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生活垃圾典型组分富氧燃烧动力学研究

文档作者：罗博刘英鹏付哲张世红陈汉平文档来源：华中科技大学能源与动力工程学院		点击数：	更新时间： 2024年02月27日
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生活垃圾典型组分富氧燃烧动力学研究
罗博刘英鹏付哲张世红陈汉平
(华中科技大学能源与动力工程学院，煤燃烧国家重点实验室湖北武汉430074)
摘要利用热重分析法研究城市生活垃圾典型组分在O州，气氛下富氧燃烧特性。结果表明：富氧燃烧会改善燃烧状况，随
着氧气浓度的提高。各典型组分的TG曲线变化明显，失重峰都有不同程度的变大，其中厨余垃圾的失重峰变化最为明显；氧气
浓度对着火温度几乎没有影响，综合燃烧特性指数会随氧气浓度增大而增大，燃烧效果变好，活化能会降低，指前因子会增大。
关键词城市生活垃圾富氧燃烧热重分析动力学
中图分类号：×799 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2018)04—005—04
近年来。我国城市生活垃圾(MSW)产量逐年增长，2015
年MSW清运量已达1．914亿t，垃圾年增长率保持9％左右，
人均垃圾产量达lk削。目前垃圾处理技术：卫生填埋由于占
地面积大．减量化效果低，比例逐年下降：堆肥处理对垃圾分
类要求高，污染严重；燃烧处理由于其减量化效果明显、无害
化程度高和资源化利用好而逐渐占有较大比例．到2014年
已达32．5％．处于快速发展阶段。针对我国垃圾处理“资源
化、减量化、无害化”的目标，燃烧技术逐渐成为垃圾处理最
理想的手段之一⋯。
垃圾富氧燃烧是一种新型洁净高效的燃烧技术．其采用
较高的氧气浓度．提高炉内温度，有助于燃料充分燃烧，有效
遏制二嗯英等污染物．并很好地解决了高原地区空气含氧量
低使得燃烧更为困难的问题。垃圾燃烧状况还取决于垃圾本
身特性．不同的垃圾组分燃烧特性不同．于是对垃圾典型组
分燃烧特性的研究显得非常必要。研究垃圾燃烧特性及动力
学参数对燃烧系统的设计、优化十分重要[2]。国内外大量学
者针对MSW在常规空气燃烧热重(TG)特性及动力学进行
了广泛而深入的研究[”]。同时也有部分学者利用热重分析
仪(TGA)研究MSW富氧燃烧特性[锄]，但他们主要研究CO／
O：气氛，对O州：气氛研究较少。
本文主要探讨MSW典型组分在0加i2气氛下直接添人
高浓度氧气对燃烧特性的影响，同时对其燃烧动力学特性进
行深入分析。本文的研究将为垃圾富氧燃烧反应器的设计及
应用提供一定的参考。
1 实验部分
1．1实验材料及特性
本实验采用生活垃圾中最典型的5种可燃组分(聚乙烯
(PE)、含氯塑料、化纤、菜叶、纸屑)作为研究对象。所有实验
样品的工业分析和元素分析分别在西班牙Las Navas
TGA2000和德国VaJio EL-II上进行测定。见表1。
1．2实验装置与方法
本实验采用台湾产LTl03型液氮粉碎机．利用液氮深冷
维持粉碎仓内低温环境．保证燃料脆性以及燃料本身不发生
热变化。粉碎后的垃圾样品再经过筛分，样品粒径为100目。
本实验采用德国NETZSCH公司生产的sTA—449F3型热分
析仪研究垃圾典型组分富氧燃烧特性。将10mg的干燥样品
以20。C／min的加热速率从室温加热至9000C．反应气氛为
O，N2混合气体，气体流量为100mUmin。研究样品在不同氧
浓度(21％、25％、30％、50％)下的失重规律，并进行动力学分
析。为保证实验的准确性．每个工况下的实验均进行重复性
实验。
着火温度在热天平上的确定方法最常用的是TG—DTG
法。在热失重速率(DTG)曲线上，过峰值作垂线与TG曲线交
于一点．过这点作TG曲线的切线．该切线与过失重开始点
平行于温度轴的直线的交点所对应的温度定为着火温度。
2结果与讨论
2．1 垃圾组分的TG／D7rG分析
TG曲线能反映物质总体失重趋势随温度的变化关系．
DTG曲线可以显示物质在各个阶段的失重速率。不同氧浓
度下垃圾典型组分燃烧的TG和DTG曲线如图1和图2所
示。从图1整个失重曲线的趋势来看．5种典型组分的失重
曲线可以分为3类。
第l类是在TG失重的起始阶段．以菜叶为代表的厨余
垃圾在120℃左右开始有较为明显的失重。在21％O：浓度
