第21卷第1期電站系統(tǒng)工程Vol.21 No.12005年1月Power System EngineeringJan., 2005文章編號(hào): 105-0060(200)01-0008-03木塊在流化床氣化爐內(nèi)氣化特性的試驗(yàn)研究浙江大學(xué)張加權(quán)池涌肖剛繆麒 馬增益岑可法摘要:利用自行設(shè)計(jì)的小型流化床試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，對(duì)城市生活垃圾中木塊組分在不同的反應(yīng)溫度、不同的過(guò)量空氣系數(shù)下進(jìn)行了空氣氣化實(shí)驗(yàn)。分析了在流化床氣化爐中，這些反應(yīng)條件對(duì)木塊轉(zhuǎn)化為氣化氣的影響以及在不同的氣化反應(yīng)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(guī)律。最后，提出了流化床城市生活垃圾氣化熔融技術(shù)中-些有價(jià)值的運(yùn)行參 數(shù)范圍。關(guān)鍵詞:城市生活垃圾(MSW);氣化熔融;流化床;木塊;氣化中圖分類號(hào): TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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 technology a good suggestion.Key words: MSW; gasification and melting; fluidized bed; wood; gasification近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人民生活水平日益提高，1實(shí)驗(yàn)裝 置及實(shí)驗(yàn)方法城市生活垃圾的產(chǎn)量也急劇增加。統(tǒng)計(jì)資料表明"，目前我國(guó)垃圾年產(chǎn)量已達(dá)1.6億t左右，且正以8%~ 10%的速度遞增。.1 實(shí)驗(yàn)裝置同時(shí)，我國(guó)城市垃圾的成分構(gòu)成也發(fā)生了很大的變化，有機(jī)圖1為實(shí)驗(yàn)采用的流化床氣化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。爐膛采用物含量不斷增加，達(dá)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(diào)節(jié)。為的城市垃圾的熱值高達(dá)5 860 kJAkg。 這些特點(diǎn)為我國(guó)采用更增加物料在爐內(nèi)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)一氣化熔融提供了基礎(chǔ)。料口因熔化而堵塞，在流化床上方加了水冷裝置。垃圾氣化熔融處理技術(shù)是近年來(lái)美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家為解決垃圾焚燒處理過(guò)程中產(chǎn)生二惡英(Dioxins) 類毒性物質(zhì)問(wèn)題而提出的，該處理技術(shù)極大地滿足了無(wú)害化、減量化、資源化的要求，成為21世紀(jì)新型垃圾處理技術(shù)，它導(dǎo)結(jié)合垃圾氣化和~飛灰熔融二者的優(yōu)點(diǎn)，與常規(guī)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(guó)外的先進(jìn)技術(shù)必須與我國(guó)的實(shí)際相結(jié)合。這就必須對(duì)我國(guó)垃圾的成分作-清楚的了解。 目前，我國(guó)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(tǒng)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.流之一1231。隨著生活質(zhì)量提高，住宅條件改善，淘汰下來(lái)的廢化床主體8穩(wěn)壓瓶9.燃?xì)獗?10轉(zhuǎn) 子流量計(jì)11.鼓風(fēng)機(jī)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1.2實(shí)驗(yàn)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、板皮、實(shí)驗(yàn)采用的木塊原料的工業(yè)分析和元素分析見表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(duì)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一一個(gè)重要組成部分，表1木塊的工業(yè)分析和元素分析本文對(duì)木塊在自行設(shè)計(jì)的小型流化床試驗(yàn)裝置系統(tǒng)中進(jìn)行了工業(yè)分析元素分析/%一系列氣化試驗(yàn)，其目的在于通過(guò)試驗(yàn)研究，掌握木塊在流M./%FCu% kJ.kg熱值CasHuNaSuO化床內(nèi)的氣化特性，并獲得城市垃圾氣化熔融技術(shù)中- -些有9.7416.41778347.35.).1 0.05 37。