可以通過(guò)-477C如下微分方程來(lái)表達-0.014 ?g 6(品- Axxp(-是)(1-a)°(1)4031%式中a為t 時(shí)刻的轉化率,%,a=mom,其2(-0.028中mo為初始質(zhì)量,m,為t時(shí)刻的質(zhì)量,m為反應20000800 1000結束的剩余質(zhì)量; β為升溫速率,C●min~', β=temperature/c; A為指前因子,s-'; E為反應活化能,kJ●圖1 RDF1 熱解的TG/DTG曲線(xiàn)Fig.1 TG and DTG curves of RDF1 pyrolysismol-'; R為氣體常數,8.314J●kg~1●K-1; T為熱力學(xué)溫度,K; n為反應級數。00 5采用Coats-Redfern 法[18], 并根據文獻結論[1920],假設反應級數為1,則可由式(1)得到如80 F467C27C下近似表達式-0.010。: 60[ψ°2]=1n[罡(1-智)]最(2)5%-0.015日0十對于一般的反應溫度區間和大部分的E值而言,-0.020E2RT20 t行》1,亦即1- R≈1,式(2)右端第一項為-0.025373C-0.030常數,因而1n[=hn-e2]對 二作圖能夠得到- -4008001000條直線(xiàn),然后就可以通過(guò)直線(xiàn)的斜率和截距分別計圖2RDF2熱解的TG/DTG曲線(xiàn)算得到反應的活化能E和指前因子A。Fig.2 TG and DTG curves of RDF2 pyrolysis通過(guò)上述方法,本文計算了RDF熱解過(guò)程中根據文獻結果[517],前兩個(gè)階段分別對應生揮發(fā)分析出的主要階段(圖2所示TG曲線(xiàn)的前兩物質(zhì)類(lèi)組分(220~ 430°C)和塑料類(lèi)(430~個(gè)失重階段)反應的活化能和指前因子,見(jiàn)表3。510°C)組分的分解。由于塑料類(lèi)物質(zhì)的主要成分表3 RDF 熱解動(dòng)力學(xué)分析PVC的分解反應發(fā)生在兩個(gè)溫度區間: 280~Table 3 Kinetic analysis of RDF pyrolysis400°C和400~560C。因而第一階段的失重實(shí)際上_SampleT/C E/kJ ●mol-1 A/s-1還包含了部分PVC的低溫分解(主要是脫氯反RDFI220- -385104. 260. 99167440-505323. 305. 75X 10220. 99119應)。第三個(gè)階段(>650C)的失重則可能是由于RDF2 231-39281. 24.4. 63X 1000. 99071無(wú)機碳酸鹽在高溫下的分解。445-510270. 841.14X 10190. 99974第3期柏繼松等:熱重紅外聯(lián)用分析垃圾行生燃料的熱解特性, 1045從表中可以看出,相關(guān)系數r均大于0. 99,0.15因此說(shuō)明在試驗的溫度范圍內,采用一級反應能夠0.1070SCO2很好地描述RDF熱解過(guò)程。從計算結果可以發(fā)現,0.05co不同的反應階段活化能的差別較大,高溫段的活化能約為低溫段的3倍。這是由于高溫段主要發(fā)生塑CH。0.10- 477C料物質(zhì)的分解反應,而塑料類(lèi)物質(zhì)反應活化能高的主要原因是其化學(xué)鍵結合形式為鏈狀分支結構,化CO2學(xué)結構比較穩定(1]。從表3中還可以看出,相對于RDF1,RDF2熱解反應兩個(gè)階段的活化能均較364Cformic acid低。兩者在組分種類(lèi)及含量上的差別可能是導致上CC述現象的原因。但也有研究表明22], CaO等物質(zhì)H2Ot_Jelphenol的加人能夠降低反應的活化能,由表2可知,4000 350030002500 2000 1500 1000 500wavenumber/cm- IRDF2中的鈣基物質(zhì)含量要高于RDF1,因而在熱解反應中的催化作用更為明顯。圖4RDF1熱解各峰值溫度下釋放氣體紅外圖譜2.3熱解產(chǎn)物 FTIR分析Fig.4 FTIR spectra for pyrolysis products采用與熱重分析儀聯(lián)用的紅外光譜儀對RDFevolving from RDF1熱解過(guò)程所釋放的氣體進(jìn)行了在線(xiàn)分析。由于揮發(fā)0.09分在連接管路中的傳輸會(huì )導致紅外光譜氣體分析的0.06723CC延遲,因而需要對其進(jìn)行修正。