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生活垃圾中主要可燃组分热解特性的试验研究

沈祥智  
【摘要】: 随着城市建设的发展和人们生活水平的提高,垃圾排出量逐年增加,垃圾处理问题亟待解决。在我国,虽然垃圾处理以填埋法为主,但是,在大城市和东部沿海经济发达地区,因人口密度大、土地资源紧张、已很难找到符合填埋要求的场地,因此,焚烧法将会逐步发展成为这些地区处理生活垃圾的主要手段。 近年来,垃圾热解—焚烧技术是备受关注的热点技术。与直接焚烧法相比,热解—焚烧法具有如下优点: (1)燃烧效率高,污染排放低,设备可紧凑化。这是因为,垃圾直接燃烧属于气、固非均相燃烧,垃圾作为固态物质,扩散性、混合性非常差。而热解—焚烧则是均质化的热解气态产物(气体和焦油)和少量的热解残炭进入燃烧室、以低空气比燃烧,近似均相燃烧。 (2)燃烧过程容易控制。这是因为,垃圾是多种复杂组分组成的混合物,并且各种组分理化性质相差很大、燃烧速度相差悬殊,难以控制。而采用热解—焚烧法,则使得性质相差很大的混合垃圾经过热分解后变成了扩散性、均质性好的燃料进入了燃烧室,这样一来,燃烧过程就会变得稳定、容易控制了。 目前,国内外对垃圾热解特性还缺乏深入了解,这对垃圾热解—焚烧炉的设计和运行都是不利的。本文选取了聚乙烯、聚氯乙烯、木材、印刷纸、布料及自行车外胎模拟垃圾中主要的、具有代表性的4类组分—塑料、生物质、织物及橡胶,以热解—焚烧技术的热解研究为目的,分别进行了机理研究、基础研究及应用研究,以期对实际垃圾热解—焚烧炉的设计和运行提供重要参考。 第一部分:在线性升温热天平上的热解试验研究,属于机理研究。微量样品(约10mg数量级)热解,可以忽略传热传质影响。主要结论是:①不同垃圾组分存在不同的起始热解温度,即使程控升温超过了该温度,也不是连续发生热解,而是集中在一个或几个温度区间进行。程控升温到500℃时,各种组分都已实现了热解转化率70%以上,继续从500℃升温到700℃,热解转化率增加幅度不过15%:②在各种组分的混合热解中,塑料与生物质、塑料与橡胶、生物质与水等混合热解会受到单组分相互之间的影响,但影响不大:③单纯采用积分法和单纯采用微分法、并且以很好的线性相关性作为目标来确定动力学参数,计算结果有时会偏差很大。推荐由积分法和微分法共同确定、优选出能使所得的活化能值最为接近且线性良好的那个化学反应机理函数和相应的活化能值作为正确结果的计算方法;④垃圾热解反应机制通常是扩散控制型,也就是说,热解气体的扩散速率最慢是制约热解反应过程顺利进行的关键环节。对于实际垃圾热解工业来说,这里所指的扩散环节,不是气体从热解室向燃烧室或炉外的扩散,而是从热解物料里面向热解室的扩散。这就要求在实际垃圾热解一焚烧工业中,加强入炉前垃圾的破碎、入炉后垃圾的翻转,及时将热解室的气体引排到燃烧室燃烧。 第二部分:在等温环境热天平上的热解试验研究,属于基础研究。多量样品(约10g数量级)热解,不能忽略传热传质影响,近似于实际热解环境。主要结论是:①各种垃圾组分及其混合物热解几乎都是集中在某个时间段内进行,但是,热解起始时刻和终了时刻不尽相同。其中,聚乙烯最特殊,在环境温度为500℃时,热解起始时刻与终了时刻都远远滞后于其它组分而独树一帜;②随着环境温度的升高,热解时间缩短了,而且各种组分的热解时间都在相互接近、靠拢,但是,垃圾热解(热重分析只能看到一次热分解)通常是在低于环境温度很多的情况下完成的,因此,对于不同组分的混合热解来说,推荐500~600℃作为环境温度(炉温)是合理的;③不同组分“两两混合”时,在多数情况下,其热解转化规律都受到了单组分之间的相互影响。