中国城市垃圾典型组分热解特性及动力学研究

收稿日期:2007-11-16; 修订日期:2008-03-12

作者简介:张 楚(1984-),男,湖北荆州人,上海交通大学博士研究生1

专题综述

文章编号:1001-2060(2008)06-0561-06

中国城市垃圾典型组分热解特性及动力学研究

张 楚,于 娟,范 狄,章明川

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)

摘 要:对城市生活垃圾中的8种典型组分进行了热重分析实验,提出热解指数来表征垃圾的热解特性,热解指数越高,垃圾越容易热解。结果表明,提高加热速率有助于增大热解指数;相同加热速率和粒度条件下,8种垃圾组分的热解能力依次为:废塑料、废纸张、废皮革、瓜皮类、化纤、落叶、植物类厨余和废橡胶,其中废塑料的热解指数远远大于其它7种组分。用积分法对热解实验数据进行处理,得出反应动力学参数及反应速率控制方程,从而得到相应工况和温度区间下的动力学模型。可以看出,垃圾组分不同,其反应机理可能不同,相对应的热解动力学模型也不同。关

键

词:垃圾;组分;热解;热重分析;动力学分析

中图分类号:TK6文献标识码:A

引 言

目前我国城市生活垃圾的年

产量达113亿t,往年累计堆存量达610亿t,占地约313万km 2。而实际垃圾处理能力远跟不上垃圾产生量的增长,全国有近2/3的城市形成了垃圾包围城市的严重局面。未能有效处理的垃圾在堆积、简易填埋等过程中产生了大量的酸碱有机物,并溶解出垃圾中的重金属,这不仅对大气、水、土壤和植物等人类赖以生存

的环境造成污染,而且还要侵占

大量的土地,这对于土地资源本来就十分贫乏的我国来说,是十分沉重的负担。

垃圾热解技术以其较高的能源利用率和较低的二次污染排放而被认为是垃圾焚烧技术的下一代垃圾热化学处理技术[1~3]

。热解法也称为裂解法,是把有机废弃物在无氧或贫氧条件下加热到600~900e ,用热能使化合物的化合键断裂,由大分子量的有机物转化成小分子量的可燃气体、液体燃料和焦炭的过程。这种技术与焚烧法相比温度较低,无明火燃烧过程,重金属等大都保持原状在残渣之中,可回收大量的热能,尤其是此种方式具有二口恶英产生的逆条件,较好地解决了垃圾焚烧技术的最大难题。

热重法是在程序控制温度下借助热天平获得物质的质量与温度关系的一种技术,通常在恒定的升温速率下进行,是研究化学动力学的重要手段之一,具有试样用量少、速度快,并具有能在温度测量范围内研究原料受热发生热反应的全过程等优点。热重法测定反应动力学的实验方法通常有等温法(也称静态法)和非等温法(也称动态法)[4]。在本文研究中,将采用非等温法对生活垃圾典型组分的热解特性及反应动力

学参数进行研究。

1 热重实验

本次研究选择了垃圾中的8种典型组分进行实验,分别为:废橡胶、废皮革、废塑料、废纸张、瓜皮类、化纤、植物类厨余和落叶,其中瓜皮类选用的是香蕉皮,植物类厨余选用的是莴苣叶,其工业分析值如表1所示。由于实验材料都属于软质材料,无法用机器破碎,因此全部采用手工切割制取。

表1 城市生活垃圾组分工业分析结果(%)

