CN104374666A - 一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法。本发明通过热重分析确定RDF中各类挥发物工业组分释放所出现的特征温度T1、T2及T3，以及挥发分1、2和3的工业组分含量V1、V2和V3以及水分含量Mad、灰分含量Aad、固定碳含量FCad，然后根据经验公式Q＝-32100Mad+7850V1+19930V2+20750V3+23660FCad+4110.45，计算得到待测垃圾衍生燃料样品的热值Q。本发明仅通过常规的干燥箱及马弗炉、分析天平即可完成实验并得到所需的数据，从而最终计算出RDF的热值，非常适用于测试手段简单的工厂。

Description

一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法
技术领域
本发明涉及了一种确定垃圾衍生燃料(RDF)挥发分工业组分含量及计算热值的方法。
背景技术
近几年，城市生活垃圾的处理问题已经日益严重。目前处理城市生活垃圾的方法主要包括：焚烧法、堆肥法、填埋法，其中焚烧制能法在我国得到迅速发展。然而将城市生活垃圾直接拿来焚烧制能对设备的要求较高，且利用率较低。因此产生垃圾衍生燃料技术。垃圾衍生燃料(RDF)是将垃圾进行分拣、破碎、涡电流除铝、磁选除铁，再经过进一步的破碎、分拣、挤压成型及干燥等工序制成的一种热值高、燃烧稳定性好的固体燃料。
RDF的热值是对其作为燃料品质评价的一个重要因素。目前对RDF热值的确定方法主要有仪器测定法和计算法两种方法。
仪器测定法，是固体燃料热值确定的常规方法，是在氧弹热量计中进行测定。既一定量的分析样品放入氧弹热量计中，在充有过量氧气的氧弹内燃烧，氧弹热量计的热容量通过在相近条件下燃烧一定量的基准量热物苯甲酸来确定，根据样品燃烧前后量热系统产生的温升，并对点火热等附加热进行校正后即可求得样品的弹筒发热量。为保证测试的准确性，这种方法要求样品要磨细到一定程度，而且样品的称取量不宜大(一般为几百毫克)，这对于含有大量布条、塑料、木屑、以及各类厨余，不易常温下碾磨混合均匀的垃圾衍生燃料(RDF)而言，误差会很大。
计算法确定RDF热值，引起了研究者的关注。何品晶等(何品晶，范爱晶，城市垃圾热值计算方法的探讨[J].环境卫生工程，3(1994)3-27)认为以物理组成计算热值较为准确。杨涛(杨涛，基于经济统计数据的生活垃圾热值计算模型[J].环境工程技术学报，4(2014)158-163)利用当地经济和自然环境统计数据建立了人工神经网络模型进行热值计算。张瑛华等(张瑛华，张友富，王洪，基于神经网络的生活垃圾低位热值计算模型的研究与应用[J].电力建设，31(2010)94-97)。虽然一些研究者得出了垃圾热值的确定方法，但是在这些计算方法中，计算时所需的数据对于测试手段较简单的工厂而言难以得到。
挥发份组成是RDF中成分波动最大、组成最为复杂、对RDF燃烧性能影响最大的成分，其含量一般在40％以上。不同地区、不同季节，RDF的组成及含量有很大差距，其组分、含量直接影响RDF的热值，因此也影响RDF的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种确定垃圾衍生燃料(RDF)挥发分工业组分含量及计算热值的方法，通过常规的干燥箱及马弗炉、分析天平即可完成实验并得到所需的数据，从而最终计算出RDF的热值，准确可靠，操作简单。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种确定垃圾衍生燃料(RDF)挥发分工业组分含量及计算热值的方法，包括以下步骤：
(1)所述垃圾衍生燃料中含有三类挥发分工业组分，标记为挥发分1-3；确定垃圾衍生燃料中三类挥发分工业组分释放的特征温度T1、T2及T3，且105℃<T1＜T2＜T3<815℃；
(2)确定所述挥发分1工业组分含量V1；确定所述挥发分2工业组分含量V2；确定所述挥发分3工业组分含量V3；所述工业组分含量V1、V2及V3均以质量百分比计；
(3)拟合垃圾衍生燃料的热值Q与V1、V2、V3、Mad、FCad关系的线性回归方程，所述线性回归方程为Q＝-32100Mad+7850V1+19930V2+20750V3+23660FCad+4110.45，FCad＝100％-(Mad+Aad+V1+V2+V3)，其中Mad为水分含量，Aad为灰分含量，FCad为固定碳含量，热值Q的单位为j·g-1，Mad、Aad、FCad均以质量百分比计；
