垃圾特性對其氣化產(chǎn)物影響的研究

垃圾特性對其氣化產(chǎn)物影響的研究王現順,池涌,鄭皎,王飛浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江杭州310027[摘要]在溫度為650℃、過(guò)量空氣系數為0.4的條件下,對城市生活垃圾的4種典型組分(聚辶烯、橡膠、木竹和紙)進(jìn)行氣化試驗研究。運用灰色關(guān)聯(lián)分析理論,考察物料性質(zhì)對氣化合成氣的影響。CO和H2的主要影響因素為固定碳;CH4和C2H4的主要影響因素為揮發(fā)分;CO2和O2的主要影響因素為水分。影響總體氣化氣的因素依次為:固定碳>水分>揮發(fā)分>灰分。關(guān)鍵詞]生活垃圾;灰色關(guān)聯(lián)分析;氣化;氣化氣;物料性質(zhì)[中圖分類(lèi)號]X705文獻標識碼]A文章編號]1002-3364(2010)02-0037-04DOⅠ編號]10.3969/j.isn.1002-3364.2010.02.037STUDY ON THE INFLUENCE OF MSW PROPERTIES UPONITS GASIFIED PRODUCTSWANG Xian-shun, CHI Yong, ZHENG Jiao, WANG FState-level Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, PRCAbstract: Under condition of temperature 650 C and coefficient of excess air 0. 4, four typical components of municipal solid waste(MSW), i. e polyethylene, rubber, bamboo, and paper, have been gasified for study. By using the grey relationship analysis theory, the influence of material property uponthe produced gas has been investigated, it was found that the main affecting factor of co and H2 is thefixed carbon, the main affecting factor of CH, and C2 H, is the volatile matter, and the main affectingfactor of CO, and O2 is the moisture. The force of affecting factors of the total produced gas is successively as follows: fixed carbon>moisture>volatile>ashKey words MSWi grey relationship analysis; gasification; produced gas; material property灬能基礎研究2007年全國生活垃圾清運量為14841.3萬(wàn)t,生值也達到了5000kJ/kg2。城市生活垃圾作為一種活垃圾無(wú)害化處理率僅為52.2%1。同時(shí),我國城市可再生能源,總量大,年產(chǎn)量波動(dòng)小。傳統的垃圾處理熱生活垃圾(MW)的有機物含量也在不斷提高如上海方法如填埋、堆肥和焚燒等存在很多問(wèn)題。近幾年,打發(fā)城市生活垃圾的有機物含量已經(jīng)達到了65%,低位熱城市垃圾熱解氣化以及在此基礎上的氣化熔融技術(shù)得電作者簡(jiǎn)介:王現順(1985-),男,浙江大學(xué)熱能工程專(zhuān)業(yè)碩士研究生msw_25@zju.edu.cn,sdu2008wxs@yaho中國煤化工CNMHG到迅速發(fā)展,其N(xiāo)O-和SO排放較低,從而大幅降低數據與氣化數據進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,研究在特定工況了煙氣處理費用,同時(shí)它能夠解決二惡英和重金屬的下物料特性對氣化氣的影響污染問(wèn)題,以其徹底的無(wú)害化,顯著(zhù)的減容化,廣泛的物料適應性成為最具潛力的焚燒處理替代技術(shù)1。1試驗物料和方法灰色理論可以解決“小樣本”、“貧信息”的不確定問(wèn)題;灰色關(guān)聯(lián)分析方法可以在有限的數據下,根據序為了研究物料因素對氣化的影響,氣化過(guò)程中不列曲線(xiàn)的幾何形狀相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密,添加任何催化劑。