生活垃圾摻燒無(wú)煙煤燃燒特性熱重實(shí)驗分析

第14卷第4期集美大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 14 No 42009年10月Joumal of Jimei University( Natural Science)oct.2009文章編號]1007-7405(2009)04-0394-05生活垃圾摻燒無(wú)煙煤燃燒特性熱重實(shí)驗分析劉建華,蔡飛(集美大學(xué)機械工程學(xué)院,福建廈門(mén)361021)摘要]在WCT-2C型微機差熱天平上對生活垃圾與無(wú)煙煤以不同比例所得混合試樣進(jìn)行熱重實(shí)驗,利用TG-DTG熱分析技術(shù)研究其燃燒特性,結果表明,生活垃圾加入無(wú)煙煤后,提高了生活垃圾的燃燒穩定性,廢棄能源可得到最大限度的回收[關(guān)鍵詞]生活垃圾;無(wú)煙煤;燃燒特性[中圖分類(lèi)號]TK16[文獻標志碼]A0引言垃圾處理是現代城市生活的一個(gè)社會(huì )問(wèn)題,隨著(zhù)人們生活水平的提高,產(chǎn)生的生活垃圾和工業(yè)垃圾越來(lái)越多-2],如何處理這些垃圾成為一個(gè)緊迫問(wèn)題.從衛生角度看,垃圾是一個(gè)污染源,但從資源角度看,垃圾是地球上唯一在增長(cháng)的資源。廢棄物是放錯地方的資源,若利用得當,既保護環(huán)境,又增加資源,促進(jìn)人和自然的和諧發(fā)展垃圾處理的原則是無(wú)害化、減量化和資源化,即:垃圾處理消除有毒物質(zhì)和病原體;減少體積和質(zhì)量;不再發(fā)生其他化學(xué)和物理變化.垃圾焚燒技術(shù)具有減容、減量、無(wú)害化、資源化等優(yōu)點(diǎn)因此釆用焚燒法將成為一種主要的垃圾處理方法.焚燒處理是將垃圾放在焚燒爐中進(jìn)行燃燒,使垃圾體積減少85%~%5%,質(zhì)量減少70%~80%,余熱回收可供熱或發(fā)電.垃圾經(jīng)髙溫焚燒后能消除大量有害病菌和有毒物質(zhì),灰渣可用作道路及建筑材料.盡管我國目前城市垃圾焚燒的比例很小,但垃圾焚燒已成為我國垃圾處理的一個(gè)重要方向目前人們對生活垃圾的研究還比較欠缺.雖然國外的城市生活垃圾焚燒技術(shù)發(fā)展比較早,但是其對垃圾的機理性的研究并不是很多,主要是因為城市生活垃圾的成分比較復雜,在研究過(guò)程中有很多問(wèn)題不太容易處理國內也有研究者利用熱重法研究城市生活垃圾的燃燒特性由于生活垃圾的熱值較低,含水量較大,不能保證燃燒過(guò)程的連續性,為解決這一問(wèn)題,在垃圾燃燒過(guò)程中往往添加助燃劑,煤將是一個(gè)較為經(jīng)濟的助燃劑.筆者對生活垃圾的成分、燃燒特性、以及無(wú)煙煤作為助燃劑摻燒的燃燒特性進(jìn)行實(shí)驗分析,得到不同成分垃圾的燃燒規律,計算出更為合理的摻燒比,以便最大限度地回收垃圾能源1城市生活垃圾的分類(lèi)和制備1.1城市生活垃圾的分類(lèi)垃圾作為一種特殊的燃料,無(wú)論物理組成還是化學(xué)特性都比煤要復雜得多,即使要準確表達物理特性中的某一項,如密度、粒度、形狀等,都非常困難.因此,在研究生活垃圾的燃燒特性時(shí),必須中國煤化工[收稿日期]2009-04-[修回日期]2009-06[基金項目]福建省自然科學(xué)基金資助項目(2006431)CNMHG[作者簡(jiǎn)介]劉建華(1962一),男,教授,從事節能技術(shù)、無(wú)煙煤燃燒技未、葉輪機械研究第4期劉建華,等:生活垃圾摻燒無(wú)煙煤燃燒特性熱重實(shí)驗分析對生活垃圾分門(mén)別類(lèi)地進(jìn)行研究,根據我國大多城市垃圾分類(lèi)的特點(diǎn),可以把垃圾分成以下8類(lèi)1)廚余垃圾指居民家庭廚房、單位食堂、餐廳、飯店、菜市場(chǎng)等處產(chǎn)生的高含水率、易腐爛的那部分垃圾,包括剩菜、剩飯、骨頭及果皮等;2)塑膠類(lèi)主要指生活垃圾中的皮革、橡膠和各種塑料等廢物;3)竹木類(lèi)包括各種木材廢品、樹(shù)木及落葉等;4)布類(lèi)主要是指紡織類(lèi)廢物;5)廢紙類(lèi)主要是生活用紙等;6)渣土包括灰土、碎石等.7)玻璃主要指各種飲料或藥品的玻璃瓶;8)金屬類(lèi)主要指各種飲料的金屬包裝殼及其他的金屬品等.