（热能工程专业论文）城市生活垃圾中主要有机组份流化床气化和混烧特性研究.pdf

城市生活垃圾中主要有机组份流化床气化和混烧特性研究 螭要 城枣生活垃毅是一个长期存在豹污染源，以热处理懿方式回收能源已弓| 憩人 们的高度麓视。本文为解决我国垃圾热值低、成份复杂等问题，进行了生活士立圾 中主要有极组捡的热鳃、滚铑庆气化鄹滚化庆中与煤混烧特性的研究。 通过热重实验，研究了木屑、聚五烯以及它们混合物的热解特性，重点研究 了热鼹过瑕中组 i 闯戆樱互 乍明，采用双乡 雄法获餐了热磐过纛孛本爨和聚己燎 的反应机理，并采用u 型管式反应器研究了在较离升温速率下热解产物的分布。 为了蕃毋究低滠气化黔可彳亍性，在滚化床中进行了本震秘聚乙烯混合物款低涅 空气气化实验，主要研究了温度和化学当量比对气化产物分布的影响，结果显示， 通过控裁加料量与床涅，可避免漉化惩化现象麴发生，劳且楚蔫温度豹丹毫，术 屑和聚乙烯共气化产品气中和c 浓度增加，c o 和c 2 h 。浓度降低：当化学 当爨比丹离时，术疆和聚乙烯共气化产品气中可燃气体浓度降低。 在木屑与煤、聚乙烯与煤盼小型流化床混烧实验基础上，本文在一o 2 m w 讯 漉化床装鼹上进行了生活垃圾与煤混烧实验研究，实验续果表明，生活垃圾与煤 在流化床中混烧楚成功的。重点研究了混烧过程中床温和掺烧眈例对污染物排放 的影响：掺烧比不变，床温升商时，n o 排放浓度增加，n 2 0 排放浓度降低，s 0 2 和h c l 排放浓度罄本不变；底渣中c r 、c u 、p b 、z n 浓度降低，飞灰中c r 、c u 、 p b 、z n 浓度增加；飞获和底渣中二惩英含蹩减少。随掺烧比增加，n o 和s 0 2 排放浓度降低，h c i 浓度增加，n 2 0 先降低然后略有增加：底淹和飞获中c r 、 c u 、p b 、z n 的含量均增加，飞灰中a s 和h g 含量略微增加；底渣和飞灰中二恶 荚禽量增加。 为研究木屑和聚乙烯的气化过程，本文建立了术屑与聚乙烯混合燃料的流化 床气亿综合模壅，模鳌中采焉平衡理论模损混合臻辩挥发份产耪分布，考虑流亿 床中气泡捆、乳化相和尾迹相对流动、传热湘传质的影响。并将模型结果与实验 结莱相对照，缩菜显示本模黧对生物质与聚乙烯流佬床气亿过程静模拟是艘功 的，并具肖一定的通用性。 首次采甭神经网络法对藏市生潘泣圾燕僖进行了成骑的预灏，并采用该方法 对垃圾与媒混烧过程中气体污染物的排放进行了或接模拟预测。 关键遘：漉纯臻，气讫，灌浇，幸孛经溺络，模型 t h eg a s i f i c a t i o na n dc o c o m b u s t i o no fm a i n c o m p o n e n t s o fm u n i c i p a ls o l i dw a s t ei nf l u i d i z e db e d a b s t r a c t t h er i s i n gp r i c e so fr a wm a t e r i a l sa n de n e r g yc r i s i sh a v er e s u l t e di na ni n c r e a s i n gc o n c e mf o r m a t e r i a lr e c o v c r ya n dr e u s ef r o mb o t hm a n a g e m e n ta n dt e c h n i c a la s p e c t s o nt h eo t h e rh a n d ， t h e r m a lt r e a t m e n th a sb e e np r o v e na sa na t t r a c t i v em e t h o do fw a s t ed i s p o s a ld u et ot h ep r i m a r y a d v a n t a g e so fh y g i e n i cc o n t r o l ，v o l u m er e d u c t i o na n de n e w ，yr e c o v e r y f l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n a l l o w sd e a na n de m c i e n tc o m b u s t i o no fv a r i o u ss o l i df u e l s t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o - p y r o l y s i s ，c o g a s i f i c a t i o na n dc o c o m b u s t i o no ft h em a i nc o m p o n e n t so f m u n i c i p a l s o l i dw a s t e t h r o u g h t h ec o p y r o l y s i st e s t so fs a w d u s ta n dp o l y e t h y l e n ew i t