城市固體廢棄物熱重分析及熱解動(dòng)力學(xué)研究

可再生能源 2006.5(總第 129期)研究與試驗城市固體廢棄物熱重分析及熱解動(dòng)力學(xué)研究柯威，熊偉，劉景雪，韋劉柯，周力，鮑秀婷，向晶晶，郭嘉(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,湖北省新型反應器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢430073)摘要:對城市垃圾典型組分(塑料,橡膠果皮織物紙板等)進(jìn)行熱重分析及熱解動(dòng)力學(xué)研究。熱重分析結果表明,塑料組分開(kāi)始分解的溫度較高,但分解速率最快;橡膠組分開(kāi)始分解反應的溫度相對較低,且分解速率相對較慢。果皮、織物和紙板類(lèi)以纖維和木質(zhì)類(lèi)物質(zhì)為主要成分，其熱解特性較為相似。熱解動(dòng)力學(xué)研究表明,橡膠的熱解活化能最高,最難分解,且熱解符合二維擴散機理;塑料的熱解相對較容易,符合一維擴散機理。而果皮、織物和紙板類(lèi)的活化能較低，它們的熱解符合體積縮小機理。關(guān)鍵詞:城市固體廢棄物;再利用，熱解;熱重分析;動(dòng)力學(xué)參數中圖分類(lèi)號: X705文獻標志碼: A文章編號: 1671-5292(2006)05-0053-04Thermogravimetric analysis and pyrolytic kinetic study onmunicipal solid wastes (MSW )KE Wei, XI0NG Wei, LIU Jing- -xue, WEI Liu-ke, ZHOU Li, BAO Xiu-ting, XIANG Jing-jing,GUO Jia( Wuhan Institute of Technology, School of Chemical Engineering and Pharmaceutical, W uhan430073, China)Abstract: In this paper, thermogravimetric analyses and pyrolysis kinetic studies for municipalsolid waste components, including plastics, rubber, fruit peel, textile, and board paper, were car-ried out. Thermogravimetric analyses showed that the initial temperature for plastic pyrolysis washigh, while its decomposition rate was larger. Rubber components commenced pyrolysis at a lowertemperature, but with a lower decomposition rate. The pyrolytic characteristics for fruit peel, textileand board paper were similar due to their fiber and lignocelluloses nature. From the pyrolytic ki-netic study, it could be found that the pyrolytic activation energy for rubber was the highest andthe process followed two-dimensional diffusion mechanism. Pyrolysis of plastic was relatively easyand followed one -dimensional diffusion mechanism. The activation energies for fruit peel, textileand board paper were lower, and their pyrolyses followed volume contraction mechanism.Key words: municipal solid waste; recycling; pyrolysis; thermogravimetric analysis; kinetic study0引言固體廢棄物時(shí)必須考慮無(wú)害化、減量化和資源化"。隨著(zhù)我國城市化步伐的加快，城市人口數量.傳統的堆肥和填埋處理方法資源回收利用率低，的增加,城市固體廢棄物(municipalsolidwaste,而且會(huì )給土壤和地下水帶來(lái)二次污染;焚燒法不MSW)的產(chǎn)量以每年8%~10%的速率增長(cháng)，固廢僅操作復雜，運行成本高，還會(huì )生成二嗯英的成分也趨于多樣化和復雜化，因此在處理這些(dioxins)和含汞鉛的飛灰等污染物1。收稿日期: 2006-05-10?；痦椖?湖北省基礎化學(xué)實(shí)驗示范中心研究創(chuàng )新型實(shí)驗項目(2005006)。作者簡(jiǎn)介:柯威(1985-),男 ,湖北黃石人,本科生，現參與城市固體廢棄物的熱解及綜合利用的研究?？稍偕茉?2006.5(總第 129期)研究與試驗或-1n(1-a)=Kt(n=1時(shí)) (4-b)現出較低的熱解溫度和較大的熱分解溫度范圍對于升溫速率為q(q=dT/dt)的非等溫過(guò)程,果皮、織物和紙板類(lèi)以纖維和木質(zhì)類(lèi)物質(zhì)為主要式(1)可以改寫(xiě)為成分,所以其熱解特性較為相似。