下吸式气化炉处理城市生活垃圾
1 前 言
垃圾是困扰中国许多城市的一个严重问题。随着工业现代化的发展,人民生活水平的提高,垃圾废弃物的产量日益增长,且成分也在发生变化。近年来我国的城市垃圾中,有机质的含量明显上升,其中废塑料和废橡胶等增长显著。有机垃圾废弃物具有松散、低密度、低热值、高挥发分以及垃圾成分复杂等特点,垃圾直接焚烧存在许多问题,如:剧毒含氯化合物PCDDs、PCDFs、PCBs(统称二恶英类物质)以及含Hg、Pb的飞灰等造成大气环境污染等[1]。热解气化技术可以将有机垃圾原料转变成气体燃料,使其成为清洁的能源,是一种有发展前途的可再生能源利用方式[2～5]。
气化炉形式主要有上吸式移动床、下吸式移动床、鼓泡流化床、循环流化床、喷动床和气流床等;气化介质可以是空气、水蒸气和富氧空气等;气化炉产出的燃气可用于炊事、加热、锅炉或发电等。根据城市生活垃圾的物理化学特性,从降低物料预处理成本、提高可燃气体产率、降低焦油产率等因素综合考虑,下吸式气化炉是较理想的气化炉型。下吸式气化炉的特征是气体和有机物料混合向下流动通过高温区,发生气化反应。下吸式气化炉在煤炭气化方面是较成熟的技术,但在热解气化处理垃圾废弃物方面的研究报道较少。本研究使用一种具有收缩喉口区的下吸式气化炉,对城市生活垃圾进行空气气化实验研究。
2 试验部分
2.1 试验原料和装置
试验所用垃圾样品取自广州市郊区垃圾填埋场,试验样品的元素分析使用Elementar元素分析仪(型号VarioELCHNOS),分析数据列于表1。
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针对城市生活垃圾含水量较高,且物料成分复杂,结构不均匀的特点,本研究选择下吸式气化炉(如图1所示)作为处理反应器。下吸式气化炉的特点是气固呈顺向流动。运行时物料由上部储料仓向下移动,边移动边进行干燥与热分解的过程,在经过喉口时,与喷进的空气发生燃烧反应,剩余的炭落入喉口下方,与气流中的CO2和水蒸气反应产生CO和H2。由于下吸式气化炉中的喉口下方炉膛容积的突然扩大,相应延长了气相停留时间,使焦油在高温区较彻底地裂解,因而下吸式气化炉的一个突出优点是气体中的焦油含量比较少。焦油是生物质或生活垃圾气化过程中产生的不可避免的副产物,在气化气的后续应用中,需要对焦油进行处理。水洗法是目前对焦油处理的主要方式,因而不可避免地会产生二次污染,对环境造成比较严重的危害。
由于下吸式气化炉产出的气体焦油含量较少,一方面可以简化后续的处理设备,另一方面可以有效地减少对环境的二次污染。
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图1 下吸式气化炉试验装置示意图
在图1所示的试验装置中,有机垃圾废弃物从炉上部(内径500mm)加入,炉中部设有一个收缩喉口(直径D为180mm),空气从喉口区上部和喉口处切向对称进气(分别称为上部空气量和喉口空气量)。喉口区下部为炭床,用热电偶测量喉口处的床层温度。物料和气体同向通过喉口区向下流动,在喉口区发生高温气化反应产生可燃气。针对垃圾中某些成分密度小,流动性差,易架桥、抽空等特点,装置了适宜的机械搅拌结构,使物料顺利下移,实现均匀稳定的气化炉操作。
试验时首先加入易燃物点火,预热气化炉,然后加入5～7kg的有机混合生活垃圾(包括塑料、纸等),关闭进料口,开动风机,喷入适量空气,进行气化试验。
2.2 气体、焦油和灰分分析
气化炉产出气体用针筒取样后用岛津色谱仪(型号GC220B21,配GC2Carboplot30m×053mm×310μm色谱柱和TCD检测器)作成分分析。燃气中焦油的含量采用国际标准方法测定,其采样流程见图2。燃气经石英棉网过滤,除去飞灰,再经过电加热保温管道,使燃气在装有二氯甲烷的瓶子中通过,二氯甲烷瓶子浸于冰水冷浴锅里,焦油在其中被吸收、冷凝。实验完毕后取一定体积的二氯甲烷溶液于容器中,让二氯甲烷低温蒸发后,确定其剩余物的重量即为对应二氯甲烷体积中所含的焦油质量。焦油各组分通过HP6890GC2MS分析。则燃气中焦油含量的计算式为:
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灰中的重金属用美国热电公司的电感耦合等离子体发射光谱仪(IRIS1000)分析。
3 结果与讨论
3.1 气化过程分析
物料进入炉膛内的反应过程大致可分为4个区域,如图1所示,垃圾热解气化的过程见表2。下吸式气化炉喉管区主要发生的是氧化反应,即空气由喉管区进入炉内与碳混合燃烧,故此段反应温度最高,可达1000～1200℃。炉内温度由喉管区开始向上和向下递减分布,喉管区下段发生的还原反应是气化过程的重要部分,影响还原反应的主要因素是气流在还原区与炽热碳的接触时间。本实验气化炉还原区呈倒置的喇叭状,容积突然变大,使气体流速减慢,以增加其在炽热碳层中的停留时间,使还原反应进行彻底。
