下吸式氣化爐處理有機廢棄物

第3卷第5期過(guò)程工程學(xué)報Vol 3 No.52003年10月The Chinese Jourmal of Process EngineeringOct.2003下吸式氣化爐處理有機廢棄物黃海濤，熊祖鴻，吳創(chuàng )之(中國科學(xué)院廣州能源研究所,廣東廣州510070)摘要:有機固體廢棄物如農業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)廢棄物、城市生活垃圾等具有-定的能量?jì)r(jià)值,應加以回收利用.本文使用下吸式氣化爐對三種原料(木塊、谷殼和混合生活垃圾)進(jìn)行了實(shí)驗,獲得了氣體成份和氣體熱值數據,并對氣化反應過(guò)程作了討論.關(guān)鍵詞:有機廢棄物;下吸式氣化爐;反應過(guò)程中圖分類(lèi)號: X7文獻標識碼: A文章編號: 1009- -606X(2003)05- -0477-041前言有機固體廢棄物具有松散、低密度、低熱值、高揮發(fā)份等特點(diǎn)，帶來(lái)了收集、貯存和使用的困難.傳統的有機物能源利用方法如爐灶直接燃燒的能源利用率只有10%~25%，用能過(guò)程費時(shí)費力，并排放出大量煙塵.熱解氣化技術(shù)可以將固體有機原料轉變成氣體燃料，使其使用更加清潔方便，而且能量轉換效率比直接燃燒有較大提高，是一種有發(fā)展前途的可再生能源利用方式1-1.氣化爐形式主要有上吸式移動(dòng)床、下吸式移動(dòng)床、鼓泡流化床、循環(huán)流化床、噴流床型等.氣化介質(zhì)可以是空氣、水蒸汽、富氧空氣等.氣化爐產(chǎn)出的燃氣可用于炊事、加熱、鍋爐或發(fā)電等.下吸式氣化爐的特征是氣體和有機物料混合向下流動(dòng)通過(guò)高溫區，發(fā)生氣化反應.下吸式氣化爐在煤炭FeedMixer氣化方面是較成熟的技術(shù)，但在熱解氣化處理固體廢棄物方面的研究報道較少.本文使用-種具有收縮喉口區的下吸式氣化爐，對多種物料進(jìn)行了實(shí)驗.Drying zone2實(shí)驗4-ψ10 Pyrolysis zone實(shí)驗裝置如圖1所示.有機廢棄物從爐上部(內Air Combustion zone徑500 mm)加入，爐中部設有一個(gè)收縮喉口(直徑DP、\\4-010 Reduction zone為180 mm)，空氣從喉口區上部和喉口處周向對稱(chēng)Throat進(jìn)氣(分別稱(chēng)為上部空氣量和喉口空氣量).喉口區Grate下部為炭床，用熱電偶測量喉口處的床層溫度物料和氣體同向通過(guò)喉口區向下流動(dòng)，在喉口區發(fā)生高溫氣化反應產(chǎn)生可燃氣.針對某些原料密度小、T流動(dòng)性差、易架橋、抽空等特點(diǎn)，裝置了適宜的機Ash械攪拌結構，使物料順利下移，實(shí)現均勻穩定的氣圖L下吸式氣化爐實(shí)驗裝置示意圖化爐操作.中國煤化I;asifier test facilityTHCNMHG.收稿日期。2003- 03- 17,修回日期: 2003-04 29基金項目:廣東省新能源重點(diǎn)實(shí)驗室資助項目;廣東省自然科學(xué)基金資助項目(編號: 010875)作者簡(jiǎn)介:黃海濤(1962-), 男,廣東省連縣人，博士,研究員,化學(xué)工程專(zhuān)業(yè).478過(guò)程工程學(xué)報3卷實(shí)驗時(shí)首先加入易燃物點(diǎn)火，預熱氣化爐，然后加入5~7 kg的有機物料，關(guān)閉進(jìn)料口，開(kāi)動(dòng)風(fēng)機，噴入適量空氣，進(jìn)行氣化實(shí)驗.實(shí)驗了3種物料:木塊(長(cháng)約3cm,直徑約1cm)、谷殼、混合生活垃圾(包括塑料、紙等). 實(shí)驗樣品的元素分析使用Elementar 元素分析儀(型號Vario ELCHNOS),分析數據列于表1.