生活垃圾协同污泥制备衍生燃料(RDF-5)及其热力特性研究

摘要

随着经济的快速发展和城市化进程的加快，2004年我国超过美国成为全球生活垃圾产生量最大的国家，许多城市和地区的生活垃圾处理面临巨大的挑战。重庆市主城区的填埋场开始接近饱和，大多数区县的填埋场均超负荷运转。污泥是城市污水处理过程中不可避免的副产物，重庆市的污泥年产量达54万吨，急需妥善处理。本文以重庆市生活垃圾为例，协同污泥制备衍生燃料(RDF-5)，为区县生活垃圾处理问题提供“乡镇收集-区县制备-跨区域集中处理”的理论支撑，同时探索了污泥处理处置的新方向。　　首先，对重庆市的生活垃圾开展调查研究，了解城市和农村生活垃圾的现状，探讨其制备RDF-5的可行性。其次，根据重庆市生活垃圾的特点，考察含水率、成型压力和原料配比对制备RDF-5的影响。在此基础上，掺入污泥协同制备SS-RDF-5，并考察其较优的制备参数。然后，采用同步热分析仪对RDF-5及其制备原料进行了热重分析，根据分段燃烧/热解模型对RDF-5和其原料进行了动态拟合，得到了相应的拟合反应方程、反应级数、活化能和反应频率因子等热力特性参数。另外，通过testo350烟气分析仪考察了RDF-5燃烧烟气中气态污染物的释放情况；并借助扫描电镜(SEM)、傅里叶红外变换光谱(FTIR)等分析了灰渣中重金属的形态分布。最后，本文落脚于制备RDF-5的温室气体排放因子和经济效益分析。通过生命周期评价(LCA)和政府间气候变化专门委员会(IPCC)的温室气体名录导则评估了制备RDF-5温室气体排放量（以当量二氧化碳计）。在上述研究内容的基础上得到了以下结论：　　(1)重庆市的生活垃圾中有机成分含量较高，热值基本满足焚烧要求，剔除不可燃等惰性成分后，可制备衍生燃料。　　(2)橡塑类、纸类、竹木、织物类和厨余比例分别为15%、6%、15%、9%和55%，含水率为8%，成型压力为10 MPa时制得的RDF-5物理特性优良，延展率仅为41.18%，7天耐性指数(IRI)为61。　　(3)用污泥替代原料中的厨余组分来制备RDF-5是可行的，污泥、橡塑、纸类、织物和竹木的干燥基占比分别为32.8%、39.54%、15.72%、6.24%和5.71%时，原料含水率为10%，成型压力15 MPa制得的RDF-5颗粒能满足长时间堆放和长距离运输的要求。　　(4)分段动态模型能较好地对制备原料及 RDF-5的燃烧和热解热力学进行拟合：橡塑类的燃烧为四段燃烧（2、1/2、2/3和2级燃烧反应），其热解可用一个2级反应拟合；纸类的燃烧和热解均可用四段动态模型拟合（1、1/2、2/3和1/3级燃烧反应；1/2、1、2、1和2级热解反应）；竹木类可用两段燃烧模型拟合（1/3和1/2级燃烧反应），三段热解模型拟合（2、1和2级热解反应）；织物类可用两段燃烧反应拟合（两个1级燃烧反应），三段热解反应模型拟合（1/3、2和2级热解反应）；厨余类可用6个连续的1级燃烧反应拟合，三段热解反应拟合（1、3/2和3/2级热解反应）；污泥可用5段燃烧模型拟合（三个2/3级和2个2级燃烧反应），三段热解模型拟合（1/3、3/2和3/2级热解反应）；RDF-5可用7段燃烧模型拟合（1/3、3/2、3/2、2、2、1/2和1级燃烧反应），四段热解模型拟合（1/3、1、2和2级热解反应）。　　(5)可燃性从大到小的顺序为厨余>织物>RDF-5>竹木>塑料>纸类>污泥；综合燃烧特性指数从大到小的顺序为厨余>织物>污泥>RDF-5>竹木>塑料>纸类。　　(6)在制备RDF-5时掺入一定量的钙，使得RDF-5燃烧时产生的HCl和Ca2+发生反应生成钙盐（CaCl2），一方面大大降低了燃烧烟气中HCl的含量，另一方面也能降低热解副产物焦油的产生量。RDF-5燃烧后灰渣中的重金属含量远低于其热解焦炭中的含量；RDF-5燃烧/热解灰渣中含有羰基、C-Cl-1等复杂化合物，对残留重金属有一定的吸附效果；钙类添加剂对重金属的形态分布有一定的影响，导致灰渣中Pb和Cr的生物可利用性指数(BI)增大，Zn的生物可利用性指数降低。　　(7)生活垃圾卫生填埋和焚烧处理，以及用于制备衍生燃料，三种处理方式的温室气体的排放因子分别为0.68、0.56和0.45。可见，制备RDF-5的温室气体贡献较低。

目录

1 绪 论

1.1 我国生活垃圾处理概况

1.2 我国污泥处理概况

1.3 衍生燃料(RDF)简介

1.4 选题背景

2 生活垃圾调查

2.1 重庆城市生活垃圾调查

2.2 重庆农村生活垃圾调查

2.3 本章小结

3 衍生燃料(RDF-5)制备

3.1 生活垃圾衍生燃料制备

3.2 制备生活垃圾衍生燃料的影响因素

3.3 协同污泥制备衍生燃料

3.4 污泥替代厨余制备衍生燃料

3.5 本章小结

4 衍生燃料热力特性研究

4.1 实验与方法

4.2 燃烧动力学

4.3 热解动力学

4.4 本章小结

5 衍生燃料的污染特性研究

5.1 材料和方法

5.2 RDF-5燃烧污染特性

5.3 RDF-5热解污染特性

5.4 本章小结

6 制备RDF-5的生命周期评价及经济技术分析

6.1 制备RDF-5的生命周期评价

6.2 制备RDF-5的经济技术分析

6.3 本章小结

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B.作者在攻读学位期间参与科研项目情况：