28價(jià)值的參數(shù)。1.3實(shí)驗(yàn)方法 .收稿日期: 2004-08- 19流化床的載熱流化物料為0.250~0.355 mm的石英砂，張加權(quán)(1979-)，男，碩士生。熱能工程研究所，310027床層高度大約10cm,流化風(fēng)量0.5~ 1.6 Nm/h,流化風(fēng)速0.05~0.15 Nm/s。(主要包括CH、CH、CH、CHo、CH2)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(nèi)隨著溫度的升高也增加，但過(guò)了600 C再升高溫的溫度大多控制在500~600 C之間，因此，氣化實(shí)驗(yàn)是度，含量略有下降。這可能是由于高溫下烴類物質(zhì)進(jìn)一步在400~700 C的溫度范圍內(nèi)，過(guò)量空氣系數(shù)a為0.2~0.8分解(反應(yīng)式9)有關(guān)。而CO和H2隨著溫度的進(jìn)一步升高，的情況下進(jìn)行的?？赡芨嗟貐⑴c了(6)、(7)反應(yīng)，導(dǎo)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?xì)夂侩S溫度先上升后略有下降，從控制氣化反應(yīng)溫度在設(shè)定范圍內(nèi);另-部分來(lái)自木塊氣化12%到26%再到24%左右。CO，和N,則呈下降趨勢(shì)。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。氣化實(shí)驗(yàn)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。CO22實(shí)驗(yàn)結(jié)果 與討論14氣化是將垃圾中有機(jī)成分(主要是碳)在還原氣氛下CmHn與氣化劑反應(yīng)生成燃?xì)?CO, CH, H2等)的過(guò)程。一般是通過(guò)部分燃燒反應(yīng)放熱提供其它制氣反應(yīng)的吸熱。氣化反應(yīng)的產(chǎn)物為燃?xì)夂突曳?，其目?biāo)產(chǎn)物為單-的氣態(tài)燃?xì)狻?目前，生物質(zhì)氣化已有許多的實(shí)驗(yàn)和理論研究，其氣化過(guò)程4000一般包括下面 3個(gè)步驟:①揮發(fā)分析出;②揮發(fā)分二次反氣化反應(yīng)溫度°C應(yīng);③焦炭的反應(yīng)，其中第一步揮發(fā)分析出對(duì)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。本文研究的重點(diǎn)是在流化床內(nèi)木塊的空氣2.2過(guò)量 空氣系數(shù)及氣化溫度對(duì)氣化氣熱值的影響氣化，旨在探討在預(yù)定的工況下木塊氣化的反應(yīng)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(shù)，其值高低對(duì)后續(xù)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(dāng)高，所一般認(rèn)為， 氣化氣熱值達(dá)到3 000 kJ/Nm'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(dá)到1400 C以上4。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(shù)和氣化溫度之間的關(guān)系展開討論。C、H、O,因而氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣的主要成分為: CO2、CO、2.2.1過(guò)量 空氣系數(shù)對(duì)氣化氣熱值的影響N2、H、CH、C2~C。 氣體等(其中N,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(shù)和氣化溫度的的氮，未參與氣化反應(yīng);木塊中的N、S元素含量非常少，關(guān)系。這里，先討論600 C時(shí)氣化氣熱值與a的關(guān)系，然可忽略不計(jì))。對(duì)于小型流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)而言，設(shè)計(jì)的流化風(fēng)后再看一下其他溫度下的變化趨勢(shì)。