生活垃圾中主要可燃組分熱解特性的試驗研究.pdf

1、隨著城市建設(shè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，垃圾排出量逐年增加，垃圾處理問題亟待解決。在我國，雖然垃圾處理以填埋法為主，但是，在大城市和東部沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，因人口密度大、土地資源緊張、已很難找到符合填埋要求的場地，因此，焚燒法將會逐步發(fā)展成為這些地區(qū)處理生活垃圾的主要手段。 近年來，垃圾熱解--焚燒技術(shù)是備受關(guān)注的熱點技術(shù)。與直接焚燒法相比，熱解一焚燒法具有如下優(yōu)點： (1)燃燒效率高，污染排放低，設(shè)備可緊湊化。這是因

2、為，垃圾直接燃燒屬于氣、固非均相燃燒，垃圾作為固態(tài)物質(zhì)，擴散性、混合性非常差。而熱解--焚燒則是均質(zhì)化的熱解氣態(tài)產(chǎn)物(氣體和焦油)和少量的熱解殘?zhí)窟M入燃燒室、以低空氣比燃燒，近似均相燃燒。 (2)燃燒過程容易控制。這是因為，垃圾是多種復雜組分組成的混合物，并且各種組分理化性質(zhì)相差很大、燃燒速度相差懸殊，難以控制。而采用熱解--焚燒法，則使得性質(zhì)相差很大的混合垃圾經(jīng)過熱分解后變成了擴散性、均質(zhì)性好的燃料進入了燃燒室，這樣一來，燃

3、燒過程就會變得穩(wěn)定、容易控制了。 目前，國內(nèi)外對垃圾熱解特性還缺乏深入了解，這對垃圾熱解--焚燒爐的設(shè)計和運行都是不利的。本文選取了聚乙烯、聚氯乙烯、木材、印刷紙、布料及自行車外胎模擬垃圾中主要的、具有代表性的4類組分一塑料、生物質(zhì)、織物及橡膠，以熱解--焚燒技術(shù)的熱解研究為目的，分別進行了機理研究、基礎(chǔ)研究及應用研究，以期對實際垃圾熱解--焚燒爐的設(shè)計和運行提供重要參考。 第一部分：在線性升溫熱天平上的熱解試驗研究

4、，屬于機理研究。微量樣品(約10mg數(shù)量級)熱解，可以忽略傳熱傳質(zhì)影響。主要結(jié)論是：①不同垃圾組分存在不同的起始熱解溫度，即使程控升溫超過了該溫度，也不是連續(xù)發(fā)生熱解，而是集中在一個或幾個溫度區(qū)間進行。程控升溫到500℃時，各種組分都已實現(xiàn)了熱解轉(zhuǎn)化率70％以上，繼續(xù)從500℃升溫到700℃，熱解轉(zhuǎn)化率增加幅度不過15％；②在各種組分的混合熱解中，塑料與生物質(zhì)、塑料與橡膠、生物質(zhì)與水等混合熱解會受到單組分相互之間的影響，但影響不大；③單

5、純采用積分法和單純采用微分法、并且以很好的線性相關(guān)性作為目標來確定動力學參數(shù)，計算結(jié)果有時會偏差很大。推薦由積分法和微分法共同確定、優(yōu)選出能使所得的活化能值最為接近且線性良好的那個化學反應機理函數(shù)和相應的活化能值作為正確結(jié)果的計算方法；④垃圾熱解反應機制通常是擴散控制型，也就是說，熱解氣體的擴散速率最慢是制約熱解反應過程順利進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于實際垃圾熱解工業(yè)來說，這里所指的擴散環(huán)節(jié)，不是氣體從熱解室向燃燒室或爐外的擴散，而是從熱解物料

6、里面向熱解室的擴散。這就要求在實際垃圾熱解--焚燒工業(yè)中，加強入爐前垃圾的破碎、入爐后垃圾的翻轉(zhuǎn)，及時將熱解室的氣體引排到燃燒室燃燒。第二部分：在等溫環(huán)境熱天平上的熱解試驗研究，屬于基礎(chǔ)研究。多量樣品(約10g數(shù)量級)熱解，不能忽略傳熱傳質(zhì)影響，近似于實際熱解環(huán)境。主要結(jié)論是：①各種垃圾組分及其混合物熱解幾乎都是集中在某個時間段內(nèi)進行,但是，熱解起始時刻和終了時刻不盡相同。其中，聚乙烯最特殊，在環(huán)境溫度為500℃時，熱解起始時刻與終了時

7、刻都遠遠滯后于其它組分而獨樹一幟；②隨著環(huán)境溫度的升高，熱解時間縮短了，而且各種組分的熱解時間都在相互接近、靠攏，但是，垃圾熱解(熱重分析只能看到一次熱分解)通常是在低于環(huán)境溫度很多的情況下完成的，因此，對于不同組分的混合熱解來說，推薦500～600℃作為環(huán)境溫度(爐溫)是合理的；③不同組分“兩兩混合”時，在多數(shù)情況下，其熱解轉(zhuǎn)化規(guī)律都受到了單組分之間的相互影響。600℃的試驗研究表明：對于生物質(zhì)和織物的混合熱解來說，通常表現(xiàn)出推遲或抑

