生活垃圾掺烧无烟煤燃烧特性热重实验分析

第14卷第4期集美大学学报(自然科学版)Vol 14 No 42009年10月Joumal of Jimei University( Natural Science)oct.2009文章编号]1007-7405(2009)04-0394-05生活垃圾掺烧无烟煤燃烧特性热重实验分析刘建华,蔡飞(集美大学机械工程学院,福建厦门361021)摘要]在WCT-2C型微机差热天平上对生活垃圾与无烟煤以不同比例所得混合试样进行热重实验,利用TG-DTG热分析技术研究其燃烧特性,结果表明,生活垃圾加入无烟煤后,提高了生活垃圾的燃烧稳定性,废弃能源可得到最大限度的回收[关键词]生活垃圾;无烟煤;燃烧特性[中图分类号]TK16[文献标志码]A0引言垃圾处理是现代城市生活的一个社会问题,随着人们生活水平的提高,产生的生活垃圾和工业垃圾越来越多-2],如何处理这些垃圾成为一个紧迫问题.从卫生角度看,垃圾是一个污染源,但从资源角度看,垃圾是地球上唯一在增长的资源。废弃物是放错地方的资源,若利用得当,既保护环境,又增加资源,促进人和自然的和谐发展垃圾处理的原则是无害化、减量化和资源化,即:垃圾处理消除有毒物质和病原体;减少体积和质量;不再发生其他化学和物理变化.垃圾焚烧技术具有减容、减量、无害化、资源化等优点因此釆用焚烧法将成为一种主要的垃圾处理方法.焚烧处理是将垃圾放在焚烧炉中进行燃烧,使垃圾体积减少85%~%5%,质量减少70%~80%,余热回收可供热或发电.垃圾经髙温焚烧后能消除大量有害病菌和有毒物质,灰渣可用作道路及建筑材料.尽管我国目前城市垃圾焚烧的比例很小,但垃圾焚烧已成为我国垃圾处理的一个重要方向目前人们对生活垃圾的研究还比较欠缺.虽然国外的城市生活垃圾焚烧技术发展比较早,但是其对垃圾的机理性的研究并不是很多,主要是因为城市生活垃圾的成分比较复杂,在研究过程中有很多问题不太容易处理国内也有研究者利用热重法研究城市生活垃圾的燃烧特性由于生活垃圾的热值较低,含水量较大,不能保证燃烧过程的连续性,为解决这一问题,在垃圾燃烧过程中往往添加助燃剂,煤将是一个较为经济的助燃剂.笔者对生活垃圾的成分、燃烧特性、以及无烟煤作为助燃剂掺烧的燃烧特性进行实验分析,得到不同成分垃圾的燃烧规律,计算出更为合理的掺烧比,以便最大限度地回收垃圾能源1城市生活垃圾的分类和制备1.1城市生活垃圾的分类垃圾作为一种特殊的燃料,无论物理组成还是化学特性都比煤要复杂得多,即使要准确表达物理特性中的某一项,如密度、粒度、形状等,都非常困难.因此,在研究生活垃圾的燃烧特性时,必须中国煤化工[收稿日期]2009-04-[修回日期]2009-06[基金项目]福建省自然科学基金资助项目(2006431)CNMHG[作者简介]刘建华(1962一),男,教授,从事节能技术、无烟煤燃烧技未、叶轮机械研究第4期刘建华,等:生活垃圾掺烧无烟煤燃烧特性热重实验分析对生活垃圾分门别类地进行研究,根据我国大多城市垃圾分类的特点,可以把垃圾分成以下8类1)厨余垃圾指居民家庭厨房、单位食堂、餐厅、饭店、菜市场等处产生的高含水率、易腐烂的那部分垃圾,包括剩菜、剩饭、骨头及果皮等;2)塑胶类主要指生活垃圾中的皮革、橡胶和各种塑料等废物;3)竹木类包括各种木材废品、树木及落叶等;4)布类主要是指纺织类废物;5)废纸类主要是生活用纸等;6)渣土包括灰土、碎石等.7)玻璃主要指各种饮料或药品的玻璃瓶;8)金属类主要指各种饮料的金属包装壳及其他的金属品等.其中后3种物质不是可以燃烧的成分,所以只需对其中的前5种成分进行燃烧特性分析1.2城市生活垃圾燃烧实验品样的制备本次实验所选取的材料是城市(以厦门为例)生活垃圾中的厨余(包括米饭和菜叶)、塑料、树枝和纸张,实验要求材料粒度在80目以下,其中菜叶和饭粒是在(105±5)℃条件下干燥2~3h至恒重的试样将厨余垃圾、塑料以及树枝放人CJ-3型密封式制样粉碎机中进行粉碎,粉碎时间为1015min,鉴于垃圾材料的结构特点,粉碎完的材料颗粒的粒度分布较广,因此,还要用80目的筛子筛分,取筛分后的粉末状材料作为实验原料同时,本次实验还进行了掺烧福建龙岩无烟煤的混合垃圾的燃烧特性分析.