城市固体废弃物热重分析及热解动力学研究

可再生能源 2006.5(总第 129期)研究与试验城市固体废弃物热重分析及热解动力学研究柯威，熊伟，刘景雪，韦刘柯，周力，鲍秀婷，向晶晶，郭嘉(武汉工程大学化工与制药学院,湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室，湖北武汉430073)摘要:对城市垃圾典型组分(塑料,橡胶果皮织物纸板等)进行热重分析及热解动力学研究。热重分析结果表明,塑料组分开始分解的温度较高,但分解速率最快;橡胶组分开始分解反应的温度相对较低,且分解速率相对较慢。果皮、织物和纸板类以纤维和木质类物质为主要成分，其热解特性较为相似。热解动力学研究表明,橡胶的热解活化能最高,最难分解,且热解符合二维扩散机理;塑料的热解相对较容易,符合一维扩散机理。而果皮、织物和纸板类的活化能较低，它们的热解符合体积缩小机理。关键词:城市固体废弃物;再利用，热解;热重分析;动力学参数中图分类号: X705文献标志码: A文章编号: 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引言固体废弃物时必须考虑无害化、减量化和资源化"。随着我国城市化步伐的加快，城市人口数量.传统的堆肥和填埋处理方法资源回收利用率低，的增加,城市固体废弃物(municipalsolidwaste,而且会给土壤和地下水带来二次污染;焚烧法不MSW)的产量以每年8%~10%的速率增长，固废仅操作复杂，运行成本高，还会生成二嗯英的成分也趋于多样化和复杂化，因此在处理这些(dioxins)和含汞铅的飞灰等污染物1。收稿日期: 2006-05-10。基金项目:湖北省基础化学实验示范中心研究创新型实验项目(2005006)。作者简介:柯威(1985-),男 ,湖北黄石人,本科生，现参与城市固体废弃物的热解及综合利用的研究。可再生能源 2006.5(总第 129期)研究与试验或-1n(1-a)=Kt(n=1时) (4-b)现出较低的热解温度和较大的热分解温度范围对于升温速率为q(q=dT/dt)的非等温过程,果皮、织物和纸板类以纤维和木质类物质为主要式(1)可以改写为成分,所以其热解特性较为相似。因此,建议在工da/dt =f(a)Aexp(- E/RT)/q业设计时，将城市固体废弃物的热解温度控制在或dal!f(ax)=Aexp(-E/RT)/qdT(5)760C,即可以有效实现垃圾的减容减量处理。常用的有机物热解方程-般有Sigmoid速率4.2城市固废中各典型组分的热解动力学方程(成核以及生长为速率决定的过程)、一级反表3为城市固体废弃物各典型组分的热解动应方程、面积缩小和体积缩小的几何模型(反应界力学参数。面生长的几何特性决定)、扩散机理(包括一维扩表3几种城市垃圾典型组分的热解动力学参数散、二维扩散、三维扩散和Ginstling-Brounshtein组分活化能/kJ-mol-+ 频率因子/min'热解方程相关系数等,扩散过程为速率的控制因素)16。塑料54.23.01x10*1/(2a)0.983橡胶213.62.68x10* ![-ln(1-ax)]-' 0.992式(5)积分后，并将它用级数展开(忽略高阶果皮3.80.263(1-a)20.974项),可以得到:织物.70.233(1-a)0.981g(a)=ART2( 1-2RT/E)exp(-E/RT)/qE (6)纸板21.51.540.990式(7)两边去对数,而且假设2RT/E≤1:从表3可以看出，在本实验条件下，橡胶组ln[g (a)/T]=ln(AR/qE)-E/RT(7)分的热解活化能最高,最难分解，热解符合二维那么,对于某一适当的g(a)函数,In[g(x)/T]扩散机理;塑料的热解相对较容易,符合一维扩对1/T作图为一条直线，其斜率是-E/R节距是散机理。而果皮、织物和纸板类的活化能较低,表In(AR/qE)。可接受的E和A值应该是f(a)所对明热解容易进行,它们的热解均符合体积缩小机应的线性回归系数最高7]。理。总的来说,本研究所采用的城市固体废弃物4结果与分析典型组分的热解活化能在1.7~213.6 kJ/mol的范4.1城市固废中各典型组分的热重分析围,与文献报道的相符181。同时也应该注意到,由表2为城市固体废弃物各典型组分的热解特于城市固体废弃物中各种可燃物的组成变化及征参数。各组分的性质存在较大差异，如果直接焚烧必然表2几种城市垃圾典型组分的热解特征参数9会对焚烧炉的设计带来困难。