(4)测定待测垃圾衍生燃料样品的V1、V2、V3、Mad、FCad，根据步骤(3)所述的线性回归方程计算得到待测垃圾衍生燃料样品的热值Q。
按上述方案，所述V1、V2、V3、Mad、FCad均可以通过恒重差值法测定。
按上述方案，步骤(1)中确定垃圾衍生燃料中三类挥发分工业组分释放的特征温度T1、T2及T3的方法是：将垃圾衍生燃料(RDF)样品放入热重分析仪中裂解获得失重曲线，根据曲线中各特征峰分别得到挥发分1、挥发分2及挥发分3释放的特征温度值T1、T2及T3(如图1所示)。对于不同的垃圾衍生燃料(RDF)，上述三类挥发分工业组分释放的特征温度会有区别。
按上述方案，步骤(2)中确定所述挥发分1工业组分含量V1依据常规方法即可。可以采用如下方法：将已知重量的带盖坩埚中加入垃圾衍生燃料(RDF)样品后称重，然后将带盖坩埚送入温度为T1的马弗炉中，加热7min以上，然后取出带盖坩埚，在空气中冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重1，计算挥发分1工业组分含量
按上述方案，步骤(2)中确定所述挥发分2工业组分含量V2依据常规方法即可。可以采用如下方法：将已知重量的带盖坩埚中加入垃圾衍生燃料(RDF)样品后称重，然后将带盖坩埚送入温度为T2的马弗炉中，加热7min以上，然后取出带盖坩埚，在空气中冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重2，计算挥发分2工业组分含量
按上述方案，步骤(2)中确定所述挥发分3工业组分含量V3依据常规方法即可。可以采用如下方法：将已知重量的带盖坩埚中加入垃圾衍生燃料(RDF)样品后称重，然后将带盖坩埚送入温度为T3的马弗炉中，加热7min以上，然后取出带盖坩埚，在空气中冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重3，计算挥发分3工业组分含量
按上述方案，所述水分含量Mad可以依据常规方法获得垃圾衍生燃料(RDF)样品中的水分含量。可以采用如下方法：将已知重量的带盖坩埚中加入垃圾衍生燃料(RDF)样品后称重，然后打开坩埚盖，将坩埚送入温度已达105℃～110℃的干燥箱中，干燥1h以上；然后取出坩埚，盖上坩埚盖，在空气中冷却3-5min放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为水分失重，计算水分含量
按上述方案，所述灰分含量Aad可以依据常规方法获得垃圾衍生燃料(RDF)样品中的水分含量。可以采用如下方法：将已知重量的灰皿中加入垃圾衍生燃料(RDF)样品后称重，然后将灰皿送入温度已达800℃～830℃的马弗炉中，灼烧40min以上；然后取出灰皿，在空气中冷却3-5min放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为灰重，计算灰分含量
按上述方案，所述各步骤中垃圾衍生燃料(RDF)样品的称取量优选不小于2g。当然，由于垃圾衍生燃料(RDF)成分较复杂，称取量越多，误差越小，但是考虑到实际操作，样品称取量根据实际情况而定。
按上述方案，所述各步骤中垃圾衍生燃料(RDF)样品是已磨碎并经空气干燥后的样品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过大量实验和线性回归方法，结合热分析及热值计算的方法，提出了RDF的挥发分工业组分分析方法及热值计算方法，即用较简便的热分析来确定垃圾衍生燃料(RDF)的挥发分工业组成，然后通过线性回归方程计算获得RDF热值的方法。为方便工厂使用和沿用通用概念，计算中需用到RDF中水分Mad、固定碳FCad及灰分Aad等组分含量，这些组分均可依据常规方法获得，仅通过常规的干燥箱及马弗炉、分析天平即可完成实验并得到所需的数据，从而最终计算出RDF的热值，非常适用于测试手段简单的工厂。
附图说明
图1为垃圾衍生燃料(RDF)样品放入热重分析仪中裂解获得失重曲线。
图2为实施例1中垃圾衍生燃料(RDF)样品放入高分辨热重分析仪中裂解获得失重曲线。
图3为实施例2中垃圾衍生燃料(RDF)样品放入高分辨热重分析仪中裂解获得失重曲线。
