木塊在流化床氣化爐內氣化特性的試驗研究

第21卷第1期電站系統工程VoL 21 No. 12005年1月PowerSystem Engineeringan,2005文章編號:1005-006X(2005)01-0008-03木塊在流化床氣化爐內氣化特性的試驗研究浙江大學(xué)張加權池涌肖剛繆麒馬增益岑可法摘要:利用自行設計的小型流化床試驗裝置系統,對城市生活垃圾中木塊組分在不同的反應溫度、不同的過(guò)量空氣系數下進(jìn)行了空氣氣化實(shí)驗。分析了在流化床氣化爐中,這些反應條件對木塊轉化為氣化氣的影響以及在不同的氣化反應條件下,木塊氣化氣成分產(chǎn)氣率、氣化氣熱值及氣化效率的變化規律。最后,提岀了流化床城市生活垃圾氣化熔融技術(shù)中一些有價(jià)值的運行參數范圍關(guān)鍵詞:城市生活垃圾(MSW);氣化熔融;流化床;木塊;氣化中圖分類(lèi)號:TK16文獻標識碼:AExperimental Study on Gasification Characteristics of Wood in a Fluidized BedZHANG Jia-quan, CHI Yong, XIAO Gang, et aL.Abstract: An experimental system for fluidized bed was designed and developed at the laboratory scale, a series ofgasified trials of wood, which widely exist in both biomass and municipal solid waste(MSW), have been done in thefluidized bed with different excessive air coefficient and temperature. All the emission gas and the heat value of the gaswere measured. After analyzing all the experimental result, some important conclusions of the wood gasification in thefluidized bed were put forward. All of these give the msw gasification and melting technologKey words: MS W; gasification and melting; fluidized bed; wood; gasification近年來(lái),我國經(jīng)濟快速發(fā)展,人民生活水平日益提高城市生活垃圾的產(chǎn)量也急劇增加。統計資料表明"目前我國1實(shí)驗裝置及實(shí)驗方法垃圾年產(chǎn)量已達1.6億t左右,且正以8%~10%的速度遞增。11實(shí)驗裝置同時(shí),我國城市垃圾的成分構成也發(fā)生了很大的變化,有機圖1為實(shí)驗采用的流化床氣化實(shí)驗裝置示意圖。爐膛采用物含量不斷增加,達到80‰%左右;垃圾熱值也不斷提高,有電熱絲加熱。加熱過(guò)程及加熱溫度由溫控裝置控制和調節。的城市垃圾的熱值高達5860kJkg。這些特點(diǎn)為我國采用更增加物料在爐內的停留時(shí)間,防止物料噴出爐膛以及塑料在給為先進(jìn)的垃圾處理技術(shù)——氣化熔融提供了基礎料口因熔化而堵塞,在流化床上方加了水冷裝置ε垃圾氣化熔融處理技術(shù)是近年來(lái)美國、日本、德國等發(fā)達國家為解決垃圾焚燒處理過(guò)程中產(chǎn)( Dioxins)類(lèi)毒性物質(zhì)問(wèn)題而提出的,該處理技術(shù)極大地滿(mǎn)足了無(wú)害化、減量化、資源化的要求,成為21世紀新型垃圾處理技術(shù),它結合垃圾氣化和飛灰熔融二者的優(yōu)點(diǎn),與常規的垃圾處理方法相比,具有高效的能源利用率和良好的環(huán)保特性。然而,國外的先進(jìn)技術(shù)必須與我國的實(shí)際相結合。