其中后3種物質(zhì)不是可以燃燒的成分,所以只需對其中的前5種成分進(jìn)行燃燒特性分析1.2城市生活垃圾燃燒實(shí)驗品樣的制備本次實(shí)驗所選取的材料是城市(以廈門(mén)為例)生活垃圾中的廚余(包括米飯和菜葉)、塑料、樹(shù)枝和紙張,實(shí)驗要求材料粒度在80目以下,其中菜葉和飯粒是在(105±5)℃條件下干燥2~3h至恒重的試樣將廚余垃圾、塑料以及樹(shù)枝放人CJ-3型密封式制樣粉碎機中進(jìn)行粉碎,粉碎時(shí)間為1015min,鑒于垃圾材料的結構特點(diǎn),粉碎完的材料顆粒的粒度分布較廣,因此,還要用80目的篩子篩分,取篩分后的粉末狀材料作為實(shí)驗原料同時(shí),本次實(shí)驗還進(jìn)行了摻燒福建龍巖無(wú)煙煤的混合垃圾的燃燒特性分析.其中,無(wú)煙煤已經(jīng)在廠(chǎng)內粉碎完畢,為了防止煤粉偏細,煤粉不能在篩子中篩分,只能用手工研磨至實(shí)驗要求目數1.3實(shí)驗工況條件實(shí)驗是在北京光學(xué)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的WCT-2C微機差熱天平上進(jìn)行的將準備分析的試樣放在熱分析儀的坩堝中,通人氧氣和氮氣,氧氣和氮氣的流量分別為64mL/min和16mL/min,這樣使試樣在氧氣和氮氣的氣氛中以一定速度連續升溫,熱分析儀同時(shí)記錄了試樣的質(zhì)量變化(TG曲線(xiàn))、質(zhì)量變化率(DTG曲線(xiàn))以及反應中的差示掃描熱量的變化(DTA曲線(xiàn)),實(shí)驗數據通過(guò)計算機處理后打印出實(shí)驗結果.采用的實(shí)驗條件和測量設置為:升溫速度20K/min;測質(zhì)量程10mg;測重微分量程10mv/min;差熱量程250Pv2生活垃圾燃燒特性實(shí)驗2.1生活垃圾實(shí)驗組成成份表1是實(shí)驗所選取的典型垃圾組分的混合比例表1實(shí)驗垃圾各組分比例2.2生活垃圾的熱重熱差分析Tab. 1 The percentage of each combination of圖1是生活垃圾的TG、DTG、DTA曲線(xiàn)圖expenence MSWTG曲線(xiàn)可以反映物質(zhì)的總體失重趨勢,DTG曲垃圾組分線(xiàn)可以顯示各個(gè)階段的失重速率,DTA曲線(xiàn)顯質(zhì)量分數35米飯菜葉紙張樹(shù)枝塑料351510示組分在加熱過(guò)程中出現的放熱或者吸熱反應由混合垃圾的燃燒特性曲線(xiàn)和燃燒特征參數可以看出,其燃燒過(guò)程是分步進(jìn)行的.隨著(zhù)溫度的上升,活化能較低的組分首先開(kāi)始燃燒,所放出的熱量對高活化能組分實(shí)際上起到了一個(gè)預熱的作用改善了高活化能組分的著(zhù)火條件,當高活化能組分著(zhù)火后,低活化能組分繼續燃燒,起到一種助燃的作用,從而導致混合垃圾活化能的整體降低(如表3所示),因此可以認為混合組分垃圾比單一組分垃圾更易燃燒,這對實(shí)際焚燒設備的設計是有利的此外,由于混合垃圾的燃燒過(guò)程具有分步性,所以單獨試樣DTG曲線(xiàn)上的各個(gè)燃燒峰在混合試樣的燃燒曲線(xiàn)上基本都有所體現,而且二者所對應的溫度說(shuō)明混合垃圾的燃燒特性并沒(méi)有因為試樣的混合而發(fā)生顯著(zhù)變化,在缺乏確切實(shí)驗數據的中國煤化工垃圾的燃燒特性來(lái)估計CNMHG396集美大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第14卷畫(huà)度vDc單位:【=d=n】DA單位q】圖1生活垃圾的 TG. DTG、DTA曲線(xiàn)Fig. 1 The TG,DTG, DTA curve of MSw生活垃圾摻燒無(wú)煙煤實(shí)驗3.1實(shí)驗樣品的組成表2是本實(shí)驗所選取的摻燒樣品中生活垃圾和無(wú)煙煤的混合比例.