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1、村镇垃圾混合生物质衍生燃料（RDF）燃烧性能及氯化氢排放特性研究浙江农业ActaAgricuhuraeZhefiangensis,201l,23(3):577581陈江,章旭明.村镇垃圾混合生物质衍生燃料(RDF)燃烧性能及氯化氢排放特性研究J.浙江农业,2011,23(3):577581.村镇垃圾混合生物质衍生燃料(RDF)燃烧性能及氯化氢排放特性研究陈江,章旭明(浙江建设职业技术学院,浙江杭州311231;浙江大学环境资源学院.浙江杭州310028)摘要:村镇垃圾中不可降解物,可燃物所r的比例迅速增加,村镇生活垃圾问题已经成为村镇最急需解决的环境问题.试验将村镇垃圾与秸秆,稻壳等十物质按一
2、定比例混合制成垃圾衍生燃料(RDF),利用热分析法研究燃烧特性,通过FTIR-IC法观测氯化氧的释放i为,结I粜表明村镇垃圾中所含有机氯基本上以氯化氢形式释放,HC1的释放量随温度上升而急剧增加,刮550650达到做值.关键词:村镇;垃圾衍生燃料;燃烧特性;离了也;化叙;q-物质中图分类号:X705文献标志码:A文章编号:10041524(2011)03057705CombustionandHClemissioncharacteristicsofmixedbiomassrefusederivedfuelCHENJiang.ZHANGXu-ruing(.ZhangCollegeofConstru
3、ction,Hangzhou311231,China;CollegeofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China)Abstract:Withtherapideconomicdevelopment,thenumberofliferubbishinvillageswasevergrowlng,thegarbagecomponentsbecamecomplicated,andgarbageproblemhasalreadyturnedintothemosturgentenvironmentalpr
4、oblems.Usingthermalanalyticalmethods,thecombustioncharacteristicsofvillagesolidwastemixedwithbiomassincertainproportionswereexperimentallystudied.Meanwhile,weobservedthehydrogenchloridereleasebehaviorthroughtheionchromatographyandFTIR.Theresultshowedthatthebesttemperaturerangeofhydrogenchlorideemiss
5、ionwas550650C,andtheoptimumatmospherewasair.Keywords:villages;refusederivedfuel(RDF);combustioncharacteristics;ionchr0mat0grphy;hydrogenchloride;biomass村镇垃圾是村镇面源污染的主要来源.随着居民生活水平的提高,村镇垃圾产生数量不断增多,垃圾组分构成日趋复杂化.尤其随着种植业,畜牧业等在村镇中的迅速发展,所产生的塑料袋,废弃农膜,农作物秸秆等大量农业废弃物导致垃圾中不可降解物,可燃物所占的比例迅速收稿13期:20110324基金项目:2008年度
6、浙江省建设科研和推广项目(0807)作者简介:陈江(1979一),男,浙江开化人,讲师,工学硕士,主要研究方向为固废资源化技术.Tel:0571-82606916:E-mail:theniiang66增加.村镇垃圾当前的简单化填埋甚至是露天堆放处理所带来的空气污染,水体污染,土地污染等已经给当地人民甚至是附近城市带来了重大的健康安全隐患.村镇生活垃圾问题已经成为了村镇最急需解决的环境问题.垃圾衍生燃料RDF(refusederivedfue1)是先将生活垃圾进行有效的预处理和成型加工,然后作为固体燃料投入焚烧利用,具有尺寸均匀,热值高,燃烧热能利用率高等特点,经过焚烧处理,固废中的有机物等有毒