水分灰分挥发分固定碳

废橡胶015380281945213518117废皮革0177812018767151

10185

废塑料0100201138798139012196废纸张51435241666313261589瓜皮类671362187424160

51165

化纤

0145268116490177016115

植物类厨余941011103041821011413

落叶

910056154468175

15171

实验仪器为WRT 22P 型微量热天平,采用高纯N 2为载气,流量为160mL/min;加热速率为

10、20和30e /min;热解终温为600e 。试样重量一般控制在4~5mg 之间,粒度大小分别为015和110mm 。为了消除水分蒸

第23卷第6期2008年11月

热能动力工程

J OU RN AL OF E NGINEERIN G FOR T HERM AL EN ERG Y A ND PO WER

Vol 123,No 16

Nov 1,2008

图1 废橡胶在3种升温速率下的热重曲线

图2 废塑料在3种升温速率下的热重曲线发对热重分析产生的影响,实验前样品在100e 的干燥箱内干燥1h 。

2 实验结果及分析

211 升温速率对热解特性的影响对废橡胶与废塑料进行了在相同粒度下,升温速率为10、20和30e /min 的热重实验,热重T G (失重率)曲线如图1和图2所示。

由图1的实验结果可以看出,整个热解失重过程一般可分为4个温度区间:脱水、保持、剧烈失重和缓慢失重。按此归类分为4个区间,第一区间中,TG 曲线出现一段幅度很小的下降,试样有略微的失重,该温度区间一般是试样随着温度的升高开始失去残留水分的阶段。尽管在分析前样

品都经过了干燥,但由于样品的易吸水性和实验准备过程中不可避免地暴露在空气中,样品中多少会含有一定量的水分。第二区间中,T G 曲线几乎成一直线,该温度区间一般是样品中的水分已完全析出,但尚未开始热解的阶段。各个样品不同,这个区间的长度也不同,越短说明试样开始热解的时间越早,其结束时对应的特

征点时间和温度分

别为t 1和T 1。第三区间中,TG 曲线急剧下降,该区间是试样热解失重过程的主要阶段,试样的绝大部分失重发生在该区间,失重率可高达50%以上,其开始和结束时对应的特征点时间、温度分别为t 1、T 1和t 2、T 2。第四区间中,TG 曲线开始趋于平缓。该温度区间是残留物的缓慢分解过程,并在最后生成固定碳和灰分。在反应结束时,橡胶的热重曲线还没有完全水平,说明热解并没有完全结束,仍会继续反应并有固定碳和

灰分的生成。而废塑料的热解TG 曲线却有不

同,并没有明显的第一区间,而是几乎成一直线,为试样尚未热解的阶段。整个废塑料热裂解分成3个区间[1],即:缓慢裂解、快速裂解和再缓慢裂解。这表明塑料与橡胶的化学组成不同,热解的过程也不相同。

垃圾热解过程是一个复杂的

反应过程,假设其符合简单的动力学方程,定义A 为试样在热解过程中的消耗份额:

A =(W 0-W)/(W 0-W ])式中:W 0)试样初始质量;W )试样在温度为T 时的质量;W ])试样最终质量。

由于每次实验过程中加热速

率不变,因此A ~T 和d A

d t

~T 可

以由TG(W ~t )曲线和D TG(

d W

d t

~t )曲线计算得到,换算式为:

t =T /加热速度(1)d A d t =-(W 0-W ])-1d W d t (2)为了反映热解速率d A /d t 与温度之间的关系,另定义一个表征热解特性的指标)))热解指数,其定义如下:

I =(d A /d t )ma x /(T max @$T )(3)式中:A )试样消耗份额;(d A /d t )ma x )最大失重率;T max )对应于最大失重率的温度;$T =T 2-T 1,T 1是失重率开始急剧增大时的温度,T 2是失重率急剧减小并趋于平缓时的温度。

表2给出了主要的热解特性参数。观察这些试样在不同加热速率下的各个特征点数值,可以发现t 1、t 2、t m ax 随加热速率的增大而减小,T 1、T 2、T ma x 、(d A /d t )max 随加热速率的增大而增大。即加热速率越大,各个样品越早开始热解失重,最大失重率越大,同时开始失重、失重率达到最大和结束失重时的温度也越高。还可以看出,尽管样品种类不同,但其各自的热解指数I 都随着加热速率的增大而增大。也就是说,在不同样品相同粒度条件下进行的不同加热速率热解实验都得到同样的一个结论:加热速率提高,热解指数增大,垃圾更容易热解,即提高加热速率有助于垃圾的热解。

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562# 热能动力工程2008年