垃圾衍生燃料的相關(guān)燃燒性能研究

周泳　黃建陽

摘 要：采用熱重技術(shù)對垃圾衍生燃料（RDF）及其中含有的幾種典型組分進行了實驗研究，探討了它們的燃燒特性并計算出了對應的動力學參數(shù)。研究結(jié)果表明RDF的燃燒可分為四個階段。為了進一步探索RDF的燃燒過程，該文研究了RDF中含有的幾種典型組分在燃燒過程中的交互作用，燃燒實驗表明RDF中的生物質(zhì)與生物質(zhì)混合燃燒不存在交互作用，生物質(zhì)與非生物質(zhì)混合燃燒存在交互作用，同時它們之間的交互作用提高了反應活性。

關(guān)鍵詞：垃圾衍生物 燃燒 動力學

中圖分類號：X799 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0034-02

城市生活垃圾問題已經(jīng)成為了一個全球性的問題，隨著近年來經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市生活垃圾問題也變的日益嚴重。目前處理城市方法主要包括填埋法、堆肥法和焚燒法。由于垃圾焚燒技術(shù)在資源化和減量化方面優(yōu)于填埋法和堆肥法，因此垃圾焚燒近年來越來越受到關(guān)注。然而將城市生活垃圾直接拿來焚燒，資源利用率不高且對焚燒設備的要求較高，因此垃圾燃燒前需對其進行處理。垃圾衍生燃料是城市生活垃圾經(jīng)過分選、除鐵、高壓成型等流程制得的一種燃料，簡稱RDF。垃圾衍生燃料技術(shù)是一種解決城市生活垃圾污染問題的有效途徑。

近年來，許多學者對RDF的裂解特性做出了大量的研究，其中最有代表性的是Garcia，大量的研究表明RDF的裂解過程可以分為兩個部分：纖維成分的裂解和塑料類物質(zhì)的裂解。隨后也對城市生活垃圾與煤混合裂解特性進行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明它們之間混合裂解不存在明顯的交互作用。因此專門針對中國垃圾特點燃燒性能分析對提高城市垃圾轉(zhuǎn)化為RDF具有重要的意義。該文通過熱重分析儀針對RDF的燃燒特性、RDF的典型組分混合燃燒時的交互作用進行了研究，實驗證明垃圾轉(zhuǎn)化為RDF從熱力學和燃燒學意義上說是可以實現(xiàn)的，為RDF研究的深入開展奠定了一定的基礎(chǔ)，并為其它RDF研究者拓寬了研究思路。

1 實驗部分

1.1 樣品準備

RDF來自于武鋼北湖公司，由于我國城市生活垃圾組分復雜，因此只選取木屑、廚余、織物和塑料作為城市生活垃圾典型組分。上述試樣的工業(yè)分析如表1所示。將上述試樣磨碎至直徑小于1mm并烘干。

1.2 實驗儀器

采用美國TA公司的Discovery熱重分析儀。在研究煤、RDF、生物質(zhì)等燃料裂解和燃燒時熱重分析儀是一種應用較廣泛的儀器。該實驗采用熱重分析儀對試樣進行燃燒實驗，得到試樣的燃燒特性曲線，通過燃燒特性曲線分析得到著火點、燃盡溫度、最大燃燒速度等相關(guān)參數(shù)。

1.3 實驗條件

工業(yè)分析參照煤的工業(yè)分析國家標準進行（GB/T 212-2008）。

該實驗研究將樣品放在鉑金坩堝中進行，每次樣品用量5mg左右，升溫速率為20 ℃/min，從室溫升至900 ℃，空氣氣氛，流量為25 ml/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 RDF及典型組分燃燒過程分析

RDF及典型組分的TG曲線及DTG曲線分別如圖1a、1b，由圖1a可以看出所有的試樣在100～150 ℃均有一個較小的失重，這主要是水分的揮發(fā)。

由圖1b的DTG曲線可以看出在150 ℃之后木屑、織物和廚余這三種生物質(zhì)在200～400 ℃、400～600 ℃分別出現(xiàn)失重分，說明水分揮發(fā)后，在200～400 ℃出現(xiàn)了揮發(fā)分的燃燒，隨著溫度的進一步升高在400～600 ℃固定碳發(fā)生了燃燒。由此可見RDF中生物質(zhì)的燃燒可以分為三個階段：水分的揮發(fā)、揮發(fā)分的燃燒及固定碳的燃燒。與生物質(zhì)不同，塑料的DTG曲線中出了水分的揮發(fā)還有3個失重峰，分別在200～400 ℃、400～550 ℃，、550～713 ℃，這主要是因為塑料中固定碳的燃燒是分兩步進行的。由圖1b中RDF的DTG曲線可以看出RDF的燃燒主要分為四個階段：在100～150 ℃之間水分揮發(fā)；在200～400 ℃之間揮發(fā)分燃燒；在400～600 ℃之間固定碳燃燒；在600～710 ℃之間固定碳進一步燃燒。