根據肖剛等的試驗結果,當氣化溫曲線(xiàn)越接近,相應序列之間聯(lián)系度就越大,反之越小。度在500~700℃,過(guò)量空氣系數a為0.2~0.4時(shí),氣據此可以應用灰色理論,在少量試驗數據下分析影響化爐運行穩定,物料氣化完全,氣化氣熱值可以達到垃圾氣化的主要因素12)。影響氣化的主要因素有:4000~12000kJ/m3(標準狀態(tài),下同),經(jīng)過(guò)熔融爐后(1)氣化器,包括氣化器的形狀、大小和結構;(2)氣化能夠實(shí)現徹底的清潔有效利用14。因此,試驗工況選溫度以及加熱速率;(3)氣化介質(zhì),其中不同的氣化介定氣化溫度為650C,過(guò)量空氣系數a=0.4。質(zhì)包括空氣、水蒸氣和純氧等;(4)催化劑;(5)物選擇聚乙烯(PE)、橡膠、紙和木竹為試驗物料,它料13。不同的物料垃圾會(huì )產(chǎn)生不同的氣化氣,通過(guò)確們是城市生活垃圾的典型組分,同時(shí)在指定的工況下定物料垃圾的工業(yè)組分與垃圾氣化合成氣(簡(jiǎn)稱(chēng)氣化具有良好的氣化效果15-18,其工業(yè)分析和元素分析結氣)之間的關(guān)系,可以進(jìn)一步建立各種預測模型,對不果見(jiàn)表1。同的垃圾物料氣化結果進(jìn)行預測。本文對各物料特性表1試驗原料的工業(yè)分析和元素分析結果業(yè)分析元素分析物料PE0.390.399.31082.5013.620.680.022.49橡膠0.6239.6746.8312.8847.84.771.072.493.58紙8.449.3470.1512.0738.624.210.120.0639.21木竹7.141.2574.8816.7342.025.180.90043.51試驗中以流化蓄熱性能好的石英砂為床料,石英砂平均粒徑在0.4mm左右,其堆積表觀(guān)密度為1400kg/m3,真實(shí)密度為2200kg/m3。試驗中穩定鼓風(fēng)取樣點(diǎn)量,以保證良好的流化工況。根據送風(fēng)量和選定的過(guò)氣化爐量空氣系數調節給料量氣體分析儀熱試驗系統主要由氣體發(fā)生、氣體燃燒和氣化產(chǎn)物燃燒能基的檢測和收集3部分組成。主要設備包括供風(fēng)裝置引現旋綸科機礎布風(fēng)排渣裝置、流化床電加熱系統、循環(huán)水箱、給料機也加熱電偶2究流化床氣化爐、燃燒室、噴淋塔、氣體在線(xiàn)分析儀等布風(fēng)板流化床氣化爐內徑為100mm,高度為5m。氣化產(chǎn)物熱電碼熱取樣口選在燃燒室與氣化爐間的水平段,氣化產(chǎn)物中非氣相組分經(jīng)冷凝裝置冷凝后收集,得到凈化后的氣圖1試驗系統流程3電化氣通過(guò)氣體分析儀在線(xiàn)監測氣體的成分和含量。剩六余的氣化產(chǎn)物經(jīng)燃燒室燃燒及噴淋塔凈化后排空。試2數據計算方法驗系統流程見(jiàn)圖1為了更好地了解氣化過(guò)程,研究物料因素對氣化氣組分的影響,本文由物料的工業(yè)分析數據和元素分中國煤化工CNMHG析數據與物料的試驗氣化氣組分數據產(chǎn)生不同的序進(jìn)行適當配比,然后進(jìn)行氣化試驗Ⅱ。試驗物料依次列,計算其關(guān)聯(lián)度,然后進(jìn)行優(yōu)勢分析12,確定氣化氣為竹木+PE(1:1)、竹木十橡膠(2:1)、PE+橡膠組分的優(yōu)勢影響因素?；疑P(guān)聯(lián)分析的計算包括以下(2:1)、PE十紙(2:1)、竹木十紙(2:1)、橡膠十紙步驟:(1)原始數據的變換;(2)計算關(guān)聯(lián)系數;(3)求關(guān)(1:1),括號內為相應物料的質(zhì)量配比。試驗所得氣聯(lián)度;(4)排關(guān)聯(lián)序;(5)列關(guān)聯(lián)矩陣。其中,序列{X?；瘮祿鐖D3所示。(k)}與{X(k)}中的各點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數5(k)可用式(1)計16木+算s(k)=4mn+p△mas(1)竹不+紙橡膠+紙式中:Δ(k)為k時(shí)兩序列差的絕對值,即△a(k)Xa(k)-X(k);△mx,△mn分別為各點(diǎn)的絕對差中的最大值與最小值;ρ為分辨系數,通常取0.5。兩序列的關(guān)聯(lián)度可用兩序列各個(gè)關(guān)聯(lián)系數的平均值計算(式(2)):=N∑k15(k),k=1,2,3,…,N(2)圃自1求出各關(guān)聯(lián)度,排出關(guān)聯(lián)序并列出關(guān)聯(lián)矩陣,最后進(jìn)行氣化氣組分優(yōu)勢分析。