因此,建議在工da/dt =f(a)Aexp(- E/RT)/q業(yè)設計時(shí)，將城市固體廢棄物的熱解溫度控制在或dal!f(ax)=Aexp(-E/RT)/qdT(5)760C,即可以有效實(shí)現垃圾的減容減量處理。常用的有機物熱解方程-般有Sigmoid速率4.2城市固廢中各典型組分的熱解動(dòng)力學(xué)方程(成核以及生長(cháng)為速率決定的過(guò)程)、一級反表3為城市固體廢棄物各典型組分的熱解動(dòng)應方程、面積縮小和體積縮小的幾何模型(反應界力學(xué)參數。面生長(cháng)的幾何特性決定)、擴散機理(包括一維擴表3幾種城市垃圾典型組分的熱解動(dòng)力學(xué)參數散、二維擴散、三維擴散和Ginstling-Brounshtein組分活化能/kJ-mol-+ 頻率因子/min'熱解方程相關(guān)系數等,擴散過(guò)程為速率的控制因素)16。塑料54.23.01x10*1/(2a)0.983橡膠213.62.68x10* ![-ln(1-ax)]-' 0.992式(5)積分后，并將它用級數展開(kāi)(忽略高階果皮3.80.263(1-a)20.974項),可以得到:織物.70.233(1-a)0.981g(a)=ART2( 1-2RT/E)exp(-E/RT)/qE (6)紙板21.51.540.990式(7)兩邊去對數,而且假設2RT/E≤1:從表3可以看出，在本實(shí)驗條件下，橡膠組ln[g (a)/T]=ln(AR/qE)-E/RT(7)分的熱解活化能最高,最難分解，熱解符合二維那么,對于某一適當的g(a)函數,In[g(x)/T]擴散機理;塑料的熱解相對較容易,符合一維擴對1/T作圖為一條直線(xiàn)，其斜率是-E/R節距是散機理。而果皮、織物和紙板類(lèi)的活化能較低,表In(AR/qE)?？山邮艿腅和A值應該是f(a)所對明熱解容易進(jìn)行,它們的熱解均符合體積縮小機應的線(xiàn)性回歸系數最高7]。理?？偟膩?lái)說(shuō),本研究所采用的城市固體廢棄物4結果與分析典型組分的熱解活化能在1.7~213.6 kJ/mol的范4.1城市固廢中各典型組分的熱重分析圍,與文獻報道的相符181。同時(shí)也應該注意到,由表2為城市固體廢棄物各典型組分的熱解特于城市固體廢棄物中各種可燃物的組成變化及征參數。各組分的性質(zhì)存在較大差異，如果直接焚燒必然表2幾種城市垃圾典型組分的熱解特征參數9會(huì )對焚燒爐的設計帶來(lái)困難。而它們的熱解卻具組分熱解開(kāi)始溫度最大失重對應溫度 熱解終 止溫度有良好的共性，因此垃圾熱解后再處理會(huì )大大提33410547高垃圾的利用率,不失為城市固廢的能源化利用175528760254342717的一個(gè)新思路。2733557285結論226392745通過(guò)以上的城市固體廢棄物熱重分析及熱解從表2可以看出，塑料組分熱分解特性主要動(dòng)力學(xué)研究，可以得出以下結論。表現為開(kāi)始分解的溫度較高(331 C),但分解速(1)城市固體廢棄物的熱解是一種熱化學(xué)處度最快，在547C基本完成了熱分解反應。橡膠組，理技術(shù),它利用固廢中有機組分的熱不穩定性,在分開(kāi)始分解反應的溫度相對較低(175C),且分無(wú)氧或缺氧的條件下加熱固廢,使其產(chǎn)生熱分解，解速度相對較慢，分解反應趨于完成的溫度高達最終轉化成小分子的可燃氣體、液體和固體燃料。760C。果皮、織物和紙板類(lèi)的開(kāi)始分解的溫度相具有較高的能源利用率和較少的二次污染排放。差不大,它們熱分解趨于完成的溫度也較為接近,(2)城市垃圾典型組分(塑料、橡膠、果皮、織均在730C左右。以上各類(lèi)固體廢物組分表現出物、紙板等)的工業(yè)分析和發(fā)熱量測定表明，除了來(lái)的不同熱解特性與其不同組成物質(zhì)的熱解性密果皮外,其它組分的水分含量不高;揮發(fā)分較高,切相關(guān)。塑料為高分子有機聚合物,而且組成成分對整個(gè)熱解過(guò)程起決定作用。而且,目前城市垃圾相對單一，故表現出較高的熱分解溫度和較小的中各可燃物的熱值較高，具有較好的利用價(jià)值和執解溫度范圍逸脅米仝右難執公解物后因此表應田前曇研究與試驗RENEWABLE ENERGY No.52006 (129 Issue in Al(3)塑料組分開(kāi)始分解的溫度較高,但分解速煤氣與熱力.2004.24(9);495- -497.度最快;橡膠組分開(kāi)始分解反應的溫度相對較低,7]廖洪強，姚強.TGA技術(shù)研究城市生活垃圾燃燒特性且分解速度相對較慢。果皮、織物和紙板類(lèi)以纖維[J.燃料化學(xué)學(xué)報2001.29(4):140-143.和木質(zhì)類(lèi)物質(zhì)為主要成分，所以其熱解特性較為8]沈伯雄可燃生活垃圾焚燒動(dòng)力學(xué)參數的熱重分析I].農業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報.2004.23(5);1014-1016.相似。建議在工業(yè)設計時(shí),將城市固體廢棄物的熱9]郭小汾.楊雪蓮,陳勇.等.可燃固體廢棄物的熱解動(dòng)解溫度控制在760C，即可以有效實(shí)現垃圾的減力學(xué)].化工學(xué)報2000.1(5):615-9.容減量處理。