典型城市生活垃圾基元中温湿分迁移过程动力学特性研究

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城市生活垃圾水分含量高,其湿分迁移特性对整个垃圾焚烧过程有重要影响,基于垃圾是一种具有含湿多孔介质特性的燃料,因此垃圾的热、质传递是研究干燥过程的热点问题之一。本文主要对典型城市生活垃圾基元中温湿分迁移过程的动力学特性进行了实验和模拟研究。本文完成了以下几方面的工作。利用马弗炉进行垃圾基元中温湿分迁移特性的实验研究,得到了温度、垃圾基元种类和块状垃圾基元几何尺寸等因素对典型城市生活垃圾基元中温湿分迁移特性的影响规律。结果表明,干燥时间和干燥温度之间关系呈t=aT~b的规律,初始含湿量较高的垃圾基元和弱各向异性垃圾基元在较低温度下均有明显的初始段、恒速段和降速段,在较高温度下,只有初始段和降速段,初始含湿量较低的强各向异性垃圾基元在所有温度下只呈现初始段和降速段。实验研究结果表明初始含湿量较高的生物质垃圾基元在第一降速段会出现明显的收缩现象,垃圾基元的含湿量、厚度、骨架的移动性以及湿分迁移速率等对其收缩特性均有不同程度的影响,在一定温度下,垃圾基元在第一降速段的收缩率与水分比近似呈线性关系。通过在流化床实验台中进行垃圾基元中温湿分迁移过程的实验研究,得到了相关因素对流化床中典型城市生活垃圾基元中温湿分迁移特性的影响规律。分析垃圾基元几何尺寸、干燥温度、床层厚度和风速对流化床中垃圾基元湿分迁移特性的影响程度,并对中温条件下垃圾基元在流化床和马弗炉中的湿分迁移特性进行了比较和分析。基于对实验结果的进一步分析,得到了典型城市生活垃圾基元中温湿分迁移过程的动力学参数。研究发现温度对垃圾基元湿分迁移过程有效湿分扩散系数的影响均可以用Arrhenius方程描述,典型垃圾基元中温湿分迁移过程所需表观活化能较小,可以在较低的温度下进行干燥。对垃圾基元在马弗炉中的中温湿分迁移过程进行了数值模拟,用收缩模型模拟初始含湿量较高生物质垃圾基元的湿分迁移过程,用不收缩模型模拟非生物质垃圾基元的湿分迁移过程,计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明当考虑高水分生物质垃圾基元的收缩特性时,计算误差会大大减少,高水分生物质垃圾基元收缩特性增大了垃圾基元表面的传热性质。本文的研究成果对进一步深入认识高水分城市生活垃圾湿分迁移特性、改进或设计新型焚烧炉适应我国高水分、低热值的固体废弃物焚烧技术提供参考。
致谢第5-6页
中文摘要第6-8页
ABSTRACT第8-9页
1 引言第13-33页
    1.1 课题背景及研究意义第13-20页
        1.1.1 我国城市生活垃圾的现状第13-15页
        1.1.2 城市生活垃圾的处理方式第15-17页
        1.1.3 城市生活垃圾焚烧技术概述第17-19页
        1.1.4 研究意义第19-20页
    1.2 城市生活垃圾湿分迁移过程的研究现状第20-31页
        1.2.1 含湿多孔介质湿分迁移过程实验的研究现状第22-26页
        1.2.2 含湿多孔介质湿分迁移过程数值模拟的研究现状第26-30页
        1.2.3 现有研究总结第30-31页
    1.3 研究目标和主要研究内容第31-33页
2 实验方案设计及含湿多孔介质湿分迁移机理第33-46页
    2.1 研究方案第33-34页
        2.1.1 研究的影响因素第33-34页
        2.1.2 研究手段第34页
    2.2 实验对象的选取与制备第34-35页
        2.2.1 垃圾基元的定义及选取第34-35页
        2.2.2 垃圾基元的制备第35页
    2.3 实验目的第35-37页
        2.3.1 含湿量的定义及测量第35-36页
        2.3.2 实验目的第36-37页
    2.4 实验装置及方法第37-39页
        2.4.1 马弗炉中湿分迁移特性实验第37-38页
        2.4.2 流化床中湿分迁移特性实验第38-39页
    2.5 垃圾基元表面微观结构的观测实验第39-43页
