可燃生活垃圾焚烧动力学参数的热重分析

农业环境科学学报2004,23(5):1014-1016Journal of Agro-Environment Science可燃生活垃圾焚烧动力学参数的热重分析沈伯雄(南开大学环境科学与工程学院,天津300071)摘要:对生活垃圾中可燃的主要成分如塑料类、厨余类、草木类、织物类、纸张类的爕烧动力茡过程进行了热重分析并用适当的数学模型进行了回归。动力学参数对于设计和计算垃圾焚烧过程具有指导意义。关键词垃圾焚烧;热重分析;动力学模型中图分类号X705文献标识码:A文章编号: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垃圾焚烧是垃圾处理中的一种重要技术垃圾焚进入焚烧炉的垃圾一般含有一定的水分。理想的烧在国内外垃圾处理中的比例逐年增加。中国旳生活垃圾焚烧过程如下:第-阶段是水分旳蒸发和干燥垃圾,特别是发达地区或大城市的生活垃圾,可燃成第二阶段是挥发部分的析岀与燃烧;第三阶段是焦碳分旳比例在逐年增加。垃圾焚烧具有重要的应用背旳燃烧与燃尽;贔后剩下的是不可燃烧的部分。第·景阶段水分的蒸发和干燥是物理过程其完成时间在整垃圾焚烧主要取决于垃圾本身特性μυ。垃圾旳个燃烧中占的比例较小,可以根据其含湿量由汽化澘成分十分复杂,不仅受地域影响,还受季节、气候、当热大体估计。而第二阶段和第三阶段中挥发部分和焦地人民的经济状况等的影响S。成功的开发垃圾焚碳的中国煤化工较长影响整个燃烧过烧炉应该以所要处理的垃圾焚烧的动力学为根据3。程CNMHG学过程,而且不同的垃圾成分在这个过程中表现出不同的动力学特性研究收稿日期:2004-02-02垃圾主要成分在这个过程中反应的动力学参数具有基金项目国家自然科学基金(20347002)南开大学校创新基金资助现实意义。本文采用热重分柢TGA琺法研究垃圾焚烧作者简介:沈男南开大学环境学院副教授从事固体物的失重动力学过程,并用适当的数学模型进行描述气净化研究。E-mail:sheba@nankai.edu.cn第23卷第5期农业环境科学学报最后求岀各种成分燃烧过程的动力学参数。厨余类、草木类、织物类和纸张类表现出十分明试验准备和试验条件显的两阶段燃烧现象,说明这些物质的可燃成分可以分为两个部分,一部分为容易释出和容易焚烧的物试验用生活垃圾来自居民区生活垃圾除去金属质,在低温下即完成燃烧,可能是挥发分的快速释出和玻璃成分,经分类,再进行干燥、破碎(100目左与燃烧;另外一部分为不大容易释岀和焚烧的物质右),各分类的垃圾成分分别在热重天平上进行燃烧这些物质需要在更高的温度下才能被焚烧。而塑料类试验。分类和干燥后可燃烧的垃圾成分为塑料类、草主要表现为一个阶段的焚烧估计是塑料在高温下先木类、纸张类、布料类、厨余类。各类垃圾成分的工业裂解蒸发变为气相然后是气相的燃烧。而影响重量分析见表1。热重分析的条件为:试验样品重量在10变化主要是塑料的裂解蒸发过程,该过程随着温度的mg左右;升温速率为25℃·min-1;空气流速:20变化呈现出一个阶段。mL. min焚烧动力学的模拟表1垃圾的分类及工业分析Table 1 Classification and proximate analysis for MSW为了描述焚烧的动力学过程引入了下面的数学各种成分的工业分析表达式对实验数据进行回归假设垃圾各成分的燃烧垃圾分类水分/%灰分/%挥发分/%固定碳/%符合1级反应级数。厨余类32.63塑料类dhexp(-e(2)织物类2,0169.02草木类1.9512.7015.54式中:hevn(,E)为燃烧反应速率h为低张2,11频率因子,1·s;E为宏观活化能,kJ·mol-l;T为2试验结论与分析绝热温度,K;R为气体通用常数,kJ·mol-.K1:B几类垃圾的热重分析的DTG见图1。图中的DTG为升温速率,K·s-l。