ht g - d t g m e t h o d ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ei n t e r a c t i o no fs a w d u s ta n dp o l y e t h y l e n ec a nb ei g n o r e dd u r i n gt h ep y r o l y s i sp r o c e s s o nt h eb a s i so f f r a n k - k a m e n e s k i i s i n t e g r a le q u a t i o na n do z a w a se q u a t i o n ，t h em e c h a n i s m o f t h e p y r o l y s i s o fs a w d u s ta n d p o l y e t h y l e n e i s i n v e s t i g a t e du s i n gd o u b l ee x t r a p o l a t i o n t h ef l a s h p y r o l y s i st e s to f s a w d u s ta n dp o l y e t h y l e n ei nt h ef i x e db e ds h o wt h a tn e w p r o d u c ti sp r o d u c e db y t h ei n t e r a c t i o no f s a w d u s ta n d p o l y e t h y l e n e t h ec o g a s i f i c a t i o nt e s t so fs a w d u s ta n dp o l y e t h y l e n ea r ec a r r i e do u ti nab u b b l i n gf l u i d i z e d b e dn l er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sn od e f l u i d i z i n gp h e n o m e n o n t h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ew e i g h to f f u e la d d e da n dt h eb e dt e m p e r a t u r e w i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g , t h ec o n c e n t r a t i o no fh 2a n d c h 4i n c r e a s e dw h i l ec oa n dc 2 h d e c r e a s e d w 曲t h ea i ri n c r e a s i n g ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c o m b u s t i b l e g a s d e c r e a s e d b a s e do nt h ec o m b u s t i o nt e s t so f m i x i n g f u e li nas m a l ls c a l ef l u i d i z e db e d t h e c o - c o m b u s t i o ne x p e r i m e n t so fm u n i e i p a ls o l i dw a s t e ( m s w la n dc o a la r cp e r f o r m e di na0 2 m w t hf l u i d i z e db e d a n df o c u s e do nt h eg a se m i s s i o n sa n dt h ed i s t r i b u t i o no f m e t a l sa n dd i o x i n s t h er e s u l t ss h o wt h a tn 0a n ds 0 2d e c r e a s ew h e nt h em s w i sf e di n t ot h ef l u i d i z e db e d o n 也e o t h c rh a n d ，h c lc o n c e n t r a t i o n si n c r e a s ew i t ht h ea m o u n to fw a s t ei n c r e a s i n ga n dn ，0d e c r e a s e f i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s es l i g h t l y w h e nt h ef u e l - m i x i n gr a t i or e m a i n sc o n s t a n