    2.6 含湿多孔介质湿分迁移机理第43-46页
        2.6.1 水分与物料的结合方式第43-44页
        2.6.2 恒速段第44页
        2.6.3 降速段第44-46页
3 垃圾基元中温湿分迁移特性实验结果及分析第46-73页
    3.1 马弗炉中垃圾基元湿分迁移特性实验结果及分析第46-68页
        3.1.1 含湿量变化规律第46-50页
        3.1.2 温度对脱水失重的影响第50-53页
        3.1.3 温度对湿分迁移速率的影响第53-58页
        3.1.4 收缩特性变化规律第58-66页
        3.1.5 垃圾基元中心温度变化规律第66-68页
    3.2 流化床中垃圾基元湿分迁移特性实验结果及分析第68-71页
        3.2.1 不同温度下的湿分迁移速率第68-70页
        3.2.2 不同进风风速下的湿分迁移速率第70-71页
        3.2.3 不同床层高度下的湿分迁移速率第71页
    3.3 本章小结第71-73页
4 垃圾基元中温湿分迁移过程的动力学特性第73-88页
    4.1 含湿多孔介质湿分扩散动力学概述第73-74页
    4.2 垃圾基元有效湿分扩散系数第74-81页
        4.2.1 生物质垃圾基元第74-78页
        4.2.2 非生物质垃圾基元第78-81页
    4.3 垃圾基元湿分迁移过程的动力学参数第81-87页
        4.3.1 生物质垃圾基元第81-84页
        4.3.2 非生物质垃圾基元第84-87页
    4.4 本章小结第87-88页
5 垃圾基元中温湿分迁移过程的影响因素第88-117页
    5.1 马弗炉中垃圾基元湿分迁移过程影响因素第88-105页
        5.1.1 干燥温度的影响第88-93页
        5.1.2 几何尺寸的影响第93-98页
        5.1.3 垃圾基元种类的影响第98-105页
    5.2 流化床中垃圾基元湿分迁移过程影响因素第105-114页
        5.2.1 几何尺寸的影响第105-109页
        5.2.2 干燥温度的影响第109-110页
        5.2.3 床层厚度的影响第110-112页
        5.2.4 风速的影响第112-114页
    5.3 不同炉型对垃圾基元湿分迁移特性的影响第114-115页
    5.4 本章小结第115-117页
6 垃圾基元中温湿分迁移特性的数值模拟第117-147页
    6.1 数学模型第117-121页
        6.1.1 质量守恒方程第118-120页
        6.1.2 能量守恒方程第120页
        6.1.3 初始和边界条件第120-121页
    6.2 模型的离散第121-123页
        6.2.1 内节点的离散第122页
        6.2.2 边界节点的离散第122-123页
    6.3 物性参数第123-124页
    6.4 垃圾基元湿分迁移特性的计算结果与分析第124-142页
        6.4.1 平均含湿量及含湿量分布第124-132页
        6.4.2 温度分布第132-136页
        6.4.3 不同垃圾基元湿分迁移特性的比较第136-141页
        6.4.4 收缩效应的影响第141-142页
    6.5 垃圾基元表面传热传质特性的计算与分析第142-145页
        6.5.1 垃圾基元的表面传热传质特性曲线第142-144页
        6.5.2 收缩效应对表面传热特性的影响第144-145页
    6.6 本章小结第145-147页
7 结论第147-151页
    7.1 本文研究总结第147-150页
    7.2 进一步研究的建议第150-151页
参考文献第151-161页
作者简历第161-163页
学位论文数据集第163页
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