废轮胎燃烧特性的热重分析

第28卷第2期南京工业大学学报2006年3月JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYMar.2006废轮胎燃烧特性的热重分析唐夕山张卫华李冬庆南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京210009摘要∶利用热分析方法研究废轮胎胶粉的燃烧特性分析试样燃烧的τGυVG曲线得岀试样的燃烧特性参数计算岀能够反映试样燃烧特性旳詟项指欻着火稳燃特性综合判别指标、燃烧特性指欻等)冋时得岀胶粉和煤粉旳燃烧动力学参数。研究表明废轮胎胶粉比煤粉具有更好的燃烧性能。关键词:TG/DTG热重分析废轮胎胶粉动力学参数*中图分类号:TK16文献标识码:A文章编号:1671-7643(2006)2-0085-04轮胎世界年产量高达30亿祭并且以毎年约样品由东南大学热重分析实验室提供。经筛分得到10亿条令人惊诧的速度增长,报废率为55.4%。粒径为80~60目(即0.18~0.3mm)的试验所需试1994年我国生产轮胎5000万条,废弃量1250万样。试样的工业分析如表1条报废率为25%1。现阶段我国是轮胎生产大表1试样的工业分析国2001年我国轮胎产量达到13356万余条居世界Table 1 Proximate analysis of the sample第3位。目前我国每年产生废旧轮胎5000多万条随着轿车进入家庭和汽车保有量的增加废旧轮胎试样名称κ(挥发份y%(固定碳)%灰份)%煤某粉31.4255.6012.98的产生量还将大量增加2。随着人口增加,土地资64.726.30源日益稀少废轮胎的长久堆积不仅破坏环境景观.占用土地而且容易引起火灾造成大量浓烟污染空气所产生的熔油、溶渣渗入地下造成土壤及地下1.2试验仪器及试验条件水的污染。因此充分利用庞大的废旧轮胎资源改本试验采用东南大学清洁燃烧国家重点实验室善环境已是当今世界范围内的紧迫任务。废旧轮的法国 Setaram公司生产的TG-DTA92型热重-差胎是一种高热值材料3),其每千克的发热量约为热分析仪为试验设备。试样重10mg试验气氛为干29~37MJ分别比木材高69%比烟煤高10%,比燥空气加热初始温度为室温终止温度为1123K焦炭高4%。将废旧轮胎直接作为燃料再利用既升温速率为60K/mn有利于环保又有利于资源的回收利用。热分析技术对分析煤的燃烧反应有很重要的作2试验结果与分析用早在60年代就已受到工业发达国家的重视,目前煤质热分析结果已广泛地用于指导大型电站锅炉2.1试样燃烧TG/DTG曲线分析及燃烧装置的工程设计中。本文利用热分析方法研废轮胎和煤粉的 TG/DTG曲线分别如图1和图究废轮胎胶粉在热天平中的燃烧特性为废轮胎的2所示。从图1中可以清楚地看出废轮胎胶粉失重高效、清洁燃烧提供基础数据。全过程基本分为3个阶段水分蒸发、挥发份析出燃烧、固定碳燃烧。随着温度的逐渐升高胶粉水分1试验原理及方法开始山中国煤化工烘干因此图中水分蒸1.1试验原料发CNMHG温度升至5565K时试验废轮胎胶粉样品由某环保公司提供煤粉随着挥发份的和出及燃烧出现了非常明显的失重收稿日期2005-06-0作者简介軎1978-)男江苏江都人硕士生主要研究方向为高效传热传质设备联系人)副教授E-mail: zhangwu6@ sina.c南京工业大学学报第28卷8004-04002004006080010001201401600时间/02004006008001000120014001600图1轮胎胶粉燃烧TG/DTG/DTA曲线图图3胶粉与煤粉燃烧曲线对比Fig. I TG/DTG/DTA plot of tire combustionFig 3 Comparison between tire and coal combustion0.1mg/min时的温度值为试样的着火温度(某些文献也称之为挥发份析岀温度)根据燃烧曲线确定8哥出废轮胎胶粉及煤粉的着火点温度分别为556.5K和692.2K。以上分析可以看出废轮胎胶粉比煤粉更易着火及燃烬。-6故2.2燃烧特性指数为了全面评价废轮胎的燃烧情况,引进了描述煤燃烧特性指数P进行描述06080010001201400160180020时间/sP=l( dm/dt)m . dm/dmem y(t: T)(1)图2煤粉燃烧TG/DTG/DTA曲线图式中为燃烧特性指数〔dm/d)为最大燃烧速Fig 2 TG/DTG/DTA plot of coal combustion率mg/min(dm/d)-为平均燃烧速率mg/min;T为挥发份开始析出温度(着火温度),C;T为燃过程当温度达到713K左右失重速率最大此时对烬温度C。应的失重量约为95.4%。上述结果表明废轮胎胶表2试样的燃烧特性指数粉的燃烧过程如下升温至556.5K挥发份析出并且Table 2 Combustion characteristic index of the samples与空气中的氧气发生剧烈的燃烧反应开始放热当试样(dm/d)a/(dm/d)a/T;/T/温度达到713K时燃烧反应速度达到最大DTA曲名称(mgmn1)( mg min)℃℃线出现放热高峰随着温度的进一步升高挥发份燃胶粉2·50790.371283.58501.3623×10-烧完成随后开始了固定碳的燃烧过程并且岀现了煤粉0.81380.253419.2850·1.2275×10-第二次放热高峰。从图2也较易看岀煤粉的失重过程同胶粉失重燃烧特性指数P是反映燃料着火和燃烬的综相似可被分为3个过程水分析出、挥发份析岀燃烧、合指标P值越大说明燃料的燃烧特性越好从表固定碳燃烧。分析得到煤粉的燃烧过程:升温至2可以看出废轮胎胶粉的燃烧特性指数比煤粉大692.2K时煤粉析出的可燃性气体进行燃烧反应在出个数量奶由可,轮胎胶粉比煤粉更易于81K时燃烧反应速率达到最大值。在挥发份以及固燃烷中国煤化定碳燃烧过程中υA曲线分别岀现一次放热高峰CNMHG指标图3为试样的TG/DTG曲线对比。