圖3試驗Ⅱ各物料氣化特性3單種物料氣化結果5試驗的灰色關(guān)聯(lián)分析試驗Ⅰ氣化物料依次是PE、橡膠、紙、木竹,試驗對影響氣化的物料特性數據進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,以氣所得氣化結果如圖2(N2在試驗前后沒(méi)有變化),除橡化氣各組分為系統特征序列,以各物料的工業(yè)組分為膠外,其它物料氣化氣的低位熱值均大于3000kJ/系統相關(guān)因素序列,得到表2數據。最后,經(jīng)過(guò)計算求m3,都可以滿(mǎn)足后續的氣化熔融對氣化氣熱值的要出的綜合關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表3?；疑P(guān)聯(lián)度分析中的具體算求法見(jiàn)文獻[21,22]。分析表3數據,進(jìn)行灰色理論的優(yōu)勢分析,并進(jìn)行簡(jiǎn)單的反應機理分析,可得出如下結果。橡膠本竹(1)第1、3列中r41>r1>ns1>r21,r4>ns3>r3>r23,說(shuō)明CO和H2的影響因素為物料中的固定碳,其次為水分,CO和H2主要由反應C+H2O→CO+長(cháng)H2-131.5MJ/kmo生成;第2列中n2>r12>r2熱>r22,說(shuō)明CO2主要影響因素為水分,其次為固定碳,基其中水分對CO2的影響有碳水反應C+2H2OCO2+2H2-90M/kmol,以及水蒸氣與焦油等發(fā)研生的裂解反應等;第4列中,n14>r4>r24>r3,O2的氣化氣組分主要影響因素是水分;第5、6列中n5>n15>r45>r25,熱r36>n1>rs>r,說(shuō)明CH4和C2H1主要來(lái)自于物衛圖2試驗Ⅰ各物料氣化特性發(fā)料中揮發(fā)分的熱解,而生成CH4和C2H4的合成反應電4組合物料氣化結果則進(jìn)行較少為了更好地了解物料因素對氣化的影響,把物料中國煤化工CNMHG表2試驗灰關(guān)聯(lián)分析數據序列項目竹木十PE竹木十橡膠PE十橡膠PE+紙竹木十紙橡膠十紙橡膠紙竹木Y,(CO10.6514.443.954.4315.5311.61Y?(COz11.6113.538.9410.8414.112.7611.9110.2314.3214.1Y3(H2)2.351.545.282.551.179,31Y4(O2)0.130.072.171.460.Y(CH)3.194.593.14Y6(C2H4)6.521.1511.657.738.632.060.913.774.973.077.574.537.14X2(Aa)0.7813.423.313.9524.51X(Vor)87.165.5381.8273.358.4999.3146.8370.1574.8815.454.0215.1812.8812.0716.73表3試驗氣化氣相關(guān)因素關(guān)聯(lián)度項目YI(CO) Y2(CO2) Y3(H2)Y(O2) Y5(CH4) Y6(C2H)X1(Ma)0.6566730.8406250.6975950.6274680.5387690.5367513.897880X2(Ar)0.5330410.5151960.5173880.5675980,5019720,5019403,137133X3(VIr)0.5379080.5556650.5353890.5049950.6690680.6725773.475602X(Fcar)0.95249407081220.8281130,5948120.5285770,5276044.13972(2)第1行中,n2>n3>r1>r14>n5>r16,其中[4]李建新,等.國內城市生活垃圾特性及其處理技術(shù)研r16、n1s較其它關(guān)聯(lián)度要低很多;在第2行中,a1~r26差J].熱力發(fā)電,2006,35(1):11-14別很小,其中r最大;在第3行中,r>r>r2>ra1[5] Yao Bin Yang, Vida n sharifia, Jim Swithenbank,ta>r3>r3,其中r36、r35相對于其它關(guān)聯(lián)度大很多;在第4行中,r41>rs>r4>r4>r45>r46,其中r1、r43和to gasification- numerical simulation of the burning charr42相對其它關(guān)聯(lián)度較大。