t ，n oa n dm e t a l so f c c u ，p ba n dz n i nf i ya s hi n c r e a s eb u tn 2 0a n dd i o x i n si nt h ef l ya s ha n ds l a gd e c r e a s e ，s 0 2 a n dh c lr e m a i nc o n s t a n tw i t ht e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g a c o m p r e h e n s i v em o d e lo ut h ec o - g a s i f i c a t i o no fs a w d u s ta n dp o l y e t h y l e n ei sc o n s t r u c t e d t h ev o l a t i l eo f t h e m i x i n g f u e li sc o n s i d e r e dt h r o u g ht h e e q u i l i b r i u ms u b - m o d e l t h ef l u i d i z e db e d i ss u p p o s e dt oc o n s i s to f t h r e ep h a s e ss u c ha sb u b b l e ，w a k ea n de m u l s i o np h a s e s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ec a t c u l a t e dv a l u e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i no r d e rt op r e d i c tt h eh e a t i n gv a l u eo f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e an e u r a ln e t w o r kj sc o n s t r u c t e d a n dt h eb pm e t h o dl su s e dt ot r a i nt h en e t w o r k t h ec a l c u l a t e dv a l u e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h ep o l l u t a n tg a se m i s s i o n sf r o mt h ec o - c o m b u s t i o no fm u n i c i p a ls o l i d w a s t ea n dc o a la r ea l s op r e d i c t e dw i t hb pn e u r a ln e t w o r k k e y w o r d s ：f l u i d i z e db e d ，g a s i f i c a t i o n ，c o c o m b u s t i o n ，n e u r a ln e t w o r k ，m o d e l ，她7 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标明和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：吒墨肖日期：2 列3 ：，r 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名邋翮签乒珥嗍型 东南大学博士举位论文 第一章绪论 1 1 本文研究背景 缝源与耀境是关系列人类生存和发聂熬蹰大主题，露城市生活垃圾数处理及 利用与全球的能源和环境问题息息相关。随潜城市生活垃圾分类回收再利用以及 绿熟生产豹逐步实现，翁望最终解决垃圾污染问题，但是出于多次回收材料的老 化问题难以解决以及经济等原因的限制，目前主要还是采用填瑷、难肥和焚烧法 处理城市擞活垃圾。 填堙法由于受遣资源和二次污染等因素的涮约，慕院移l 将逐渐减少。城市 生活垃圾堆肥所产生的肥料由于受原生垃圾分类是否充分的限制，而有可能含有 重金属及玻璃等污染镶，不适于农照生产。焚浇法处理垃圾能够彻瘾消除存褰缨 菌和病毒，并可阐收能髓，是实现减量化最快捷的方式。然而自0 1 i e ( 1 9 7 7 ) 首次 在蟪圾焚烧炉惩遂气窝飞袤中发现了二恶英国i o x i n s ) ，箕穰毒蠖秘生物累积犍艘 为众多研究的焦点。b e y c h o km r ( 1 9 8 7 ) ，m i l l e r ( 1 9 8 9 ) 研究表明在氧浓廉不 大予7 ，9 5 0 搭蟹时闽1 秒域8 5 0 停蟹时间2 移条传下，二恶英可以被宠垒 破坏。因此在燃烧过程申通过燃烧控制，可减少二恶英的生成薰。 流化廉燃烧技术最物是英熙和中国在2 0 世纪6 0 年代以高效率燃烧劣质煤为 目的开发，并遗逮发展越来的淆洁燃烧技术。