而它们的热解却具组分热解开始温度最大失重对应温度 热解终 止温度有良好的共性，因此垃圾热解后再处理会大大提33410547高垃圾的利用率,不失为城市固废的能源化利用175528760254342717的一个新思路。2733557285结论226392745通过以上的城市固体废弃物热重分析及热解从表2可以看出，塑料组分热分解特性主要动力学研究，可以得出以下结论。表现为开始分解的温度较高(331 C),但分解速(1)城市固体废弃物的热解是一种热化学处度最快，在547C基本完成了热分解反应。橡胶组，理技术,它利用固废中有机组分的热不稳定性,在分开始分解反应的温度相对较低(175C),且分无氧或缺氧的条件下加热固废,使其产生热分解，解速度相对较慢，分解反应趋于完成的温度高达最终转化成小分子的可燃气体、液体和固体燃料。760C。果皮、织物和纸板类的开始分解的温度相具有较高的能源利用率和较少的二次污染排放。差不大,它们热分解趋于完成的温度也较为接近,(2)城市垃圾典型组分(塑料、橡胶、果皮、织均在730C左右。以上各类固体废物组分表现出物、纸板等)的工业分析和发热量测定表明，除了来的不同热解特性与其不同组成物质的热解性密果皮外,其它组分的水分含量不高;挥发分较高,切相关。塑料为高分子有机聚合物,而且组成成分对整个热解过程起决定作用。而且,目前城市垃圾相对单一，故表现出较高的热分解温度和较小的中各可燃物的热值较高，具有较好的利用价值和执解温度范围逸胁米仝右难执公解物后因此表应田前昙研究与试验RENEWABLE ENERGY No.52006 (129 Issue in Al(3)塑料组分开始分解的温度较高,但分解速煤气与热力.2004.24(9);495- -497.度最快;橡胶组分开始分解反应的温度相对较低,7]廖洪强，姚强.TGA技术研究城市生活垃圾燃烧特性且分解速度相对较慢。果皮、织物和纸板类以纤维[J.燃料化学学报2001.29(4):140-143.和木质类物质为主要成分，所以其热解特性较为8]沈伯雄可燃生活垃圾焚烧动力学参数的热重分析I].农业环境科学学报.2004.23(5);1014-1016.相似。建议在工业设计时,将城市固体废弃物的热9]郭小汾.杨雪莲,陈勇.等.可燃固体废弃物的热解动解温度控制在760C，即可以有效实现垃圾的减力学].化工学报2000.1(5):615-9.容减量处理。[10) PATRICK A. HOM, PAUL T.W ILAMS. Inluence of(4)在本实验条件下,橡胶组分的热解活化能temperature on the produets from the flash pyrolysis of最高,最难分解,热解符合二维扩散机理;塑料的biomasJ.Fuel,1996.75(9); 1051-1059.热解相对较容易符合一维扩散机理。而果皮、织11] SORUM L, GRONLI M G. HUSTAD」E. Pyrolysis物和纸板类的活化能较低，它们的热解均符合体charaeteristics and kinetics of municipal solid waste[].积缩小机理。Fuel, 2001.80(9):1217-1227.[|12] ZHANG VF, DENG N. LING JHA mew pyrolysis tech-nology and equipmenl for treatment of mmmicipal louse-参考文献:hold garlage and hospital waste[I. Renewable Energy,[田「 王智敏,安大伟.郑非,等.城市生活有机垃圾外热式2003.28(15):2383-2393.固定床低温热解技术川煤气与热力,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] 李新国,李丽梅,周欣,等.垃圾混合物和废塑料热解Bioresource Technology,2004.92(2):181-186.的实验研究[]煤气与热力,2005,25(7):9-11.31 ! CHEN G Y. ANDRIES J. LU0 Z Y.Biomass gasification[141郭嘉.混煤热解特性及热解机理的研究小.煤气与热力,1994,14(3);3-5.for produol gas production:the overll investigation of15] KIM 5. 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