陳正華，王雪茜，孫　軍

(南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇　南京　210037)

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城市垃圾與煤混合燃燒特性分析

陳正華，王雪茜，孫軍

(南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210037)

0前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾(MSW)的產(chǎn)生量也在不斷增加[1]。統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)城市人均年產(chǎn)生活垃圾440 kg，全國(guó)主要城市年產(chǎn)生活垃圾1.42×108t，并且每年還在以8%～10%的速度增長(zhǎng)[2-4]。垃圾的大量堆積不僅占用了大量的土地面積，同時(shí)在堆放過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一些有害物質(zhì)污染環(huán)境，破壞生態(tài)平衡。但目前關(guān)于垃圾的處理方法主要有填埋、堆肥和焚燒，這些方法均存在一些不足之處，如填埋過(guò)程中需要大面積的填埋場(chǎng)，且填埋時(shí)會(huì)造成滲透液泄漏，進(jìn)而污染土壤、地下水以及大氣[5]。堆肥法存在處理周期長(zhǎng)、肥效低等缺點(diǎn)。同樣，焚燒過(guò)程中也存在著諸多不足之處，如有害氣體的產(chǎn)生，熱能利用率低等。我國(guó)是一個(gè)由燒煤而引起的污染排放很嚴(yán)重的發(fā)展中國(guó)家，因此發(fā)展城市垃圾與煤混合燃燒這種既能減輕污染，又能利用二次能源的技術(shù)是非常適合中國(guó)國(guó)情的[6]。城市垃圾與煤混燒，一方面減少了SO2的排放，這是因?yàn)槔泻幸恍A金屬和堿土金屬，隨著摻入比例的增加，S轉(zhuǎn)化為SO2的比例會(huì)降低。另一方面垃圾揮發(fā)分含量高，在驟然升溫時(shí)能夠迅速析出，與煤搶氧，局部燃燒區(qū)形成貧氧區(qū)，限制NOx的轉(zhuǎn)化。此外二者混燒還能夠維持燃燒的穩(wěn)定性。城市垃圾與煤混合燃燒的優(yōu)勢(shì)決定了二者燃燒的可能性。本文主要通過(guò)TG-DTG技術(shù)研究城市垃圾與煤混合燃燒特性，為城市垃圾的合理應(yīng)用提供依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)材料、方法和儀器

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)研究的城市垃圾采用?；鞘欣锤鶕?jù)南京城市垃圾的典型配比(廚余、廢紙屑、木廢料、塑料和纖維織物)進(jìn)行原料收集。按照表1配比收集實(shí)驗(yàn)樣品配置城市垃圾。

表1城市垃圾組分配比

組分廚余廢紙屑木廢料塑料纖維織物比例/[%]73.916.961.5315.921.68

煙煤選自江蘇沛縣，試驗(yàn)中城市垃圾、煙煤分別粉碎至0.02 mm以下，按照7∶3的比例充分混和進(jìn)行工業(yè)分析，為了更好的突出城市垃圾與煤混合燃燒特性，本文選用了城市垃圾和煤作為參照對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2原料的工業(yè)分析和發(fā)熱量的測(cè)定

原料工業(yè)分析/[%]發(fā)熱量/kJ·kg-1固定碳揮發(fā)分灰分水分煙煤43.4829.3222.424.7821426城市垃圾13.2474.119.443.2113784城市垃圾與煙煤65.3024.665.934.1116166

從表2可以發(fā)現(xiàn)：首先，城市垃圾與煤混合之后，固定碳含量比兩者單獨(dú)燃燒時(shí)高，接近于二者之和，這是由于城市垃圾與煤混燒，燃燒階段比未加煤前持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，燃燒時(shí)間增長(zhǎng)，燃燒更加充分。其次，從揮發(fā)分含量可知，兩者混合后容易燃燒充分，且燃燒效率高。揮發(fā)分的含量與煙煤燃燒后的含量相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于城市垃圾單獨(dú)燃燒時(shí)的揮發(fā)分，這是由于混合后等質(zhì)的情況下，城市垃圾的含量減少了，城市垃圾容易著火燃燒?；旌虾蟮某鞘欣c煤燃燒更加充分完全，灰分含量減少。最后，城市垃圾與煤混合后，發(fā)熱量會(huì)高于城市垃圾單獨(dú)燃燒時(shí)的發(fā)熱量，但遠(yuǎn)低于煙煤的發(fā)熱量，所以城市垃圾與煤混合后，可作為鍋爐燃料時(shí)“不耐燒”。城市垃圾與煤混燒很好地說(shuō)明了二者之間的“協(xié)同作用”。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法和儀器

本次實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)耐馳STA 409 PC型同步熱分析儀，實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)為：試樣質(zhì)量10 mg±0.1 mg，保護(hù)氮?dú)鈿饬髁繛?0 ml/min，空氣氣流量為20 ml/min，升溫速率為20℃/min，從室溫開(kāi)始升溫，終溫為1 000℃。實(shí)驗(yàn)前用空白樣做基線。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