图4为实施例3中垃圾衍生燃料(RDF)样品放入高分辨热重分析仪中裂解获得失重曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种确定垃圾衍生燃料(RDF)挥发分工业组分含量及计算热值的方法，包括以下步骤：
(1)平行准备6份垃圾衍生燃料(RDF)样品磨碎并经空气干燥后，备用于后续步骤(2)-(7)；
(2)取少量RDF样品放入高分辨热重分析仪中裂解获得失重曲线(如图2所示)，根据图2各特征峰分别得到挥发分1、挥发分2及挥发分3释放的特征温度值分别是T1＝300℃、T2＝490℃及T3＝680℃；
(3)依据常规方法获得RDF样品水分含量：在分析天平上称出坩埚空重(带盖)，然后加入RDF样品2g(误差±0.001g)，打开坩埚盖，将坩埚送入温度已达105℃的干燥箱中，干燥1h；然后取出坩埚，盖上坩埚盖，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，得出样品失重，即为水分失重，计算水分含量：
(4)依据常规方法确定所述挥发分1工业组分含量V1：将已知重量的带盖坩埚中加入RDF样品2g(误差±0.001g)后称重，然后将带盖坩埚送入温度为300℃(即T1)的马弗炉中，在300℃左右(误差±10℃)加热7min，然后取出带盖坩埚，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重1，计算挥发分1工业组分含量：
(5)按照上述确定所述挥发分1工业组分含量V1方法，来确定所述挥发分2工业组分含量V2，即将步骤(4)中马弗炉的温度改为490℃(T2)，其余步骤与步骤(4)均相同，得出样品的失重2，计算挥发分2工业组分含量：
(6)将步骤(4)中马弗炉的温度改为680℃(T3)，其余步骤与步骤(4)均相同，得出样品的失重3，计算挥发分3工业组分含量：
(7)依据常规方法获得RDF样品灰分含量：将已知重量的灰皿中加入垃圾衍生燃料(RDF)样品2g(误差±0.001g)后称重，然后将灰皿送入温度已达815℃的马弗炉中，在815℃(误差±10℃)左右灼烧40min；然后取出灰皿，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为灰重，计算灰分含量：
(8)计算固定碳含量
FCad＝100％-(Mad+Aad+V1+V2+V3)＝100％-(3.31％+45.03％+18.03％+17.40％+12.86％)＝3.36％；
(9)根据线性回归方程：
Q＝-32100Mad+7850V1+19930V2+20750V3+23660FCad+4110.45
计算得到该垃圾衍生燃料(RDF)样品的热值Qcal＝11394.54j/g；
(10)采用氧氮仪测得RDF样品实际值Qexp＝11553.5，误差为1.38％。
实施例2
一种确定垃圾衍生燃料(RDF)挥发分工业组分含量及计算热值的方法，包括以下步骤：
(1)平行准备6份垃圾衍生燃料(RDF)样品磨碎并经空气干燥后，备用于后续步骤(2)-(7)；
(2)取少量RDF样品放入高分辨热重分析仪中裂解获得失重曲线(如图3所示)，根据图2各特征峰分别得到挥发分1、挥发分2及挥发分3释放的特征温度值分别是T1＝350℃、T2＝550℃及T3＝780℃；
(3)依据常规方法获得RDF样品水分含量：在分析天平上称出坩埚空重(带盖)，然后加入RDF样品2g(误差±0.001g)，打开坩埚盖，将坩埚送入温度已达105℃的干燥箱中，干燥1h；然后取出坩埚，盖上坩埚盖，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，得出样品失重，即为水分失重，计算水分含量：
(4)依据常规方法确定所述挥发分1工业组分含量V1：将已知重量的带盖坩埚中加入RDF样品2g(误差±0.001g)后称重，然后将带盖坩埚送入温度为300℃(即T1)的马弗炉中，在350℃左右(误差±10℃)加热7min，然后取出带盖坩埚，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重1，计算挥发分1工业组分含量：
(5)按照上述确定所述挥发分2工业组分含量V2方法，来确定所述挥发分2工业组分含量V2，即将步骤(4)中马弗炉的温度改为550℃(T2)，其余步骤与步骤(4)均相同，得出样品的失重2，计算挥发分2工业组分含量：