表示热失重百分比的一阶微分其物理意义如下Q=0-WW/Wo(3)DTG=dr≈(-4WdW/Wo(1)式(3):W为不可燃部分:W/W为表1中工业分式中:W表示不同时刻样品的实际质量;W表示样析的灰分。把(3试代入1试再对两边求自然对数可以得到表达式(4品初质量表示时间。那么DTG曲线的最大值表示最大失重速率也即燃烧最激烈的位置。DTG曲线与)=In_EB R(4)DTG为0的直线构成的封闭面积积分为1。通过分析这样,通过Y与1/T的线性关系可以确定频率DTG曲线的峰值和峰宽,可以定性说明了该物质燃因子和活化能E。由相关系数判断分段和反应级数的烧的相对难易程度。一般来说如果DTG的峰值发生合理性。具体的回归情况和动力学参数见图2~图在越低温段,DTG的峰值越高,峰宽越窄,说明该物6。表2概括了动力学回归情况。质越容易焚烧反之则不容易焚烧。从图1可以看岀草木类和纸张类相对好烧,随后是厨余类、织物类和4结论塑料类热重分析较好地描述了垃圾中有机物如塑料类0[→草木一厨余类(1/T)×1000K1.31.51.71.9派浮-|90二900纸张类塑料类700中国煤化工类CNMHG-85001000150020002500各类垃圾焚烧中的DTG图2草木类动力学回归情冫F方数撬 TG for different types of MSVFigure 2 The kinetic parameters for plant type1016沈伯雄河燃生活垃圾焚烧动力学参数的热重分析2004年10月(1/7)×1000K-1表2各类垃圾的动力学参数回归1.31.51.71.9Table 2 The kinetic parameters for different types of MSW塑料类频率因子k活化能E垃圾类型/kJm-相关系数草木类阶段28685.93第二阶段4170290.99-10厨余类第一阶段2.92图3塑料类动力学回归情况第二阶段75.150.97igure 3 The kinetic parameters for plastic typ织物类第一阶段0.93第二阶段(1/T)×1000K188213.430.991.01.21.41.61.82纸张类第一阶段112042.3383.910.992.0第二阶段1.65081E9194.380.883.0织物类塑料类共一阶段408.9367.932845.0厨余类、草木类、织物类、纸张类的焚烧动力学过程。-7.0试验结果表明了草木类、厨余类、织物类、纸张类较好符合两个阶段的模型而塑料类较好符合一个阶段的图4织物类动力学回归情况模型。由试验数据得岀了各类垃圾各阶段焚烧的动力Figure 4 The kinetic parameters for textile type学参数。(1/T)×1000K1.01.21.41.61.82,02.2-2参考文献「]田文栋魏小林黎军,等.北京市城市生活垃圾特性分析IJ456789环境科学学报2000,20(4):435纸张类[2]屈超蜀.垃圾焚烧过程特性及焚烧炉设计概要[J.重庆大学学报,1997,20(5):523]聂永丰,刘富强,王进军,我国堿市垃圾焚烧技术发展方向探讨图5纸张类动力学回归情况J].环境科学研究,2000,13(3):21Figure 5 The kinetic parameters for paper type4]郑眀辉,张兵.台湾城市生活垃圾焚烧处理现状[J.环境科学(l/T)×1000K-101.41.82.2研究,2000.13(3):245]吴文伟,北京市垃圾人均日产量分析与预测[J.环境卫生工程3456781998,6(4):141.厨余类图6厨余类动力学回归情况Figure 6 The kinetic parameters for kitchen waste type中国煤化工CNMHG