第28卷第2期南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2006年3月JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYMar.2006廢輪胎燃燒特性的熱重分析唐夕山張衛(wèi)華李冬慶南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院江蘇南京210009摘要∶利用熱分析方法研究廢輪胎膠粉的燃燒特性分析試樣燃燒的τGυVG曲線得岀試樣的燃燒特性參數(shù)計(jì)算岀能夠反映試樣燃燒特性旳詟項(xiàng)指欻著火穩(wěn)燃特性綜合判別指標(biāo)、燃燒特性指欻等)冋時(shí)得岀膠粉和煤粉旳燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)。研究表明廢輪胎膠粉比煤粉具有更好的燃燒性能。關(guān)鍵詞:TG/DTG熱重分析廢輪胎膠粉動(dòng)力學(xué)參數(shù)*中圖分類號(hào):TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7643(2006)2-0085-04輪胎世界年產(chǎn)量高達(dá)30億祭并且以毎年約樣品由東南大學(xué)熱重分析實(shí)驗(yàn)室提供。經(jīng)篩分得到10億條令人驚詫的速度增長,報(bào)廢率為55.4%。粒徑為80~60目(即0.18~0.3mm)的試驗(yàn)所需試1994年我國生產(chǎn)輪胎5000萬條,廢棄量1250萬樣。試樣的工業(yè)分析如表1條報(bào)廢率為25%1。現(xiàn)階段我國是輪胎生產(chǎn)大表1試樣的工業(yè)分析國2001年我國輪胎產(chǎn)量達(dá)到13356萬余條居世界Table 1 Proximate analysis of the sample第3位。目前我國每年產(chǎn)生廢舊輪胎5000多萬條隨著轎車進(jìn)入家庭和汽車保有量的增加廢舊輪胎試樣名稱κ(揮發(fā)份y%(固定碳)%灰份)%煤某粉31.4255.6012.98的產(chǎn)生量還將大量增加2。隨著人口增加,土地資64.726.30源日益稀少廢輪胎的長久堆積不僅破壞環(huán)境景觀.占用土地而且容易引起火災(zāi)造成大量濃煙污染空氣所產(chǎn)生的熔油、溶渣滲入地下造成土壤及地下1.2試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)條件水的污染。因此充分利用龐大的廢舊輪胎資源改本試驗(yàn)采用東南大學(xué)清潔燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室善環(huán)境已是當(dāng)今世界范圍內(nèi)的緊迫任務(wù)。廢舊輪的法國 Setaram公司生產(chǎn)的TG-DTA92型熱重-差胎是一種高熱值材料3),其每千克的發(fā)熱量約為熱分析儀為試驗(yàn)設(shè)備。試樣重10mg試驗(yàn)氣氛為干29~37MJ分別比木材高69%比煙煤高10%,比燥空氣加熱初始溫度為室溫終止溫度為1123K焦炭高4%。將廢舊輪胎直接作為燃料再利用既升溫速率為60K/mn有利于環(huán)保又有利于資源的回收利用。熱分析技術(shù)對(duì)分析煤的燃燒反應(yīng)有很重要的作2試驗(yàn)結(jié)果與分析用早在60年代就已受到工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重視,目前煤質(zhì)熱分析結(jié)果已廣泛地用于指導(dǎo)大型電站鍋爐2.1試樣燃燒TG/DTG曲線分析及燃燒裝置的工程設(shè)計(jì)中。本文利用熱分析方法研廢輪胎和煤粉的 TG/DTG曲線分別如圖1和圖究廢輪胎膠粉在熱天平中的燃燒特性為廢輪胎的2所示。從圖1中可以清楚地看出廢輪胎膠粉失重高效、清潔燃燒提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。全過程基本分為3個(gè)階段水分蒸發(fā)、揮發(fā)份析出燃燒、固定碳燃燒。