農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2004,23(5):1014-1016Journal of Agro-Environment Science可燃生活垃圾焚燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)的熱重分析沈伯雄(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津300071)摘要:對(duì)生活垃圾中可燃的主要成分如塑料類、廚余類、草木類、織物類、紙張類的爕燒動(dòng)力茡過(guò)程進(jìn)行了熱重分析并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型進(jìn)行了回歸。動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和計(jì)算垃圾焚燒過(guò)程具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞垃圾焚燒;熱重分析;動(dòng)力學(xué)模型中圖分類號(hào)X705文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-2043(2004)05-1014-1016Thermogravimetric Analysis for Combustible Materials from Municipal Solid Wasteshen Bo-xiongCollege of Environmental Science Engineering, Nankai University, TianAbstract: The combustible materials from municipal domestic solid waste can be divided into five types: plastic type, kitchen wastetype, plant type, textile type and paper type. Five types of materials were prepared by crushing, screening, drying and studied bythermogravimetric analysis(TGA)in the air conditions. The combustion characters of ms w were determined by analyzing the valueof DTG. The results showed that when the peak value of DTG appeared in the low temperature and the width of DTG was narrow, thematerial combusted easily; otherwise, the material combusted difficultly. The order of easy combustion among the five types of Mswwas: plant> paper> kitchen waste> textile plastic. The kinetic models on the combustion characters of these materials wereconstructed. It was found that the combustion of kitchen waste type, plant type, textile type and paper type could be divided into twophases: the combustion in low temperature and the combustion in high temperature. The first phase in low temperature might attributeto the emission and combustion of volatile, and the second phase might result from the combustion of char. The combustion of plastitype showed only one phase. The mechanism for plastic type combustion was described as follows: the plastic cracked and evaporatednto gas phase, and then the gas combusted. The process of cracking and evaporating influenced the changes of the plastic weightsThe higher the temperature, the quicker the velocity of cracking and evaporating, and the kinetic process could be modeled into oneThe kinetic parameters for different materials and different phases were obtainedKeywords: combustion of MSW; thermogravimetric analysis; kinetic model垃圾焚燒是垃圾處理中的一種重要技術(shù)垃圾焚進(jìn)入焚燒爐的垃圾一般含有一定的水分。理想的燒在國(guó)內(nèi)外垃圾處理中的比例逐年增加。中國(guó)旳生活垃圾焚燒過(guò)程如下:第-階段是水分旳蒸發(fā)和干燥垃圾,特別是發(fā)達(dá)地區(qū)或大城市的生活垃圾,可燃成第二階段是揮發(fā)部分的析岀與燃燒;第三階段是焦碳分旳比例在逐年增加。垃圾焚燒具有重要的應(yīng)用背旳燃燒與燃盡;贔后剩下的是不可燃燒的部分。第·景階段水分的蒸發(fā)和干燥是物理過(guò)程其完成時(shí)間在整垃圾焚燒主要取決于垃圾本身特性μυ。垃圾旳個(gè)燃燒中占的比例較小,可以根據(jù)其含濕量由汽化澘成分十分復(fù)雜,不僅受地域影響,還受季節(jié)、氣候、當(dāng)熱大體估計(jì)。而第二階段和第三階段中揮發(fā)部分和焦地人民的經(jīng)濟(jì)狀況等的影響S。成功的開發(fā)垃圾焚碳的中國(guó)煤化工較長(zhǎng)影響整個(gè)燃燒過(guò)燒爐應(yīng)該以所要處理的垃圾焚燒的動(dòng)力學(xué)為根據(jù)3。程CNMHG學(xué)過(guò)程,而且不同的垃圾成分在這個(gè)過(guò)程中表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性研究收稿日期:2004-02-02垃圾主要成分在這個(gè)過(guò)程中反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(20347002)南開大學(xué)校創(chuàng)新基金資助現(xiàn)實(shí)意義。本文采用熱重分柢TGA琺法研究垃圾焚燒作者簡(jiǎn)介:沈男南開大學(xué)環(huán)境學(xué)院副教授從事固體物的失重動(dòng)力學(xué)過(guò)程,并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型進(jìn)行描述氣凈化研究。