這就必須對我國垃圾的成分作一清楚的了解。目前,我國每年產(chǎn)生的城市生活垃圾中,主要可燃成分有:塑料、木塊、紙張圖1流化床氣化裝置系統圖等,其中木料約占7.76%,是生物質(zhì)和固體廢棄物的主要成分1集氣2給料口3水冷裝置4加熱裝置5溫控裝置6熱電偶⑦流之一以3。隨著(zhù)生活質(zhì)量提高,住宅條件改善,淘汰下來(lái)的廢化床主體8穩壓瓶9燃氣表10轉子流量計11鼓風(fēng)機棄木材會(huì )越來(lái)越多。廢棄木料主要指電纜輥芯、枕木、各種2實(shí)驗物料特性廢舊人造板、廢單板、各種包裝用過(guò)的木材、舊托盤(pán)、板皮實(shí)驗采用的木塊原料的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1。由于截頭、邊角料,建筑物拆毀工程中的各種木材以及一次性快給料口尺寸較小,因此需要對木塊進(jìn)行破碎處理,選擇粒徑餐用木筷等在4mm左右。作為城市生活垃圾氣化熔融處理的一個(gè)重要組成部分,本文對木塊在自行設計的小型流化床試驗裝置系統中進(jìn)行了表1木塊的工業(yè)分析和元素分析工業(yè)分析元素分析/%系列氣化試驗,其目的在于通過(guò)試驗研究,掌握木塊在流M/%C化床內的氣化特性,并荻得城市垃圾氣化熔融技術(shù)中一些有0.473.16417783475.000.1價(jià)值的參數。3實(shí)驗方收稿日期:200408-19張加權(1979-男,碩士生。熱能工程研究所,310027BRER TH中國煤化工m的石英砂CNMHG床層高度大約10cm,流化風(fēng)量0.5~1.6Nm3/,流化風(fēng)速005~0.15Nm/s(主要包括CH、C2H4、CH、CH0C3H2)含量在這由于在城市生活垃圾氣化熔融技術(shù)中,垃圾氣化階段個(gè)范圍內隨著(zhù)溫度的升高也增加,但過(guò)了600℃再升高溫的溫度大多控制在500~600℃之間,因此,氣化實(shí)驗是度,含量略有下降。這可能是由于高溫下烴類(lèi)物質(zhì)進(jìn)一步在400~700℃的溫度范圍內,過(guò)量空氣系數a為0.2~0.8分解(反應式9有關(guān)。而CO和H2隨著(zhù)溫度的進(jìn)一步升高的情況下進(jìn)行的?？赡芨嗟貐⑴c了(6)、(7)反應,導致體積含量下降。流化床的熱源一部分來(lái)自電加熱爐,并配有溫控儀這樣氣化氣中的可燃氣含量隨溫度先上升后略有下降,從控制氣化反應溫度在設定范圍內;另一部分來(lái)自木塊氣化12%到26%再到24%左右。CO2和N2則呈下降趨勢。反應產(chǎn)生的熱量氣化實(shí)驗收集的氣體采用意大利生產(chǎn)的 Trace GC2000氣體分析儀進(jìn)行氣體分析。2實(shí)驗結果與討論氣化是將垃圾中有機成分(主要是碳)在還原氣氛下國爾爾與氣化劑反應生成燃氣CO,CH,H2等)的過(guò)程。一般是通過(guò)部分燃燒反應放熱提供其它制氣反應的吸熱。氣化反應的產(chǎn)物為燃氣和灰分,其目標產(chǎn)物為單一的氣態(tài)燃氣。目前,生物質(zhì)氣化已有許多的實(shí)驗和理論研究,其氣化過(guò)程般包括下面3個(gè)步驟:①揮發(fā)分析出;②揮發(fā)分二次反氣化反應溫度應;③焦炭的反應,其中第一步揮發(fā)分析出對生物質(zhì)氣化圖2氣化氣組分隨氣化溫度變化關(guān)系過(guò)程影響較大。本文研究旳重點(diǎn)是在流化床內木塊的空氣2.2過(guò)量空氣系數及氣化溫度對氣化氣熱值的影響氣化,旨在探討在預定的工況下木塊氣化的反應特性氣化氣熱值是反映氣化過(guò)程進(jìn)行好壞的一個(gè)重要參2.1氣化氣成分體積含量與氣化溫度的關(guān)系數,其值高低對后續的熔融處理也產(chǎn)生非常重要的影響從上面的元素分析可以看出,木塊的HC相當高,所一般認為,氣化氣熱值達到3000kJNm就能使熔融爐中以其揮發(fā)分含量較高,固定碳含量較少活性高,這些特點(diǎn)的溫度達到1400℃以上。下面就氣化氣熱值與過(guò)量空氣決定了木塊較適宜氣化。