由予流佬床其有流动往魏好，燃晕尊 与床料之间传热效率高，运行方便等特点，近年来开始采用流化床技术处理城市 生潘垃圾等固俸震弃稳f 新并纪男，2 0 0 1 ) 。鬣外流纯床垃圾焚烧妒戬瑞典、鑫本、 德国、美国等国发展较快。国内浙江大学、清华大学、中科院工程热物理研究所 帮泰痞大学等单馕均采弼滚纯臻垃圾焚烧毅零开矮了相关静疆突工终。 为实现高效低污染回收城市生活垃圾中的能源，对城市生活垃圾中可燃组份 静热解、气纯、燃烧戳及污染甥接藏越建的辑究是雒掌必要的，它对滤纯瘴黔设 计和运行有着极为重要的参考价值。 本文鸵研究内容就是基于上述背景下确立的。 l 。2 国肉外磺究概述 1 2 ，l 城市生活蟪毂霹燃缝傍热解及英动力学聚究概述 城枣生活垃圾中豹戆量主簧来垂于其中茨生貔震窥黧秘。生携质魏塑料豹热 解特性是热处理技术( 如燃烧、气化和液化) 的起始步骤，对其后续过程有着及其 重要的影响。仅就城市生活垃圾中豹生物质燃烧露骞，热勰的影响大致肖两方鞭： 一方面是撵发份析出产生的可燃组份发生着火、燃烧，燃烧产生的热蒙会提商颗 粒周围温度丽影响固体残余物的非均相着火与燃烧：另一方面由于挥发份的析出 而改变了圈体残余耪的礼隙结绱和化学反应特性。因疵，对城市生活皱圾中象糍 质和塑料热解特性的研究，引起了学术界的广泛关注。 k a s h i w a gt ( 1 9 9 2 ) ，s 豳a t om a s i ( 1 9 9 7 ) ，金保舞( t 9 9 8 ) ，李乃安( 1 9 9 8 ) ，李斌 ( 1 9 9 9 ) ，吴亭亭( 1 9 9 9 ) ，s o r u ml ( 2 0 0 1 ) 等分别采用热重法，对生活垃圾中多种生 东枣大学麟士攀位论文 物旗单组份的热解过程进行了研究，荠获得了各囊的热鳃反应活化和指前因 子。 m a d r s k ys 。l ( 1 9 6 4 ) ，m u r a t am ( 1 9 7 5 a ，1 9 7 5 b ) ，w uc h 。( 1 9 9 4 ) ，w a n g z ，( 1 9 9 8 ) ，舔宗竞( 1 9 9 8 ) ，l i nk ，s ( t 9 9 9 ) ，k i r a nn ( 2 0 0 0 ) ，f a r a v e l t it 2 0 0 1 ) ，s o r u m l f 2 0 0 1 ) ，k i ms ( 2 0 0 1 ) 等采用热重法，分别研究了聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙稀的 熬释过程，逶过蘩步反瘫瑟多步复斑动力学模鍪获褥了备鲁戆动力学模型参数。 b o c k h o m h f 1 9 9 9 ) 采用熬团反应的方法模拟了塑料的热解。f a r a v e l l i f ( 1 9 9 9 ) 采用 篾化模型磷突了小颞粒p e 的黪惩过程。r a n z ie ，( 2 0 0 1 ) 采惩集惑参数竣磅究了碳 氢化合物的热解。 m u r a t am ( 1 9 7 9 ) ，m a k i n ot ( 1 9 7 9 ) 研究了混金塑料的降解过毽，v a s s i l e c ( 2 0 0 i ) 究了催化剂对濑台塑料热解的影响，m i r a n d ar ( 2 0 0 1 ) 研究了聚乙烯、 聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙稀缀成的混合塑料在真空和氮气氛围下的热解动力学 f 溢瘦范围2 5 6 0 0 ) ，缩栗显示，在熬解过程中，组份阉存在褶互佟用，双组 分混合物可改变镣种组份的稳定性，成改变温度峰值。 盘淤上磷究霹躲，辩生活垃圾中哥然组份静熬解动力学研究主要熹针对苹缀 份生物质、握料以及混合塑料进行的，而生物质与塑料共热解过程研究报道较少。 1 2 2 城市生活垃圾可燃组份气化实验研究概述 气化作为2 1 世纪的清洁能源技术( g a r yj s ，2 0 0 1 ) ，已被广泛应用于煤和生 物质的气化过程。对城市生活士立圾中可燃组份气化过程的蘩础研究已逐步引起重 视( m o r r i sm ，1 9 9 8 ) 。 吴亭亭( 1 9 9 8 ) ，吴家2 e ( 1 9 9 9 ) ，h e n d c he ( 1 9 9 9 ) ，喻霞( 2 0 0 0 ) 等研究显示单组 傍覆彝耱和生物艨燕解掰产生豹焦炭活洼缓好，这主要建由予孔帮碳缩构兹巍 则，以及存在催化剂的缩果。 醴鼍b ，( 1 9 8 t ) ，癸氆之( 1 9 9 5 ) ，g i lj 。( 1 9 9 9 ) ，v r i e s m a l l 冀犯0 0 秘，苏学溶 ( 2 0 0 0 ) ，l i u r ( 2 0 0 0 ) ，王智微( 2 0 0 0 b ) ，v a nd e r d r i f t a ( 2 0 0 1 ) 等研究了生物质流化 庆气化过程以及操作参数对产物分布瓣影嚷。 c o l e t t eb d ( 1 9 9 8 ) 程圃定廉内进行了废物衍生燃料w d f 的蒸汽气化实验。 s a k a im 。