郑 旭，刘 晨，2，王 昕，颜碧兰，魏丽颖

水泥窑用垃圾衍生燃料燃烧特性的TG-DTG研究

郑 旭1，刘 晨1，2，王 昕1，颜碧兰1，魏丽颖1

文中研究了水泥窑用垃圾衍生燃料燃烧特性TG-DTG热分析试验方法的影响因素，讨论了垃圾衍生燃料工业分析参数与燃烧特征参数之间的关系，采用燃烧特征参数对垃圾衍生燃料及煤的燃烧过程进行了评价，并讨论其对水泥窑系统热工参数的影响。研究结果表明，垃圾衍生燃料燃烧特性TG-DTG热分析试验的升温速率应为20℃/min，保护气氧气浓度为21%，流速为100mL/min。若垃圾衍生燃料灰分含量降低，挥发分含量升高，则着火温度将降低，燃尽时间也会相应延长。垃圾衍生燃料燃烧特性对水泥窑内工况稳定性具有重要影响，在水泥企业生产过程中应对其充分研究，严格控制替代燃料的比例，同时密切关注窑系统的热工参数。

水泥窑；垃圾衍生燃料；燃烧特性；TG-DTG

垃圾衍生燃料（RDF）是由城市生活垃圾废弃物经过回收分选、陈化、烘干和破碎等工艺流程制备而成的。其具有热值高、燃烧稳定、易于运输、易于储存、二次污染低和二英类物质排放量低等特点，被欧美等发达国家广泛应用于水泥制造和发电工程等领域。研究表明[1-3]，2007年荷兰水泥窑二次燃料替代率高达85%以上；2009年德国二次燃料替代率达到58.4%，比利时为55.6%，瑞士、奥地利、挪威和捷克达40%以上；2013年，德国水泥窑二次燃料替代率已达78.5%。

垃圾衍生燃料在水泥煅烧生产过程中，随着其组成成分和燃料替代比例的变化，混合燃料在预分解炉内加热、汽化，燃烧过程中呈现与煤粉完全不同的燃烧特性，对熟料煅烧、热耗、质量以及窑工况的稳定产生重要影响；同时燃料燃烧后残留下来的灰分均匀掺杂在水泥窑的煅烧物料中，影响着水泥熟料的质量。因此，为确保垃圾废弃物在水泥窑中协同处置的安全和高效利用，欧洲颁布了EN/ TR15716-2008《固体再生燃料燃烧特性的测定》等标准，美国材料与试验协会等机构颁布了ASTM E955-1988（2009）《垃圾衍生燃料的热特性检验方法》、ASTM E955-2004《垃圾衍生燃料中大样品温度特性试验方法》等检测方法。

与国外相比，我国垃圾衍生燃料（RDF）在水泥工业中的应用较少，水泥窑二次燃料替代率只有8%左右，差距较大。我国城市生活垃圾没有真正实施垃圾分类，来源复杂，成分波动大，燃烧特性差异显著，因此，我国也有必要建立RDF的燃烧特性的检测标准。本文针对目前我国水泥窑用垃圾衍生燃料（RDF）的燃烧特性进行系统研究，为我国水泥窑协同处置废弃物投料点的选取、热工制度的稳定提供参考，以促进我国垃圾衍生燃料（RDF）的高效利用。

1 试验方法与样品制备

1.1 样品制备

本文试验采用的垃圾衍生燃料（RDF）取自湖北省某环境工程有限公司，是由当地秋季城市垃圾废弃物经过回收、分选、陈化、破碎等工艺流程制备而成的，可以用作水泥窑外分解炉的替代燃料，其中的陈化和发酵过程可以降低RDF的水分，减少对燃料热值的消耗。由于不同含水、不同粒径的RDF样品燃烧特性存在差异，因此将样品在100℃± 5℃温度下烘干至恒重，并且在实验室（温度20℃，湿度60%）中放置24h至恒重；混合均匀后（先预破处理）经过二次破碎与缩分制成粒度＜1.0mm的热分析样品。垃圾衍生燃料样品工业分析和元素分析结果见表1和表2。

1.2 试验方法

试验按照机械行业标准JB/T6298-92《用热分析仪测定煤燃烧特性试验方法》进行，样品量为10mg，升温速率分别设为10℃/min、20℃/min、30℃/ min、40℃/min和50℃/min，终温为1 000℃，保护气流速分别设为50mL/min和100mL/min，保护气中氧气浓度分别设为21%和27%。

