塑料和橡胶类废物的热物理与焚烧特性研究的进展

王志丹 王喆 王小宁

摘要：在社会经济不断发展的过程中，大众对塑料制品的需求日益增加，促进了塑料工业的发展，但也导致塑料和橡胶类废弃物的数量越来越多，严重危害环境健康。因此，需要采取合适的手段，有效处理塑料和橡胶类废物。本文主要针对塑料和橡胶类废物的热物理与焚烧特性进行探讨分析，并提出进一步完善焚烧工艺的措施。

关键词：塑料；橡胶；热物理；焚烧特性

引言：

在我国城市垃圾中，废塑料的数量不断增加，成为其中最主要的一部分。各个城市垃圾组成中，塑料类垃圾的成分不断在增强，尤其是沿海城市，塑料垃圾的成分更高。所以如何处理这类废弃物，成为社会各界关注的重点内容。据相关试验证明，通过塑料的燃烧可以产生出更多的热量，不仅可以将其转化为电能，还能减少不充分燃烧混合物对环境的污染。由于塑料和橡胶类废物中具有较多的能量，相较于其他回收技术而言，更适合使用焚烧技术对其进行处理。

1. 塑料和橡胶类废物的热物理特性

根据塑料类废物的性质，可以将其分为两大不同的类别，一类为热塑性树脂。这一类塑料一旦受热，会发生软化现象，如聚氯乙烯和聚乙烯等。另一类为热硬性树脂，在受热的情况下，这类塑料不会变软，如聚氨基甲酸乙脂与酚醛树脂等。根据相关调查，在城市垃圾中各类塑料占比最多的为聚乙烯和聚丙烯，其次为聚苯乙烯，最少的为聚氯乙烯。要对生活垃圾中的可燃废物进行热处理，就需要对其元素和热值进行分析，如表1所示。从中可以明显看出，在各种生活垃圾当中，塑料和橡胶物质的热值最高。

组分类别	A	C	S	H	N	O	热值/KJ·kg-1
塑料	10.0	60.0	-	7.2	-	22.8	32570
剩余食物	5.0	48.0	0.4	6.4	2.6	37.6	4650
橡胶	10.0	78.0	-	10.0	2.0	-	23260
纤维	2.5	55.0	0.5	6.6	4.6	31.2	17450

根据相关调查显示，在生活垃圾中塑料所占的比例越高，则其热值也就越高。如对居民垃圾占比进行分析，其中塑料所占比例为12.83%，其平均热值为48.13.14；混合试样中，塑料类占比为13.98%，则其平均热值为5538.97%；工商企事业单位中，塑料类垃圾占比为22.91%，其平均热值为77.13.17%。另外，随着我国工业经济的高速发展，以及人们经济水平的提升，在城市垃圾中，进入了越来越多的高热值废物，这更加便于采用焚烧技术处理垃圾。

2. 塑料和橡胶类废物的燃烧特性

塑料和橡胶类废物属于合成高分子材料，对于进行加热，到达一定温度时，其分子链会发生断裂，进而降低其平均分子量，这两类废物的平均分子数具有不可控性，主要由于其不同种类在断裂上也存在一定的差异。挥发析出的温度区间一般在200-800℃之间。为了更好地分析塑料和橡胶类废物的燃烧特性，可以利用DSC和 TGA相结合的方式，测定垃圾中所含有的一些宏观参数，如水分、无机物、以及有机物等。当前，在国内外关于垃圾焚烧特性和规律的研究中，热分析技术得到普遍使用，主要包括差示扫描量热法以及热重分析等，可以比较全面地了解垃圾的整个燃烧过程。同时，通过热分析技术的使用，可以更好地分析可燃垃圾物的燃烧反应动力，并且得到相应的反应动力学参数，有利于进一步优化焚烧炉设计，保障其稳定运行。

对塑料而言，在燃烧的过程中，首先是物质发生热解，并产生挥发份，当挥发份在可燃物表面聚集到一定浓度的情况下，才会发生氧化燃烧。在塑料燃烧的过程中，由于受热，物质会发生化学键断裂的情况，同时会吸收热量，产生多个吸热峰。并且在固定碳将要燃烧完的时候，会出现比较明显的放热峰，这个阶段的放热量较大。因此，在固定碳燃烧的过程中，必然会释放热量。由于橡胶也同样属于聚合类化合物，所以和塑料的燃烧特性比较接近。根据塑料焚烧试验表明，垃圾中废塑料类低温段的动力学参数要大于高温段，不同组分的燃烧特性存在一定的差异。即使是同一垃圾组分，受到不同温度的影响，其反应速率也会存在一定差异。

3. 塑料和橡胶类废物的污染特性

在城市垃圾中，塑料是其中主要的一种可燃成分，主要尤其含有大量氯，比较适合进行焚烧处理。据相关调查显示，在对垃圾进行热化学处理的过程中，其中含氯塑料使其排放HCI的主要原因。含氯塑料中具有较高的氯，在对其进行热解时，会产生大量的HCI，会危害到设备的运行。在燃烧过程中释放出来的氯可以代替多环芳径中的氢，不仅能够形成PCDP , 也会形成PCDD，具有较大的危害性。如在反应物中加入碱性物质，可以使其变为卤化物。在构成垃圾的各种成分中，含有大量的低熔点物质，以及各种高分析化合物，如塑料、橡胶等，一旦受热溶解，具有较大的黏度，并且传热性较差，如果不能保障炉膛内受热的均匀性，很容易使其粘到炉壁上，或者发生结焦现象，严重影响设备的正常运行。

4. 完善焚烧工艺的相关措施

通过相关实验表明，塑料和橡胶类废物的燃烧过程需要先进行热解，并产生挥发份，直到挥发份在可燃物表面达到一定浓度，才能进行燃烧。因此，在设计焚烧炉时，应充分考虑到这一点，确保炉内空间充足。可以将焚烧炉分为两个燃烧室，并且由于废物燃烧比较强烈，燃烧的过程中，火焰也会比较长，所以应将两个燃室高度和宽度设计得较大一些。同时，确保炉膛的高度充足，可以让烟气中的颗粒物质得到充分的燃烧，避免传播到空气当中污染环境。受到温度变化的影响，塑料和橡胶类废物有哦不同的燃烧模型，并且没有良好的导热性，需要大量的时间才能达到热解温度。因此，在设计焚烧炉时，应确保炉内受热均匀。所以应对风量进行相应的调节，有效控制受热面，避免出现结焦的情况。在塑料和橡胶类废物燃烧的过程中，由于其具有大量的硫和氯，所以会产生强腐蚀物，如SO₂和HCI，这类腐蚀物可以严重破坏金属表面的保护膜。其中氯基本上可以和所有金属物质产生反应，形成氯化物，导致氧化膜变得比较疏松，并且含有大量孔隙，使得保护性受到影响。因此，在这个过程中，应适当加入固氯的添加剂，降低其影响。此外，若含硫的橡胶不能得到充分燃烧，很容易造成硫化腐蚀，对此应适当加入固硫的添加剂，降低腐蚀现象发生的概率。

结束语

综上所述，在焚烧塑料和橡胶类废物的过程中，由于没有具备良好的导热性，并且需要较长时间才能达到热解温度。所以在焚烧过程中很容易发生软化现象，并发生粘结和结焦，严重影响焚烧效能。因此，通过对塑料和橡胶类废物的热物理特性、焚烧特性以及污染特性的分析，有利于进一步完善废物焚烧炉，进而提升焚烧工艺水平，降低环境污染。