[10) PATRICK A. HOM, PAUL T.W ILAMS. Inluence of(4)在本實(shí)驗條件下,橡膠組分的熱解活化能temperature on the produets from the flash pyrolysis of最高,最難分解,熱解符合二維擴散機理;塑料的biomasJ.Fuel,1996.75(9); 1051-1059.熱解相對較容易符合一維擴散機理。而果皮、織11] SORUM L, GRONLI M G. HUSTAD」E. Pyrolysis物和紙板類(lèi)的活化能較低，它們的熱解均符合體charaeteristics and kinetics of municipal solid waste[].積縮小機理。Fuel, 2001.80(9):1217-1227.[|12] ZHANG VF, DENG N. LING JHA mew pyrolysis tech-nology and equipmenl for treatment of mmmicipal louse-參考文獻:hold garlage and hospital waste[I. Renewable Energy,[田「 王智敏,安大偉.鄭非,等.城市生活有機垃圾外熱式2003.28(15):2383-2393.固定床低溫熱解技術(shù)川煤氣與熱力,2004.24(12):[13] ISLAM M N. BEG M R A.The fuel property ol pyroly sis675-678.liquid derived from urban solid wastes in BangladeshJ[2] 李新國,李麗梅,周欣,等.垃圾混合物和廢塑料熱解Bioresource Technology,2004.92(2):181-186.的實(shí)驗研究[]煤氣與熱力,2005,25(7):9-11.31 ! CHEN G Y. ANDRIES J. LU0 Z Y.Biomass gasification[141郭嘉.混煤熱解特性及熱解機理的研究小.煤氣與熱力,1994,14(3);3-5.for produol gas production:the overll investigation of15] KIM 5. Pyrolysis kinetics of waste PVC pipe[J.Wasteparametrie fleets [J.Energy Conversion and Man-Management,2001.21(7):609-616.agement,2003, 44(11):1875-1884.[4] SONG Yuyin. Study of thermolysis of organie solid[16]盧葦,馬曉茜熱帶城市垃圾典型組分的熱解特性研究川.太陽(yáng)能學(xué)報2002,23(3):357-340.wastes in eities ILEnvironmental Science and Tech-[17] COZZANI V. Modelling and experimental verifcation onology, 1992.3:9-13.physical and chemical proreedings during pyrolysis of a[5]熊祖鴻,王秋紅, 李海濱.等.城市固體垃圾的熱解特refused-deriver fuel[J]Ind, Eng. Chem. Res.1996.35:性研究[].華北水利水電學(xué)院學(xué)報2002.23(4):75-78.90-95.[6]李新國.周欣.張于峰.醫療垃圾的熱解焚燒法處理川(上接第52頁(yè))traellar polymer estraetion methodsJ Appl. Environ.Microbiol, 1980. 40; 179- 185.國家環(huán)境保護 總局,中國環(huán)境狀況 公報|1).北京:國家171| TIEHM A.NICKEL. K. NEIS U. The use of ulrasound環(huán)境保護總局.2004.to. accelerate the amaerobic digestion of sewage sludge[2]胡紀萃.廢水厭氧生物處理理論與技術(shù)[MI.北京:建筑[I Wat.Sci.Tech, 1997.36(11):121-128.工業(yè)出版社(第一版) ,2003.8] PETRIER C.. FRANCONY A. lncidence of wave[3|尹軍， 譚學(xué)軍.污水污泥處理處置與資源化利用|MI.frequeney on the reaction rates luring ultrasonie北京:化學(xué)工業(yè)出版社(第一版).2005.wastewter treatmemt J.Wat Sci Tech, 1997.35 (4):[41 楊順生,高曉勇超聲波技術(shù)在污泥處理利用中的175- 180.應用現狀及前景預測J].四川環(huán)境,2006.25(1);[91王芬，季民.剩余污泥超聲破解的性能與機理研究[DI.天津:天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院.2004.[5]林志高. 張守中，廢棄活性污泥加堿預處理后厭氧消[10]張光明，吳敏生，張維昊,等.城市污泥超聲波處化的試驗研究[J].給水排水，1997 ,23(1):10-15.理技術(shù)[]，城市環(huán)境與城市生態(tài), 2003.16(6);[6] BROWN MJ.LESTER J.N. Comparison of bacteria ex-258 - 259.