7、有害物质可彻底氧化分解.近年来,由于受到能源危机的冲击,加上浙江农业第23卷第3期(2011年5月)各种环保法规的实施与不断强化,垃圾RDF焚烧法在欧美和日本获得迅速发展.在我国部分城市和地区,也有部分城市投入工程实践.赵松等对垃圾衍生燃料RDF在流化床中不同的工况下燃烧反应产生NOx污染物生成特性进行了实验研究.高飞等采用热等离子体喷枪对当地垃圾电厂的飞灰进行处理,经过处理后熔渣的微观结构紧密光滑且无空隙.但这些研究主要集中在与城市垃圾相关的RDF燃烧技术,直接面向村镇垃圾混合生物质制成RDF的燃烧特性及燃烧中氯化氢生成特性的研究并不多见.本试验以收集到的典型村镇垃圾为处理对象,在垃圾中加入
8、秸秆,稻壳等部分生物质添加剂,通过螺杆式挤出成型机加工为RDF样品,并采用热重分析仪,红外光谱联合离子色谱法等对RDF的燃烧特性,温度,燃烧气氛等因素对氯化氢生成特性进行了实验研究.1材料与方法1.1试样制备样品:经过对典型村镇垃圾成分分析及前期研究,选定使用质量分数(干基)为25.27%废塑料,17.36%木屑,22.13%渣土及35.24%厨房垃圾为典型村镇垃圾合成原料.将样品放入383k的恒温干燥箱,干燥8h后,将干燥后的样品研碎,研磨成细颗粒至6O目(0.3mm)左右.同时,将25%生物质与75%干燥后样品混合,在150,转速15r?min下,通过螺杆式挤出成型机加工成粒径约3mlTl
9、的细粒RDF.主要样品工业分析和元素分析具体见表1.1.2试验条件及方法表1试验物料的工业分析和元素分析Table1Proximateanalysisandultimateanalysisofexperimentalmaterials热重实验采用日本岛津TGA一50H热重分析仪,试样质量2Omg,容器为刚玉坩埚,升温速率为15k?min,终态温度保持在1100左右.所用气体为干燥空气,气体流速为25mL?rain.相关分析曲线与数值由计算机输出.为了测定固氯剂除氯效果,搭建了一个固定床石英管反应器(图1),内径为25mm,长度为500mm,使用XMT数显仪和耐热陶瓷热电偶对炉温进行测量和监控,
10、问接反映出物料的温度变化.试验时,将细粒RDF样品置人高温陶瓷砂芯上,反应气氛为空气,空气流速为300rnL?min.使用美国热电Avatar370FTIR红外光谱对RDF在装置中焚烧产生气体进行在线分析,参数选择KBr窗片,气体流速30mL?min.反应后生成气体用碱液鼓泡法吸收,使用瑞士万通792型离子色谱测定吸收液中氯离子浓度.2气孔1一温控仪;2一热电偶;3一集气装置;4一吸收液;5一玻璃砂芯;6一电加热炉;7一样品;8一陶瓷砂芯;9一石英焚烧炉;10一导气管;11一供气钢瓶图1固氯实验装置Fig.1Thecombustiondevice2结果与分辑陈江,等.村镇垃圾混合生物质衍生燃料
11、(RDF)燃烧性能及氯化氢排放特性研究2.1样品的燃烧过程原样品的恒温燃烧过程的热重及热重微分曲线见图2,由图中TG,DTG曲线可以看出,整个燃烧过程可分为3个阶段,总失重率为66.75%,温度范围在11.52138.41oC为水分挥发阶段,失重为0.33mg,占总失重质量的5.39%.温度范围138.41558.42C为有机物挥发阶段,失重为3.12mg;占总失重质量的51.04%.温度范围在558.421040.86为固定碳燃烧阶段,失重为0.63mg,占总失重质量10.32%.与此相对应的DTG曲线表示失重速率的3个峰值,分别是0.12,0.66,0.35mg?min.挥发阶段是物料中分
12、子量较小,化学键较弱的有机成分大量析出燃烧过程,但是在195左右有个明显的凹峰,分析原因主要是挥发份析出量较小,物料表面吸附了部分空气导致吸附增加重量大于有机物析出失重.而且在碳固定阶段的失重仅为10.32%,使得样品燃烧总体失重率偏低.同时考虑村镇垃圾组分实际情况,混入25%质量比生物质助燃剂,继续进行燃烧特性研究.从图3可以看出,混入生物质后样品整个失0E0卜0图2原样品TGDTG曲线Fig.2ThecurveofTGDTGfromoriginalsample0001p0?一o.001三一0-002凸_0l003娄一00041llll鞋一O.005050010001500温度/C图3混合样
13、品TGDTG曲线Fig.3ThecurveofTGDTGfromcompoundsample重过程与原试样基本类似,在添加生物质以后,秸秆,稻壳等物质粗纤维含量高,堆积密度和断裂强度较小,制成的废物衍生燃料强度高,燃烧性能稳定.生物质中挥发份含量高,与村镇垃圾产生的挥发份一起燃烧,使得RDF物料在挥发阶段的失重率从51.04%提升到63.25%,有效消除了凹峰.且由于其固定碳含量相对较大,对原样品助燃效果较好,使得碳固定阶段失重率从10.32%上升到22.17%.但是由于生物质产生的灰份密度小,在燃烧过程中容易粘附在物料表面,妨碍空气向物料的进一步传导,所以失重速率从0.35mg?min下降到