隨著溫度的逐漸升高膠粉水分1試驗(yàn)原理及方法開始山中國煤化工烘干因此圖中水分蒸1.1試驗(yàn)原料發(fā)CNMHG溫度升至5565K時(shí)試驗(yàn)廢輪胎膠粉樣品由某環(huán)保公司提供煤粉隨著揮發(fā)份的和出及燃燒出現(xiàn)了非常明顯的失重收稿日期2005-06-0作者簡介軎1978-)男江蘇江都人碩士生主要研究方向?yàn)楦咝鳠醾髻|(zhì)設(shè)備聯(lián)系人)副教授E-mail: zhangwu6@ sina.c南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第28卷8004-04002004006080010001201401600時(shí)間/02004006008001000120014001600圖1輪胎膠粉燃燒TG/DTG/DTA曲線圖圖3膠粉與煤粉燃燒曲線對(duì)比Fig. I TG/DTG/DTA plot of tire combustionFig 3 Comparison between tire and coal combustion0.1mg/min時(shí)的溫度值為試樣的著火溫度(某些文獻(xiàn)也稱之為揮發(fā)份析岀溫度)根據(jù)燃燒曲線確定8哥出廢輪胎膠粉及煤粉的著火點(diǎn)溫度分別為556.5K和692.2K。以上分析可以看出廢輪胎膠粉比煤粉更易著火及燃燼。-6故2.2燃燒特性指數(shù)為了全面評(píng)價(jià)廢輪胎的燃燒情況,引進(jìn)了描述煤燃燒特性指數(shù)P進(jìn)行描述06080010001201400160180020時(shí)間/sP=l( dm/dt)m . dm/dmem y(t: T)(1)圖2煤粉燃燒TG/DTG/DTA曲線圖式中為燃燒特性指數(shù)〔dm/d)為最大燃燒速Fig 2 TG/DTG/DTA plot of coal combustion率mg/min(dm/d)-為平均燃燒速率mg/min;T為揮發(fā)份開始析出溫度(著火溫度),C;T為燃過程當(dāng)溫度達(dá)到713K左右失重速率最大此時(shí)對(duì)燼溫度C。應(yīng)的失重量約為95.4%。上述結(jié)果表明廢輪胎膠表2試樣的燃燒特性指數(shù)粉的燃燒過程如下升溫至556.5K揮發(fā)份析出并且Table 2 Combustion characteristic index of the samples與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)開始放熱當(dāng)試樣(dm/d)a/(dm/d)a/T;/T/溫度達(dá)到713K時(shí)燃燒反應(yīng)速度達(dá)到最大DTA曲名稱(mgmn1)( mg min)℃℃線出現(xiàn)放熱高峰隨著溫度的進(jìn)一步升高揮發(fā)份燃膠粉2·50790.371283.58501.3623×10-燒完成隨后開始了固定碳的燃燒過程并且岀現(xiàn)了煤粉0.81380.253419.2850·1.2275×10-第二次放熱高峰。從圖2也較易看岀煤粉的失重過程同膠粉失重燃燒特性指數(shù)P是反映燃料著火和燃燼的綜相似可被分為3個(gè)過程水分析出、揮發(fā)份析岀燃燒、合指標(biāo)P值越大說明燃料的燃燒特性越好從表固定碳燃燒。分析得到煤粉的燃燒過程:升溫至2可以看出廢輪胎膠粉的燃燒特性指數(shù)比煤粉大692.2K時(shí)煤粉析出的可燃性氣體進(jìn)行燃燒反應(yīng)在出個(gè)數(shù)量奶由可,輪胎膠粉比煤粉更易于81K時(shí)燃燒反應(yīng)速率達(dá)到最大值。在揮發(fā)份以及固燃烷中國煤化定碳燃燒過程中υA曲線分別岀現(xiàn)一次放熱高峰CNMHG指標(biāo)圖3為試樣的TG/DTG曲線對(duì)比。相同升溫速為了對(duì)廢輪胎膠粉的著火穩(wěn)燃特性有全面認(rèn)率情況下煤粉所需的燃燼時(shí)間比廢輪胎所需燃燼識(shí)引用煤著火穩(wěn)燃特性綜合判別指標(biāo)R。時(shí)間長并且煤粉的燃燒反應(yīng)更傾向高溫區(qū)。本文Rw=560/7+650/7m+0.27(dm/dt)、(2)取DG畫韞首次出現(xiàn)燃燒速率dm/d=式中為燃燒速率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度,℃。由各第2期唐夕山等廢輪胎燃燒特性的熱重分析87燃燒特性參數(shù)及式2)分別計(jì)算岀廢輪胎膠粉和煤程則粉的著火穩(wěn)燃特性綜合指標(biāo)結(jié)果見下表。