下圖分別為城市垃圾、煙煤和城市垃圾與煙煤按7:3比例混合物后的TG和DTG曲線。由圖1、圖2的TG曲線和DTG曲線可知，城市垃圾、煤和二者混合物他們的燃燒失重過(guò)程可以分為三個(gè)階段：即水分的干燥階段、揮發(fā)分析出階段和碳化階段。在干燥階段中主要是水分的析出階段，圖2中煙煤和試樣曲線均出現(xiàn)肩縫，主要原因是相對(duì)于城市垃圾煙煤的水分含量更高，這與上文工業(yè)分析得出的結(jié)論一致。同時(shí)，TG曲線、DTG曲線細(xì)微差異的存在是由于各組分的含水率不同導(dǎo)致的。在揮發(fā)分析出階段中，試樣和煙煤的失重曲線相似，而城市垃圾的TG曲線和DTG曲線明顯存在差異，這是由于城市垃圾的揮發(fā)分成分明顯高于試樣和煙煤的揮發(fā)分，而固定碳的含量又低于試樣和煙煤的含量，所以導(dǎo)致了圖1和圖2的燃燒曲線差異。而城市垃圾的TG曲線和DTG曲線高于煙煤和二者混合物，這是由于城市垃圾的燃燒溫度要低于煙煤。此階段主要是揮發(fā)分的析出和燃燒階段，此時(shí)半纖維素、纖維素、部分木質(zhì)素發(fā)生分解及燃燒[7]，導(dǎo)致TG曲線急劇下降，而DTG曲線出現(xiàn)峰肩，這是由于纖維素和半纖維素?zé)峤馑?，決定于半纖維素相對(duì)于組分的含量。在炭化階段中，TG曲線平緩下降，逐漸趨于水平，DTG曲線也趨于平緩，燃燒速率并逐漸減緩。這是由于在此階段中試樣的可燃成分已充分燃燒，只剩下不分解的灰分和固定碳。

圖1　TG過(guò)程曲線

圖2　DTG過(guò)程曲線

在第三階段中，三種試樣燃燒曲線之所以會(huì)出現(xiàn)差異，主要是因?yàn)樗鼈內(nèi)紵螽a(chǎn)生的灰分不同，導(dǎo)致殘余質(zhì)量大小不同，這與在工業(yè)分析中得出的結(jié)論是一致的。因此，試樣的燃燒曲線和它們單獨(dú)燃燒的曲線一樣，均可以分為三個(gè)階段，從TG曲線可知試樣失重比城市垃圾低，并高于煙煤，試樣的DTG曲線的最大失重率低于單獨(dú)燃燒曲線。

圖3　城市垃圾與煤的燃燒過(guò)程曲線

圖3是城市垃圾與煙煤混合燃燒的TG-DTG同步熱分析曲線。從TG-DTG可知城市垃圾與煤混合的整個(gè)燃燒失重階段呈現(xiàn)出雙峰特征，燃燒過(guò)程也分三個(gè)階段：水分析出階段、揮發(fā)分析出與燃燒階段、固定碳燃燒與燃盡階段[8]，燃燒過(guò)程特征參數(shù)如表3所示。

表3燃燒特征參數(shù)

燃燒階段溫度區(qū)間/℃重量變化/[%]最大失重速率點(diǎn)/℃最大失重速率/[%]·min-1水分析出25~153-10.8660.84-1.73揮發(fā)分析出與燃燒153~372-61.82311.49-8.07固定碳燃燒與燃盡372~1000-15.20435.77-6.39

水分析出階段(25~153℃)。此階段主要是干燥階段，由表3可知，該階段變化幅度較小，質(zhì)量變化是-10.86。水分析出是一個(gè)吸熱過(guò)程，為了使試樣能夠燃燒需要對(duì)試樣進(jìn)行加熱。

揮發(fā)分析出與燃燒階段(153~372℃)。水分析出后，需繼續(xù)對(duì)試樣加熱升溫，當(dāng)溫度達(dá)到153℃后，試樣中的揮發(fā)分開(kāi)始析出。由表3可知，此階段是燃燒過(guò)程失重的最大階段，質(zhì)量變化達(dá)到61.82%，且最大失重速率達(dá)到最大值，最大失重速率點(diǎn)在溫度達(dá)到311.49℃時(shí)達(dá)到。揮發(fā)分析出階段在燃燒三個(gè)階段中最為復(fù)雜，從TG曲線來(lái)看，揮發(fā)分析出階段又可分為兩個(gè)階段：153~194℃階段和194~372℃階段。在153~194℃這一階段中TG曲線出現(xiàn)微小的失重趨勢(shì)，之后失重趨勢(shì)加大，這是由于纖維素和半纖維素在此溫度下分解燃燒，生成大量的揮發(fā)分物質(zhì)所致，而在DTG曲線上出現(xiàn)失重波峰，說(shuō)明纖維素開(kāi)始分解燃燒。