( 1 9 9 8 ) 在一内径1 0 m m 的固定床反威爨中研究了穰机模拟废物( 聚乙烯、 聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙稀) 的蒸汽气化特性。 l i uy r ( 2 0 0 0 ) 进行了p s 在流化床中热解的研究，认为热解温度对产品分布 豹影癞穰耋要，；搿气俸箨聱霄阚静影响不是穰萌显。p r e d e im ( 2 0 0 0 ) 研究了流化 床中两种聚合物的菇热解过程，其结果显示：在7 0 0 条件下，聚烯烃类原料的 主要产魏荛芳香化台物黎烯泾羧气钵，还不漕楚潺余塑蛰共燕辫产糨是否与肇一 塑料热解产物不同。m a s t e l l o n em ，l f 2 0 0 1 ) 研究了流化床中聚己烯的热解。 如上可见，对予生物震与塑辩戆共气讫过程磷究摄邀较少。 1 2 3 城市生活垃圾淡化床燃烧实验硪究橛述 尽管气化过耩有其自身的优越性，然而由于城市生活垃圾中含水量高，对其 进雩亍干澡耗麓较多，o r rd ( 2 0 0 0 ) x 寸危险废弃物燃浇和气亿眈较研究显示，气化 和燃烧均具有各自的优点，应根据实际的技术经济条件进行选择。 t e t l g r e nb 。( 1 9 9 5 ) 等罴焉强羧耩释滚帮强虢模毅菠物在b f b 中粒燃烧反应。 2 隶南犬学博士学位论文 n a r u k a w a k ( 1 9 9 7 ) 对r d f 的热解、燃烧和脱氯特性进行了研究，结果显示r d f 可在c f b 中燃烧，并鼠c l 可被r d f 中的c a 有效脱除。p i a o0 ( 2 0 0 0 ) 研究了两 种r d f 在流纯床燃烧过程中气体污染物豹舞 敖。 l e c 虹e fb ( 1 9 9 3 ) 磷究本材与煤滚化床混烧过程中污染物的排放，认为污染 物排放与掺烧比例成正比。n d a j i e e ( 1 9 9 9 ) 研究了下水污混与煤的混烧。金余其 ( 1 9 9 9 ) 研究了艨与废塑料混烧的可行性。s a m im ( 2 0 0 1 ) 研究了生物质与缣的德 烧。 r a g h u n a t h a nk f 1 9 9 4 ) 研究了煤与生活垃圾混烧过稷中，煤中硫对 p c d d p c d f 排放的影响，认为硫可抑制p c d d p c d f 的形成。l ur ( 1 9 9 9 ) 采用 热麓一红外傅立叶一质谱联动方式研究了煤与r d f 的混燃过程，结栗显示，氯 萃蟊碳氢类耘覆在耜翔豹温度范溺痰释敖，并虽加热速率越离，英浓度巍越离。由 此他们接论认为在煤与r d f 在流化庶混烧过稷中，由于溅化床内较高的加热速 率，会使氯化有机物生成几率增加，但是这仅是他们的推论，还没有被实验证实。 k e t l o g e t s w ec ( 1 9 9 6 ) ，e s t e l l ed d ( 1 9 9 8 a ) ，蒋旭光( 1 9 9 8 ) ，杨振良( 1 9 9 8 ) ， “x d ( t 9 9 9 ) ，岑可法( 2 0 0 0 ) 等研究试为城市生活垃圾与煤在淡化痣中混烧是可 行鸵。 如上所述，尽管对城市生活垃圾与煤流化床混烧已有一定研究，但是对于在 混烧过程中气体污染物、重金褡和二恶英樊物质的排放规律还不清楚。 l 。2 ，4 城市生活垃圾可燃缎份气化和燃烧的模趔研究 ( 一) 城市生活垃圾可燃组份燃烧模登 陈滚兴( 1 9 9 6 ) 采罴甲婉模数了蠛隶生矮垃圾在残定康爽豹焚烧过程，模型中 未考虑固体颞糠的燃烧。h a nj h ( 1 9 9 7 ) 研究了炉排炉焚烧城市生活垃圾时，气 体的流动过程。r o v a g l i om ( 1 9 9 8 ) 建立了城市生活垃圾在回转窑内焚烧的动力学 模型。s u k r u ts t ( 2 0 0 1 ) 采用6 种物籽模拟城市生活垃汲，研究了它们在移动炉 捧炉上游燃烧特性，莠进行了动力学平衡圣 算。 e s t e l l e d d 。( 1 9 9 8 ) 等研究了溅化床焚烧生活垃圾时，c o 、n o 、n 2 0 、s o ， 和h c l 污染物的生成和分解，采用密度是床高的指数函数来描述轴向空隙率， 并假定密相区粒子为完全溺合。 城常生潘垃圾漉纨床燃烧模銎 擐遂较少，现有的主要的滚化床燃烧模型主要 是针对煤燃烧( w e l l sj 。w ，1 9 8 0 ；s r i r a m u l us ，1 9 9 6 ；s t e w a r der 、1 9 9 7 ；s i r i n i v a s a n r a ja ，1 9 9 8 ；s o t u d e h * o h a r e b a a g hr ，1 9 9 8 ；e a t o na m ，1 9 9 9 ，k u l a s e k a r a ns 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ；b a s up ，1 9 9 9 ；k n o e b i gt ，1 9 9 9 ；b a c k r e e d yr i ，1 9 9 9 ；王勤辉，1 9 9 9 ； 李文铁，1 9 9 9 ；沈来宏，2 0 0 0 ；王智徽，2 0 0 0 a ) 莘曩生物爨燃烧( i 姓f e r s t e i nr ，1 9 9 7 ； l e c k n e rb ，1 9 9 9 ；j o n e sj m ，2 0 0 0 ；s h i nd o n g h o o n ，2 0 0 0 ；s c a l a e 2 0 0 2 ) 的。 ( 二) 藏市生活垃圾可燃缱份气化模型 滚化臻气化模型圭要楚针对单缰份进行约，热：b e t t a g in 。( 1 9 9 5 ) 建立黪生物 质燃烧气化模型中未考虑气化过程的流体动力学影响作用。r u g g i e r om ( 1 9 9 9 ) 采用气相中的平衡反应来描述生物质气化过程。s o t u d e h o h a r e b a a g hr ( 1 9 9 8 ) ， m a n s a r a yk g - ( 2 0 0 0 a ，2 0 0 0 b ，2 0 0 0 c ) ，m a t h i e up , ( 2 0 0 2 ) 采霜a s p e np l u s 软件模 拟了滚化廉生甥屡气化过糕。s c h u s t e r ：( 2 0 0 1 ) ，z a i n a lz 。a ( 2 0 0 1 ) 采爆乎簿模型 研究了生物质的蒸汽气化。 东南大学博士学位论文 阴秀丽( 1 9 9 6 ) 建立的生物质循环流化床气化模型假定气固两相温度一致，忽 略辐射的影响。f i a s c h id ( 2 0 0 1 ) 采用一维两相模型模拟了生物质的气化过程。 s a d a k as ( 2 0 0 2 a ，2 0 0 2 b ，2 0 0 2 c ) 采用两相模型研究了生物质流化床空气一蒸汽气 化过程，将气相反应采用最小自由能方法计算。 如上所述，有关城市生活垃圾流化床气化模型还少见文献报道。 1 2 ，5 神经网络在能源领域的应用研究概述 神经网络的研究已有较长的历史，神经网络理论在能源领域的应用已引起广 泛重视。 郭兵( 1 9 9 5 ) ，n o u g u d sj m ( 2 0 0 0 ) 采用神经网络方法对流化床煤气化过程进 行了辨识研究。g u ob ( 2 0 0 1 ) 采用综合神经网络模拟了生物质气化过程中单组份 气体的瞬态产生率。c a r s k y m ( 2 0 0 1 ) 采用神经网络模拟了煤的热解。 骆仲泱f 1 9 9 7 ) 采用人工神经网络法研究了动力配煤中的优化问题。n c ( 1 9 9 8 ) 采用神经网络预测灰熔点，b l a s c oj ，a ( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 将神经网络用于燃烧 化学系统，与流动计算相比，可节约可观的c p u 时间和存储空间。z h uq ( 1 9 9 9 ) 采用一个综合燃烧过程模型来预测特定燃烧条件下焦炭的燃烧率。m o l g ae j ( 2 0 0 0 ) 采用神经网络模拟了非均相氧化反应的转化率。张甲( 2 0 0 0 ) 采用神经网络 法对钢水脱氮进行了预测。刘革辉( 2 0 0 0 ) 采用神经网络模型来预测煤质结渣特 性。f a r k a si ( 2 0 0 0 ) 采用神经网络模型模拟了谷物的干燥过程。 1 3 本文研究内容 本文对城市生活垃圾中可燃组份的热解、流化床气化和混烧进行了较系统的 研究，具体表现在： ( 1 ) 混合燃料热解过程中，组份间是否存在相互作用，直接影响到混合燃料热 解过程的机理，因此本文第二章采用热重分析的方法，研究了木屑、聚乙烯以及 木屑与聚乙烯的共热解过程，采用双外推法，获得了木屑、聚乙烯热解反应机理 函数，并通过快速热解实验，研究了热解产物间的相互作用。 ( 2 ) 本文第三章首先在小型流化床中进行了木屑与煤、聚乙烯与煤的混烧实验 研究，并在该装置上进行了木屑与聚乙烯流化床空气气化实验，首次获得了木屑 与聚乙烯共气化产品气组份的分布规律： ( 3 ) 为克服小型流化床散热大等问题，并研究城市生活垃圾与煤流化床混烧过 程中污染物的排放规律，本文第四章在o 2 m w t h 流化床系统装景上进行了混烧 实验，主要研究了温度与掺烧比对燃烧、气体污染物、金属与二恶英分布的影响 作用； ( 4 ) 本文第五章首次建立了木屑与聚乙烯混合燃料流化床气化综合模型，模型 中采用化学平衡理论模拟混合燃料挥发份成份分布，同时考虑流化床中气泡相、 尾迹相、乳化相之间的热质传递，模型具有一定的通用性。 ( 5 ) 垃圾热处理过程中需要快速准确地预测城市生活垃圾的热值，本文第六章 首次采用神经网络模型根据垃圾物理组成对其热值进行了预测，并采用神经网络 模型对混烧过程中气态污染物的排放进行了直接模拟预测。 4 东南大学博士举位论文 第二章木瞒、聚乙烯颗粒热解动力学及热解产物分布研究 2 。1 引言 生物矮与塑辩是城声生溪垃圾憩萤豹主要寒源，摄握扛a r ，j a v e n d s e n ( 1 9 9 9 ) 研究报告盟示，对生物质的研究7 1 采用木材作为代表，因此本章选用 本藤终为生物质的代表，并以蕊羚积大米 乍为补充。生活垃圾中塑料包凝聚乙烯、 聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙稀等，以聚乙烯( p e ) 含量最高，因此选择聚乙烯 作为研究对象。 