E-mail:sheba@nankai.edu.cn第23卷第5期農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)最后求岀各種成分燃燒過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。廚余類、草木類、織物類和紙張類表現(xiàn)出十分明試驗(yàn)準(zhǔn)備和試驗(yàn)條件顯的兩階段燃燒現(xiàn)象,說(shuō)明這些物質(zhì)的可燃成分可以分為兩個(gè)部分,一部分為容易釋出和容易焚燒的物試驗(yàn)用生活垃圾來(lái)自居民區(qū)生活垃圾除去金屬質(zhì),在低溫下即完成燃燒,可能是揮發(fā)分的快速釋出和玻璃成分,經(jīng)分類,再進(jìn)行干燥、破碎(100目左與燃燒;另外一部分為不大容易釋岀和焚燒的物質(zhì)右),各分類的垃圾成分分別在熱重天平上進(jìn)行燃燒這些物質(zhì)需要在更高的溫度下才能被焚燒。而塑料類試驗(yàn)。分類和干燥后可燃燒的垃圾成分為塑料類、草主要表現(xiàn)為一個(gè)階段的焚燒估計(jì)是塑料在高溫下先木類、紙張類、布料類、廚余類。各類垃圾成分的工業(yè)裂解蒸發(fā)變?yōu)闅庀嗳缓笫菤庀嗟娜紵?。而影響重量分析?jiàn)表1。熱重分析的條件為:試驗(yàn)樣品重量在10變化主要是塑料的裂解蒸發(fā)過(guò)程,該過(guò)程隨著溫度的mg左右;升溫速率為25℃·min-1;空氣流速:20變化呈現(xiàn)出一個(gè)階段。mL. min焚燒動(dòng)力學(xué)的模擬表1垃圾的分類及工業(yè)分析Table 1 Classification and proximate analysis for MSW為了描述焚燒的動(dòng)力學(xué)過(guò)程引入了下面的數(shù)學(xué)各種成分的工業(yè)分析表達(dá)式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸假設(shè)垃圾各成分的燃燒垃圾分類水分/%灰分/%揮發(fā)分/%固定碳/%符合1級(jí)反應(yīng)級(jí)數(shù)。廚余類32.63塑料類dhexp(-e(2)織物類2,0169.02草木類1.9512.7015.54式中:hevn(,E)為燃燒反應(yīng)速率h為低張2,11頻率因子,1·s;E為宏觀活化能,kJ·mol-l;T為2試驗(yàn)結(jié)論與分析絕熱溫度,K;R為氣體通用常數(shù),kJ·mol-.K1:B幾類垃圾的熱重分析的DTG見(jiàn)圖1。圖中的DTG為升溫速率,K·s-l。表示熱失重百分比的一階微分其物理意義如下Q=0-WW/Wo(3)DTG=dr≈(-4WdW/Wo(1)式(3):W為不可燃部分:W/W為表1中工業(yè)分式中:W表示不同時(shí)刻樣品的實(shí)際質(zhì)量;W表示樣析的灰分。把(3試代入1試再對(duì)兩邊求自然對(duì)數(shù)可以得到表達(dá)式(4品初質(zhì)量表示時(shí)間。那么DTG曲線的最大值表示最大失重速率也即燃燒最激烈的位置。DTG曲線與)=In_EB R(4)DTG為0的直線構(gòu)成的封閉面積積分為1。通過(guò)分析這樣,通過(guò)Y與1/T的線性關(guān)系可以確定頻率DTG曲線的峰值和峰寬,可以定性說(shuō)明了該物質(zhì)燃因子和活化能E。由相關(guān)系數(shù)判斷分段和反應(yīng)級(jí)數(shù)的燒的相對(duì)難易程度。一般來(lái)說(shuō)如果DTG的峰值發(fā)生合理性。具體的回歸情況和動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)圖2~圖在越低溫段,DTG的峰值越高,峰寬越窄,說(shuō)明該物6。表2概括了動(dòng)力學(xué)回歸情況。質(zhì)越容易焚燒反之則不容易焚燒。從圖1可以看岀草木類和紙張類相對(duì)好燒,隨后是廚余類、織物類和4結(jié)論塑料類熱重分析較好地描述了垃圾中有機(jī)物如塑料類0[→草木一廚余類(1/T)×1000K1.31.51.71.9派浮-|90二900紙張類塑料類700中國(guó)煤化工類CNMHG-85001000150020002500各類垃圾焚燒中的DTG圖2草木類動(dòng)力學(xué)回歸情冫F方數(shù)撬 TG for different types of MSVFigure 2 The kinetic parameters for plant type1016沈伯雄河燃生活垃圾焚燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)的熱重分析2004年10月(1/7)×1000K-1表2各類垃圾的動(dòng)力學(xué)參數(shù)回歸1.31.51.71.9Table 2 The kinetic parameters for different types of MSW塑料類頻率因子k活化能E垃圾類型/kJm-相關(guān)系數(shù)草木類階段28685.93第二階段4170290.99-10廚余類第一階段2.92圖3塑料類動(dòng)力學(xué)回歸情況第二階段75.150.97igure 3 The kinetic parameters for plastic typ織物類第一階段0.93第二階段(1/T)×1000K188213.430.991.01.21.41.61.82紙張類第一階段112042.3383.910.992.0第二階段1.65081E9194.380.883.0織物類塑料類共一階段408.9367.932845.0廚余類、草木類、織物類、紙張類的焚燒動(dòng)力學(xué)過(guò)程。-7.0試驗(yàn)結(jié)果表明了草木類、廚余類、織物類、紙張類較好符合兩個(gè)階段的模型而塑料類較好符合一個(gè)階段的圖4織物類動(dòng)力學(xué)回歸情況模型。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得岀了各類垃圾各階段焚燒的動(dòng)力Figure 4 The kinetic parameters for textile type學(xué)參數(shù)。(1/T)×1000K1.01.21.41.61.82,02.2-2參考文獻(xiàn)「]田文棟魏小林黎軍,等.北京市城市生活垃圾特性分析IJ456789環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2000,20(4):435紙張類[2]屈超蜀.垃圾焚燒過(guò)程特性及焚燒爐設(shè)計(jì)概要[J.重慶大學(xué)學(xué)報(bào),1997,20(5):523]聶永豐,劉富強(qiáng),王進(jìn)軍,我國(guó)堿市垃圾焚燒技術(shù)發(fā)展方向探討圖5紙張類動(dòng)力學(xué)回歸情況J].環(huán)境科學(xué)研究,2000,13(3):21Figure 5 The kinetic parameters for paper type4]鄭眀輝,張兵.臺(tái)灣城市生活垃圾焚燒處理現(xiàn)狀[J.環(huán)境科學(xué)(l/T)×1000K-101.41.82.2研究,2000.13(3):245]吳文偉,北京市垃圾人均日產(chǎn)量分析與預(yù)測(cè)[J.環(huán)境衛(wèi)生工程3456781998,6(4):141.廚余類圖6廚余類動(dòng)力學(xué)回歸情況Figure 6 The kinetic parameters for kitchen waste type中國(guó)煤化工CNMHG