RDF热解前后表面结构变化的研究

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1、第27卷第6期燃　料　化　学　学　报Vol127No161999年12　月JOURNALOFFUELCHEMISTRYANDTECHNOLOGYDec11999XRDF热解前后表面结构变化的研究吴家正　王晓舸　朱　彤　肖郴松　张鹤声(同济大学热能工程系　上海　200092)摘　要　对城市生活垃圾衍生燃料(RDF)及其在不同温度及时间下快速热解生成半焦的比表面积和孔容积的变化进行了分析研究。实验结果发现RDF热解时比表面积及孔容积先随热解温度升高而降低,然后随反应程度的加深而增大,在约550℃时出现极大值,而后由于产生结焦等原因再次降低。研究表明RDF热解半焦孔结构与煤焦孔结构变化有一定的相似

2、性。此外对RDF及半焦孔结构分布的分形特征进行了初步分析。关键词　RDF,热解,孔结构,分形我国对城市生活垃圾衍生燃料(RDF)热解的研究起步较晚,目前大多处于实验机理研究和小试阶段。在热解机理研究过程中,已发现许多物理化学过程都与RDF表面及空间结构特征有关,但尚未对此进行系统研究。若要进一步了解热解过程中释放出挥发分所引起的RDF比表面积和孔隙结构变化,以及这些变化对RDF的热解速率及产物生成的影响,必须测定试样在反应前后的比表面积及孔结构分布并进行动力学研究。本文采用氮气等温吸附方法,分析RDF在热解过程中比表面积和微孔变化的规律,以期控制RDF热解过程和产品分布,为工业试验提供依据。

3、自从1975年法国数学家Mandelbrot提出“Fractal”(分形)术语之后,其理论与实际应用都[1]有了相当快的进展,直到Bale首先运用分形几何的知识研究褐煤亚微观多孔结构,至此分形几何这一年轻而又强大的数学工具在微孔结构研究领域中得以更充分的运用。本文对RDF孔分形结构也进行了初步探讨,得出了RDF半焦分形维数D随温度、热解速率的变化规律。1　实验部分实验所用的城市生活垃圾原料取自上海市长宁区烧煤气公寓区域。实验前测出RDF各种组分的重量比例,见表1。表2是RDF的工业分析与元素分析结果。热解实验设备为TB-1型常压热天平,保护气氛为氮气。根据所得实验数据计算热解产率和获取动力学

4、数据。RDF试样比表面及孔隙的测定是在华中理工大学煤燃烧国家重点实验室进行的。比表面是通过在低压下(P/P0=0101～0120)的五个不同压力点测得氮气吸附量,用BET方程进行线性回归得到。孔面积和孔容积是按BJH模型通过已知相对压力P/P0和氮气吸附量进行计算得到。　　本文中微孔按下述标准划分:平均孔径d≥2000nm为大孔;300≤d<2000nm为中孔或过渡孔;d<300nm为小孔。由测定数据分别统计出三类孔在样品中所占的百分比进行讨论。分形维数D有Hausdorff维数,盒计数维数,填隙维数等,本文采用Hausdorff维数来描述微[2]孔分形性质。通常情况下,2

5、fer认为大多数多孔固体物质具有分形特征,分形X收稿日期:1999-06-22　国家自然科学基金资助项目(29697003),同济大学科技发展基金资助项目。6期吴家正等:RDF热解前后表面结构变化的研究551表1　城市垃圾有机物(RDF)分类重量百分比(干基)Table1WeightofRDFcomponent(w%,d)ComponentWastepaperPlastic&RubberBambooClothKitchenresidueFruitskinW/%,d6.32.02.31.483.34.7表2　城市垃圾有机物(RDF)工业分析与元素分析(干基)Table2Proximateand

6、ultimateanalysisofRDF(%,d)ProximateanalysisUltimateanalysisSampleMVFixedcarbonACHONSClRDFfeedstock4.447.78.040.026.43.224.01.50.30.2维数D满足上式。D值越大表示表面越不规则,D=2时表示表面是光滑的,D=3时表示表面非常卷曲,以致可以认为是空间填充。2　实验结果与讨论211RDF热解前后比表面积变化　对RDF在不同温度和停留时间下进行快速热解,然后进行快速冷却,将所得半焦进行比表面积和孔容积测定,并与反应前的原料进行比较。考察热解温度变化时,原料在热天平中的停留

7、时间为90s。实验结果见图1及图2。图1RDF反应前后比表面积随热解温度的变化图2RDF反应前后比表面积随热解停留时间的变化Fig11ThevariationofspecificsurfaceareaofRDFatFig12ThevariationofspecificsurfaceareaofRDFondifferenttemperaturesbeforeandafterpyrolysisdifferentr