2 分析与讨论

2.1 不同升温速率下垃圾热重特性分析

选取烘干后密闭待用的热分析样品，升温速率分别为10℃/min、20℃/min、30℃/min、40℃/min和50℃/min，得到不同升温速率下的垃圾热重TG曲线和微分热重DTG曲线（见图1和图2）。从图1和图2可以看出，不同升温速率下的垃圾燃烧规律基本相似，燃烧分为水分脱除阶段、挥发分析出燃烧阶段和固定碳燃烧阶段。随着升温速率的提高，垃圾的燃烧区间变宽，最大失重速率呈上升趋势，同时燃烧反应区间向高温区移动，但对总燃尽率影响不大。这是因为升温速率提高，试样燃烧为放热过程，其导热性能差，传热需要一定时间。当升温速率增加时，样品内部不能及时升温挥发和燃烧[4]。

2.2 不同升温速率下垃圾燃烧特性分析

可燃固体回收垃圾的燃烧反应与燃烧条件密切相关，不同燃烧条件下的燃烧过程不同，甚至会有明显差异，这些差异在热重曲线上体现为不同的线型。下面对不同升温速率下垃圾燃烧特性曲线上各特征点进行说明。

表1 垃圾衍生燃料元素分析试验结果，%

表2 垃圾衍生燃料工业分析试验结果

图1 不同升温速率下垃圾的TG曲线

图2 不同升温速率下垃圾的DTG曲线

（1）着火温度

着火温度是垃圾着火性能的主要指标，着火温度越低，表明垃圾的着火性能越好。不同试验升温速率下各试样的着火温度变化情况如表3所示。

从表3中可见，随着升温速率的提高，垃圾的着火温度稍向高温区移动，达到着火温度的时间大大缩短；随着升温速率的增加，垃圾挥发分析出量增多，残留在试样中的可燃物减少，因而导致着火温度升高。

（2）燃尽温度

燃尽温度是对应于TG和DTG曲线中不再有质量变化的起始温度。通过DTG曲线可确定燃尽点，选取失重速率为-1%/min时的点定义为燃尽点，并将该点温度定义为燃尽温度。不同试验升温速率下各试样的燃尽温度变化情况如表4所示。

表3 不同升温速率下的着火温度

表4 不同升温速率下的燃尽温度

表5 氧气浓度对燃烧特征参数的影响

从表4可以看出，随着升温速率的提高，垃圾的燃尽温度提高。这是因为升温速率的提高，使得垃圾在高温下停留时间变短，燃尽同样质量的样品所经历的时间变长，导致燃尽温度升高。综合上述内容可以得出，随着升温速率的提高，试样的燃尽温度也升高，达到着火与燃尽的时间大大缩短，这对试样着火和燃尽都是有利的。结合固体回收垃圾的样品质量、燃烧特征曲线以及机械标准的规定，确定热分析样品的升温速率为20℃/min。

2.3 不同试验气氛下垃圾热重特性分析

可燃固体回收垃圾在相同升温速率下，燃烧反应过程还受到氧气浓度和空气流速的影响，不同试验气氛下的燃烧热重曲线存在区别，下面对可燃固体回收垃圾燃烧特征曲线进行比较分析。

（1）氧气浓度（图3）

对比不同升温速率下的TG失重曲线可知，当温度＜350℃时，氧浓度对于失重过程的影响较小；当温度＞350℃时，不同氧浓度的失重曲线差异较大。这说明氧浓度对于干燥阶段和分解阶段，受垃圾自身组成成分影响较大。氧浓度为27%时的DTG峰值比氧浓度为21%时的峰值高度更大，两个失重峰也更近，这说明氧含量的升高会促进挥发分的析出和固定碳的燃烧过程。通过减小反应边界层的阻力，氧浓度的增加促进了挥发分的析出，进而影响燃烧过程。对于燃烧的促进效果，随垃圾和燃烧条件的不同而有所差异[5]。此外，氧浓度对垃圾的着火点也有影响，着火点随着氧浓度的升高而降低，从而更有利于垃圾的着火燃烧。当氧含量降至0%（纯N2），DTG就只有一个失重峰，M.X.Fang等人[6]在研究中也有相同的结论，这是由于在氧化气氛和惰性气氛下的传热传质特性差异造成的。由上面分析可知，富氧条件下可以实现垃圾更低温度的燃烧（表5）。

（2）空气流速（图4）

不同保护气流速下垃圾燃烧过程的热分析试验结果表明，不同流速（50mL/min和100mL/min）空气下的燃烧热重曲线均由四个失重段组成。二者的第一失重段基本重合，表明此温度段的燃烧机理相同。对于第二失重段，两者的温度区间基本一致，唯一不同的是高流速空气下的燃烧失重率明显高于自然流动空气下的燃烧过程。两种情况的明显区别在于第三失重段。高流速空气下燃烧过程的第三失重段开始于873K，而自然流动空气下燃烧过程中的第三失重段开始于1 035K。以上分析结果表明，空气流速的不同使得第三失重段的机理发生变化。空气流速增大，垃圾燃烧过程中参与反应的氧气量有所增大，即单位体积内氧气浓度增大，这会改变垃圾的着火点，并促进挥发分的析出和固定碳的燃烧过程，因而导致反应生成产物不同，从而导致不同的失重率。而反应生成物的不同也会引起不同的分解温度，导致不同的第三失重段。不同保护气流速下垃圾燃烧第四失重段基本相同。结合固体回收垃圾的样品质量、燃烧特征曲线以及机械标准的规定，确定热分析样品保护气（空气）流速为100mL/min。