固定碳燃燒和燃盡階段(372~1000℃)。此階段失重程度要小于第二階段，值為15.20%。主要表現(xiàn)為殘余揮發(fā)分和固定碳的燃燒失重。燃燒結(jié)束的殘余重量為-12.13%，主要為試樣的灰分。 而在DTG上之所以出現(xiàn)兩個(gè)失重速率點(diǎn)，這是由于城市垃圾的成分復(fù)雜，一些物質(zhì)難以燃盡，從而導(dǎo)致上述失重速率差異。

2.1　城市垃圾著火點(diǎn)的確定

燃料的著火溫度采用TG-DTG方法確定，著火點(diǎn)越低，燃料著火越容易。即將TG曲線下降段和DTG最大失重率曲線的交點(diǎn)的切線與TG曲線基線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度定義為著火溫度[9]。基于此法，由圖3可知城市垃圾與煤混合燃燒的著火點(diǎn)為283.79℃。

3結(jié)論

(1)城市垃圾與煙煤混合燃燒的發(fā)熱量為16 166 kJ/kg，高于城市垃圾單獨(dú)燃燒時(shí)的發(fā)熱量，故城市垃圾與煙煤混合燃燒不僅可以有效的解決城市垃圾堆積和能源浪費(fèi)問(wèn)題，還可以減少煙煤的使用，進(jìn)而降低因煙煤燃燒對(duì)環(huán)境造成的危害。

(2)城市垃圾與煙煤混合物的燃燒曲線與煙煤的燃燒曲線相似，著火點(diǎn)提前，灰分含量減少。相比于城市垃圾的燃燒曲線，混合燃燒后的DTG曲線的失重波峰提前，并且最大失重速率點(diǎn)降低。因?yàn)槌鞘欣c煙煤混合燃燒時(shí)，二者具有一定的協(xié)同作用，所以城市垃圾與煙煤的混合物可作為煙煤的替代能源。

(3)城市垃圾與煙煤混合物的燃燒曲線主要可分為三個(gè)階段：第一階段是試樣中的水分受熱蒸發(fā)失重，此階段是吸熱階段，主要是水分的析出，因而質(zhì)量變化不大，值為10.86%，在三個(gè)階段中最大失重速率也是最小的，值為1.73[%]/min。第二階段是揮發(fā)物的析出和燃燒階段，當(dāng)溫度達(dá)到一定時(shí)，混合物中的半纖維素、纖維素以及部分木質(zhì)素開(kāi)始分解，此階段試樣的質(zhì)量變化最大。第三階段是固定碳的燃燒和燃盡階段，為木質(zhì)素和重碳?xì)浠衔餆峤馐е?，燃燒完全后剩下的就是不能燃燒的灰分?/p>

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摘要：城市垃圾的成分復(fù)雜，并含有大量的水分，燃燒后固定碳含量不高，因而會(huì)產(chǎn)生二次污染，這嚴(yán)重限制了垃圾焚燒工業(yè)的發(fā)展。而煤的添加有助于減少水分，此外SO2、NOx和二噁英的含量也會(huì)因二者的相互作用而減少。本文按7∶3的比例把城市垃圾與煤混合，利用TG-DTG熱分析技術(shù)對(duì)南京地區(qū)的城市垃圾與煤混合物的燃燒過(guò)程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，城市垃圾與煤的混合燃燒主要分為三個(gè)階段，即水分的干燥階段、揮發(fā)分析出階段和碳化階段，在城市垃圾中加入煤后，著火溫度提前，可以獲得更好的燃燒特性。城市垃圾中混入煤，固定碳含量增加，灰分含量減少，燃燒更充分。

關(guān)鍵詞：城市垃圾；煤；熱分析；燃燒特性

Analysis of Urban Waste and Coal Combustion CharacteristicCHEN Zheng-hua，WANG Xue-qian，SUN Jun

(Department of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,China)

Abstract：Urban waste, coal combustion and reasonable solution to the problem of urban waste reduce the use of coal and protect the environment. This article,by 7∶3 ratio,mixed municipal solid waste and coal, using technique of TG-DTG thermal analyzing urban waste and coal combustion process in Nanjing mixture. The results showed that the combustion of urban waste and coal stage can be divided into three stages.After adding coal in urban waste, the ignition temperature in advanced, can lead a better combustion characteristics. Urban waste mixed coal mades heat increase, and the value of urban waste utilization improves.

Key words：urban waste; coal; thermal analysis; combustion characteristics

作者簡(jiǎn)介：陳正華(1990~)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能利用。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD24B0304)。

收稿日期2014-09-25修訂稿日期2014-12-26

中圖分類號(hào)：X506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6339 (2015) 06-0522-04