1、村鎮垃圾混合生物質衍生燃料（RDF）燃燒性能及氯化氫排放特性研究浙江農業ActaAgricuhuraeZhefiangensis,201l,23(3):577581 :/ zjnyxb 陳江,章旭明.村鎮垃圾混合生物質衍生燃料(RDF)燃燒性能及氯化氫排放特性研究J.浙江農業,2011,23(3):577581.村鎮垃圾混合生物質衍生燃料(RDF)燃燒性能及氯化氫排放特性研究陳江,章旭明(浙江建設職業技術學院,浙江杭州311231;浙江大學環境資源學院.浙江杭州310028)摘要:村鎮垃圾中不可降解物,可燃物所r的比例迅速增加,村鎮生活垃圾問題已經成為村鎮最急需解決的環境問題.試驗將村鎮垃圾與

2、秸稈,稻殼等十物質按一定比例混合制成垃圾衍生燃料(RDF),利用熱分析法研究燃燒特性,通過FTIR-IC法觀測氯化氧的釋放i為,結I糶表明村鎮垃圾中所含有機氯基本上以氯化氫形式釋放,HC1的釋放量隨溫度上升而急劇增加,刮550650達到做值.關鍵詞:村鎮;垃圾衍生燃料;燃燒特性;離了也;化敘;q-物質中圖分類號:X705文獻標志碼:A文章編號:10041524(2011)03057705CombustionandHClemissioncharacteristicsofmixedbiomassrefusederivedfuelCHENJiang.ZHANGXu-ruing(.ZhangColle

3、geofConstruction,Hangzhou311231,China;CollegeofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China)Abstract:Withtherapideconomicdevelopment,thenumberofliferubbishinvillageswasevergrowlng,thegarbagecomponentsbecamecomplicated,andgarbageproblemhasalreadyturnedintothemosturgentenvi

4、ronmentalproblems.Usingthermalanalyticalmethods,thecombustioncharacteristicsofvillagesolidwastemixedwithbiomassincertainproportionswereexperimentallystudied.Meanwhile,weobservedthehydrogenchloridereleasebehaviorthroughtheionchromatographyandFTIR.Theresultshowedthatthebesttemperaturerangeofhydrogench

5、lorideemissionwas550650C,andtheoptimumatmospherewasair.Keywords:villages;refusederivedfuel(RDF);combustioncharacteristics;ionchr0mat0grphy;hydrogenchloride;biomass村鎮垃圾是村鎮面源污染的主要來源.隨著居民生活水平的提高,村鎮垃圾產生數量不斷增多,垃圾組分構成日趨復雜化.尤其隨著種植業,畜牧業等在村鎮中的迅速發展,所產生的塑料袋,廢棄農膜,農作物秸稈等大量農業廢棄物導致垃圾中不可降解物,可燃物所占的比例迅速收稿13期:20110324

6、基金項目:2008年度浙江省建設科研和推廣項目(0807)作者簡介:陳江(1979一),男,浙江開化人,講師,工學碩士,主要研究方向為固廢資源化技術.TelE-mail:theniiang66yahoo 增加.村鎮垃圾當前的簡單化填埋甚至是露天堆放處理所帶來的空氣污染,水體污染,土地污染等已經給當地人民甚至是附近城市帶來了重大的健康安全隱患.村鎮生活垃圾問題已經成為了村鎮最急需解決的環境問題.垃圾衍生燃料RDF(refusederivedfue1)是先將生活垃圾進行有效的預處理和成型加工,然后作為固體燃料投入焚燒利用,具有尺寸均勻,熱值高,燃燒熱能利用率高等特點,

7、經過焚燒處理,固廢中的有機物等有毒有害物質可徹底氧化分解.近年來,由于受到能源危機的沖擊,加上浙江農業第23卷第3期(2011年5月)各種環保法規的實施與不斷強化,垃圾RDF焚燒法在歐美和日本獲得迅速發展.在我國部分城市和地區,也有部分城市投入工程實踐.趙松等對垃圾衍生燃料RDF在流化床中不同的工況下燃燒反應產生NOx污染物生成特性進行了實驗研究.高飛等采用熱等離子體噴槍對當地垃圾電廠的飛灰進行處理,經過處理后熔渣的微觀結構緊密光滑且無空隙.但這些研究主要集中在與城市垃圾相關的RDF燃燒技術,直接面向村鎮垃圾混合生物質制成RDF的燃燒特性及燃燒中氯化氫生成特性的研究并不多見.本試驗以收集到的典