氣化爐產(chǎn)出氣體用針筒取樣后用島津色譜儀(型號GC-20B-1, 配GC- Carboplot 30 mx0.53 mmx 3.0 μm色譜柱和熱導池檢測器)作成份分析.表1實(shí)驗原料的元素分析"able 1 Elemental analysis of test materias (%,∞)C_HNS_Wood48.38343.040.0740.045Rice hull34.375.46837.060.3760.326Mixed garbage45.56.9726.980.4780.843結果與討論3.1氣體成份木塊、谷殼、混合生活垃圾氣化實(shí)驗參數和得到的可燃氣成份及熱值數據分別列于表2~4.實(shí)驗中產(chǎn)出的氣體在連接于氣化爐燃氣管后的大氣燃燒器中容易點(diǎn)燃，而且火焰持續穩定.氣體樣品作色譜分析獲得主要可燃氣成份為H2, CO, CH, CH, CH6等.木塊的特點(diǎn)是揮發(fā)份高、灰含量表2木塊的氣化實(shí)驗結果表3谷殼的氣化實(shí)驗結果Table 2 Gasification test results of woodTable 3 Gasification test results of rice hull_Gas sample No.Gas sample No.2Run time (min)153:Upper air flow rate (Nm/h).81(1Throat air flow rate (Nn/h)14Throat air flow rate (Nm/h)18Temperature of throat zone (C)900870Temperature of throat zone (°C_ 11621234_Gas composition (%)Gas composition (%) .H29.875.266.39CH2.031.990.9co18.7318.02Co20.8517.451.030.4900.460.140.030.02,0.380.890.210.5653.6358.759.2CO213.45 14.514.0714.11_ Lower heating value of gas (kJNm)4900.6 4566.2Lower heating value of gas (kJ/Nmi)3517.5 3854.8_表4垃圾混合物的氣化實(shí)驗結果Table 4 Gasification test results of mixed garbage582234Upper air flow rate (Nm'/h)13i32(2025_Temperature of throat zone °C)83794410851153Gas composition (%) _11.8111.789.11).39.192.291.480.7414.8215.5717.216.7715.250.85CH。0.09中國煤化工O20.266CNMHG0.7653.67MYH60.7512.8610.9311.912.0610.95Lower heating value of gas (k JNm)4561.23894.23554.53463.33175.5期黃海濤等:下吸式氣化爐處理有機廢棄物479低，從表2可見(jiàn)，其氣化產(chǎn)氣含有較多的H2以及CH, CH, CH等碳氫化合物，熱值高達4900kJINm'.谷殼的特點(diǎn)是揮發(fā)份少、灰含量高,一般為20%~30% (@.與木塊比較，谷殼的氣化產(chǎn)氣含有較少量的H2以及CH, CH, CH。等碳氫化合物，氣體熱值也明顯減少(見(jiàn)表3).混合生活垃圾含有塑料、紙制品、廚余和不可燃物玻璃、金屬等，其中塑料和紙制品有較高的熱值.表4數據表明，混合生活垃圾氣化也能產(chǎn)出較多的H2和碳氫化合物，其氣體熱值高于谷殼氣化熱值,但低于木塊氣化熱值.3.2氣化過(guò)程如圖1所示，物料進(jìn)入爐膛內的反應過(guò)程大致可分為4個(gè)區域:(1)物料干燥區(溫度約50~ 120°C):物料→水份+干燥物料.