關(guān)聯(lián)度越大表明某工業(yè)組acteristics[J]. Waste Management, 2007, 27(5): 645分對其相應氣體影響越大,分析各關(guān)聯(lián)度大小可知每[6池涌,鄭皎,金余其,等,模擬垃圾流化床氣化特性的實(shí)驗種工業(yè)成分主要影響氣體:物料中的水分主要影響氣研究[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(29):59-63化氣中的CO2,其次為CO、H2和O2;灰分抑制氣化進(jìn)[7] Maitri Thamavithya, Animesh dutta,etal. An Investiga行;揮發(fā)分主要影響氣化氣中的CH4和C2H1;固定碳tion Of MSw Gasification In A Spout-Fluid Bed Reacto主要影響氣化氣中CO和H2的生成,其次是CO2。LJ. fuel processing technology, 2008,89(3):949-957熱(3)表3中最后1列表示各行關(guān)聯(lián)度之和,依次為[8] Antonio Messineo, et al.. Municipal Waste Management能rM、rA、n和rR,有rP>rM>nv>rA,所以影響總體氣Sicily: Practices And Challenges[J. Waste Management礎化氣生成的優(yōu)勢因素依次為:固定碳>水分>揮發(fā)分2007,28(7):1201-1208研>灰分。[9]溫俊明,池涌,等.垃圾熱解實(shí)驗研究及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預澳究模型[J].中國電機工程學(xué)報,2005,25(5):154-158[10 Carlson c p pian, Kunio Yoshikawa, et al. Development o[參考文獻]熱a high-temperature air - blown gasfication system[J].為萬(wàn)[1中華人民共和國國家統計局中國統計年鑒[M北京Bioresource Technology, 2001. 79(3): 231-234中國統計出版社,2007:428-430.11]萱長(cháng)青,楊勇平.木屑和聚乙烯流化床共氣化實(shí)驗研究2]孫曉杰,徐迪民,李雄,等,上海城市生活垃圾的組成及熱J].中國電機工程學(xué)報,2007,27(5):55-60.二=值分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,36(3):3512]劉思峰,黨耀國,等.灰色系統理論及其應用[M].北京期O[3]李延吉李?lèi)?ài)民等,基于灰色關(guān)聯(lián)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )研究廢科學(xué)出版社,2008:46-84(下轉第45頁(yè)棄物氣化特性[J].熱力發(fā)電,2008,37(5):16-20.H中國煤化工CNMHG價(jià)格)決定。假設按2007年我國動(dòng)力煤價(jià)550元/t計濟成本,可充分體現優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)原則,且使建立的補充方算,電的單位流經(jīng)濟成本約為0.33元/(kW·h),程更加客觀(guān)、簡(jiǎn)便;改進(jìn)后的矩陣模式更易于操作,便2008年10月我國動(dòng)力煤價(jià)1100元/t,電的單位流于用計算機對復雜能量系統進(jìn)行煙流經(jīng)濟成本分析經(jīng)濟成本約為0.65元/(kW·h),但電價(jià)仍保持0.56計算表明,對于多聯(lián)產(chǎn)能量系統產(chǎn)品,采用本文提出的元/(kW·h),這是造成熱電廠(chǎng)虧本的原因。按能質(zhì)因數法進(jìn)行定價(jià)是適宜的,該方法為多聯(lián)產(chǎn)能只考慮非能費用時(shí),電的單位嫻經(jīng)濟成本只有量系統產(chǎn)品定價(jià)提供了較科學(xué)的依據。0.0065元/(kW·h),表明非能費用不是影響單位姐流經(jīng)濟成本的主要因素。[參考文獻]考慮排煙對環(huán)境的影響,假設排煙費為-10.00[1倪維斗,李政,薛元,以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)能源系統元/GJ,其使單位流經(jīng)濟成本凈增將與非能費用產(chǎn)生資源/能源/環(huán)境整體優(yōu)化與可持續發(fā)展[J].