8、型村鎮垃圾為處理對象,在垃圾中加入秸稈,稻殼等部分生物質添加劑,通過螺桿式擠出成型機加工為RDF樣品,并采用熱重分析儀,紅外光譜聯合離子色譜法等對RDF的燃燒特性,溫度,燃燒氣氛等因素對氯化氫生成特性進行了實驗研究.1材料與方法1.1試樣制備樣品:經過對典型村鎮垃圾成分分析及前期研究,選定使用質量分數(干基)為25.27%廢塑料,17.36%木屑,22.13%渣土及35.24%廚房垃圾為典型村鎮垃圾合成原料.將樣品放入383k的恒溫干燥箱,干燥8h后,將干燥后的樣品研碎,研磨成細顆粒至6O目(0.3mm)左右.同時,將25%生物質與75%干燥后樣品混合,在150,轉速15r?min下,通過螺桿

9、式擠出成型機加工成粒徑約3mlTl的細粒RDF.主要樣品工業分析和元素分析具體見表1.1.2試驗條件及方法表1試驗物料的工業分析和元素分析Table1Proximateanalysisandultimateanalysisofexperimentalmaterials熱重實驗采用日本島津TGA一50H熱重分析儀,試樣質量2Omg,容器為剛玉坩堝,升溫速率為15k?min,終態溫度保持在1100為固定碳燃燒階段,失重為0.63mg,占總失重質量10.32%.與此相對應的DTG曲線表示失重速率的3個峰值,分別是0.12,0.66,0.35mg?min.揮發階段是物料中分子量較小,化學鍵較弱的有機成

10、分大量析出燃燒過程,但是在195左右有個明顯的凹峰,分析原因主要是揮發份析出量較小,物料表面吸附了部分空氣導致吸附增加重量大于有機物析出失重.而且在碳固定階段的失重僅為10.32%,使得樣品燃燒總體失重率偏低.同時考慮村鎮垃圾組分實際情況,混入25%質量比生物質助燃劑,繼續進行燃燒特性研究.從圖3可以看出,混入生物質后樣品整個失0E0卜0圖2原樣品TGDTG曲線Fig.2ThecurveofTGDTGfromoriginalsample0001p0?一o.001三一0-002凸_0l003婁一00041llll鞋一O.005050010001500溫度/C圖3混合樣品TGDTG曲線Fig.3T

11、hecurveofTGDTGfromcompoundsample重過程與原試樣基本類似,在添加生物質以后,秸稈,稻殼等物質粗纖維含量高,堆積密度和斷裂強度較小,制成的廢物衍生燃料強度高,燃燒性能穩定.生物質中揮發份含量高,與村鎮垃圾產生的揮發份一起燃燒,使得RDF物料在揮發階段的失重率從51.04%提升到63.25%,有效消除了凹峰.且由于其固定碳含量相對較大,對原樣品助燃效果較好,使得碳固定階段失重率從10.32%上升到22.17%.但是由于生物質產生的灰份密度小,在燃燒過程中容易粘附在物料表面,妨礙空氣向物料的進一步傳導,所以失重速率從0.35mg?min下降到0.13mg?min.2.2

12、燃燒動力學參數根據質量作用定律,假設燃燒反應服從Arrhenius公式,固體燃燒的反應速率可表示為:da:.一(1一.)”(1)1(D式中,Ct為燃燒轉化率;T為反應溫度;A為頻率因子;為升溫速率,=dT/dt;E為活化能;R為理想氣體常數;N為總反應級數.若按照一級反應處理,并經過Doyle的推導及Hancock的經驗公式,可得:Fn(一n(一n)+5?33=in(2)通過該公式求出直線的斜率可得物料的燃燒動力學相關參數(表2).從表中可得,各種燃料不同失重階段的反應都可以很好地擬合成為一條直線.由此可認為一級反應可以正確描述物料的燃燒過程.2.3RDF燃燒過程中氯化氫釋放行為為了明確村鎮垃

