城市生活垃圾燃燒特性研究

陳國艷，曾紀進，段翠九

（1.福建省豐泉環(huán)?？毓捎邢薰荆Ｖ?350007；2.中德（中國）環(huán)保有限公司，北京 100142；3.清華大學(xué)熱能工程系，北京 100083）

1 引言

由于自然資源的不斷開發(fā)利用和社會經(jīng)濟的發(fā)展，特別是隨著人口的高度集中和城市化的迅速發(fā)展，世界各國的垃圾產(chǎn)生量均以較快的速度增長，由此產(chǎn)生的垃圾給地球生態(tài)以及人類生存環(huán)境帶來了巨大的威脅，目前已成為重要的社會問題之一[1、2]。

近幾十年來，對于煤燃燒過程中NOx、SO2的生成特性，專家們已做了大量的研究工作[4、5]。但有關(guān)焚燒垃圾過程中NOx、SO2的生成特性的報道則很少，同時，由于垃圾成分及燃燒過程比煤的情形復(fù)雜得多，生成氮氧化物的危害性更大。因此有必要對垃圾焚燒過程中NOx、SO2生成的特性進行深入研究，為找出相應(yīng)的降低NOx排放的措施提供理論指導(dǎo)。盡管人們付出了巨大努力，垃圾焚燒的廢氣排放問題卻一直無法得到根本解決，尤其是有關(guān)二英危害人類健康的報道使得公眾對垃圾焚燒造成的二次污染的擔(dān)心日益加重[3、4]。

固體廢棄物的燃燒是一個復(fù)雜的連續(xù)化學(xué)反應(yīng)過程，其中有大分子的斷鍵、異構(gòu)等反應(yīng)，燃燒的中間物質(zhì)一方面是大分子裂解成小分子，另一方面，又有小分子聚合成較大的分子。無論是焚燒、氣化，還是燃燒，垃圾的揮發(fā)分析出過程都是一個必經(jīng)階段，所以燃燒是所有垃圾熱處理工藝的前提和基礎(chǔ)。因此，了解城市生活垃圾的燃燒特性對垃圾熱處理裝置的設(shè)計和運行具有重要的指導(dǎo)意義，因而有必要對垃圾的燃燒特性進行深入系統(tǒng)的研究[5]。

本文采用立式固定床快速分解技術(shù)，對典型垃圾組分在高溫下進行燃燒特性研究，以探討溫度、過量空氣系數(shù)等對垃圾焚燒煙氣特性的影響，該研究對現(xiàn)場應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

2 試驗

2.1 試驗設(shè)備與方法

本試驗采用固定床燃燒裝置（如圖1所示）。該裝置主要由電加熱爐、高壓氣瓶、冷卻裝置、積灰裝置、氣體分析儀器、過濾器等組成。首先將爐子加熱到800℃，待爐子恒溫后，把準備好的典型垃圾組分通過給料機連續(xù)送入爐內(nèi)。垃圾組分經(jīng)過熱解燃燒后，煙氣經(jīng)過冷卻、除灰、過濾后進入氣體分析儀測量，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄。

圖1 燃燒試驗裝置示意

2.2 試驗樣品

試驗樣品選取某地區(qū)由典型垃圾組分按比例組成的垃圾，物料大小為3～5mm，試驗樣品取1kg/h。試驗所用物料的典型組分元素分析數(shù)據(jù)見下表。

典型垃圾組分元素分析表

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對煙氣成分含量的影響

從圖2可以看出，在過量空氣系數(shù)為1.6時，溫度從800℃到950℃的垃圾燃燒特性：隨著溫度的升高，NOx的含量由130mg/m3增加到約250mg/m3，增加速度較快，基本成直線上升。SO2的含量由185mg/m3增加到約245mg/m3，基本上也是呈逐步增加的趨勢，主要是由于垃圾中的S在高溫的情況下與O2反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)效率更高[6]。CO的含量由122mg/m3減少到約60mg/m3，這主要是由于垃圾產(chǎn)生的CO在高溫的情況下與O2反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)效率更高，生成的CO2含量增加。H2S的含量由85mg/m3減少到約38mg/m3，主要是由于垃圾產(chǎn)生的H2S在高溫的情況下與O2反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)效率更高，生成的SO2含量增加。

圖2 溫度對煙氣成分的影響（過量空氣系數(shù)為1.6）

3.2 過量空氣系數(shù)對煙氣成分的影響

從圖3可以看出，在爐膛溫度為900℃時，過量空氣系數(shù)從1.2到2.0的垃圾燃燒特性：隨著過量空氣系數(shù)的增加，NOx的含量由185mg/m3增加到約225mg/m3，增加速度較緩慢，基本上成直線上升，這主要是由于隨著過量空氣系數(shù)的增加，NOx含量迅速增加，但由于過量空氣的稀釋，所以NOx含量增加緩慢。SO2的含量由215mg/m3減少到約115mg/m3，基本上呈逐步減少的趨勢，主要是由于垃圾中的S在過量空氣的情況下有利于SO2及硫氧化物氣體的生成，但是，由于過量空氣的稀釋，所以SO2含量緩慢減少[7]。CO的含量由122mg/m3減少到約73mg/m3，主要是由于垃圾產(chǎn)生的CO在高溫的情況下與氧氣反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)效率更高，生成的CO2含量增加，再加上過量空氣的稀釋，所以CO含量下降比較多。H2S的含量由75mg/m3減少到約49mg/m3，主要是由于垃圾產(chǎn)生的H2S在高溫的情況下與過量空氣中的O2反應(yīng)更加劇烈，再加上過量空氣的稀釋，所以H2S含量逐步減少。

圖3 過量空氣系數(shù)對煙氣成分的影響（溫度為900℃）

4 結(jié)論

（1）在過量空氣系數(shù)一定時，溫度從800℃到950℃的垃圾燃燒特性：隨著溫度的升高，NOx的含量成直線上升；SO2的含量也是呈逐步增加的趨勢；CO、H2S的含量逐漸減少。

（2）在爐膛溫度為一定時，隨著過量空氣系數(shù)的增加，NOx的含量增加速度較緩慢，基本上成直線上升；SO2的含量呈逐步減少的趨勢；CO、H2S的含量逐漸減少。

[1]陳國艷，張衍國，朱九龍，曾紀進.灰色理論及改良方法對我國垃圾產(chǎn)量的預(yù)測[J].環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)，2011，156（6）：51-54.

[2]陳國艷，張衍國，朱九龍，等. 灰色系統(tǒng)理論對我國垃圾產(chǎn)量的預(yù)測[J].環(huán)境保護科學(xué)，2011，37（4）：29-33.

[3]李季，張錚，楊學(xué)民，等.城市生活垃圾燃燒特性的TG-DSC分析[J].化工學(xué)報，2002，53（7）： 759-764.

[4]Guoyan Chen，Yanguo Zhang，Jiulong Zhu，Yan Cao，Weiping Pan. Coal and Biomass Partial Gasification and Soot Properties in an Atmospheric Fluidized Bed[J]. Energy＆Fuels. 2011，25（5）：1964-1969.

[5]陳國艷，張衍國，朱九龍，等.垃圾焚燒過程中NOx排放控制研究進展[J].四川環(huán)境，2011，30（4）：140-143.

[6]浮愛青，諶倫建，王建軍.垃圾中典型組分熱重分析研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2007，1（11）： 104-106.

[7]吳楨芬，王華，胡建杭.城市生活垃圾燃燒和燃燒失重特性及動力學(xué)研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報（理工版），2008，33（5）：86-89.