其中,无烟煤已经在厂内粉碎完毕,为了防止煤粉偏细,煤粉不能在筛子中筛分,只能用手工研磨至实验要求目数1.3实验工况条件实验是在北京光学仪器厂生产的WCT-2C微机差热天平上进行的将准备分析的试样放在热分析仪的坩埚中,通人氧气和氮气,氧气和氮气的流量分别为64mL/min和16mL/min,这样使试样在氧气和氮气的气氛中以一定速度连续升温,热分析仪同时记录了试样的质量变化(TG曲线)、质量变化率(DTG曲线)以及反应中的差示扫描热量的变化(DTA曲线),实验数据通过计算机处理后打印出实验结果.采用的实验条件和测量设置为:升温速度20K/min;测质量程10mg;测重微分量程10mv/min;差热量程250Pv2生活垃圾燃烧特性实验2.1生活垃圾实验组成成份表1是实验所选取的典型垃圾组分的混合比例表1实验垃圾各组分比例2.2生活垃圾的热重热差分析Tab. 1 The percentage of each combination of图1是生活垃圾的TG、DTG、DTA曲线图expenence MSWTG曲线可以反映物质的总体失重趋势,DTG曲垃圾组分线可以显示各个阶段的失重速率,DTA曲线显质量分数35米饭菜叶纸张树枝塑料351510示组分在加热过程中出现的放热或者吸热反应由混合垃圾的燃烧特性曲线和燃烧特征参数可以看出,其燃烧过程是分步进行的.随着温度的上升,活化能较低的组分首先开始燃烧,所放出的热量对高活化能组分实际上起到了一个预热的作用改善了高活化能组分的着火条件,当高活化能组分着火后,低活化能组分继续燃烧,起到一种助燃的作用,从而导致混合垃圾活化能的整体降低(如表3所示),因此可以认为混合组分垃圾比单一组分垃圾更易燃烧,这对实际焚烧设备的设计是有利的此外,由于混合垃圾的燃烧过程具有分步性,所以单独试样DTG曲线上的各个燃烧峰在混合试样的燃烧曲线上基本都有所体现,而且二者所对应的温度说明混合垃圾的燃烧特性并没有因为试样的混合而发生显著变化,在缺乏确切实验数据的中国煤化工垃圾的燃烧特性来估计CNMHG396集美大学学报(自然科学版)第14卷画度vDc单位:【=d=n】DA单位q】图1生活垃圾的 TG. DTG、DTA曲线Fig. 1 The TG,DTG, DTA curve of MSw生活垃圾摻烧无烟煤实验3.1实验样品的组成表2是本实验所选取的掺烧样品中生活垃圾和无烟煤的混合比例.其中:样品1为混合垃圾+10%无烟煤;样品2为混合垃圾+15%无烟煤;样品3为混合垃圾+20%无烟煤表2生活垃圾掺烧无烟煤的各组分比例Tab. 2 The percentage of anthracite coal in MSw%实验样品的组分样品1样品2样品3米饭31.5029.75菜叶纸张12.00树枝8.00塑料无烟煤10.003.2生活垃圾掺烧无烟煤的实验结果生活垃圾掺烧不同比例无烟煤的TC、DTG、DTA曲线如图2—图4所示士中国煤化工图2样品1的 TGDTG, DTACNMHGFg2 The TG、DTG、 DTA curve of sample第4期刘建华,等:生活垃圾摻烧无烟煤燃烧特性热重实验分析397·H甲2乘9,020图3样品2的TG、 DTG DTA曲线Fig3 The TG、DTG、 DTA curve of sample2 in MSwA10 I1图4样品3的 TGDTG DTA曲线Fig4 The TG、DTG、 DTA curve of sample3 in MSw3.3实验结果分析为了更直观地比较生活垃圾掺烧福建无烟煤的燃烧情况,分析不同掺烧比样品的燃烧特性,以便得出最经济、最合理的掺烧配比,表3列出了生活垃圾掺烧不同比例无烟煤的燃烧反应特征参数9表3几种摻烧不同比例无烟煤的生活垃圾的燃烧特征参数Tab. 