14、0.13mg?min.2.2燃烧动力学参数根据质量作用定律,假设燃烧反应服从Arrhenius公式,固体燃烧的反应速率可表示为:da:.一(1一.)”(1)1(D式中,Ct为燃烧转化率;T为反应温度;A为频率因子;为升温速率,=dT/dt;E为活化能;R为理想气体常数;N为总反应级数.若按照一级反应处理,并经过Doyle的推导及Hancock的经验公式,可得:Fn(一n(一n)+5?33=in(2)通过该公式求出直线的斜率可得物料的燃烧动力学相关参数(表2).从表中可得,各种燃料不同失重阶段的反应都可以很好地拟合成为一条直线.由此可认为一级反应可以正确描述物料的燃烧过程.2.3RDF燃烧过程中
15、氯化氢释放行为为了明确村镇垃圾RDF样品中有机氯的转化形式,利用FTIR红外光谱仪考察了样品燃烧产生废气.图4是在燃烧状态下(380C),焚烧炉逸出气体的典型光谱图.为了正确选择合适的判定HC1的吸收峰,参照Shao的工作发现,HC1主要在26003100em范围内有8个明显的红外特征峰.而2798eill,2900cm等处的HC1吸收峰只是轻微的被CH的吸附峰所覆盖,且它的峰强度明显高于CH的峰,因此可作为判定HC1的释放峰.而且也可以看出,在谱图中并没有出现其他形式含氯物质的特征峰,所以可以进一步明确,在不同工况下对村镇垃圾7654321OE0J-6543210口Eo-L?580?浙江农业
16、第23卷第3期(2011年5月)4000300020001000波数/c/7/图4样品燃烧中逸出气体FTIR谱图Fig.4TheFTIRspectrogramaboutemissiongasRDF进行热处理,所含的氯基本上以氯化氢形式释放.2.4温度对氯化氢生成的影响通过红外光谱对焚烧炉中废气进行在线分析,背景为未燃烧时炉内气体,可得:开始加热时,HC1的释放量随温度上升而急剧增加,到550650达到极值,随后随着温度的上升而有小幅度的下降.已明确残渣中的有机氯大部分以氯化氢的形式存在,所以将残渣燃烧反应产生的HC1气体用碱液鼓泡法吸收,并用离子色谱对溶液进行定量分析,再次考察温度变化对氯化氢
17、析出的影响.由图中可得,在温度升高时,氯化氢的释放量也增加.释放峰值温度段为550650oC.650oC以后,氯化氢气体的析出量仍然保持较高,但已呈下降趋势.2.5燃烧气氛对氯化氢生成的影响为了得到不同燃烧气氛对氯化氢生成特性的影响,考察了在空气,氧气燃烧气氛下随温度的变化情况.从图中可以看出,即使是在燃烧性能较好的氧气气氛下,氯化氢释放浓度依然与在,_JoE蜒200300400500600700800温度,图5温度对残渣中HCI气体析出的影响Fig.5Effectoftemperatureonhydrogenchlorineemissionfromresidues空气气氛下相当.说明在氧化性
18、气氛下,成氯反应依然向着正反应方向进行,HC1的反应速率有所提高.但总体来看,由于成分比较复杂,燃烧气氛对垃圾中有机氯生成特性影响不大,所以,一般应用气氛可以选择空气.500600700800900温度/图6不同气氛HCI气体析出曲线Fig.6Effectofdifferentatmosphereonhydrogenchlorineemission加侣加509876543211200O000O0O0O求髻寻50一J.0E一鹾陈江,等.村镇垃圾混合生物质衍生燃料(RDF)燃烧性能及氯化氢排放特性研究.581.3结论(1)村镇垃圾与秸秆等生物质制成RDF可有效改善垃圾的性能,有利于物料后续燃烧,且
19、燃烧过程服从燃烧动力学基本方程表征规律,可用一级反应来描述.(2)村镇垃圾中所含有机氯基本上以氯化氢形式释放.HC1的释放量随温度上升而急剧增加,到550C650qC达到极值,在650C以后,氯化氢气体的析出量仍然保持较高,但已经呈下降趋势.一般应用气氛选择空气.(3)考虑村镇经济的现实情况,将村镇垃圾与生物质混合制取废弃物衍生燃料,并进行焚烧利用,可以有效解决村镇垃圾及废弃生物质,具有广阔的应用前景.参考文献:沈伯雄,姚强.垃圾衍生燃料技术概述J.能源研究与利用,2002,(2):1115.赵松,李海滨,阎常峰.垃圾衍生燃料(RDF)流化床燃烧过程中NOx的产生J.太阳能,2006,7(2)
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