600℃的试验研究表明:对于生物质和织物的混合热解来说,通常表现出推迟或抑制热解过程的进行;对于塑料与生物质的混合热解来说,随着热解过程进行到塑料中碳氢化合物的分解时,就会与生物质的热解产物发生较为强烈的氧化反应,从而促进热解过程的进行;对于橡胶与生物质的混合热解来说,一般不会受到单组分之间的相互影响;对于聚乙烯塑料、橡胶以及织物“两两混合”热解的结果,一般地,都会表现出推迟或抑制热解过程的进行。此外,PVC塑料明显表现出:与木屑混合、与含棉织物混合热解时,可以促进热解过程进行的特性;④在500~600℃的温度环境下,相同质量的水蒸发时间相差不多。但在850℃的温度环境下,水蒸发时间(终了时刻)就会大大缩短,蒸发速率就会大大提高。从实际工业应用来看,采用回转窑热解—流化床焚烧技术将会使高水分垃圾原本直接进入流化床的剧烈蒸发现象得到大大缓解,燃烧过程更加稳定;⑤不同垃圾组分与水的混合热解过程都会受到不同程度的、单组分(此时,水也视为1种组分)之间的相互影响。其中,对于塑料、橡胶与水混合热解来说,总的时间与单独热解或蒸发所需时间基本相同,而对于生物质、织物与水的混合热解来说,总的时间比单独热解或蒸发所需时间延长了。⑥缓慢线性升温和等温环境下的2种热重分析方法,在垃圾热解研究中所做的贡献具有互补性、在各自层面中具有相互不可替代的作用。前者可以观察到温度的高低对热解转化程度的影响,例如,各种垃圾组分的起始热解温度是多少?哪些温度区间会发生热分解,热解速度怎么样?它具有微观性和机理性,是一种科学试验研究方法,而在实际工业中是不存在这种运行工况的;后者可以观察到时间的长短对热解转化程度的影响,同时,后者(等温环境)近似于实际热解环境。前者的研究为后者的研究确定了温度范围,减少了盲目性;后者的研究弥补了前者关于时间因素研究的缺陷,同时,研究结果对实际应用也有参考意义。 第三部分:在连续给料回转窑炉内的热解试验研究,属于应用研究。大物料量(1kg/h)热解,更不能忽略传热传质影响,试验热解过程与实际热解过程具有相似性。主要结论是:①热解产物分布特性:除了聚乙烯500℃热解(聚乙烯500℃热解转化率小于50%)以外,在给料量相等时,同一垃圾组分在500~700℃热解向气态产物(包括气体和焦油)的转化程度相差不大。对于粒径小(例如薄片状)的组分,热解产物中气体比例高;反之,热解产物中焦油比例上升;②热解前后的热值对比:塑料和橡胶不含氧或含氧量很少,在热解过程中发生吸热反应,热解后总热值一般是增加的(聚乙烯500℃热解除外)。热值增加的原因是,吸收的热量转化到热解产物上了。生物质和织物含氧量高、在热解过程中发生了部分燃烧放热反应,热解后的总热值是减少的。热解产物的总热值减去给料热值就是热解反应热。③热解能耗:垃圾热解能耗包括热解装置的散热损失、热解反应热以及水的蒸发热。当热解反应热为正值时,反应热真正成为热解能耗的一部分;当热解反应热为负值时,表示放热。此时,反应热成为热解能量补充的唯一内部来源。在假设垃圾热解过程中各组分之间不发生化学反应等条件下,建立了垃圾在长径比为4.36的外热式回转窑炉内、热解停留时间为31.58min的条件下的热解能耗设计计算模型,可供在实际应用垃圾热解—焚烧技术中设计回转窑热解炉时参考。在实际应用中,为了减少垃圾热解能耗,可选用热容低、隔热好的保温材料,减少入炉垃圾的水分,以及在入炉垃圾中多掺一些含氧高的生物质等。


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