8、制熱解過程的進行；對于塑料與生物質(zhì)的混合熱解來說，隨著熱解過程進行到塑料中碳氫化合物的分解時，就會與生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物發(fā)生較為強烈的氧化反應，從而促進熱解過程的進行；對于橡膠與生物質(zhì)的混合熱解來說，一般不會受到單組分之間的相互影響；對于聚乙烯塑料、橡膠以及織物“兩兩混合”熱解的結(jié)果，一般地，都會表現(xiàn)出推遲或抑制熱解過程的進行。此外，PVC塑料明顯表現(xiàn)出：與木屑混合、與含棉織物混合熱解時，可以促進熱解過程進行的特性；④在500～600℃的溫

9、度環(huán)境下，相同質(zhì)量的水蒸發(fā)時間相差不多。但在850℃的溫度環(huán)境下，水蒸發(fā)時間(終了時刻)就會大大縮短，蒸發(fā)速率就會大大提高。從實際工業(yè)應用來看，采用回轉(zhuǎn)窯熱解一流化床焚燒技術(shù)將會使高水分垃圾原本直接進入流化床的劇烈蒸發(fā)現(xiàn)象得到大大緩解，燃燒過程更加穩(wěn)定；⑤不同垃圾組分與水的混合熱解過程都會受到不同程度的、單組分(此時，水也視為1種組分)之間的相互影響。其中，對于塑料、橡膠與水混合熱解來說，總的時間與單獨熱解或蒸發(fā)所需時間基本相同，而對于

10、生物質(zhì)、織物與水的混合熱解來說，總的時間比單獨熱解或蒸發(fā)所需時間延長了。⑥緩慢線性升溫和等溫環(huán)境下的2種熱重分析方法，在垃圾熱解研究中所做的貢獻具有互補性、在各自層面中具有相互不可替代的作用。前者可以觀察到溫度的高低對熱解轉(zhuǎn)化程度的影響，例如，各種垃圾組分的起始熱解溫度是多少?哪些溫度區(qū)間會發(fā)生熱分解，熱解速度怎么樣?它具有微觀性和機理性，是一種科學試驗研究方法，而在實際工業(yè)中是不存在這種運行工況的；后者可以觀察到時間的長短對熱解轉(zhuǎn)化程

11、度的影響，同時，后者(等溫環(huán)境)近似于實際熱解環(huán)境。前者的研究為后者的研究確定了溫度范圍，減少了盲目性；后者的研究彌補了前者關(guān)于時間因素研究的缺陷，同時，研究結(jié)果對實際應用也有參考意義。 第三部分：在連續(xù)給料回轉(zhuǎn)窯爐內(nèi)的熱解試驗研究，屬于應用研究。大物料量(1kg/h)熱解，更不能忽略傳熱傳質(zhì)影響，試驗熱解過程與實際熱解過程具有相似性。主要結(jié)論是：①熱解產(chǎn)物分布特性：除了聚乙烯500℃熱解(聚乙烯500℃熱解轉(zhuǎn)化率小于50％)

12、以外，在給料量相等時，同一垃圾組分在500～700℃熱解向氣態(tài)產(chǎn)物(包括氣體和焦油)的轉(zhuǎn)化程度相差不大。對于粒徑小(例如薄片狀)的組分，熱解產(chǎn)物中氣體比例高；反之，熱解產(chǎn)物中焦油比例上升；②熱解前后的熱值對比：塑料和橡膠不含氧或含氧量很少，在熱解過程中發(fā)生吸熱反應，熱解后總熱值一般是增加的(聚乙烯500℃熱解除外)。熱值增加的原因是，吸收的熱量轉(zhuǎn)化到熱解產(chǎn)物上了。生物質(zhì)和織物含氧量高、在熱解過程中發(fā)生了部分燃燒放熱反應，熱解后的總熱值是

13、減少的。熱解產(chǎn)物的總熱值減去給料熱值就是熱解反應熱。③熱解能耗：垃圾熱解能耗包括熱解裝置的散熱損失、熱解反應熱以及水的蒸發(fā)熱。當熱解反應熱為正值時，反應熱真正成為熱解能耗的一部分；當熱解反應熱為負值時，表示放熱。此時，反應熱成為熱解能量補充的唯一內(nèi)部來源。在假設(shè)垃圾熱解過程中各組分之間不發(fā)生化學反應等條件下，建立了垃圾在長徑比為4.36的外熱式回轉(zhuǎn)窯爐內(nèi)、熱解停留時間為31.58min的條件下的熱解能耗設(shè)計計算模型，可供在實際應用垃圾熱