工業(yè)固廢焚燒過(guò)程及行為分析的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要 文章針對(duì)固體廢物安全焚燒處理技術(shù)的工程現(xiàn)狀和實(shí)際需求，綜合設(shè)計(jì)了典型工業(yè)制藥普通固體廢物焚燒過(guò)程及行為分析的實(shí)驗(yàn)體系。為便于實(shí)驗(yàn)教師實(shí)時(shí)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成果開(kāi)展檢測(cè)和評(píng)判，文章提出了三個(gè)過(guò)程化判定依據(jù)，即溫度滯后現(xiàn)象、線性相關(guān)系數(shù)和活化能相對(duì)變化率三個(gè)評(píng)判指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為師生互動(dòng)式的過(guò)程化實(shí)踐教學(xué)提供了案例參考。

關(guān)鍵詞 工業(yè)固體廢物；焚燒處理；熱動(dòng)力學(xué)分析；過(guò)程化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 " """"""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A """ DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.28.015

Comprehensive Experimental Design of Industrial Solid Waste Incineration

Process and Behavior Analysis

Abstract The article focuses on the engineering status and practical needs of safe incineration technology for solid waste， and comprehensively designs an experimental system for analyzing the incineration process and behavior of typical industrial pharmaceutical ordinary solid waste. In order to facilitate real-time detection and evaluation of students' experimental results by experimental teachers， the article proposes three process based judgment criteria， namely temperature hysteresis phenomenon， linear correlation coefficient， and relative change rate of activation energy. This experimental design provides a case reference for interactive process based practical teaching between teachers and students.

Keywords industrial solid waste; incineration treatment; thermal kinetic analysis; interactive teaching procedure

隨著我國(guó)工業(yè)源固體廢物產(chǎn)量的不斷攀升[1]，富氧焚燒作為一種安全高效的技術(shù)手段，被廣泛用于各類工業(yè)固廢處置工程項(xiàng)目之中[2]，近年來(lái)也是各大高校環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重點(diǎn)。富氧焚燒[3]是多種物理―化學(xué)反應(yīng)協(xié)同作用的過(guò)程，伴隨著復(fù)雜的質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)化。因其設(shè)備、隔熱、溫控、氣氛的嚴(yán)格需求與尾氣監(jiān)控等，使工業(yè)固廢富氧焚燒技術(shù)[4]難以在校內(nèi)開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。工業(yè)固廢焚燒的現(xiàn)場(chǎng)參觀及認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)雖可顯著提升學(xué)生對(duì)焚燒過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)，但難以達(dá)到培養(yǎng)和提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能的目的。因此，本實(shí)驗(yàn)優(yōu)選成分簡(jiǎn)單、安全且有代表性的工業(yè)固體殘?jiān)鼮閷?duì)象，建構(gòu)了典型工業(yè)固廢的富氧焚燒處置綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的操作性和重現(xiàn)性強(qiáng)，所涉及的科研儀器[5]及專業(yè)知識(shí)全面，尤其適合于環(huán)境工程及相關(guān)專業(yè)大三本科生的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1" 實(shí)驗(yàn)原理

工業(yè)固廢焚燒前后的反應(yīng)表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為式1：

其中：" ，， 和分別代表參與焚燒的工業(yè)固廢、維持焚燒的空氣、焚燒后排放的固態(tài)殘?jiān)蛷U氣； 或代表焚燒體系投入或產(chǎn)出的能量。

其中：為焚燒過(guò)程的進(jìn)展程度，當(dāng)=0或1時(shí)分別代表焚燒反應(yīng)的開(kāi)始或結(jié)束；、 和分別代表工業(yè)固廢在焚燒體系初始、最終以及反應(yīng)時(shí)間為時(shí)的重量。

熱動(dòng)力學(xué)是描述固體廢物非等溫環(huán)境下焚燒行為的有效方法[6]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式3和式4所示：

其中：" 為升溫速率；為反應(yīng)模型； 是轉(zhuǎn)化率為 時(shí)的焚燒溫度；是時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)，符合阿倫烏尼茲方程； 為普適常數(shù)（8.314 J/K mol）；為時(shí)的指前因子（/min，或/s）；為轉(zhuǎn)化率為時(shí)的反應(yīng)活化能（kJ/mol）。

2" 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1" 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

石灰氮是一種在精細(xì)化工合成、農(nóng)藥及特種塑料生產(chǎn)等行業(yè)常見(jiàn)的化工原料[8]。本實(shí)驗(yàn)所用某化學(xué)制藥企業(yè)排放的廢棄殘?jiān)ê?jiǎn)稱固廢殘?jiān)鞘业馍a(chǎn)單氰胺過(guò)程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物。其化學(xué)成分（重量比例）為：水分（22.45€？.35%），炭黑（12.35€？.23%），碳酸鈣（65.35€？.42%）。固廢殘?jiān)目偳杌锖颓杌铮ㄒ訡N―計(jì)）浸出濃度低于2.5 mg/L，屬于普通工業(yè)固體廢物范疇。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展前將固廢殘?jiān)?0 ℃烘干12 h，并粉碎至300目以下。焚燒測(cè)試所用合成空氣（O2：N2=21：79）購(gòu)自青島特種氣體有限公司。

采用上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)TG/DSC同步熱分析儀測(cè)定固廢殘?jiān)贌^(guò)程中發(fā)生的質(zhì)量/能量變化。

2.2" 實(shí)驗(yàn)流程與步驟

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程由不低于4名學(xué)生組成的實(shí)驗(yàn)小組合作開(kāi)展。具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如下。

