校園生活垃圾燃燒特性研究

趙瑞明，李嶺領(lǐng)，曾宗宇，吳世逵，馬玉剛

(廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

校園生活垃圾燃燒特性研究

趙瑞明，李嶺領(lǐng)，曾宗宇，吳世逵，馬玉剛

(廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

通過(guò)同步熱分析儀(STA)研究校園生活垃圾的燃燒特性, 通過(guò)熱重曲線、熱重微分曲線(TG/DTG 曲線)分別確定各試樣的起始溫度、終止溫度、最大失重溫度及殘余率等參數(shù), 并對(duì)各種垃圾的燃燒特性進(jìn)行了對(duì)比分析。為實(shí)現(xiàn)校園垃圾回收循環(huán)利用及綜合處理提供良好理論依據(jù)。

校園垃圾；熱分析；燃燒特性

城市生活垃圾又稱為城市固體廢棄物[1]，主要包括：家庭生活垃圾、學(xué)校及商場(chǎng)等公共場(chǎng)所垃圾、街道清掃垃圾等。其中，校園垃圾主要包括廚余垃圾、生活垃圾和綠化垃圾等，構(gòu)成種類較為單一，實(shí)現(xiàn)分類回收、綜合利用的潛力較大[2]。

由于垃圾焚燒可徹底消滅其中的細(xì)菌病毒，高溫分解帶惡臭的氨氣和有機(jī)質(zhì)廢氣，產(chǎn)生可燃?xì)怏w回收能量，具有"減量化、資源化、無(wú)害化"的特點(diǎn)[3-5]，已經(jīng)成為當(dāng)前垃圾處理的重要方式。

本文主要針對(duì)廣東石油化工學(xué)院校園生活垃圾典型組分試樣的燃燒行為進(jìn)行熱分析研究, 對(duì)物質(zhì)燃燒的機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)比不同垃圾組分的燃燒特征參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)垃圾回收循環(huán)利用及綜合處理提供良好理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

同步熱分析儀，STA 449 F3 Jupiter型，NETZSCH 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品制備

選取典型試樣塑料(塑料盒)、竹筷、打印紙、橡膠(耳機(jī)線)進(jìn)行分析；實(shí)驗(yàn)前每種樣品處理成粒度小于0.5mm的顆粒。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

樣品質(zhì)量：10 mg左右； Al2O3坩堝，直徑為3 mm；助燃空氣流量為40mL·min-1( 25℃，0. 3MPa)，升溫速率10 K·min-1，實(shí)驗(yàn)溫度范圍從室溫至1000 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)同步熱分析得到塑料、竹筷、廢紙、網(wǎng)線皮各組分試樣燃燒過(guò)程重量變化曲線(TG)、重量變化率曲線(DTG)與差式掃描量熱曲線(DSC)如圖1所示。

2.1 塑料盒熱分析

由圖1塑料盒熱分析曲線分析得到，塑料盒TG 曲線分2個(gè)階段，明顯失重是從350 ℃左右急劇下降，隨溫度的升高，塑料樣品揮發(fā)分熱解加快，這是因?yàn)殡S著溫度的上升，樣品表面獲得的熱量就越多，揮發(fā)分釋放速度越快析出量增大；從DTG曲線上看失重速率不斷增大，并形成一個(gè)峰值，之后速率減小，溫度在428 ℃時(shí)失重速率達(dá)到最大。而第2次分解則相對(duì)第一次不是很明顯，從470℃左右開(kāi)始失重，從DTG曲線上看失重速率變化不是特別明顯，為樣品焦炭燃燒階段，發(fā)生在揮發(fā)分燃燒后期以及揮發(fā)分燃燒完成后的階段。

塑料類物質(zhì)為高分子化合物，由于其構(gòu)成復(fù)雜，在空氣中燃燒時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)放熱峰，DSC 曲線上兩次明顯放熱峰與塑料的TG曲線兩次燃燒分解有很好的對(duì)應(yīng)。

圖1 塑料盒熱分析曲線

Fig.1 Thermal analysis curve of plastic casing

2.2 竹筷熱分析

圖2 竹筷熱分析曲線Fig.2 Thermal analysis curve of bamboo chopsticks

竹筷材質(zhì)主要為木制纖維素，由圖2竹筷熱重TG曲線可知，明顯失重是從260℃左右開(kāi)始并急劇下降，隨著溫度的升高，揮發(fā)分析出速率加快，燃燒速率加快，釋放大量熱量，與此溫度階段DSC曲線上出現(xiàn)較大放熱峰相對(duì)應(yīng)；從DTG曲線分析得知樣品失重速率不斷增大，并形成一個(gè)峰值溫度約325℃左右，之后速率減??；而第2次失重是從340℃左右開(kāi)始， DTG曲線失重速率開(kāi)始減緩，說(shuō)明此時(shí)揮發(fā)分進(jìn)入燃盡階段而固定碳進(jìn)入燃燒階段，DTG曲線形成一個(gè)在500℃時(shí)峰值，失重速率達(dá)到最大，之后速率減小。樣品整個(gè)失重階段，DSC曲線對(duì)應(yīng)溫度范圍出現(xiàn)較大放熱峰，也就是說(shuō)樣品燃燒失重始終伴隨明顯放熱。