2.4 固体回收垃圾燃烧特征参数分析

选取烘干后密闭待用的样品，按照上述规定的试验方法及热解参数用热分析仪测定垃圾样品的燃烧特征参数，试验结果如表6所示。

（1）着火温度

可燃固体回收垃圾的灰分和挥发分含量不同，着火温度也不同。从表2和表6可以看出，2014-099号样品着火温度最高，其空气干燥基灰分也为样品中最高（55.48%），挥发分则为样品中最低（39.66%），低位发热量也为样品中最低（8.86MJ/ kg）。而2013-1836号样品着火温度最低，其空气干燥基灰分在样品中较低（43.50%），挥发分则为样品中较高（53.73%），低位发热量也在样品中较高（12.91MJ/kg）。由此可见，垃圾着火温度与灰分、挥发分和低位发热量存在相关关系，着火温度越低，可燃组分高，易烧性越好，则垃圾的燃烧发热量越高，灰分含量越低。

图3 不同氧气浓度下垃圾的热分析曲线

图4 不同空气流速下垃圾的热分析曲线

表6 可燃固体回收垃圾的燃烧特征参数

（2）燃尽温度

可燃固体回收垃圾的燃尽温度与着火温度存在相关关系，固定碳含量不同，燃尽温度也不同。从表2和表6可以看出，可燃固体回收垃圾样品固定碳含量最低（5.82%），其着火温度最高（228℃），燃尽温度也较高（701℃）；垃圾样品固定碳含量较高（6.08%），其着火温度最低（219℃），燃尽温度也最低（676℃）。因此，随着样品中固定碳含量的逐渐升高，其燃尽温度呈现逐渐降低的趋势。

（3）相对燃尽时间

相对燃尽时间表征的是可燃固体回收垃圾燃烧速度的快慢，相对燃尽时间越短，垃圾燃烧速度越快。结合表2和表6试验结果可以看出，垃圾样品灰分含量最低（34.25%），挥发分含量最高（55.26%），低位发热量最高（17.08MJ/kg），其相对燃尽时间最长（24.20min）。垃圾样品灰分含量最高（55.48%），挥发分含量最低（39.66%），低位发热量为样品中最低（8.86MJ/kg），其相对燃尽时间较短（23.65min）。由此可以推断，随着样品灰分含量的降低，挥发分含量的升高，其低位发热量逐渐增大，相对燃尽时间逐渐延长。

2.5 固体回收垃圾燃烧特性曲线分析

选取烘干后密闭待用的样品，按照上述规定的试验方法及热解参数用热分析仪测定垃圾样品的燃烧特性曲线如图5~10所示。

从图5至图9固体回收垃圾的热重燃烧特性曲线可以发现，垃圾燃烧有四个较明显的失重过程，即可以分为四个阶段。

第一阶段是从开始加热到温度升高到130℃，这一阶段为水分的蒸发阶段，因为试样经过干燥处理，含水率较低，所以这一阶段失重并不明显。第二个阶段是从130℃到380℃，这是固体回收垃圾的第一个燃烧阶段，主要是挥发分的析出、燃烧。第三个阶段发生在380℃~500℃这一温度区间，为第二个燃烧段，主要是纸张、草木等可燃物中固定碳的燃烧。最后在700℃左右还有一个失重过程，为第四个阶段，从放热（DTA）曲线看，该阶段是一个吸热过程，说明此时可燃物几乎已经燃烧完全，出现失重现象可能是燃尽物或不可燃物如玻璃等开始汽化熔融。

图5 2013-1712样品燃烧TG-DTG图

图6 2013-1836样品燃烧TG-DTG图

两个燃烧阶段是相连的，没有明显的分界，因为固体回收垃圾成分很多，而各成分的挥发分析出、燃烧和固定碳燃烧温度不尽相同，所以在挥发分燃烧和固定碳燃烧之间不存在明显的界限，是同时进行的，并且各成分之间在燃烧过程中还存在相互影响，比如先析出来的挥发分通过燃烧放热，会促进固定碳等未燃物的燃烧，相反未燃物要吸收热量，可能会削弱已燃物的燃烧。当然各成分之间可能还会在高温时发生一些化学反应，所以想通过研究单一成分的燃烧特性，进而通过简单叠加以得到混合垃圾的燃烧特性的方法是行不通的，至少是不够准确的。研究固体回收垃圾的热重燃烧特性，必须有针对性地对某地区的垃圾进行分析。