下．菜叶失重非常明显，在200℃之前已经失重6％左右。而
其他4种组分在200℃之前没有明显失重变化．这是因为菜
表1 垃圾样品的工业分析和元素分析I空干基)
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB0600202)，国家自然科学基金(51476067)；
作者简介：罗博(1990一)，男，硕士研究生，研究方向：固废处理及污染物控制。
拟8’NOA 9
万方数据
T⋯
(e)纸屑
图l 不同氧浓度下垃圾典型
组分的TG变化曲线
⋯L
(d)菜叶
叶中本身含有内在水．从加热
开始到200℃时．内在水开始
挥发出来．因此较早的表现出
失重现象。菜叶的失重曲线
在490℃时反应完全．整个反
应可分为3阶段：第l阶段是
内水的挥发．在120～180℃之
间失重3．6％．第2阶段是其
挥发分的析出．在180～376℃
之间失重43．6％．第3阶段是固定碳的燃烧．在376。490℃之
间失重31．6％．从DTG曲线可以看出第3阶段的失重更快。
第2类是PE和化纤．这两类物质本身内水较少或者没
有．而且整个热重反应较为单一仅有一个失重阶段．在DTG
曲线上体现为一个明显的失重峰．因为两种物质都是由有机
物聚合而成，其组成全是挥发分．几乎没有灰分。在2l％O：
浓度下，PE在300℃开始反应到500℃反应结束．失重
96．5％：化纤在360℃开始到520℃反应完全．失重95％。
第3类为含氯塑料、纸屑等自身不含内水或内水很少．
但整个热重曲线呈多阶段反应。含氯塑料以聚氯乙烯(PVC)
为主，在2l％0：浓度下，曲线第l阶段是挥发份的析出，
PVC受热后大量的HCl会挥发出来．在245．325℃失重
60％。第三个失重阶段在412～600℃之间，是含碳物质的分解
与燃烧．失重32％．而在325～412℃之间有一小段失重不明
显，失重约为4％，这是因为第1阶段有大量的HCl的生成，
而HCl又是不可燃物质．抑制了燃烧反应(挥发分的析出和
燃烧)的继续进行．因此出现了上述现象。纸屑有挥发分析出
与燃烧．同定碳燃烧等反应的发生。在2l％0，浓度下．纸屑
的第一段在230．340℃．失重6l％，第2阶段在340．460℃．
失重26％。
从TG趋势图可以看出．随着氧气浓度的提高．TG曲线
变化明显．下面将TG曲线与DTG曲线综合分析．氧浓度的
升高对燃烧的影响能得到更清楚的认识．
对于第l类菜叶类厨余垃圾．氧气浓度的提高．TG曲线
中的失重斜率呈增大趋势．在DTG曲线中这种趋势更加明
显，失重峰明显变大。这说明随着氧气浓度提高．燃烧反应会
2018．NO．4．
加剧．物质会更快速的失重。
对于第2类PE和化纤全
是挥发分的垃圾．氧气浓度的
提高．TG曲线中的失重斜率
也有增大的趋势．但是变化程
度却存在了差异性．在DTG曲
线中PE的失重峰变化明显．
而化纤的DTG失重峰随着氧
气浓度的升高并未发生明显
㈣【
(c)纸啊
图2垃圾典型组分在不同
氯浓度下的DTG曲线
变化，原因在于涤纶化纤样品呈现的是纤维状，十分疏松．在
反应过程中样品可以充分的与氧气接触．因此氧浓度的升高
对其失重峰的影响较小。
对于第3类含氯塑料和纸屑．TG和DTG曲线都有比较
明显的变化。含氯塑料第一阶段包含大量HCl的析出．因此
TG曲线并未出现变化．第三阶段主要为含碳物质的燃烧反
应．因此TG曲线出现了失重斜率变大的趋势。DTG曲线中
前两个峰位并未出现变化．第三个失重峰明显增大。而纸屑
则呈现同样的变化规律．首先是挥发分析出的失重斜率增
大．然后是固定碳燃烧阶段前移．TG曲线逐渐向单阶段燃烧
反应变化．主要原因在于氧气浓度的升高．挥发分和固定碳
都能迅速燃烧．使得两个反应阶段间的时间间隔大幅度缩短
甚至消失。DTG曲线变化趋势也印证了氧气浓度对燃烧反
应的加剧．两个失重峰逐渐演变为一个失重峰．并且失重峰
明显变大．
综合垃圾典型组分在不同氧气浓度下的TG巾TG曲线可
以明显发现．富氧燃烧无疑会改善垃圾的燃烧状况。见图2。
2．2着火温度
各种垃圾典型组分确定的着火温度如表2所示．化纤的
着火温度最高，菜叶的最低：在外界压力没有发生明显变化
时，氧气浓度对垃圾典型组分在0州：气氛下燃烧的着火温
度几乎没有影响。各组分的着火温度由小到大的顺序为：菜
叶<含氯塑料><纸屑><化纤．></纸屑></含氯塑料>

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