2.3 打印紙熱分析

由圖3分析可知，打印紙TG曲線分為3個(gè)階段，250 ℃左右紙失重速率突然加快，由于紙中纖維類組分較高，其著火溫度低，物料中的揮發(fā)分開(kāi)始析出燃燒，隨著溫度的升高，析出量增大, 從DTG曲線上看失重速率不斷增大并到348℃形成一個(gè)峰值，失重率達(dá)到最大；從370℃開(kāi)始第2段失重，從DTG曲線上看失重速率增大，并在470℃時(shí)形成一個(gè)峰值，之后速率減小，此階段約485℃結(jié)束。前兩個(gè)階段樣品明顯失重，樣品殘余率僅為22%，與DSC曲線兩個(gè)較大放熱峰對(duì)應(yīng)，主要是揮發(fā)分和固定碳持續(xù)燃燒過(guò)程。之后進(jìn)入第三段失重，480℃到695℃范圍為焦炭燃燒階段，發(fā)生在揮發(fā)分燃燒后期以及揮發(fā)分燃燒完成后的階段。

圖3 打印紙熱分析曲線

Fig.3 Thermal analysis curve of typing paper

2.4 耳機(jī)線熱分析

圖4 耳機(jī)線熱分析曲線Fig.4 Thermal analysis curve of headphone cable

耳機(jī)線外包皮為橡膠材質(zhì)。橡膠的燃燒失重過(guò)程主要有兩個(gè)階段，分別是揮發(fā)分燃燒階段和固定碳燃燒階段。由圖4耳機(jī)線熱分析曲線可知，逐漸升溫至470℃時(shí)，揮發(fā)分的析出及燃燒過(guò)程較為激烈，燃燒速率非?？?，此時(shí)樣品質(zhì)量殘留率約20%，殘留物主要為固定碳和灰分；之后失重速率逐漸減緩，直到690℃為固定碳燃燒，最后生成灰渣。由于橡膠的固定碳含量較高，從TG曲線可看出固定碳構(gòu)成明顯的燃燒過(guò)程。

2.5 各組分燃燒特性

從各組分樣品的熱重分析曲線，可以直觀得到關(guān)于樣品的一些典型燃燒特性參數(shù)，如樣品燃燒起始溫度、終止溫度、最大失重溫度和樣品殘余率等，見(jiàn)表1所示。

表1 樣品的熱重分析參數(shù)

從各試樣的燃燒特征參數(shù)可以看出，大部分垃圾試樣的燃燒失重主要集中在250～480℃的較小范圍內(nèi)。垃圾燃燒失重過(guò)程可以明顯分為兩個(gè)階段，即揮發(fā)份析出燃燒和固定可燃成分的燃燒。從各樣品組分的TG曲線質(zhì)量變化分析可知，垃圾的整個(gè)燃燒過(guò)程中，最主要是揮發(fā)分的燃燒；從各樣品組分的DSC曲線熱量變化分析可知釋放的熱量占據(jù)垃圾發(fā)熱量的絕大部分，對(duì)垃圾的燃燒特性具有決定性的影響作用。

3 結(jié)論

校園垃圾具有產(chǎn)量多和價(jià)值高的特點(diǎn)，是一種潛在的資源。分析和研究校園垃圾中主要成分的燃燒特性，可為校園垃圾綜合處理提供參考依據(jù)[6]，校園垃圾資源化處理不僅可以減少垃圾對(duì)校園環(huán)境和師生健康造成的危害，而且能夠?qū)崿F(xiàn)資源的回收利用，具有極大的實(shí)踐意義。

[1] 聶永豐.三廢處理工程技術(shù)手冊(cè)·固體廢物卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[2] 楊 慧，吳曉霞，黃 芳，等.校園垃圾中主要可燃組分的熱解及燃燒特性研究[J].南京曉莊學(xué)院學(xué)報(bào),2011,3:50-54.

[3] 玉群英, 劉子鳳.城市固廢處理研究進(jìn)展[J].山東化工, 2010, 39(7):57-59.

[4] 秘子昂．生活垃圾焚燒處理煙氣NOx脫除技術(shù)[J]．廣東化工，2013，40(17)：147-148.

[5] 牛 穎，吳傳鑫．餐廚垃圾處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．山東化工，2016，45( 21) : 64-65．

[6] 陳 濤，縱宇浩，黃 力，等．生活垃圾焚燒多污染物凈化處理技術(shù)[J]．山東化工，2016，45( 19) : 144-145，148．

(本文文獻(xiàn)格式：趙瑞明，李嶺領(lǐng)，吳世逵，等.校園生活垃圾燃燒特性研究[J].山東化工，2017，46(14)：182-185.)

Experimental Study on Combustion Characteristic of Campus Garbage

ZhaoRuiming，LiLingling，ZengZongyu,WuShikui，MaYugang

(School of Chemical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

Combustion characteristic of campus garbage were analyzed through STA, thermal analysis parameters like the initial temperature, final temperature and residual ratio were obtained from the TG and DTG curve，Combustion characteristic of the campus garbage was also contrastive analysis. Thus, a good theoretical basis for the implementation of campus garbage cyclic utilization and comprehensive treatment was provided.

campus garbage；thermal analysis；combustion characteristic

2017-05-06

廣東省橡塑材料制備與加工工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心開(kāi)放基金(650808、650803)；廣東石油化工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目(2016rc03)和青年創(chuàng)新人才培育項(xiàng)目(2016qn23)；2017年廣東石油化工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級(jí)培訓(xùn)計(jì)劃(2017PYA011)

趙瑞明(1989— )，女，山東菏澤人，碩士，主要從事儀器分析與管理，通訊作者: 吳世逵(1965—)，廣東人，教授，主要從事劣質(zhì)油加工研究和教學(xué)管理。

X799.3

A

1008-021X(2017)14-0182-04