(2)熱分解反應區(溫度約120~800°C),干燥物料受熱釋放揮發(fā)份和焦油，形成焦炭:干燥物料→焦炭+焦油+氣體(H, CO, CO2, CH, CH, CH6 CH).(3)氧化反應區(溫度約800~ 1200*C)，主要有強烈放熱的焦炭氧化反應和一氧化碳氧化反應:焦炭+ O2→aCO2 + bCO +cH2O,2CO+O2→2CO2同時(shí)，焦油受高溫作用發(fā)生裂解反應:焦油→氣體(H, CH, CH4, CH&, C.H, CO, CO2).(4)還原反應區(溫度約為700~ 000C)。主要有焦炭與水蒸汽和二氧化碳發(fā)生的還原反應,均為吸熱反應:焦炭+H2O->CO+H,焦炭+ CO2→2CO.焦油繼續發(fā)生裂解反應:焦油→氣體(H2, CH, CH, CH, C.H, CO, CO).下吸式氣化爐喉管區主要發(fā)生的是氧化反應，即空氣由喉管區進(jìn)入爐內與碳混合燃燒，故此.段反應溫度最高，可達1000~1200°C. 爐內溫度由喉管區開(kāi)始向上和向下遞減分布，喉管區下段發(fā)生的還原反應是氣化過(guò)程的重要部分，影響還原反應的主要因素是氣流在還原區與熾熱碳的接觸時(shí)間.本實(shí)驗氣化爐還原區呈倒置的喇叭狀，容積突然變大，使氣體流速減慢，以增加其在熾熱碳層中的停留時(shí)間，使還原反應進(jìn)行徹底.3.3氣化爐運行特性有機廢棄物氣化是一個(gè)復雜的物理化學(xué)過(guò)程，受燃料性質(zhì)的影響較大.表2~4表明不同的物.料需要在不同的空氣量及操作條件下才能正常地穩定氣化，垃圾混合物氣化需要的空氣量較大,谷殼氣化需要的空氣量較小，而且反應后產(chǎn)生氣體的各組份含量都不相同.在掌握各種物料穩定氣化需要空氣量的情況下，整個(gè)氣化系統的操作還與中國煤化工粒度有關(guān).原料粒度太大容易架空，太小容易粘結，料層阻力加大，MYHCNMH G質(zhì)量安裝機械攪拌裝置、將碎料和塊料混合使用是較好的解決方法.480過(guò)程工程學(xué)報3卷4結論木塊、谷殼和混合生活垃圾氣化實(shí)驗表明，主要可燃氣成份為H2, CO, CH, CH, CH。等,其中木塊產(chǎn)氣熱值達4900 kJ/Nm2. 燃氣成份和熱值取決于原料種類(lèi)和氣化條件.熱解氣化技術(shù)處理農林業(yè)和生活廢棄物，既回收能量，也減少環(huán)境污染..參考文獻:[1]徐冰燕吳創(chuàng )之，羅曾凡,等中國生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展與前景[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報1999, 20(特刊): 162 -169.[2]袁振宏.生物質(zhì)能源發(fā)展方向[A]. 2000環(huán)境、可再生能源和節能?chē)H研討會(huì )[C].北京:中國國際科學(xué)中心2000.[3] Wu C Z, Huang H, Zheng S P, et al. 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And the gasification reaction processes arealso discussed.Key words: organic solid waste; down-draftgasifier; reaction processes重要通知中國科學(xué)院過(guò)程工程研究所期刊部網(wǎng)站(http://www.jproeng.com)現已正式開(kāi)通( 試運行)?！哆^(guò)程 工程學(xué)報》和《中國顆粒學(xué)報》的作者，可直接進(jìn)入該網(wǎng)站，點(diǎn)擊相應期刊主頁(yè)中之遠程投稿，進(jìn)行注冊、 登錄投稿。作者亦可對所投稿件的處理情況進(jìn)行網(wǎng)上查詢(xún)。歡迎刊物的讀者、作者、編委和審稿人瀏覽該網(wǎng)站，并給我們提出寶貴的意見(jiàn)?！哆^(guò)程工程學(xué)報》編輯部中國煤化工MYHCNMHG.