其中:樣品1為混合垃圾+10%無(wú)煙煤;樣品2為混合垃圾+15%無(wú)煙煤;樣品3為混合垃圾+20%無(wú)煙煤表2生活垃圾摻燒無(wú)煙煤的各組分比例Tab. 2 The percentage of anthracite coal in MSw%實(shí)驗樣品的組分樣品1樣品2樣品3米飯31.5029.75菜葉紙張12.00樹(shù)枝8.00塑料無(wú)煙煤10.003.2生活垃圾摻燒無(wú)煙煤的實(shí)驗結果生活垃圾摻燒不同比例無(wú)煙煤的TC、DTG、DTA曲線(xiàn)如圖2—圖4所示士中國煤化工圖2樣品1的 TGDTG, DTACNMHGFg2 The TG、DTG、 DTA curve of sample第4期劉建華,等:生活垃圾摻燒無(wú)煙煤燃燒特性熱重實(shí)驗分析397·H甲2乘9,020圖3樣品2的TG、 DTG DTA曲線(xiàn)Fig3 The TG、DTG、 DTA curve of sample2 in MSwA10 I1圖4樣品3的 TGDTG DTA曲線(xiàn)Fig4 The TG、DTG、 DTA curve of sample3 in MSw3.3實(shí)驗結果分析為了更直觀(guān)地比較生活垃圾摻燒福建無(wú)煙煤的燃燒情況,分析不同摻燒比樣品的燃燒特性,以便得出最經(jīng)濟、最合理的摻燒配比,表3列出了生活垃圾摻燒不同比例無(wú)煙煤的燃燒反應特征參數9表3幾種摻燒不同比例無(wú)煙煤的生活垃圾的燃燒特征參數Tab. 3 The characteristic parameter of burn of different percentage of anthracite coal In MSw混合垃圾樣品燃燒熱值燃燒峰的峰值著(zhù)火溫度燃燼溫度溫度范圍活化能/(KJ·kg1)溫度/t/℃/(KJ·mod-)混合16814398-53975.903樣品1108.377119-36824.021樣品2379-509中國煤化工87.415樣品317381277CNMHG 44.745517-671114.004398·集美大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第14卷由圖2一圖4可以看出,摻燒了無(wú)煙煤的生活垃圾燃燒有三個(gè)失重,而沒(méi)摻燒的則只有兩個(gè)失重,這說(shuō)明其燃燒過(guò)程是分步進(jìn)行的,生活垃圾摻燒福建無(wú)煙煤時(shí),它們都是分別燃燒,分別著(zhù)火,無(wú)煙煤的燃燒是在垃圾各組分燃燒后進(jìn)行的.因此摻燒了無(wú)煙煤的混合樣品燃燒中出現的燃燒最大峰值溫度遠髙于未添加煤的混合樣品.另一方面,摻燒了無(wú)煙煤的混合樣品的燃燼溫度大致相同,比沒(méi)添加無(wú)煙煤的垃圾樣品高出較多同時(shí),隨著(zhù)摻燒比例的不斷增大,混合樣品的著(zhù)火溫度亦隨著(zhù)增大.因為垃圾各組分的著(zhù)火溫度都比無(wú)煙煤?jiǎn)为毴紵龝r(shí)的著(zhù)火溫度低了很多,所以摻燒無(wú)煙煤的垃圾樣品的著(zhù)火點(diǎn)會(huì )比沒(méi)添加無(wú)煙煤的垃圾樣品的著(zhù)火點(diǎn)滯后一些.從理論上講,燃料的著(zhù)火溫度越高,燃料的活化能越大,活化能越低的燃料著(zhù)火越容易.雖然摻燒15%無(wú)煙煤樣品的著(zhù)火溫度稍微高于其他摻燒比例混合樣品的著(zhù)火溫度,但由于其相對應的活化能遠遠低于其他各組,因此它著(zhù)火后的反應進(jìn)行的比較容易,即燃燒情況比較理想此外,隨著(zhù)無(wú)煙煤摻燒比例的不斷增大,混合垃圾組分的燃燒熱值大致呈線(xiàn)性增長(cháng).