PDF《城市生活垃圾与稻壳混合制取垃圾衍生燃料的动力学》

第41 卷第

3 期2019 年5月南京工业大学学报(自 然科学版) JOURNAL OF NANJING TECH UNIVERSITY (Natural Science Edition) Vol.

41 No.3 May

2019 doi:10.3969/ j.issn.1671-7627.2019.03.009 城市生活垃圾与稻壳混合制取垃圾衍生燃料的动力学 王洋洋,宋凯凯,李昌勇 (南京工业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 211800) 收稿日期:2018-04-19 基金项目:江苏高校优势学科建设工程(PAPD) 作者简介:王洋洋(1990―),男,E?mail:wangyy9264@ 163.com;

李昌勇(联系人),教授,E?mail:chyli@ 126.com. 引用本文:王洋洋,宋凯凯,李昌勇.城市生活垃圾与稻壳混合制取 RDF 的动力学[J].南京工业大学学报(自然科学版),2019,41(3):326-332. 摘要: 为提高水泥窑协同处置城市生活垃圾的能源化利用率,运用 Coats Redfern 方法对城市生活垃圾与稻壳 混合制取的垃圾衍生燃料(RDF)进行动力学分析. 结果表明:稻壳、城市生活垃圾以及由其混合制取的 RDF 的燃 烧过程可由 2~3 个1级反应进行描述;

城市生活垃圾、稻壳及 RDF 的活化能都很小,具有较好的着火特性;

加入稻 壳后 RDF 的活化能及指前因子略有增大;

加入稻壳后 RDF 的反应速率明显提高,尤其是加入少量稻壳时反应速率 常数由 5?

88 增加到 40?

5 和48? 8. 可以认为水泥窑协同处置城市生活垃圾时,加入少量的稻壳(最大燃烧速率时 的稻壳质量分数为 20%)可以提高生活垃圾的燃烧速率,从而稳定分解炉内的燃烧. 关键词: 动力学分析;

活化能;

反应速率;

垃圾衍生燃料;

城市生活垃圾 中图分类号: TQ172?

9 文章编号: 1671-7627(2019)03-0326-07 Combustion dynamic analysis of refuse derived fuel made by municipal solid waste and rice hunk WANG Yangyang,SONG Kaikai,LI Changyong (Collage of Materials Science and Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China) Abstract:The combustion dynamic analysis of refuse derived fuel (RDF) made by municipal solid waste and rice hunk by means of Coats?Redfern was investigated for raising the energy utilization rate of the municipal solid waste. Results showed that the combustion process of rice husk, municipal solid waste and RDF could be described by two or three first?order reactions;

RDF had a lower ignition temperature than coal because of its low activation energy. After addition of rice husk, activation energy and pre? exponential factor of RDF were improved;

the RDF reaction rate was significantly increased with adding rice husk at the same thermodynamic temperature, and the reaction rate constants for the samples added a small amount of rice hunk increased from 5?

88 to 40?

5 and 48? 8. It could be considered that when using the cement kiln to coordinated disposal of municipal solid waste, adding a small amount of rice hunk (20% at maximum reaction rate constants of RDF) could increase the reaction rate of municipal solid waste, and stabilize the combustion in the decomposition furnace. Key words: dynamic analysis;

activation energy;

reaction rate;

refuse derived fuel;

municipal solid waste 随着社会发展及人们生活水平的提高,生活垃圾 数量也随之增加,垃圾围城的问题日益严重[1] ,根据国 家统计局的统计

2017 年全国

680 余座城市垃圾清运量 高达

21 520?

9 万t[2] . 生活垃圾作为污染源的同时也 是一种资源,如何科学合理地处置城市生活垃圾,使其 减量化、资源化、无害化[3-7] ,是人们亟待解决的问题. 目前,垃圾焚烧技术因能较好地实现垃圾减容、减量的 目的,并可对其余热进行有效利用而受到广泛关注. 城市生活垃圾直接作为固体燃料时,由于垃圾中有机 物极易腐烂,难以运输和贮藏. 城市生活垃圾经过分 选、破碎、干燥、压制等过程制成垃圾衍生燃料(RDF) 是垃圾资源化利用的有效方式. 由于生活垃圾日益增 多,土地资源紧张,化石能源减少,RDF 受到越来越多 的关注[8] . 陈盛建等[9] 认为 RDF 具有热值高、燃烧稳 定、便于运输、易于储存等优点,广泛用于水泥工业及 发电工程等领域;

朱明等[10] 通过对 RDF 的热工性能研 究,得出通过物理方法可以降低 RDF 自由水含量及加 入固态可燃物可以提高 RDF 的热值;

胡曙光等[11] 对RDF 与煤粉进行了燃烧性能分析,认为 RDF 燃烧过程 主要分为

4 个阶段进行,且RDF 灰分与水泥熟料矿物 的化学成分一致;

Kara 等[12] 研究表明将质量分数不超 过15%的RDF 与煤等燃料混合燃烧时,不会对水泥窑 产生不利影响. 近年来,城市生活垃圾与生物质进行混合燃烧 受到广泛关注,孙明明[13] 研究了沈阳市高热值垃圾 与玉米秸秆混合燃烧的燃烧特性,认为生物质 30% 时燃烧反应速率最大;

周斌等[14-15] 对秸秆成型燃料 与RDF 混合燃烧进行了研究,认为混合燃烧的效率 高于 RDF 单独燃烧的效率;

Demirbas[16] 和田颖等[17] 对生物质与垃圾混合燃烧的环境分析进行研 究,认为可以通过控制生物质掺烧比例、改造焚烧 锅炉及尾气处理装置等方法改善生物质掺烧过程 中产生的环境问题;