3 The characteristic parameter of burn of different percentage of anthracite coal In MSw混合垃圾样品燃烧热值燃烧峰的峰值着火温度燃烬温度温度范围活化能/(KJ·kg1)温度/t/℃/(KJ·mod-)混合16814398-53975.903样品1108.377119-36824.021样品2379-509中国煤化工87.415样品317381277CNMHG 44.745517-671114.004398·集美大学学报(自然科学版)第14卷由图2一图4可以看出,掺烧了无烟煤的生活垃圾燃烧有三个失重,而没掺烧的则只有两个失重,这说明其燃烧过程是分步进行的,生活垃圾掺烧福建无烟煤时,它们都是分别燃烧,分别着火,无烟煤的燃烧是在垃圾各组分燃烧后进行的.因此掺烧了无烟煤的混合样品燃烧中出现的燃烧最大峰值温度远髙于未添加煤的混合样品.另一方面,掺烧了无烟煤的混合样品的燃烬温度大致相同,比没添加无烟煤的垃圾样品高出较多同时,随着掺烧比例的不断增大,混合样品的着火温度亦随着增大.因为垃圾各组分的着火温度都比无烟煤单独燃烧时的着火温度低了很多,所以掺烧无烟煤的垃圾样品的着火点会比没添加无烟煤的垃圾样品的着火点滞后一些.从理论上讲,燃料的着火温度越高,燃料的活化能越大,活化能越低的燃料着火越容易.虽然掺烧15%无烟煤样品的着火温度稍微高于其他掺烧比例混合样品的着火温度,但由于其相对应的活化能远远低于其他各组,因此它着火后的反应进行的比较容易,即燃烧情况比较理想此外,随着无烟煤掺烧比例的不断增大,混合垃圾组分的燃烧热值大致呈线性增长.但由于焚烧技术主要是为了推广废弃能源的回收利用,提高掺烧煤的比例固然可以提髙燃烧热值,然而其相应的经济性却要大打折扣,这并不符合时代能源发展的趋势4结论本文针对生活垃圾进行了热重分析,实验的研究结果表明:1)混合试样在测试环境下燃烧时,整个燃烧过程可以分为三个阶段,即脱水干燥、挥发分析出燃烧、固定可燃成分的燃烧,所选试样基本上都呈现两个放热峰,说明有两个主要的燃烧放热区段,即挥发分析出的燃烧和固定可燃成分的燃烧;2)混合垃圾燃烧的热重曲线具有多峰性,并有相互促进作用,活化能实测值表明,混合垃圾的燃烧特性优于单一组分的,其活化能等燃烧动力学参数出现明显减小的趋势,这一结果对组织垃圾燃烧有重要的指导意义;3)考虑到燃烧的经济性和燃烧的好坏情况,以及燃烧设备等综合因素,生活垃圾掺烧15%左右无烟煤的燃烧是最佳的,即15%为最理想的掺烧配比[参考文献]1]聂永丰.三废处理工程技术手册:固体废物卷[M].北京:化学工业出版社,2002〕建设部,国家环境保护总局,科技部.城市生活垃圾处理及污染防治技术政策[冂].环境保护,200(9):10-12.[3]赵有才,生活垃圾资源化原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2001[4]金余其.城市生活垃圾燃烧特性及新型流化床焚烧技术的研究[D].杭州:浙江大学热能工程研究所,2002[5]宋自新.生活垃圾燃烧特性的分析及在工程中的应用[J].能源与环境,2004,03(19):15-2[6]闫涛,左禹,张衍国,等,生活垃圾燃烧特性实验研究[门].燃烧科学与技术,200,06(8):12-16.7]廖洪强,姚强.TGA技术研究城市生活垃圾燃烧特性[冂].燃料化学学报,2001,29(2):140-143[8]刘建华,蔡飞,刘长寿,等.城市生活垃圾燃烧特性的实验研究[.节能,2008,27(11):27-30.[9]郭小汾,谢克昌.垃圾中可燃物的燃烧动力学研究[冂].燃烧化学学报,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中国煤化了Key words: municipal solid waste (MSW); anthraciteCNMH GS责仕编辑陈敏)