k= A exp-E/RT)(4式中:為頻率因子;為反應(yīng)活化能R為氣體常表3試樣的著火穩(wěn)燃特性綜合指標(biāo)Tbe3 The composite index of igmition and the burning of the sam數(shù)T為反應(yīng)溫度為為反應(yīng)速率常數(shù)?？蓪⑷紵丛嚇用QT/℃Tn/℃(dm/d)n應(yīng)假設(shè)為簡單反應(yīng)則Ra)=(1-a)(5)膠粉283.5438.82.50794.1365式中為反應(yīng)級(jí)數(shù)。因此式(1)可寫成煤粉419.2618.30.81382.6069da/dt=A exp-E/RTx1-a) (6)試驗(yàn)為恒速升溫得到升溫速率βB=d7/d代從計(jì)算結(jié)果可以看出廢輪胎膠粉的著火穩(wěn)燃式4)中得特性綜合指標(biāo)遠(yuǎn)大于煤粉即膠粉的著火穩(wěn)燃性比da/dT=( A/B )exp(-E/RTX 1-a)(7)同等粒度的煤粉好l(1-a)"da/d7]=1r(Aβ)-E/R7(8)2.4燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)6-7根據(jù)質(zhì)量作用定理可以得到試樣的燃燒速率A y=ln(1-a) da/dT], b=-E/R x=公式1/T則有da/dt=kf a)(3)(9)式中k為反應(yīng)速率常數(shù);a為反應(yīng)過程中的轉(zhuǎn)化由式9)可以看出,通過直線斜率和截距求得率冫為反應(yīng)時(shí)間。假設(shè)燃燒反應(yīng)服從 Arrhenius方動(dòng)力學(xué)參數(shù)。當(dāng)n=1時(shí)具體計(jì)算結(jié)果見表4。表4試樣燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 4 The combustion kinetic parameters of samples試樣溫度T/℃相關(guān)方程活化能頻率因子相關(guān)系數(shù)rE/(kJ mol) A/min膠粉283.5-493.0y=-1.43293-8977.45771x74.639455.8~578.y=-5.9091-758901131x63.0951.319×100.99637煤粉618.3~838.5y=-11.63523-2634.57622x21.9041.399×1000.9926從計(jì)算結(jié)果可以看出線性擬合的相關(guān)系數(shù)均在9%以上說明用一級(jí)反應(yīng)來描述膠粉和煤粉的燃燒過程是合理的。3結(jié)論廢輪胎膠粉及煤粉燃燒特性曲線很好地反映了各自的燃燒過程和燃燒特性通過分析燃燒特性曲線可以了解其著火特性、燃燼特性、燃燒速率等。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出來的各項(xiàng)指數(shù)能夠從不同的方面女8粉05二5粉線推報(bào)個(gè)2540膠粉對(duì)試中國煤化工而且評(píng)價(jià)結(jié)果一致。與煤煤粉線性擬合618.3~838.5CNMHG更好的燃燒性能其著火溫度低、燃燒速度快、燃燼時(shí)間短比較適合燃燒。圖4試樣的線性擬合曲線使用燃燒方式處理廢舊輪胎是一項(xiàng)可行而且很有前途的技術(shù)南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第28卷參考文獻(xiàn)[5]孫學(xué)信.燃煤鍋爐燃燒試驗(yàn)技術(shù)與方?jīng)KM]北京中國電力[I]薛大明全燮趙雅芝等.廢輪胎熱解資源化研究J]環(huán)境出版社2002工程199816(1)47-486]于伯齡姜膠東.實(shí)用熱分析技M]北京織工業(yè)出版[2]李如林.我國廢舊輪胎回收利用行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策J社1990中國資源綜合利用20033)3-6[7 Folgueras M Belen, Diaz Ramona M, Xiberta Jorge, et al. 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