但由于焚燒技術(shù)主要是為了推廣廢棄能源的回收利用,提高摻燒煤的比例固然可以提髙燃燒熱值,然而其相應的經(jīng)濟性卻要大打折扣,這并不符合時(shí)代能源發(fā)展的趨勢4結論本文針對生活垃圾進(jìn)行了熱重分析,實(shí)驗的研究結果表明:1)混合試樣在測試環(huán)境下燃燒時(shí),整個(gè)燃燒過(guò)程可以分為三個(gè)階段,即脫水干燥、揮發(fā)分析出燃燒、固定可燃成分的燃燒,所選試樣基本上都呈現兩個(gè)放熱峰,說(shuō)明有兩個(gè)主要的燃燒放熱區段,即揮發(fā)分析出的燃燒和固定可燃成分的燃燒;2)混合垃圾燃燒的熱重曲線(xiàn)具有多峰性,并有相互促進(jìn)作用,活化能實(shí)測值表明,混合垃圾的燃燒特性?xún)?yōu)于單一組分的,其活化能等燃燒動(dòng)力學(xué)參數出現明顯減小的趨勢,這一結果對組織垃圾燃燒有重要的指導意義;3)考慮到燃燒的經(jīng)濟性和燃燒的好壞情況,以及燃燒設備等綜合因素,生活垃圾摻燒15%左右無(wú)煙煤的燃燒是最佳的,即15%為最理想的摻燒配比[參考文獻]1]聶永豐.三廢處理工程技術(shù)手冊:固體廢物卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002〕建設部,國家環(huán)境保護總局,科技部.城市生活垃圾處理及污染防治技術(shù)政策[冂].環(huán)境保護,200(9):10-12.[3]趙有才,生活垃圾資源化原理與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001[4]金余其.城市生活垃圾燃燒特性及新型流化床焚燒技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學(xué)熱能工程研究所,2002[5]宋自新.生活垃圾燃燒特性的分析及在工程中的應用[J].能源與環(huán)境,2004,03(19):15-2[6]閆濤,左禹,張衍?chē)?等,生活垃圾燃燒特性實(shí)驗研究[門(mén)].燃燒科學(xué)與技術(shù),200,06(8):12-16.7]廖洪強,姚強.TGA技術(shù)研究城市生活垃圾燃燒特性[冂].燃料化學(xué)學(xué)報,2001,29(2):140-143[8]劉建華,蔡飛,劉長(cháng)壽,等.城市生活垃圾燃燒特性的實(shí)驗研究[.節能,2008,27(11):27-30.[9]郭小汾,謝克昌.垃圾中可燃物的燃燒動(dòng)力學(xué)研究[冂].燃燒化學(xué)學(xué)報,199,27(1):914Experimental Study of the Combustion Characteristics ofAnthracite Coal Mixed with MSWLIU Jian-hua, CAI FeiSchool of Mechanical Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)Abstract: In this paper, WCT-2C thermo gravimetric analyzer was used in mixture in which anthracitecoal was mixed with MSW in different ratios. And then the TG-DTG thermal analysis technology was appliedto study the combustion characteristics. The final result indicateility could be a-chieved by the MSW and anthracite coal, so that, the wasted中國煤化了Key words: municipal solid waste (MSW); anthraciteCNMH GS責仕編輯陳敏)