(6)将步骤(4)中马弗炉的温度改为780℃(T3)，其余步骤与步骤(4)均相同，得出样品的失重3，计算挥发分3工业组分含量：
(7)依据常规方法获得RDF样品灰分含量：将已知重量的灰皿中加入垃圾衍生燃料(RDF)样品2g(误差±0.001g)后称重，然后将灰皿送入温度已达815℃的马弗炉中，在815℃(误差±10℃)左右灼烧40min；然后取出灰皿，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为灰重，计算灰分含量：
(8)计算固定碳含量：
FCad＝100％-(Mad+Aad+V1+V2+V3)＝100％-(3.35％+22.82％+17.98％+15.21％+38.04％)＝2.60％；
(9)根据线性回归方程：
Q＝-32100Mad+7850V1+19930V2+20750V3+23660FCad+4110.45
计算得到该垃圾衍生燃料(RDF)样品的热值Qcal＝12181.12j/g。
(10)采用氧氮仪测得RDF样品实际值Qexp＝12357.3，误差为1.43％。
实施例3
一种确定垃圾衍生燃料(RDF)挥发分工业组分含量及计算热值的方法，包括以下步骤：
(1)平行准备6份垃圾衍生燃料(RDF)样品磨碎并经空气干燥后，备用于后续步骤(2)-(7)；
(2)取少量RDF样品放入高分辨热重分析仪中裂解获得失重曲线(如图3所示)，根据图2各特征峰分别得到挥发分1、挥发分2及挥发分3释放的特征温度值分别是T1＝380℃、T2＝590℃及T3＝700℃；
(3)依据常规方法获得RDF样品水分含量：在分析天平上称出坩埚空重(带盖)，然后加入RDF样品2g(误差±0.001g)，打开坩埚盖，将坩埚送入温度已达105℃的干燥箱中，干燥1h；然后取出坩埚，盖上坩埚盖，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，得出样品失重，即为水分失重，计算水分含量：
(4)依据常规方法确定所述挥发分1工业组分含量V1：将已知重量的带盖坩埚中加入RDF样品2g(误差±0.001g)后称重，然后将带盖坩埚送入温度为380℃(即T1)的马弗炉中，在350℃左右(误差±10℃)加热7min，然后取出带盖坩埚，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重1，计算挥发分1工业组分含量：
(5)按照上述确定所述挥发分2工业组分含量V2方法，来确定所述挥发分2工业组分含量V2，即将步骤(4)中马弗炉的温度改为590℃(T2)，其余步骤与步骤(4)均相同，得出样品的失重2，计算挥发分2工业组分含量：
(6)将步骤(4)中马弗炉的温度改为700℃(T3)，其余步骤与步骤(4)均相同，得出样品的失重3，计算挥发分3工业组分含量：
(7)依据常规方法获得RDF样品灰分含量：将已知重量的灰皿中加入垃圾衍生燃料(RDF)样品2g(误差±0.001g)后称重，然后将灰皿送入温度已达815℃的马弗炉中，在815℃(误差±10℃)左右灼烧40min；然后取出灰皿，冷却3-5min后放入干燥器中冷却，待冷却至室温后称重，两次称重的差值即为灰重，计算灰分含量：
(8)计算固定碳含量：
FCad＝100％-(Mad+Aad+V1+V2+V3)＝100％-(3.15％+25.21％+19.19％+12.82％+34.65％)＝4.98％；
(9)根据线性回归方程：
Q＝-32100Mad+7850V1+19930V2+20750V3+23660FCad+4110.45
计算得到该垃圾衍生燃料(RDF)样品的热值Qcal＝12741.27j/g。
(10)采用氧氮仪测得RDF样品实际值Qexp＝13087.6，误差为2.65％。
本发明通过线性回归方程计算获得的垃圾衍生燃料(RDF)热值，与采用氧氮仪测得实际值相比较，误差不超过3％，准确可靠，能够满足工业上热值计算的需求，实用性和适用性都非常强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)所述垃圾衍生燃料中含有三类挥发分工业组分，标记为挥发分1-3；确定垃圾衍生燃料中三类挥发分工业组分释放的特征温度T1、T2及T3，且105℃<T1＜T2＜T3<815℃；