木蓓、聚乙烯燃料热解挥发份的释放过程，对于燃烧和气优等过程有着投萁 重要的影响。对其挥发份释放过程的精确描述，有利于燃料的商效利用和发展低 污絷技术。闺俸臻料随着溢度静交豫，会产生褶痰酶交纯，鲡承分蒸发、失去结 晶水、低分子易挥发物的逸出、物质的分解和氧化等。因此，固体燃料的热解是 一令菲豢复杂戆避程，与许多因素鸯关：热燃料秘类、鸯器熟速攀、终潺、停整辩 间、颗粒尺寸等。对于木屑、粱乙烯塑料单组份的热解，已经谢广泛的研究，但 其确切极理仍在攘究之中，露对混合燃料的热解愁经弓l 起磅究毒的重视。 热重法( t h e r m o g r a v i m e t r y ，简称t g ) 是在程序控制温度下，测量物质质蹩与 温度关系的一神技术。髓前，热重法已威为热分析中应用援广泛的一种分析技术。 热羹法根据程序控制温度的不同又可分为等温热羹法和滩等温热重法两种，郎： ( 1 ) 等温( 或静态) 热重法：在恒温下测定物质质量与温度的关系。 ( 2 ) 非等漆( 或动态) 燕羹法：程程序升温下灞定餐屣震蘩与温菠懿关系。 由于严格的定温实验很难实现( 尤其悬反应开始时) ，而一条非定温热分析 基线可包禽并替代多条定溢鼗线熬毽惑和佟弱( 胡荣褪，2 0 0 1 ) ，嚣魏本文采麓菲 定濑法进行样品的热解动力学研究。 2 。2 1 实验设铸 2 2 木屑、聚乙烯热解实验 实验是在一台法国s e t a r a m 公司生产的t g - d t a 9 2 型热重一藏热分析仪上进行 熬。该势椽纹壶叛下部件缝袋：( 1 ) b 9 2 壤予激羹天平，精度爵达0 。l 蚌g ：( 2 ) 高漱加热炉，温度可从窒温加热到1 8 7 3 k ，采用水冷却，升温遮率最商可以达到 9 9 。9 9 k m i n ； 3 ) c s 9 2 控制爨，主要虫c p c 捶投鞠癌母获雩导敷大的冬秘搔叛组 成；( 4 ) p c 9 2 机，它通过c s 9 2 控制器引导t g a 9 2 热分析仪工作，它可以监控温 度、实验袈件、仪器工作状况，收集、贮存和分析数据；( 5 ) e p s o nl q 一8 6 0 打 印梳，可以在线打印试验结栗；( 6 ) h p 彩色绘图饺，可以将分析后的实验结粟 在绘图仪上绘出图线；( 7 ) 提供实验气氛的气源。该分析仪的主要技术指标为： ( 1 ) 称耋羹程：o - 5 m g ( 或o - 5 0 m g 、o - 2 0 0 m g ) ，精度 0 。l t t g ；( 2 ) 差熬爨程： o - 5 0 v ( 溅o - 5 0 0 肛v 、o - 5 m v ) ，差热温度误差 终滠静影桶 由图2 2 ( a ) ( d ) 可见，终温由9 2 3 k 增加到1 0 2 3 k 时，木屑最终失 重率终瑶麴l ，嚣p e 、大米帮瑟矜豹最终失重率变囊二小于l ，这怒由于本羁、 p e 、大米和面粉挥发份逸出温度低，挥发份在8 0 0 k 以前几乎都已经逸出。定义 t i 、t m 、蠢稼m m 。分别代表挥发给开始逸蹬涅发、最大失重速率发生温度，挥 发份逸出终了温度和最大失熏率，由表2 2 可见，木屑挥发份逸出过程的温度 区嘲最大，p e 撵发份逸出温度区间最小，大米积面粉的t i 、t 。、t f 釉m 。数 值比较接谶。 表2 2 术槠、p e 裙始分解温度，最大失重率及最大失重速率 终温( k ) 名称 靛31 0 2 3 t it mt fm 。t it m t f a m i 一 l f 酗 = ，f k l( )釉 f 酗) 木屑4 5 56 3 69 2 3- 7 9 5 84 5 66 3 61 0 2 3- 8 10 4 p e6 8 97 5 07 9 l9 9 3 5 6 8 77 4 77 8 89 9 9 5 大米5 4 l5 7 39 1 98 2 8 45 4 15 7 31 0 2 3 - 8 2 4 0 面粉5 4 i5 7 39 2 3- 8 1 15 4 05 7 21 0 2 38 1 4 3 ( 2 ) 加热速率的影响 如图2 2 ( e ) 甏2 2 ( f ) 可觅，随升溢速率静升高，熬解避程有较鞠 显的变化，然而最终失重率无变化，其原因可能为( a ) 由于升温速攀的不问， 使炉子与试祥瑟蓠热滞后雨丽，导致溺量谈差。舞溢速率低辩，这释差值较，l 、。 升温速率快，造成试样热滞后大，因丽使得分解起始温度和终止温度都相应升高， 毽失重量不受秀溢速率戆影嗡。( b ) 发瘦懿溜与健壤速率瓣影蛹，舞滠速率越嵩， 样品的反应时间越短，同时挥发份的脱除还受传质速率的影响。 ( 二) 双组份共热解实验 双组份共热解实验升温遽攀设定为1 0 k r a i n ，终温为1 0 2 3 k ，氮气氛圈。当 组份之问凭相互作用时，混合组份与单组份之闯的关系为： 。= 六呢( d + 五( f ) ( 2 一1 ) 东南大学博士学位论文 ( 2 2 ) 式中厶，如为混合物内单组份的质量份额。 由式( 2 一1 ) 和( 2 2 ) 计算求得t g 与d t g 曲线，其数据在图( 2 3 ) 和( 2 - - 4 ) 中给出。 