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3.2 气体成分分析
混合生活垃圾气化试验参数和得到的可燃气成分及热值数据列于表3。实验中产出的气体在连接于气化炉燃气管后的大气燃烧器里容易点燃,而且火焰持续稳定。
表3数据表明,混合生活垃圾气化能够产出较多的H2、CO和碳氢化合物。随着温度逐渐升高,碳氢化合物会逐渐分解,如表3中的CH4含量随温度升高而降低。由于燃气中碳氢化合物的含量对气体热值有较大的影响,所以燃气的热值会随温度的升高而有所降低,见图3。因此,用下吸式气化炉热解气化垃圾,并不是温度越高越好,而应该是控制在一定的温度范围内以达到最佳的气化效果。经过多次实验,最佳的气化温度应在750～900℃的范围内。
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3.3 燃气中焦油的测定
按实验部分中焦油测定方法对燃气中焦油进行了测定。正常操作条件下,燃气中焦油的总量为210g/m3左右。其中焦油的具体组分分析见图4。
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焦油中可辨别的主要化学成分见表4。
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从图4和表4中可以看出:焦油中所含的成分复杂,且多为有机物。由于采用的是下吸式气化炉,燃气经过喉部区域时,温度较高,在1000℃左右,导致燃气中的焦油通过高温区时,大部分裂解,因此燃气中焦油含量比较低,仅210g/m3左右,与其他气化炉产生的燃气相比,焦油含量低很多。
3.4 垃圾灰渣分析
对垃圾热解气化后的灰渣进行了元素分析和重金属分析。元素分析结果为:C19.8wt%,H1.08wt%,O26.98wt%,N0.30wt%,S0.36wt%。重金属分析结果为:Ti最多,达2872.16mg/kg,其次是Zn、Pb、Cr,其含量分别为1161.06mg/kg、232.03mg/kg、225.57mg/kg;Ni、As和Cd的含量较少,分别为:23.03mg/kg、14.29mg/kg、9.00mg/kg。灰的灼减率为19.36wt%。
3.5 气化炉运行特性讨论
生活垃圾中有机废弃物的气化是一个复杂的物理化学过程,受垃圾组分和性质的影响较大。不同的组分的垃圾混合物需要在不同的空气量及操作条件下才能正常的稳定气化,而且反应后产生气体的各组分含量都不相同。在掌握各种物料稳定气化需要空气量的情况下,整个气化系统的操作还与混合垃圾的进给、混合垃圾的密度、自然体积有关。垃圾自然体积太大容易架空,太小容易粘结,料层阻力加大,影响气化系统的操作和燃气质量。安装机械搅拌装置,将碎料和适中的块料混合使用是较好的解决方法。
4 结 论
下吸式气化炉处理垃圾,操作方便,运行稳定,所产生的燃气既可以满足燃气内燃机发电,又可以进一步合成为储存、运输都很方便的液体燃料。混合生活垃圾气化试验表明,主要可燃气成分为H2、CO、CH4、C2H4、C2H6等,产气热值达4600kJ/m3。
燃气成分和热值取决于垃圾组分、性质和气化条件。热解气化技术处理城市生活垃圾,既回收能量,也减少环境污染,具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]Olie K1,Vermeulen P1L1, Hutzinger O. Chlorodibenzo2p2 dioxins and chlorodibenzofurans are traced components of fly ash and flue gas of some municipal incinerators in the Netherlands. Chemosphere, 1997, 6 (8) : 455～459
[2]徐冰燕,吴创之,罗曾凡,等.中国生物质气化技术的发展与前景.太阳能学报,1999,20(特刊):162～169
[3]袁振宏.我国的生物质能源发展方向与对策.2000环境、可再生能源和节能国际研讨会,北京,2000150～55
[4]WuC1Z1,HuangH1,ZhengS1P1,etal.Biomassgasifica2tionandpowergenerationinChina.BioresourceTechnolo2gy,2002,83(1):65～70
[5]HuangH1T1,WuC1Z1,ChangJ1,etal.Energyfrombi2omassandwaste—CasestudiesinChina.Intern.J.EnergyTechnol.Policy,2003,1(4):400～412
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