由上表可知，當(dāng)過(guò)量量在0.5~1.6 Nm/h之間，由于木塊中含有較多的氧元素，空氣系數(shù)從0.2增加到0.8時(shí)，氣化氣低位熱值隨之從5232相同的過(guò)量空氣系數(shù)下，需要的物料量多，而且木塊氣化kJNmt 減少到2390 kINm'.氣化氣熱值隨a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(yán)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0.9 Nm2/h比較合適。下面分析氣化溫這樣生成的CO、H,和CH等可燃?xì)怏w參與燃燒反應(yīng)就增度對(duì)氣化氣組分體積百分含量的影響。加了，從而導(dǎo)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(yīng)149:表2木塊氣化氣低位熱值(kJ/Nm?)C+O2 CO,+393.8 MJ/kmol(1)40_0.426940.60.82C +O22CO + 231.4MJ/kmol(2)500361331482077C+H2O CO+ H2- 131.5MJ/kmol00 5232427538582390C+2H2O CO2+2H2-90.0 MJ/kmol(4)700575 L)182104C+CO2 2CO-162.4 MJ/kmol表中700 C時(shí)氣化氣熱值與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系與C+2H2 CH,+74.9 MJ/kmol6) 600 C時(shí)基本相同。下面主要看看400 C和500 C的情CO+H2O CO2+H2+41.0 MJ/kmol況。氣化溫度400 C，a從0.4~0.6變化時(shí)，由表可知, .焦油+(H2O,CO...)→ECmHn+CO+H,+CH4+... (8)氣化氣熱值變化不大，2 700 kJ/Nm'左右。500 C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(shù)增大而圖2給出了木塊氣化氣組分隨氣化溫度的變化規(guī)律。變小的規(guī)律。而在400 C，a=0.8 時(shí)，氣化氣熱值也降在400~600 C范圍內(nèi)，隨溫度的升高，H2 含量從3.2%到低為1652 kJ/Nm)，基本遵循上述規(guī)律。表中400~500 C，11.1%，CO含量從5.92%到 9.81%逐步上升，這是由于物a =0.2時(shí)，由于反應(yīng)溫度低、過(guò)量空氣系數(shù)小，在加料口料中揮發(fā)分的析出、焦油的高溫分解以及末反應(yīng)炭與水蒸發(fā)生堵塞現(xiàn)象導(dǎo)致氣化效果不好，因而氣化氣熱值未列出。氣及反應(yīng)過(guò)程中生成的CO2之間發(fā)生反應(yīng)(見反應(yīng)式3、4、2.2.2氣化反 應(yīng)溫度對(duì)氣化氣熱值的影響5、8)而產(chǎn)生大量的CO和H2,并減少了CO20 CH、C.H。氣化反應(yīng)溫度是影響氣化氣熱值的另一重要因素。以a電站系統(tǒng)工程2005年第21 卷=0.6 為例，400~600 C時(shí)，氣化氣熱值從2 748 kJ/Nm'逐=0.2~0.8時(shí)，產(chǎn)氣率從1.0 Nm/kg增大到3.5 Nm/kg左右，漸上升到3 858 kJNm'，達(dá)最大值。隨氣化溫度的進(jìn)一步提基本成正比例線性關(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?yàn)?，更高的氣化溫度量下，參與反應(yīng)的空氣量增加，從而使反應(yīng)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(yīng)(式8)生成C.H、導(dǎo)致產(chǎn)氣率升高。氣化溫度雖然對(duì)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氣體發(fā)生裂解(式9)氣率變化曲線圖，仍然可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣率隨氣化溫度的變化規(guī)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，a=0.4、0.8 時(shí)，氣化氣熱值隨氣化溫度的變化規(guī)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a =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)分快速釋放出來(lái)、更多的焦炭在高溫下發(fā)生氣化反都在600 C達(dá)峰值。