2.3　厨余垃圾燃烧特性的影响因素

本文采用L9（33）正交实验，研究升温速率、氧浓度和水分含量对燃烧过程及特征参数的影响。实验工况见表2-2。

2.3.1　燃烧过程及特征参数分析

对于厨余垃圾的燃烧特征参数，主要分析着火点、失重峰高度、失重峰温度以及燃尽温度等。其中着火点的计算方法见图2-2。从失重DTG曲线最大失重速率处作垂线，获得与TG曲线的交点。从该交点作TG曲线的切线，得到与开始分解阶段水平线的交点。最后，由交点作垂线获得与TG曲线的交点。该交点被认为是物质燃烧过程的着火点。失重峰位置和高度都可以由DTG曲线获得。定义燃烧失重达到95%时的温度为物质的燃尽温度。

由图2-2可知，厨余的燃烧过程主要分为4个阶段：水分的析出干燥，挥发分的析出和着火，焦的燃烧，燃尽。厨余垃圾的燃烧主要集中在250℃到500℃温度范围内。290℃和470℃附近出现的两个峰值分别对应挥发分的析出和焦炭的燃烧。当温度达到700℃时，DTG曲线出现一个较小的峰值，可能是木质素分解过程中焦形成的空位以及燃烧造成的［28］。峰值出现的温度和高度是由木质素焦的孔隙结构决定的。

2.3.2　升温速率对燃烧过程的影响

表2-3为升温速率对燃烧特征参数的影响。图2-3为升温速率对厨余垃圾燃烧过程的影响。通过对比不同升温速率下的TG和DTG曲线可知（图2-3），提高升温速率可以显著增加DTG曲线中最大失重速率，这是由于升温速率的提高加强了燃烧过程的传热。但TG和DTG曲线的形状并没有明显改变。此外，随着升温速率的提高，燃烧的失重峰向高温区移动。在Kai LIU等人［43］的研究中也发现了相同的趋势，而且对于造纸污泥来说，失重峰向高温区的移动更加明显。

对于TG曲线，失重率随着升温速率的增加而降低。着火点，失重峰温度以及燃尽温度等特征参数都随着升温速率的增加而降低。这是由于在较低升温速率下，热延迟效应更加明显，造成了更好的分解效果。热延迟效应，是由于在热分解的过程中，燃料的升温速率低于环境的升温速率，从而在燃料的升温过程中出现一定的延迟。在较高的热流密度下，灰的高温导致无机物的沉积，造成残留物的增多。此外，较低的升温速率会促进更多孔隙的形成，大部分的孔隙都是有规则形状的，而高升温速率下形成的孔隙相对较少，并且形状不规则［27］。

对于不同升温速率下的TG和DTG曲线，在温度低于600℃时差异很明显，当温度高于600℃时失重曲线则非常接近。这说明升温速率对于半纤维素和纤维素的分解影响较大，但对于木质素的分解影响较小。此外，由于热天平上的各组实验升温速率差异不大，因此受传热传质的限制，各组实验样品的反应性差异也较小。

2.3.3　氧浓度对燃烧过程的影响

表2-4和图2-4给出了在不同氧浓度下的特征参数和厨余垃圾的燃烧过程。对比不同升温速率下的TG失重曲线（图2-4）可知，当温度低于350℃时，氧浓度对于失重过程的影响较小。在温度高于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半纤维素分解的影响较小，对于纤维素和木质素分解的影响较大。

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焦的燃烧过程。原因是反应边界层的阻力减小，氧浓度的增加促进了挥发分的析出，进而影响燃烧过程。燃烧的促进效果随燃料和燃烧条件不同有所差异［44］。此外，氧浓度对燃烧的着火点也有影响，着火点随着氧浓度的升高而降低，更有利于燃料的着火燃烧。当氧含量降至0%（纯N2）时，DTG只有一个失重峰，M.X.Fang等人［22］在研究中也有相同的结论，这是氧化气氛和惰性气氛下的传热传质特性差异造成的。由以上分析可知，富氧条件下可以实现更低温度的燃烧。

2.3.4　水分对燃烧过程的影响

图2-5和表2-5给出了不同水蒸气流速下厨余垃圾燃烧的失重过程和特征参数。结果表明，有水蒸气存在的情况下，DTG的曲线表明随着失重峰温度增加，说明水分的存在造成垃圾的燃烧过程更加困难。这是由于炉内的热量部分被水吸收。但是另一方面水分的存在促进了着火的实现。有文献报道［45-46］，水分的存在会促进颗粒间的相互碰撞，OH基团对燃烧过程也有催化促进作用。

水分导致的气化作用促进了半纤维素和木质素的分解过程，从而增加了DTG曲线的峰值高度。对于TG曲线，相同温度下水蒸气的存在使失重率增加。此外，水分的存在可以提高燃烧效率，减小灰分的残留率。有学者在研究中也得出了类似的结论［47-48］。这是由于在水分存在的情况下，挥发分和气体的释放被延迟和抑制，因此反应时间更长，导致了燃烧效率的提高。

当温度高于600℃时，相比于升温速率和氧浓度，水分对于燃烧过程的影响相对较小。