樣品測(cè)試：①采用JYP-24FS數(shù)顯坩堝壓片機(jī)，在8.5€？.15 Mpa壓力下將固廢殘?jiān)鼔褐茷楸∧悠菲瑔纹瑯悠亓繛?0€？.50 mg；②利用TG/DSC熱分析儀模擬開(kāi)展固廢殘?jiān)∧悠菲姆贌^(guò)程測(cè)試。運(yùn)行參數(shù)為：升溫速度（=3，4，5和6 K/min），空氣載氣流速150 ml/min，升溫區(qū)間300―1100 K。

結(jié)果分析：結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)一步闡述固廢殘?jiān)姆贌^(guò)程及行為。

3" 結(jié)果與討論

3.1" 固廢殘?jiān)贌^(guò)程的重量/能量（TG/DSC）測(cè)試

在升溫速度=3，4，5和6 K/min狀態(tài)下，固廢殘?jiān)贌^(guò)程中發(fā)生的重量/能量變化趨勢(shì)的熱分析曲線如圖1所示。

TG曲線顯示固廢殘?jiān)贌l(fā)生的總重量損失為46.67―48.32%；同時(shí)DSC能量曲線檢測(cè)到明顯的放熱和吸熱現(xiàn)象。這說(shuō)明固廢殘?jiān)贌辽侔瑑蓚€(gè)連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，其焚燒過(guò)程呈現(xiàn)多步反應(yīng)的特征。當(dāng)升溫速率從3 K/min（圖1―A）逐步提升到 6 K/min（圖1―D），TG曲線上降重的外延初始溫度（Peb）以及DSC能量曲線上的放熱峰溫度（Pex）和吸熱峰溫度（Pen）從816.71 K、852.85 K和985.35 K分別提升至846.09 K、872.55 K和1012.65 K，TG/DSC曲線整體出現(xiàn)右移的“溫度滯后”現(xiàn)象[9]。教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)小組獲取的TG/DSC曲線組發(fā)生溫度滯后現(xiàn)象作為初步判定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的方法，并可精準(zhǔn)鎖定準(zhǔn)確度低的數(shù)據(jù)曲線。

3.2" 固廢殘?jiān)贌^(guò)程數(shù)據(jù)分析

3.3" 固廢殘?jiān)贌^(guò)程的活化能變化

活化能相對(duì)變化率（ ）是評(píng)價(jià)一個(gè)反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜程度的有效參數(shù)，其計(jì)算過(guò)程如式6所示：

其中，、和分別為特定反應(yīng)程度范圍活化能的極大值、極小值和平均值。當(dāng)∈[0，1]時(shí)，代表整個(gè)反應(yīng)體系屬于多步反應(yīng)，說(shuō)明反應(yīng)體系具有為單步反應(yīng)特征[9]。因化學(xué)反應(yīng)初期或末期（即≤0.1 或≥0.9）發(fā)生諸如軟化、熔化等物理變化而影響對(duì)反應(yīng)體系復(fù)雜程度的判定，故ICTAC推薦實(shí)際操作過(guò)程中以∈（0.1，0.9）范圍內(nèi)作為判定反應(yīng)復(fù)雜性的依據(jù)。基于圖3―B，固廢殘?jiān)罨軘?shù)值為136.35～175.11 kJ/mol，其平均活化能=143.75 kJ/mol。由此計(jì)算的 =25.96%＞10%。因此從熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算角度也進(jìn)一步說(shuō)明固廢殘?jiān)贌莻€(gè)復(fù)雜的多步反應(yīng)。

在學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果檢測(cè)和計(jì)算結(jié)果評(píng)判方面， R2可作為活化能計(jì)算精確度的依據(jù)。此外， 的數(shù)值范圍可作為學(xué)生判定焚燒反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜程度的依據(jù)。

3.4" 固廢殘?jiān)姆贌^(guò)程及行為的描述

在非等溫環(huán)境下，隨著焚燒溫度的提升，固廢殘?jiān)腡G曲線顯示固廢殘?jiān)塾?jì)焚燒降重達(dá)46.67―48.32%，DTG曲線指明固廢殘?jiān)?jīng)歷兩個(gè)重量損失階段。DSC曲線顯示，第一個(gè)降重反應(yīng)伴隨放熱現(xiàn)象，第二個(gè)降重反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)。因此固廢殘?jiān)姆贌且粋€(gè)由連續(xù)兩個(gè)放熱―吸熱反應(yīng)組成的多步反應(yīng)過(guò)程。

對(duì)于整個(gè)焚燒過(guò)程重量/能量曲線組，炭黑的燃燒放熱導(dǎo)致了第一個(gè)放熱過(guò)程的降重反應(yīng)，而碳酸鈣的分解和氧化鈣晶體的熔化導(dǎo)致了第二個(gè)吸熱過(guò)程的降重反應(yīng)。

4" 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)某化學(xué)制藥企業(yè)排放的廢棄殘?jiān)母谎醴贌C合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，同步實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生在固體廢物富氧焚燒技術(shù)、儀器分析、熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算、數(shù)值分析和結(jié)果研討等方面諸多技能的培養(yǎng)，讓學(xué)生對(duì)實(shí)際工業(yè)固廢焚燒過(guò)程中焚燒反應(yīng)的途徑、形態(tài)變化和重量/能量轉(zhuǎn)化等運(yùn)行機(jī)制有更進(jìn)一步的理解。

實(shí)踐教學(xué)中提出三個(gè)過(guò)程化指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的判定依據(jù)，即以“溫度滯后”現(xiàn)象判定實(shí)驗(yàn)小組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、線性系數(shù)R2作為活化能數(shù)值計(jì)算精確度和活化能相對(duì)變化率（ ）的數(shù)值范圍，為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教師對(duì)學(xué)生階段性成果的實(shí)時(shí)指導(dǎo)，增強(qiáng)師生共同探索的互動(dòng)式教學(xué)提供參考。

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