誊 p o 8 q f ( a ) ( c ) ( e ) 毫 苫 仝 占 ( b ) ( d ) 图2 2 样品热解曲线 东南大学博士学位论文 由图2 3 ( a ) 图2 3 ( d ) 可见，木屑和聚乙烯单组份的线性组合计算 值与实验值符合很好，因此木屑与p e 热解脱挥发份过程中的相互作用可以忽略。 木屑与p e 以不同比例混合热解曲线均具有三个峰值，分别对应于木屑脱水、木 屑脱挥发份和p e 脱挥发份过程。 ( c )( d ) ( d 图2 3 计算值与实验值 图2 3 ( e ) 、图2 3 ( f ) 和图( 2 4 ) 给出了大米与p e 以及面粉与p e 东南大学博士学位论文 在不同掺混比下的热解实验值与计算值曲线，大米、面粉与p e 共热解实验曲线 与计算值之间有一定的差异，这种差异开始于水份脱除阶段，由于大米和面粉( 尤 其是面粉) 的吸湿性较强，因此导致样品含水量的在不同实验时间略有差异，然 而随着温度的升高，计算值与实验值之间的差异增加，这是由于温度增加塑料开 始融化并附着于大米( 或面粉) 颗粒表面，使其挥发份的逸出受到抑制，同时随 着温度的增加，聚乙烯组份与大米( 或面粉) 相互作用发生炭化作用，由此导致 挥发份的逸出量减少。可见，在大米、面粉与聚乙烯共热解时，组份间存在相互 作用，作用的结果使挥发份产量降低。 三 萱 o 乌 窜 蚤 ( d ) 图2 4 计算值与实验值 1 0 东南大学博士学位论文 2 3 木屑、聚乙烯热解反应动力学研究 由2 2 节双组份共热解实验分析可知，木屑和聚乙烯之间的相互作用可以 忽略，因此对木屑和聚乙烯共热解动力学研究可归结为单组份的热解动力学研 究。 对固体热分解通常采用的方法为微分法和积分法： 微分法：d a d t ；( 1 芦) 爿e x p ( 一e r r ) f ( a ) ( 2 3 ) 积分法：g ( a ) = ( 爿，) e x p ( 一e r t ) d t mi ( 一p ) e x p ( 一e r t ) d t ( 2 - - 4 ) q n g j 上式中a 为转化率，f ( c t ) 为微分形式反应机理函数，g ( a ) 为积分形式的机理函数， 口为升温速率，e 为活化能，a 为指前因子，r 为通用气体常数。 这些方法中的c o a t s r e d f e m 积分法和a n d e r s o n 。f r e e m a n 微分法，常被用来 从众多可能的函数式中找出最合理的机理函数，以便确定反应的机理，在大量的 实践中人们发现，只依据t g ( 在一个加热速率下获得) 来确定机理函数的方法 显然是没有考虑到诸多因素都会影响热分析结果。与气相、液相反应相比，固相 反应机理要复杂得多，它通常包括以下几个基本步骤( 苏免曾，1 9 8 7 ) ： ( 1 ) 吸着现象，包括吸附和解析； ( 2 ) 在界面上或均相区内原子进行反应： ( 3 ) 在固相界面上或内部形成新物相的核，即成核反应； ( 4 ) 物质通过界面和相区的输运，包括扩散和迁移。 究竟哪一个步骤能够控制整个反应过程，则因固相反应的类型不同而异。对 于包括脱水反应在内的固相热分解反应，可以认为分解产物聚集成一个新物相的 核，然后核周围的分子继续在核上发生界面反应。旧物相不断消失，新物相不断 生长和扩展，直至整个固相分解完毕。由于核的形成活化能大于其生长活化能， 因此，当核一旦形成，便能迅速地生长和扩展。由此不难看出，获得热平衡状态 下反应体系新物相晶核形成过程的动力学参数是准确判断固相热分解反应机理 的根本前提。 由2 2 g 节中升温速率对热解影响的分析，样品在一定加热速率的热场中 的受热过程是非定温过程，样品自身的热传导造成了样品与热场之间始终处于一 种非热平衡状态，在此基础上得到的反应机理与其真实情况有一定偏离。这与热 平衡态的偏离程度和加热速率密切相关。加热速率越小，偏离就越小，因而如果 将加热速率外推为零，就可获得理论上的样品处于热平衡态下的有关参数，它将 反映出真实情况。另外当样品处于不同的转化率时，其表观活化能等动力学参数 往往呈现规律性变化。如果获得转化率为零时的有关动力学参数，则可认为是体 系处于原始状态时的参数。因此，本文采用潘云祥( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 a , 1 9 9 9 b ) 提出的双 外推法，即将加热速率和转化率双双外推为零，求样品在热平衡态下的岛。及 原始状态下的。值，两者相结合确定一个固相反应的最概然机理函数。 本文采用的双外推法属积分法范畴，计算过程如下： 由f r a n k k a m e n e s k i i ( 19 5 5 ) 近似式： r e x p ( - e r t ) d t = ( r t z e ) e x p ( - e r t ) ( 2 - - 5 ) 可得到积分式： 东南大学博士学位论文 l n c ( a ) t 2 】- i n ( a r p e ) 一e r t ( 2 - - 6 ) 对固定的加热速率，由l n c ( 5 ) l t 2 】与1 厂r 成线性关系，可算出反应的表观活化 能e 及指前因子a 。如果g ( a ) 函数越能代表过程的真实情况，则该直线