2.2 燃燒特征參數(shù)分析

著火點（Ti）、燃盡溫度（Tf）、最大燃燒速度（DTGmax）及最大燃燒速度對應的溫度（Tm）是判斷燃料性能的主要特征參數(shù).其特征參數(shù)的判斷方法如圖2所示。

表2中列出了RDF及典型組分的特征參數(shù)。由表2可以看出RDF的著火點在205 ℃左右，燃盡溫度在707 ℃左右，最大燃燒速度在0.24左右，最大燃燒速度對應的溫度大約在279 ℃。RDF的燃盡溫度與塑料的燃盡溫度相近，說明RDF燃盡溫度較高是塑料中較難燃燒的固定碳造成的。由表1可以看出RDF中含有大量的灰分，因此RDF的最大燃燒速度較低。前人的研究表明燃料中揮發(fā)分含量越高著火點越低。由表1可以看出RDF中揮發(fā)分含量較低，但是由表2看出RDF的著火溫度比典型組分都要低，說明RDF中的組分在混合燃燒時發(fā)生了交互作用，導致著火溫度降低。因此該實驗對RDF的典型組分混合燃燒特性做了進一步的研究。

3 結(jié)語

采用熱重分析分別對垃圾衍生燃料（RDF）及其中含有的幾種典型組分：木屑、織物、廚余、塑料進行了燃燒實驗研究，總結(jié)如下。

（1）RDF燃燒可以分為四個階段：水分揮發(fā)、揮發(fā)分燃燒、固定碳燃燒及固定碳進一步燃燒；

（2）RDF中生物質(zhì)組分與生物質(zhì)組分混合燃燒不存在明顯的交互作用，RDF中生物質(zhì)組分與非生物質(zhì)組分混合燃燒存在明顯的交互作用；

（3）RDF中生物質(zhì)組分與非生物質(zhì)組分混合燃燒可以提高反應活性；

（4）RDF及其所含典型組分在不同溫度段燃燒時均可近似為一級反應。

參考文獻

[1] Azil B，Rashid Z，Rahman N，et al.Thermal behaviour study of senakin coal and Refuse Derived Fuel （RDF） blends during pyrolysis using thermogravimetric analysis[J].Environment and Waste Management，2012，10（4）：354-364.endprint

[2] 郭建.城市生活垃圾燃燒特性研究[D].北京：華北電力大學，2007.

[3] Garcia A N，Marcilla A，F(xiàn)ont R，et al.Thermogravimetric kinetic study of the pyrolysis of municipal solid waste[J].Thermochimica Acta，1995，254（15）：277-304.

[4] Laura S，Riina A，Pekka E，et al.Municipal solid waste production and composition in Finland-changes in the period 1960-2002and prospects until 2020[J].Resources，Conservation and Recycling，2007，50（4）：475-488.

[5] Li X G，Yang L，Ma B G，et al.Thermogravimetric investigation on co-combustion characteristics of tobacco residue and high-ash anthracite coal[J].Bioresource Technology，2011，102（20）：9783-9787.

[6] Maurizia S，Sandra V，Marco P，et al.Ghettib， Combustion reactivity of different oil-fired fly ashes as received and leached[J].Fuel，2007，86（12）：1885-1891.

[7] Sorum L，Gronli M G，Hustad J E，et al.Pyrolysis characteristics and kinetics of municipal solid wastes[J].Fuel，2001，80（89）：1217-1227.

[8] Vamvuka D，Kakaras E，Kastanaki E，et al.Pyrolysis characteristics and kinetics of biomass residuals mixtures with lignite[J].Fuel，2003，82（16）：1949-1960.

[9] Varol M，Atimtay A T，Bay B，et al.Investigation of co-combustion characteristics of low quality lignite coals and biomass with thermogravimetric analysis[J].Thermochimica Acta，2010，510（2）：195-201.endprint