图7 2014-099样品燃烧TG-DTG图

图8 2014-100样品燃烧TG-DTG图

图9 2014-103样品燃烧TG-DTG图

煤的热重燃烧特性曲线相对来说比较简单，从图10上可以发现，三条曲线都没有很大的波动，相对比较平滑。从热重（TG）曲线上可以看出，煤的燃烧主要分为三个阶段，即水分的蒸发阶段，挥发分的析出、燃烧阶段和固定碳的燃烧阶段，但挥发分燃烧阶段和固定碳燃烧阶段同样没有明显的分界。而且当温度升高到1 000℃时，煤可能还没有燃烧完全。通过微分热重（DTG）曲线可知该煤种在300℃以前一直是吸收热量的，所以该煤种直到300℃以后才开始燃烧反应。

比较图5~10中固体回收垃圾和煤的热重燃烧特性曲线，固体回收垃圾的着火温度均低于煤的着火温度，同时燃烧速度缓慢，并且不容易燃尽，这会给水泥生产过程带来不稳定的因素。在分解炉中，因为碳酸钙分解这一吸热过程与燃料燃烧同时进行，则燃料的燃烧速度会直接影响到碳酸钙的分解速度，影响分解炉的正常运行，致使入窑碳酸钙分解率达不到生产要求，从而增加窑系统热负荷，造成工况不稳，难于操作控制；同时由于其燃尽度低，未燃尽垃圾容易被带入下一级悬浮预热器，继续燃烧，造成下一级悬浮预热器局部高温，从而引起预热器系统的结皮堵塞，妨害安全生产。垃圾燃烧的残余物（灰烬等）与分解后的氧化钙一起进入回转窑煅烧生成熟料，在一定程度上会影响到水泥最终的质量。因此，在水泥企业生产过程中，必须对固体回收垃圾热重燃烧特性进行充分研究，严格控制其替代燃料的比率，同时密切关注水泥窑系统的热工参数。

图10 煤样品燃烧TG-DTG图

3 结论

（1）随着升温速率的提高，垃圾的燃烧区间变宽，最大失重率呈上升趋势，同时燃烧反应区间向高温区移动；垃圾的着火温度和燃尽温度也升高，达到着火与燃尽的时间大大缩短。确定热分析样品的升温速率为20℃/min。

（2）富氧条件可以实现垃圾更低温度的燃烧，不同保护气流速下垃圾的第三失重段明显不同，确定热分析样品保护气（空气）流速为100mL/min。

（3）垃圾的着火温度和相对燃尽时间与灰分和挥发分含量存在相关关系，灰分含量降低，挥发分含量升高，则低位发热量增大，着火温度降低，相对燃尽时间延长。垃圾中固定碳含量逐渐升高，其燃尽温度逐渐降低。

（4）在水泥企业生产过程中，必须对固体回收垃圾热重燃烧特性进行充分研究，严格控制其替代燃料的比率，同时密切关注水泥窑系统的热工参数。

[1]富丽.我国水泥窑协同处置废弃物现状分析与展望[J].建筑材料与应用，2012，（3）:68-70.

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[3]Umberto Arena,Antonio Cammarta,Maria Laura Mastellone.The phenomenology of comminution in the fluidized bed combustion of packaging-derived fuels[J].Fuel,1998,77(11):1 185.

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Research on the Combustion Characteristics of RDF for Cement Kiln by TG-DTG

ZHENG Xu1,LIU Chen1，2,WANG Xin1,YAN Bilan1,WEI Liying1
(1 China building materials science research institute,Beijing 100024; 2 Wuhan University of Technology,Wuhan 430070)

Influence factors of TG-DTG method to test the combustion characteristic of refuse derived fuel(RDF)for the cement kiln was studied;the relationship between the proximate analysis and the combustion characteristic parameters of RDF was discussed.The combustion characteristic parameters were taken as a combustion process evaluation for both RDF and coal,and their influence on thermal parameters of the cement kiln system was discussed.The research results showed that for RDF combustion characteristic TG-DTG test,the heating rate should be 20℃/min,surroundings gas oxygen concentration should be 21%,the flow rate should be 100ml/min.When ash content of therefuse derived fuel reduced,the volatile content increased,the ignition temperature would decrease, relatively the burning time extended.RDF combustion characteristic had an important influence on cement kiln operation stability,therefore cement production should cope with its sufficient combustion characteristic research,strictly control the proportion of alternative fuels,at the same time,pay close attention to the thermal parameters of kiln system.

cement kiln;refused derived fuel(RDF);combustion characteristic;TG-DTG

TQ172.625

A

1001-6171（2017）02-0021-08

项目来源：质检公益性行业科研专项（201510204）.

1中国建筑材料科学研究总院，北京100024；2武汉理工大学，武汉430070；

2016-07-20；编辑：赵莲