但a=0.2是個(gè)例外，可能是由于此應(yīng)以及在高溫下更多的焦油發(fā)生裂解反應(yīng)，過(guò)量空氣系數(shù)增時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)氣化氣熱值的影響更大，使氣化氣中可加導(dǎo)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。400C2.3過(guò) 量空氣系數(shù)和氣化溫度對(duì)氣化效率的影響250二3- 50C[二200氣化效率是指氣化氣熱值占原料熱值百分比含量。這個(gè)3a0概念表征了原料在整個(gè)氣化反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為氣體的百分率。氣化效率隨過(guò)量空氣系數(shù)和反應(yīng)溫度的關(guān)系如表3和圖3所示:在400~600 C的范圍內(nèi)(除c=0.2 外)，氣化效率隨溫度的升高而升高。溫度繼續(xù)升高到700°C;氣化效率有不同程度的降低，其中a =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- -定08過(guò)量空氣系數(shù)σ獲得很好的氣化效果，600 C左右氣化最理想。圖4產(chǎn)氣率變化曲線表3氣化效率數(shù)值表.20.40.60.83結(jié)論氣化效率氣化效率氣化效率氣化效率/%1%40032.3745.9635.80(1)氣化氣中含有的氣體成分較多，主要有CO2、N、50044.3953.0745.33CH、CO、H、CH6、CH、CH、CH。CH2等，且可60052.4967.5553.78燃?xì)怏w成分的體積含量占總體積的20%左右。70048.1349.5658.28(2)氣化氣熱值隨過(guò) 量空氣系數(shù)的增大而降低;隨氣化溫度的升高先增大后減小，600 C達(dá)到最大值。當(dāng)400~500C，a=0.2時(shí)， 氣化效果不好; c=0.8時(shí)， 所得氣化氣熱:值偏低，不利于后續(xù)熔融處理。因而對(duì)于木塊的氣化，氣化溫度600 C，過(guò)量空氣系數(shù)a =0.6,木塊的氣化效果最好，此時(shí)的氣化氣低位熱值在3 858 kJ/Nm'左右。氣化效率可達(dá)67.55%，能夠滿足后續(xù)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 C的范圍內(nèi)，隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加而以近似線性規(guī)律升高。產(chǎn)氣率最高為3.85 Nm/kg:此時(shí)氣化氣流量圖3氣化效率變化曲線達(dá)1.27 Nm/ho .0另- -方面，在溫度-定的情況下，a =0.6時(shí)氣化效率均達(dá)到峰值:即:在a=0.2~0.6 范圍內(nèi)，氣化效率隨過(guò)量空氣系數(shù)參考文獻(xiàn)的增大而增大; a=0.6~ -0.8時(shí)，氣化效率隨過(guò)量空氣系數(shù)的增蔣劍春，戴偉娣，等.城市垃圾氣化試驗(yàn)研究初探[I].可再生能大而降低。源2003(2): 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(shù)，從上2]李愛(ài)民， 任遠(yuǎn)，李水清.等.木塊在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱解特性的試驗(yàn)研究[0].燃燒科學(xué)與技術(shù)，1999 5(2): 121~127.面的分析可以得出下面的結(jié)論:當(dāng)氣化溫度在600 C左右，過(guò)3] M Moris, L Waldheim. Energy recovery from solid wasle fuels using量空氣系數(shù)為0.6時(shí)，木塊氣化效果最好，氣化效率達(dá)到67.55%。advanced gasification technology []. Waste Management, 1998(18):2.4產(chǎn)氣率與過(guò)量空氣系數(shù)及溫度的關(guān)系557~564.氣化反應(yīng)產(chǎn)氣率是一重要參數(shù)，它是指單位時(shí)間內(nèi)生4] 徐嘉城市生活垃圾典型組分的流化床氣化特性實(shí)驗(yàn)研究[D]浙江大學(xué), 2004. 4~52.成的氣化氣體積量(Nm?) 與給料量(kg) 的比值，反映[5]米鐵， 張春林，等，流化床作為生物質(zhì)氣化反應(yīng)器試驗(yàn)研究[].物質(zhì)由固體轉(zhuǎn)化為氣體的能力?；瘜W(xué)工程2003, 31(5): 26~30.由圖4可知，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)產(chǎn)氣率的影響非常大，a編輯:康德