中國工程科的單位畑流經(jīng)濟成本相當。由此可見(jiàn),通過(guò)控制能源學(xué),2000,2(8):59-68.價(jià)格和排污費可以有效控制能源消費及產(chǎn)品價(jià)格,能2 Keenan J H. A steam chart for second law Analysis[J].源價(jià)格、排污費升高,產(chǎn)品價(jià)格就升高。Mechanical Engineering, 1932,54: 195-204比較表3、表4可知,按能質(zhì)因數定價(jià)時(shí),電的單3]華賁過(guò)程用能分析及綜合[M].北京:烴加工出版社,1989位姐流經(jīng)濟成本從0.49元/(kW·h)增到0.65元/4]王云波,倪維斗,李政,等,多聯(lián)產(chǎn)能源系統的熱經(jīng)濟學(xué)分(kW·h),熱的單位煙流經(jīng)濟成本從1.13元/(kW·析[J].煤炭轉化,2005,28(4):57-61.h)下降到0.70元/(kW·h),如果按畑流中包含的熱[5]王加璇,楊永平,王清照.關(guān)于熱經(jīng)濟學(xué)定價(jià)的矩陣法量算,熱量?jì)r(jià)從36.14元/GJ(0.13元/(kW·h))下降].工程熱物理學(xué)報,1992,13(1):1-6到22.51元/GJ(0.08元/(kW·h))。已知背壓機組6]楊俊,謝誕梅按能級分攤產(chǎn)品烔成本的方法[J].武漢水只有在合適的電熱比下才能發(fā)揮最佳效益,則按能質(zhì)利電力大學(xué)學(xué)報,2005,32(1):106-108因數確定單位煺流經(jīng)濟成本,電的單位煺流經(jīng)濟成本[7]湯學(xué)忠熱能轉換與利用[M]冶金工業(yè)出版社,200:191提高,熱的單位畑流經(jīng)濟成本降低,不僅符合能量梯級92利用和優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)原則,而且能促進(jìn)人們以熱供熱,而不[8 Valero A, Guallar J Munoz M. The Exergetic Cost andRelated Concepts An Applieation to a Simple Co-genera-是以電供熱,多用熱少用電。tion Plant- [C]. International Symposium on SecondLow Analysis of Thermal Systems. Romal, 1987, 5: 1233結論130用C=be確定有多個(gè)輸出流時(shí)的單位娌流經(jīng)200000000900000060000600000000000(上轉第40頁(yè)[13] V Kirubakaran, et al. A Review On Gasification Of Bio-2003,84(1-3):175-196熱mas]. Renewable And Sustainable Energy Review,18]肖剛.城市垃圾流化床氣化熔融技術(shù)研究[D.浙江大學(xué)基3(1):179-18機械與能源工程學(xué)院,200614] Xiao gan,ea. Experimental study On msw gasifica-[19]金保升,朱穎,等,用吉布斯自由能最小化方法模擬垃圾研tion And Melting Technology [J] Journal Of Environ氣化熔融工藝[J中國電機工程學(xué)報,20027(26),究mental Sciences,2007,19(11):1398-140346-51[15]肖剛,池涌,倪明江,等.紙類(lèi)廢棄物流化床熱解氣化研20]徐嘉,等.城市生活垃圾氣化處理技術(shù)[J.科技通報究[.工程熱物理學(xué)報,2007,28(1):161-164.2004,20(6):560-56熱力發(fā)16]繆麒,池涌,肖剛,等.廢輪胎流化床氣化特性實(shí)驗研究21]易得生郭平,等灰色理論與方法[M].北京:石油工業(yè)的LJ.環(huán)境科學(xué),2006,27(5):1003-1007出版社,1992:20-33.[17] Leung dYC, Wang C I. Fluidized- bed gasification of[22]劉思峰,黨耀國,方志耕,等,灰色系統理論及其應用○≥waste tire powders [J. Fuel Processing TechnologyLM.北京:科學(xué)出版社,208:46-84H中國煤化工CNMHG