相同升温速为了对废轮胎胶粉的着火稳燃特性有全面认率情况下煤粉所需的燃烬时间比废轮胎所需燃烬识引用煤着火稳燃特性综合判别指标R。时间长并且煤粉的燃烧反应更倾向高温区。本文Rw=560/7+650/7m+0.27(dm/dt)、(2)取DG画韫首次出现燃烧速率dm/d=式中为燃烧速率最大时对应的温度,℃。由各第2期唐夕山等废轮胎燃烧特性的热重分析87燃烧特性参数及式2)分别计算岀废轮胎胶粉和煤程则粉的着火稳燃特性综合指标结果见下表。k= A exp-E/RT)(4式中:为频率因子;为反应活化能R为气体常表3试样的着火稳燃特性综合指标Tbe3 The composite index of igmition and the burning of the sam数T为反应温度为为反应速率常数。可将燃烧反试样名称T/℃Tn/℃(dm/d)n应假设为简单反应则Ra)=(1-a)(5)胶粉283.5438.82.50794.1365式中为反应级数。因此式(1)可写成煤粉419.2618.30.81382.6069da/dt=A exp-E/RTx1-a) (6)试验为恒速升温得到升温速率βB=d7/d代从计算结果可以看出废轮胎胶粉的着火稳燃式4)中得特性综合指标远大于煤粉即胶粉的着火稳燃性比da/dT=( A/B )exp(-E/RTX 1-a)(7)同等粒度的煤粉好l(1-a)"da/d7]=1r(Aβ)-E/R7(8)2.4燃烧动力学参数6-7根据质量作用定理可以得到试样的燃烧速率A y=ln(1-a) da/dT], b=-E/R x=公式1/T则有da/dt=kf a)(3)(9)式中k为反应速率常数;a为反应过程中的转化由式9)可以看出,通过直线斜率和截距求得率冫为反应时间。假设燃烧反应服从 Arrhenius方动力学参数。当n=1时具体计算结果见表4。表4试样燃烧动力学参数Table 4 The combustion kinetic parameters of samples试样温度T/℃相关方程活化能频率因子相关系数rE/(kJ mol) A/min胶粉283.5-493.0y=-1.43293-8977.45771x74.639455.8~578.y=-5.9091-758901131x63.0951.319×100.99637煤粉618.3~838.5y=-11.63523-2634.57622x21.9041.399×1000.9926从计算结果可以看出线性拟合的相关系数均在9%以上說明用一级反应来描述胶粉和煤粉的燃烧过程是合理的。3结论废轮胎胶粉及煤粉燃烧特性曲线很好地反映了各自的燃烧过程和燃烧特性通过分析燃烧特性曲线可以了解其着火特性、燃烬特性、燃烧速率等。根据试验结果计算出来的各项指数能够从不同的方面女8粉05二5粉线推报个2540胶粉对试中国煤化工而且评价结果一致。与煤煤粉线性拟合618.3~838.5CNMHG更好的燃烧性能其着火温度低、燃烧速度快、燃烬时间短比较适合燃烧。图4试样的线性拟合曲线使用燃烧方式处理废旧轮胎是一项可行而且很有前途的技术南京工业大学学报第28卷参考文献[5]孙学信.燃煤锅炉燃烧试验技术与方汯M]北京中国电力[I]薛大明全燮赵雅芝等.废轮胎热解资源化研究J]环境出版社2002工程199816(1)47-486]于伯龄姜胶东.实用热分析技M]北京织工业出版[2]李如林.我国废旧轮胎回收利用行业的现状及发展对策J社1990中国资源综合利用20033)3-6[7 Folgueras M Belen, Diaz Ramona M, Xiberta Jorge, et al. Ther-[3]张隐西范茹良.废旧轮胎的回收和综合利用J]中国资源mogravimetric analysis of the co-combustion of coal and sewage综合利用2002(6)-10sludge j]Fuel200382):2051-2055[4]陈建愿.挥发分释放特性指数及燃烧特性指数的确冠J]动Combustion characteristics of the waste tire bythermo-gravimetric analysisTANG Xi-shan ZHANG Wei-hua LI Dong-qingCollege of Mechanical and Power Engineering Nanjing University of Technology, Nanjing 210009 ChinaAbstract The combustion characteristics of the waste tire were studied by thermo-gravimetric analysis. The TG/DTG plot of the samples was analyzed for the combustion characteristic parameters. The several indices of ignitionand burning Combustion characteristic exponents which can reflect the combustion characteristic were worked outand the combustion kinetic parameters of the waste tire and coal were also calculated. The results show that thebustion characteristics of tire are better than that of coalKey words TG/DTG thermo-gravimetric analysis waste tire i kinetic parameter中国煤化工CNMHG