(2)确定所述挥发分1工业组分含量V1；确定所述挥发分2工业组分含量V2；确定所述挥发分3工业组分含量V3；所述工业组分含量V1、V2及V3均以质量百分比计；
(3)拟合垃圾衍生燃料的热值Q与V1、V2、V3、Mad、FCad关系的线性回归方程，所述线性回归方程为Q＝-32100Mad+7850V1+19930V2+20750V3+23660FCad+4110.45，FCad＝100％-(Mad+Aad+V1+V2+V3)，其中Mad为水分含量，Aad为灰分含量，FCad为固定碳含量，热值Q的单位为j·g-1，Mad、Aad、FCad均以质量百分比计；
(4)测定待测垃圾衍生燃料样品的V1、V2、V3、Mad、FCad，根据步骤(3)所述的线性回归方程计算得到待测垃圾衍生燃料样品的热值Q。
2.根据权利要求1所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于所述V1、V2、V3、Mad、FCad均通过恒重差值法测定。
3.根据权利要求1所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于步骤(1)中确定垃圾衍生燃料中三类挥发分工业组分释放的特征温度T1、T2及T3的方法是：将垃圾衍生燃料样品放入热重分析仪中裂解获得失重曲线，根据曲线中各特征峰分别得到挥发分1、挥发分2及挥发分3释放的特征温度值T1、T2及T3。
4.根据权利要求1所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于步骤(2)中确定所述挥发分1工业组分含量V1的方法：将带盖坩埚中加入垃圾衍生燃料样品后称重，然后将带盖坩埚送入温度为T1的马弗炉中，加热7min以上，然后取出带盖坩埚，在空气中冷却后放入干燥器中冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重1，计算挥发分1工业组分含量
5.根据权利要求1所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于步骤(2)中确定所述挥发分2工业组分含量V2的方法：将带盖坩埚中加入垃圾衍生燃料样品后称重，然后将带盖坩埚送入温度为T2的马弗炉中，加热7min以上，然后取出带盖坩埚，在空气中冷却后放入干燥器中冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重2，计算挥发分2工业组分含量
6.根据权利要求1所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于步骤(2)中确定所述挥发分3工业组分含量V3的方法：将带盖坩埚中加入垃圾衍生燃料样品后称重，然后将带盖坩埚送入温度为T3的马弗炉中，加热7min以上，然后取出带盖坩埚，在空气中冷却后放入干燥器中冷却至室温后称重，两次称重的差值即为样品的失重3，计算挥发分3工业组分含量
7.根据权利要求1所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于确定所述水分含量Mad的方法：将带盖坩埚中加入垃圾衍生燃料样品后称重，然后打开坩埚盖，将坩埚送入温度已达105℃～110℃的干燥箱中，干燥1h以上；然后取出坩埚，盖上坩埚盖，在空气中冷却后放入干燥器中冷却至室温后称重，两次称重的差值即为水分失重，计算水分含量
8.根据权利要求1所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于确定所述灰分含量Aad的方法：将灰皿中加入垃圾衍生燃料样品后称重，然后将灰皿送入温度已达800℃～830℃的马弗炉中，灼烧40min以上；然后取出灰皿，在空气中冷却后放入干燥器中冷却至室温后称重，两次称重的差值即为灰重，计算灰分含量
9.根据权利要求1-8之一所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于所述各步骤中垃圾衍生燃料样品的称取量不小于2g。
10.根据权利要求1-8之一所述的一种确定垃圾衍生燃料挥发分工业组分含量及计算热值的方法，其特征在于所述各步骤中垃圾衍生燃料样品是已磨碎并经空气干燥后的样品。
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