圖3為修正后的0.03RDF1熱解DTG曲線(xiàn)和Gram-Schmidt曲線(xiàn)對應圖??梢钥闯?,FTIR 吸收峰強度與DTG曲線(xiàn)失467C重速率變化趨勢基本- -致。0.04-Gram-Schmidt003-0.02F373C01-phenol co2004060000temperature/4000 3500 3000 250020001500 1000 500wavenumber/cm-1圖5RDF2熱解各峰值溫度下釋放氣體紅外圖譜DTGFig.5 FTIR spectra for pyrolysis products-0.02evolving from RDF2-0.03-類(lèi)是典型的焦油類(lèi)組分(醛、酮、酸和酚類(lèi))。這400與纖維素類(lèi)生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物是一致的。第二個(gè)階temperature/C段除了生成部分CO2外,還有大量的烴類(lèi)物質(zhì),圖3 RDF1 熱解DTG和紅外光譜曲線(xiàn)對照其中CH,的吸收峰比較明顯。這主要來(lái)源于塑料Fig.3 Correlation between DTG and FTIR類(lèi)物質(zhì)的分解,其中的典型組分PVC在前一個(gè)低results of RDF1 pyrolysis溫段脫氯形成雙鍵,而此雙鍵不穩定,因而會(huì )在高圖4和圖5分別為兩種RDF熱解各失重階段溫階段繼續斷裂生成小分子量的直鏈或環(huán)狀碳氫化峰值溫度時(shí)析出物質(zhì)的紅外圖譜??梢园l(fā)現在不同合物[3]。第三個(gè)失重峰值析出的氣體主要為CO2,階段析出的物質(zhì)在組分上有很大的差別。第一個(gè)階此外還有少量的CO生成。這進(jìn)-一步證實(shí)了前面關(guān)段的熱解產(chǎn)物比較復雜,主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是輕于碳酸鹽分解的推測。再結合RDF燃料中較高的質(zhì)氣體(H2O、 CO2、CO和CH等烴類(lèi));另一鈣基物質(zhì)含量,可以認為此階段的失重主要是由于●1046●化工學(xué)報第64卷CaCO3的分解。0.10RDFIRDF22.4主要氣相產(chǎn)物的析出特性0.08-0.08圖6為RDF熱解過(guò)程中主要氣相產(chǎn)物紅外光譜強度隨溫度的變化。根據蘭伯特貝爾定律,特? 0.00.06-定波段的光譜強度正比于對應氣體的濃度。因此,0.04-整個(gè)熱解過(guò)程吸光率的變化同時(shí)也反映了氣體析出濃度的變化趨勢。另外,由于所用樣品的質(zhì)量均精0.02-確控制在10 mg,從而可以定性地比較兩種RDF熱解過(guò)程中的氣體析出情況。200 400 600 800200400600 800從圖中可以看出,兩種RDF燃料的氣體析出.temperature/C規律基本一致,只是存在析出強度的差別。CO20016h 0.016的釋放集中在兩個(gè)溫度區間內:低溫段(250~450C)和高溫段(650~750C)。 其中低溫階段的0.012 I0.012-CO2主要來(lái)自碳氧官能團的裂解與重整,如上所述,高溫階段CO2的生成則是由于碳酸鹽的分解。號0.008-0.008-CO的釋放主要發(fā)生在高溫段(> 600C),低溫段的峰值較小,這與秸稈類(lèi)生物質(zhì)的析出規律有所不0.004-0.004同。究其原因,高溫段CO的大量生成可能是由于ophinttCO2與焦炭間的氣化反應。但是在本文的試驗條200400600800件下,較弱的氣固相接觸環(huán)境不利于上述反應的發(fā)生,另外,從圖中可以發(fā)現,當CO2的析出結束b)CO后(>750C),仍然存在較強的CO析出峰。因0.025此,肯定還有其他占主導作用的因素存在。有研究0.0200.020-表明(24], CaO等物質(zhì)在高溫條件下能大大促進(jìn)二| 0.015|芳基醚官能團的斷裂和焦炭的二次裂解從而生成0.0100.010-CO,而在低溫條件下,又對上述反應起到抑制作用。由表2可知,兩種RDF燃料中均有較高的鈣0.005.o0s-基物質(zhì)含量,因此,高溫段CO的大量生成主要是.由于其生成反應在催化作用下得到大大的增強。