又由于木塊中含有的主要元素是系數和氣化溫度之間的關(guān)系展開(kāi)討論。O,因而氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣的主要成分為:CO2CO、2.2.1過(guò)量空氣系數對氣化氣熱值的影響N2、H2、CH1、C2~C3氣體等(其中N2為氣化介質(zhì)空氣中表2給出了氣化氣熱值與過(guò)量空氣系數和氣化溫度的的氮,未參與氣化反應;木塊中的N、S元素含量非常少,關(guān)系。這里,先討論600℃時(shí)氣化氣熱值與a的關(guān)系,然可忽略不計)。對于小型流化床實(shí)驗臺而言,設計的流化風(fēng)后再看一下其他溫度下的變化趨勢。由上表可知,當過(guò)量量在05~1.6Nm/之間,由于木塊中含有較多的氧元素,空氣系數從0.2增加到08時(shí),氣化氣低位熱值隨之從5232相同的過(guò)量空氣系數下,需要的物料量多,而且木塊氣化KNm減少到2390kNm。氣化氣熱值隨α的增加而降低過(guò)程中產(chǎn)生較多的碳黑和焦油,為了不使氣化器發(fā)生嚴重主要是由于空氣的稀釋作用,a越大,O2的含量就越多,堵塞,選用流化風(fēng)量09Nmh比較合適。下面分析氣化溫這樣生成的Co、H12和CH等可燃氣體參與燃燒反應就增度對氣化氣組分體積百分含量的影響加了,從而導致氣化氣熱值的降低。在氣化過(guò)程中,主要發(fā)生以下反應表2木塊氣化氣低位熱值(kNm3)C+0 C0, +393. 8 M/kmol2C+O2 2C0+ 231.4MJ/kmol27483148H,o CO+H,-13 1.5MJ/kmol5232C+2H,O CO,+2H,-900 MJ/kmC+co 2C0-162 4 MJ/kmol表中700℃時(shí)氣化氣熱值與過(guò)量空氣系數的關(guān)系與C+2H, CH+74.9 MJ/kmol(6)600℃時(shí)基本相同。下面主要看看400℃和500℃的情CO+HO CO, +H, +41.0 MJ/kmol(7)況。氣化溫度400℃,a從04~0.6變化時(shí),由表可知焦油+(HO,CO2)→ΣCmHn+CO+H2+CH+…(8)氣化氣熱值變化不大,2700kJ/Nm3左右。500℃除a=0.2CH C+2H(9)外,氣化氣熱值仍遵循氣化氣熱值隨過(guò)量空氣系數增大而圖2給出了木塊氣化氣組分隨氣化溫度的變化規律。變小的規律。而在400℃,a=0.8時(shí),氣化氣熱值也降在400~600℃范圍內,隨溫度的升高,H,含量從3.2%到低為1652kJ∧Nm3,基本遵循上述規律。表中400~500℃,1.1%,CO含量從592%到9.81%逐步上升,這是由于物a=0.2時(shí),由于反應溫度低、過(guò)量空氣系數小,在加料口料中揮發(fā)分的析出、焦油的高溫分解以及未反應炭與水蒸發(fā)生堵塞現象導氣好回而化氣熱值未列出氣及反應過(guò)程中生成的CO,之間發(fā)生反應(見(jiàn)反應式3、4、22.2氣化反應中國煤化工5、8)而產(chǎn)生大量的CO和H2,并減少了CO2CH4、CmH化反應溫CNMHG要因素。以a電站系統工程2005年第21卷06為例,400~600℃時(shí),氣化氣熱值從2748kNm3逐=02~0.8時(shí),產(chǎn)氣率從10Nm/kg增大到35Nm/kg左右,漸上升到3858kNm,達最大值。隨氣化溫度的進(jìn)一步提基本成正比例線(xiàn)性關(guān)系。這是由于過(guò)量空氣增加,相同物料高,氣化氣熱值不升而降。這可能是因為,更高的氣化溫度量下,參與反應的空氣量增加,從而使反應更為徹底完全使氣化氣中焦油在高溫下發(fā)生了裂解反應(式8)生成CH、導致產(chǎn)氣率升高。氣化溫度雖然對產(chǎn)氣率影響不大,但從產(chǎn)CO、H2、CH等小分子氣體以及烴類(lèi)氣體發(fā)生裂解(式9)氣率變化曲線(xiàn)圖,仍然可以發(fā)現產(chǎn)氣率隨氣化溫度的變化規生成不容易氣化的碳黑,從而降低了氣化氣熱值。律,即:隨氣化溫度的升高,產(chǎn)氣率增大。