1.2　城市生活垃圾焚烧现状

城市生活垃圾的组成复杂，包括可燃组分厨余、木竹、塑料等，以及不可燃组分灰土、砖瓦陶瓷等。其燃料特性随季节和地域变化，导致各地垃圾处置方式具有较大差异性。

城市生活垃圾焚烧过程中产生的污染物主要是重金属和二英，如何在热处理过程中将其危害降到最低，也是目前普遍关注的问题。有学者对城市生活垃圾焚烧过程中重金属的分布和迁移转化进行了研究［10-15］，发现温度升高会导致重金属从底灰向飞灰转移，而还原性气氛也会增加很多金属的挥发性。Kari以及Margarida等人［14-15］对在城市生活垃圾焚烧过程中PCDD及PCFD等二英类物质的生成进行了研究。通常采用控制燃烧温度，延长烟气停留时间以及采用添加剂等方式抑制二英的生成。

由于垃圾焚烧的复杂性，以及希望通过热处理实现对污染物的控制，研究城市生活垃圾的燃烧特性就十分必要。很多学者针对垃圾的燃烧特性开展了相关研究，主要研究垃圾各组分的基础燃烧特性以及不同组分间的交互影响。

1.2.1　典型城市生活垃圾组分的燃烧特性

廖洪强，姜凡等学者［16-17］针对城市生活垃圾典型组分的燃烧特性进行了研究。给出了城市生活垃圾热分解过程中的特征参数，包括分解温度、着火点以及燃尽温度。同时对燃烧动力学参数进行计算，指出城市生活垃圾的燃烧过程可以用一级反应模型来描述。

有学者［18-20］利用热重台架研究升温速率对垃圾燃烧的影响。升温速率的提高可以显著增加最大失重速率，使出峰位置向高温区移动。升温速率的提高还增加了瞬时传热量，因此需要更长的时间来达到平衡态。此外，由于反应时间减少，高升温速率下就需要更高的反应温度。

马晓茜，Conesa等学者［18，21-23］研究了氧含量对垃圾燃烧的影响。富氧燃烧条件下的DTG曲线主要包含两个失重峰，分别对应挥发分的析出和焦炭的燃烧。随着氧含量的增加，燃烧过程得到明显的促进，其反应活化能显著降低。此外，氧含量的增加会导致显热的降低，而且使反应更充分，从而降低未燃碳的比例。

Zakaria，Sharifi［24-26］等人研究了水分对城市生活垃圾燃烧的影响。由于含水垃圾的热值较低，因此燃烧也比较困难，通常需要掺煤混烧。水分的存在不仅会影响垃圾的干燥，也会造成燃烧温度、火焰前锋以及燃尽率的降低，而且会抑制NO的生成。K.Suksankraisorn［26］发现，较低的水分含量会使CO和SO2的生成量降低。在较低的水分含量下，燃料氮向NO的转化受到促进，向N2O的转化则受到抑制。方向等人［27］研究了水蒸气对于生物质燃烧的影响。当水蒸气浓度低于3.5%时，其对燃烧的影响较小，当水蒸气浓度高于3.5%时，则会导致生物质燃烧的不稳定，并且随着水蒸气浓度增加，燃烧的不稳定现象加剧。这是由于水蒸气的蒸发和凝结导致热负荷的波动。

1.2.2　不同城市生活垃圾组分交互影响

由于城市生活垃圾的组成多样，且随地域和季节的变化有较大差异，造成燃烧过程的复杂性。因此研究不同垃圾组分在热解和燃烧过程中的交互影响就显得十分必要。

日本丰桥科技大学Ichiro Naruse等人［28］利用纤维素和木质素模拟实际生物质的热解和燃烧，对此过程中两者的交互影响进行了研究。结果表明，纤维素和木质素的线性叠加可以很好地模拟实际生物质的热解过程，但在燃烧过程中差异较大。因此作者认为纤维素和木质素的交互作用造成了焦结构和燃烧过程的差异性。通过SEM对焦形貌进行分析，发现模拟焦和实际焦之间存在差异，实际生物质焦的多孔结构使其具有较好的反应性，而由于纤维素和木质素热解过程中独立反应，其产生的密实型焦的反应性较差。

浙江大学的池涌等人［29］利用热重研究了850℃城市生活垃圾的快速热解以及不同组分的交互作用。通过各组分的线性叠加和实际失重过程的对比，分析热解过程的交互影响。结果表明，木竹和纸类之间热解的交互影响较小，而纸类和PE之间的交互影响则较为显著。这主要是由于PE和纸类的热特性差异较大，PE的吸热作用导致反应速率降低，因此造成了两者的交互影响。

研究表明，城市生活垃圾不同组分在燃烧过程中存在交互作用。但交互作用的机理并没有得到深入探究，因此本文希望能从焦的物理形貌和化学结构入手，来分析其交互作用机理。焦的物理形貌和化学结构分析广泛应用于煤的热解和燃烧过程分析。

1.焦的物理形貌分析

有学者［30-34］利用扫描电子显微镜研究了生物质焦的微观结构。主要分析不同工况下孔的大小、孔壁厚度以及焦纤维结构的变化。在较低的升温速率下，挥发分的析出造成多孔的焦结构，表观形貌和微观结构略有差异。在高升温速率下，焦发生熔融，相比低升温速率下的焦有较大差异。升温速率的提高会破坏孔壁的结构，促进反应的进行。在高压下，会促进大孔和薄壁的形成，熔融也会对焦的形貌造成很大影响。

2.焦的化学结构分析

L.Lu等学者［35-39］利用XRD（X射线衍射仪）分析了焦的化学结构，并研究其对反应性的影响。定义了无序度因子

式中：XA代表无定型碳的比例，是反应性最好的碳结构；1-XA代表具有晶体结构碳的比例；fA代表脂肪结构碳的比例。

XA的增加会造成无序度因子DOI的增加，从而提高焦的反应性。除了DOI，002峰也是分析焦化学结构的重要指标。随着煤阶的升高，002峰的位置会更接近石墨的特征峰（26.6），片层间距更接近芳香族的特征值（3.352），这说明焦的芳香化程度得到了提升。