13、圾RDF樣品中有機氯的轉化形式,利用FTIR紅外光譜儀考察了樣品燃燒產生廢氣.圖4是在燃燒狀態下(380C),焚燒爐逸出氣體的典型光譜圖.為了正確選擇合適的判定HC1的吸收峰,參照Shao的工作發現,HC1主要在26003100em范圍內有8個明顯的紅外特征峰.而2798eill,2900cm等處的HC1吸收峰只是輕微的被CH的吸附峰所覆蓋,且它的峰強度明顯高于CH的峰,因此可作為判定HC1的釋放峰.而且也可以看出,在譜圖中并沒有出現其他形式含氯物質的特征峰,所以可以進一步明確,在不同工況下對村鎮垃圾7654321OE0J-6543210口Eo-L?580?浙江農業第23卷第3期(2011年5

14、月)4000300020001000波數/c/7/圖4樣品燃燒中逸出氣體FTIR譜圖Fig.4TheFTIRspectrogramaboutemissiongasRDF進行熱處理,所含的氯基本上以氯化氫形式釋放.2.4溫度對氯化氫生成的影響通過紅外光譜對焚燒爐中廢氣進行在線分析,背景為未燃燒時爐內氣體,可得:開始加熱時,HC1的釋放量隨溫度上升而急劇增加,到550650達到極值,隨后隨著溫度的上升而有小幅度的下降.已明確殘渣中的有機氯大部分以氯化氫的形式存在,所以將殘渣燃燒反應產生的HC1氣體用堿液鼓泡法吸收,并用離子色譜對溶液進行定量分析,再次考察溫度變化對氯化氫析出的影響.由圖中可得,在溫

15、度升高時,氯化氫的釋放量也增加.釋放峰值溫度段為550650oC.650oC以后,氯化氫氣體的析出量仍然保持較高,但已呈下降趨勢.2.5燃燒氣氛對氯化氫生成的影響為了得到不同燃燒氣氛對氯化氫生成特性的影響,考察了在空氣,氧氣燃燒氣氛下隨溫度的變化情況.從圖中可以看出,即使是在燃燒性能較好的氧氣氣氛下,氯化氫釋放濃度依然與在,_JoE蜒200300400500600700800溫度,圖5溫度對殘渣中HCI氣體析出的影響Fig.5Effectoftemperatureonhydrogenchlorineemissionfromresidues空氣氣氛下相當.說明在氧化性氣氛下,成氯反應依然向著正反

16、應方向進行,HC1的反應速率有所提高.但總體來看,由于成分比較復雜,燃燒氣氛對垃圾中有機氯生成特性影響不大,所以,一般應用氣氛可以選擇空氣.500600700800900溫度/圖6不同氣氛HCI氣體析出曲線Fig.6Effectofdifferentatmosphereonhydrogenchlorineemission加侶加509876543211200O000O0O0O求髻尋50一J.0E一鹺陳江,等.村鎮垃圾混合生物質衍生燃料(RDF)燃燒性能及氯化氫排放特性研究.581.3結論(1)村鎮垃圾與秸稈等生物質制成RDF可有效改善垃圾的性能,有利于物料后續燃燒,且燃燒過程服從燃燒動力學基本方

17、程表征規律,可用一級反應來描述.(2)村鎮垃圾中所含有機氯基本上以氯化氫形式釋放.HC1的釋放量隨溫度上升而急劇增加,到550C650qC達到極值,在650C以后,氯化氫氣體的析出量仍然保持較高,但已經呈下降趨勢.一般應用氣氛選擇空氣.(3)考慮村鎮經濟的現實情況,將村鎮垃圾與生物質混合制取廢棄物衍生燃料,并進行焚燒利用,可以有效解決村鎮垃圾及廢棄生物質,具有廣闊的應用前景.參考文獻:沈伯雄,姚強.垃圾衍生燃料技術概述J.能源研究與利用,2002,(2):1115.趙松,李海濱,閻常峰.垃圾衍生燃料(RDF)流化床燃燒過程中NOx的產生J.太陽能,2006,7(2):212216.高飛,馬增益,王勤.熱等離子體噴槍在垃圾焚燒飛灰處理中的應用J.環境污染與防治,2010,(7):l014.陳江,黃立維,章旭明.垃圾衍生燃料熱重一紅外聯用法的熱解特性J.環境科學與技術,2008,31(1):2932.劉豪,邱建榮,董學文.生物質與煤混燒的燃燒特性研究J熱能動力工程,2004,(17):45l一454.陳鏡泓,李傳儒.熱分析及其應用M.北京:科學出版社,1985.NakagawaK,TamonH,SuzukiT,eta1.Preparationandcharacterizationofactivatedcarbons