稻壳作为一种生物质的同时, 富含纤维素、木质素、 SiO2 , 焚烧形成的稻壳灰中 SiO2 含量在 90%以上且具有火山灰活性[18-19] ,可以 改善水泥或混凝土的性能,大幅度提高水泥胶砂强 度. 陆飞等[20] 对稻壳燃烧特性及动力学模型进行 了研究,认为稻壳中 N、S 含量低、环境危害性小,着 火温度为

257 ~

290 ℃;

陈蓉等[21] 对稻壳和木屑燃 烧特性进行了对比,研究结果表明稻壳比木屑着火 点高,燃烧性能差. 城市生活垃圾与稻壳同为废弃 物,如果能加以利用,不仅减少了环境污染问题,还 能使其变废为宝. 诸多学者对生活垃圾与燃煤及生物质混合燃 烧进行研究,但没有涉及能够改善水泥性能的稻壳 在水泥工艺中的应用. 本文对城市生活垃圾、稻壳 及RDF 在热分析仪上进行燃烧试验,通过 Coats Redfern 法计算 RDF 及稻壳的动力学方程. Coats Redfern 法是一种通用的非等温模型数据回归方法, Petrovi'

c 等[22] 对多个动力学方法进行参数分析,发现Coats Redfern 法误差最小,小于 2%. Coats Redfern 法对热分析中质量损失曲线数据进行拟合, 选择线性相关性最好的函数作为最概然机制函数. 通过拟合曲线的斜率与截距联立方程组可以求出 活化能(E) 及指前因子(A),根据阿伦尼乌斯方程 可以求出燃料燃烧的反应速率常数(k).

1 实验 1.1 材料 本文以南京市某垃圾中转站的原生城市生活垃圾 为原料,通过人工删选、分离、干燥后破碎,使其粒径≤

1 mm,组成如表

1 所示. 稻壳取自南京市郊区,同样对 其进行破碎,使其粒径≤1 mm. 将粉末状生活垃圾与 稻壳粉按比例混合制成复合 RDF,得到稻壳质量分数 分别为 10%、20%、30%、40% 的R

1、R

2、R

3、R4 及纯城 市生活垃圾(MSW)和纯稻壳(RH)6 组样品. 表1城市生活垃圾组成(湿基) Table

1 Composition of municipal solid waste (wet) % w (蔬菜) w(瓜皮) w(动物骨) w(木竹) w(纸类) w(织物) w(塑料) w(香蕉) w(其他) 41?

6 43?

5 0?

5 1?

0 3?

2 0?

8 8?

8 0?

5 0?

1 1.2 仪器及条件 热分析采用德国 STA449C 型热质量分析仪,试 验时升温速率

20 ℃ / min,终温为1

000 ℃,燃烧气 氛为空气,空气流量为

30 mL/ min,每次取样约为

5 mg.

2 结果与讨论 2.1 热分析结果 不同稻壳含量的 RDF 的热质量(TG)和微分热 质量(DTG)分析曲线分别如图

1 和2所示. 从图

1 7

2 3 第3期王洋洋等:城市生活垃圾与稻壳混合制取 RDF 的动力学 和2可以看出,RDF 的燃烧过程大致可以分为

4 个 阶段:水分脱除(AB 段)、挥发分析出燃烧(BC 段)、 聚合物燃烧(CD 段)和固定碳燃烧(DE 段),这与文 献[10,23]结果基本类似. 而稻壳燃烧只有

3 个阶 段,即:水分脱除(AB 段)、挥发分析出燃烧(BC 段) 和固定碳燃烧(CD 段). 因为稻壳中不含有塑料橡 胶等聚合物,所以在挥发分析出燃烧后直接进行固 定碳的燃烧,其他质量损失区域与 RDF 大体一致. 第一个质量损失区域(AB 段) 温度范围为

40 ~

200 ℃,代表着 RDF 的脱水过程;

第二个质量损失区域 (BC 段)温度范围为

200 ~

320 ℃,在这段温度范围 内生活垃圾和稻壳中的纤维素、木质素和半纤维素 等物质析出燃烧;

第三个质量损失区(CD 段) 温度 范围为>

320~430 ℃;

第四个质量损失区(DE 段)温 度范围为>

430 ~

600 ℃,在这一温度区域内主要进 行固定碳的燃烧,纤维素类物质和聚合物的降解过 程都伴随着焦炭的产生. 生活垃圾中所含的塑料、 橡胶产生焦炭后在这一阶段极速燃烧并产生大量 的热. 由于稻壳中不含有聚合物,其燃烧温度范围 较其他

5 种样品有所不同,其固定碳燃烧温度范围 为320~480 ℃. 图1RDF、MSW 及RH 的燃烧 TG 曲线 Fig.1 TG curves of RDF, MSW and RH 2.2 动力学方程的选择 热分析动力学研究一般都遵循式(1)最基本的 假设[24] . A(固)→B(固)+C(气) (1) 在描述该反应的动力学问题时,其反应速率与 温度的关系一般有两种形式的方程表示,见式(2) 和(3). dα dt = kf(α) (2) G(α) = kt (3) 式中:?(α)是动力学机制函数的微分形式,G(α)为图2MSW、RDF 和RH 的燃烧 DTG 曲线 Fig.2 DTG curves of MSW,RDF and RH 动力学机制函数的积分形式,两者存在式 (4) 的 关系. f(α) =

1 G? (α) = dα d[G(α)] (4) 式中:t 为燃烧时间;

α 为转化率,α 可通过式(5) 求出. α = m0 - mt m0 - mw (5) 式中:m0 为样品原始质量,g;

mt 为t时刻样品燃烧 所剩质量,g;

mw 为样品燃烧结束时所剩质量,g. Arrhenius 于1889 年提出了阿伦尼........