與CO2和CO相比,CH,的開(kāi)始析出溫度較高,并00 400 600 800200400 600 800且在300~500°C的溫度范圍內,呈現兩個(gè)峰值,(C)CH其中第二個(gè)峰對應于塑料類(lèi)物質(zhì)的分解。對比兩種圖6RDF熱解過(guò)程中主要氣相產(chǎn)物隨溫度的析出曲線(xiàn)RDF燃料,兩者第一個(gè)峰的峰值基本相當,而Fig. 6 Evolution profiles of main gas productsRDF1第二個(gè)峰的峰值則要大大高于RDF2,這也throughout RDF pyrolysis再次證實(shí)RDF1具有較高的塑料類(lèi)物質(zhì)含量。出的溫度較高(260°C),并且整個(gè)析出溫度范圍較2.5氣相污染物的析出特性廣,高溫下仍有少量析出。相比RDF1, RDF2在由表1的元素分析可知,RDF中含有Cl、N、高溫段NH3的析出更為明顯。由于生產(chǎn)工藝上的S等元素,因而在熱解、燃燒過(guò)程中需要考慮相關(guān)差別,RDF1是由各種可燃的垃圾組分人為混合得污染物的排放。圖7分別為RDF熱解過(guò)程中各氣到,而RDF2則是來(lái)自原生垃圾的直接分選和加工相污染物隨溫度的析出情況。處理。因此,RDF2中不可避免地混有較多的無(wú)機從圖中可以看出,HCl在較低溫度下灰組分,其中可能就會(huì )存在一- 些無(wú)機銨鹽,從而在(230C)即開(kāi)始析出,在360"C左右達到峰值,而高溫段發(fā)生分解釋放出NH3。HCl的產(chǎn)生消耗了400C以后基本沒(méi)有析出。相比之下,NHs開(kāi)始析H+,使得其他需要H+的產(chǎn)物析出受到影響,因.第3期柏繼松等:熱重紅外聯(lián)用分析垃圾衍生燃料的熱解特性●1047●0.020i 0.020件下反應生成。對比兩種RDF,HCI和NH;的析RDF1RDF2出強度均正比于燃料中的Cl和N元素含量。而對0015-0.015-于SO2的析出,盡管兩種RDF的S含量相當,但RDF1的SO2生成量卻要明顯高于RDF2,這可能0.010-與兩者有機硫所占比例不同有關(guān)。0.005-這里需要指出的是,在本文的試驗條件下,二次反應得到大大抑制,因此各氣相產(chǎn)物的析出基本上代表了燃料本征的反應特性。而在實(shí)際的熱解或200 400 600 800:00 400600800燃燒過(guò)程中,升溫速率的急劇升高以及氣固相接觸temperaturc/Ctemperature/C的大大增強,都會(huì )促使各種二次反應的發(fā)生,因而(a)HCI氣相產(chǎn)物的析出特性也會(huì )存在較大的差異。0.0053結論0.004-本文采用TG-FTIR研究了兩種不同垃圾衍生0.003-燃料(RDF)的熱解特性,得到如下結論。0.002020.002-(1)不同來(lái)源的兩種RDF燃料具有相似的熱解特性,其失重過(guò)程包括3個(gè)階段,其中前兩個(gè)階0.00.001段主要對應生物質(zhì)組分(220~430°C) 和塑料物質(zhì)(430~520°C)的分解,而第三個(gè)階段失重則是由200400 600 800于無(wú)機碳酸鹽的高溫(>650C)分解。temperature/"C(2) 在RDF熱解反應動(dòng)力學(xué)計算過(guò)程中,一(b) NH3級反應模型具有很好的適用性,計算結果表明,高00251 0.025 [RDFI溫段的活化能要高于低溫段。0.020-(3)RDF熱解各階段析出的氣體組分比較復雜,主要包括H2O、CO2、CO以及CH,等烴類(lèi)。| 0.015 t(4) HCI在較低溫度下(230°C) 即開(kāi)始析雖0.010-出,在360C左右達到峰值,而400°C以后基本沒(méi)有析出。相比之下,NH3開(kāi)始析出的溫度較高0.005 t(260C),并且整個(gè)析出溫度范圍較廣,高溫下仍有少量析出。SO2 在熱解條件下仍有相當量的生200400600800成,其析出主要集中在300~600C的溫度范圍內。(c)SO2References圖7RDF熱解過(guò)程中氣相污染物隨溫度的析出曲線(xiàn)[1] National Bureau of Statistics of China (中華人民共和國國Fig. 7 Evolution profiles of gas pollutants家統計局). 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