且過(guò)量空氣越低,04、0.8時(shí),氣化氣熱值隨氣化溫度旳變化規律產(chǎn)氣率增加幅度越小。這可能是由于,更高的氣化溫度使更與α=0.6時(shí)相似,都是隨溫度的升高,熱值先增大后減少,多的揮發(fā)分快速釋放岀來(lái)、更多的焦炭在高溫下發(fā)生氣化反都在600℃達峰值。但α=0.2是個(gè)例外,可能是由于此應以及在高溫下更多的焦油發(fā)生裂解反應,過(guò)量空氣系數增時(shí)過(guò)量空氣系數對氣化氣熱值的影響更大,使氣化氣中可加導致入爐空氣量的增加,使得氣化氣產(chǎn)量增加燃成分來(lái)不及燃燒所致。23過(guò)量空氣系數和氣化溫度對氣化效率的影響氣化效率是指氣化氣熱值占原料熱值百分比含量。這個(gè)概念表征了原料在整個(gè)氣化反應中轉化為氣體的百分率氣化效率隨過(guò)量空氣系數和反應溫度的關(guān)系如表3和圖3所示:在400~600℃的范圍內(除a=0.2外),氣化效率隨溫度的升高而升高。溫度繼續升高到700℃,氣化效率有不同程度的降低,其中α=0.6時(shí),減低幅度最大從67.55%降到53.78%。由此可以看出,過(guò)高的溫度不一定過(guò)量空氣系數0獲得很好的氣化效果,600℃左右氣化最理想。圖4產(chǎn)氣率變化曲線(xiàn)表3氣化效率數值表3結論℃氣化效率%氣化效率氣化效率氣化效率(1)氣化氣中含有的氣體成分較多,主要有CO2、N244.3953.0745.33CH4、CO、H2、C2H、C2H、C3H2、C4HC3H12等,且可35,13燃氣體成分的體積含量占總體積的20%左右(2)氣化氣熱值隨過(guò)量空氣系數的增大而降低;隨氣化溫度的升高先增大后減小,600℃達到最大值。當400~500一一0.℃,a=0.2時(shí),氣化效果不好;a=0.8時(shí),所得氣化氣熱值偏低,不利于后續熔融處理。因而對于木塊的氣化,氣化溫度600℃,過(guò)量空氣系數a=0.6,木塊的氣化效果最好,此時(shí)的氣化氣低位熱值在3858kJNm3左右。氣化效率可達67.55%,能夠滿(mǎn)足后續熔融處理的要求。(3)產(chǎn)氣率隨氣化溫度的升高略有增加;在氣化溫度為400~700℃的范圍內,隨過(guò)量空氣系數的增加而以近似線(xiàn)氣化反應溫度吧性規律升高。產(chǎn)氣率最高為385Nm/kg,此時(shí)氣化氣流量圖3氣化效率變化曲線(xiàn)達1.27Nm/h另一方面,在溫度一定的情況下,α=0.6時(shí)氣化效率均達到峰值,:在a=0.2~0.6范圍內,氣化效率逋過(guò)量空氣系數參考文獻的大而增大;a=0.6~08時(shí),氣化效率過(guò)量空氣系數的增1蔣劍春,戴偉娣等,城市垃圾氣化試驗研究初探門(mén)可再生能大而降低。源,200302):14-17氣化效率是反映氣化過(guò)程進(jìn)行好壞的一個(gè)重要參數,從上從上21李?lèi)?ài)民任遠,李水清,等.木塊在回轉窯內熱解特性的試驗研究門(mén).燃燒科學(xué)與技術(shù),1999.5(2):121~面的分析可以得出下面的結論:當氣化溫度在6O℃左右,過(guò)31 M Morris. L Waldheim. Energy recovery from solid waste fuels usin量空氣系數為0.6時(shí),木塊氣化效果最好,氣化效率達到6755%。dvanced gasification technology [J]. Waste Management, 1998(18)24產(chǎn)氣率與過(guò)量空氣系數及溫度的關(guān)系氣化反應產(chǎn)氣率是一重要參數,它是指單位時(shí)間內生141徐嘉城市生活垃圾典型組分的流化床氣化特性實(shí)驗研究D浙成的氣化氣體積量(Nm3)與給料量(kg)的比值,反映江大學(xué),2004.4~525]米鐵,張春林,等.流化床作為生物質(zhì)氣化反應器試驗研究物質(zhì)由固體轉化為氣體的能力?；瘜W(xué)工程由圖4可知,過(guò)量空氣系數對產(chǎn)氣率的影響非常大,a中國煤化工康德CNMHG