第25卷第4期工程熱物理學(xué)報(bào)Vol 25, No 42004年7月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJul,2004垃圾混煤熱解特性的實(shí)驗(yàn)研究包向軍蔡九菊劉汊橋張琦傅巍(東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院,遼寧沈陽110004)摘要以圊定床熱解反應(yīng)器為背景,研究摻煤量和加熱速率對(duì)垃圾混煤物料熱解特性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:提高加熱速率可以有效縮短熱解時(shí)間,增加摻煤量可以改變反應(yīng)床結(jié)構(gòu),提高料層傳熱速率,縮短熱解時(shí)間;在19.6kW供熱條件下,摻煤100g和摻煤200g熱解時(shí)間分別為110min和99min;氣體產(chǎn)率分別為256%和28.1%,氣體熱值分別為18255kJ/m3和19830kJ/m3關(guān)鍵詞垃圾混煤;摻煤量;加熱速率;熱解特性中圖分類號(hào):X705文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253-231X(2004)04-0691-04EXPERIMENTAL STUDY ON PYROLYSIS CHARACTERISTICS OFURBAN REFUSE BLENDING WITH COALBAO Xiang-Jun CAl Jiu-Ju LIU Han-Qiao ZhANG Qi FU Wei(School of Material Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China)Abstract On the background of fixed bed, two factors including quantity of blending coal and theheating power, which influence pyrolysis characteristics of refuse blending with coal, were studied. Theexperiment shows: The pyrolysis time is shorten by improving heating power. The heating velocity ofreaction bed increases and the pyrolysis time is shorten with increasing quantities of blending coal.Onthe heating power of 19.6 kw, the pyrolysis timen, yield of gas and gaseous heating value of blendingcoal 100 g and blending coal 200 are 110 min and 99 min, 25.6% and 28.1%, 18255 kJ/mand 19830kJ/m, respectively.Key words refuse blending coal; quantity of blending coal; heating velocity; pyrolysis characteristics1前言至更低,通過摻混一定比例的煤,可以有效降低垃由于垃圾中含有大量水分2,影響了熱解過圾中的含水率;(3)提高熱解溶液中化工產(chǎn)品的質(zhì)程有效熱的利用效率,并且廚余、纖維素類物質(zhì)熱解量;(4)提高熱解半焦的應(yīng)用范圍,論文以固定床熱溶液中含有大量酸、油脂等劣質(zhì)化合物,影響了焦解為背景,研究摻煤量和供熱功率對(duì)混合物料熱解油的品質(zhì),同時(shí),半焦雖然有一定的活性和熱值,作為化工原料可以利用的范圍很有限,通常采用機(jī)械2實(shí)驗(yàn)物料脫水和熱風(fēng)干燥的方法,能夠降低垃圾中的水分,但是,這種方式往往只減少了垃圾中的水分,并不能為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性,垃圾采用與城市影響垃圾產(chǎn)物的質(zhì)量.本文提出利用摻煤的方法,解垃圾接近的組分,選擇為常見的典型組分25:青決以上問題。垃圾摻煤共熱解有以下優(yōu)勢③:(①)菜、廢紙、塑料和木塊,具體的百分構(gòu)成見表1可以有效提高垃圾熱解氣體的熱值,由于煤中含氧量很低,在裂解過程中產(chǎn)生的小分子的物質(zhì)主要是表1垃圾的組成(wt%)碳?xì)浠衔?可以有效提高熱解氣體熱值;(2)降低青菜紙木片塑料垃圾中含水率,煤中的水分含量一般不超過5%,甚中國煤化工11收稿日期:2003-12-15;修訂日期:2004-05-09基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.59974023;No.90210028)CNMHG作者簡介:包向軍(1971-),男,貴州都勻人,博土研究生,主要從事城市垃圾資源化的研究692工程熱物理學(xué)報(bào)25卷煤質(zhì)采用鍋爐常用的動(dòng)力煤,煤粒直徑為5合后,煤粒大部分分散在垃圾的空隙中。在實(shí)驗(yàn)中,mm。為了研究垃圾與煤摻混以后的熱解特性及熱為了能有效對(duì)比摻煤量對(duì)熱解過程的影響,垃圾和解產(chǎn)物變化。煤的工業(yè)分析見表2.具體的實(shí)驗(yàn)裝煤的混合物的料層高度確定為300mm,圖2為摻置參考文獻(xiàn)間6].每次試驗(yàn)物料的重量為1kg.熱煤100g時(shí)料層溫度變化,圖3為摻煤200g時(shí)料層解時(shí)間從容器放入爐膛開始計(jì)時(shí),當(dāng)氣體流量小于溫度變化,加熱功率均為196kW0.5l/min時(shí),熱解過程結(jié)束從圖中可以看出,摻煤量為100g的熱解時(shí)間為l10min,摻煤量為200g的熱解時(shí)間為99min,表2煤的工業(yè)分析(w%)摻煤量為100g的內(nèi)側(cè)溫度在熱解結(jié)束時(shí)的溫度為水份揮發(fā)份灰份固定碳高位熱值763°C,摻煤量為200g的內(nèi)側(cè)溫度在反應(yīng)結(jié)束時(shí)溫度為854°C。很明顯,摻煤量多的料層傳熱速度比摻2.339,413.544.86070煤量少的料層傳熱速度快,加快了料層反應(yīng)速度縮短了熱解時(shí)間。這個(gè)結(jié)果與一些結(jié)論似乎是3結(jié)果與討論矛盾的,因?yàn)槊嘿|(zhì)的密度和熱容很大,摻煤越多3.1加熱速度對(duì)爐膛溫度的影響熱解時(shí)間應(yīng)該越長。事實(shí)上,這些結(jié)論是假設(shè)物料電熱體產(chǎn)生的熱量,一部分用于加熱爐體和物內(nèi)部的傳熱速度不發(fā)生變化。從實(shí)驗(yàn)條件中可以知料,一部分提供反應(yīng)熱量,還有一部分通過爐壁散道,由于煤的密度與城市垃圾的密度相差近7倍,失供熱速度的快慢,直接影響反應(yīng)器溫度分布,從在料層高度是一定的條件下,增加摻煤量,使料層的而影響物料反應(yīng)的速度。圖1是摻煤量為100g,供熱功率分別為196W和288kW時(shí),爐膛溫度從而強(qiáng)化了反應(yīng)器的傳熱過程~明,圖中還可以看的變化曲線出,料層內(nèi)部溫度在100°C附近有一個(gè)明顯的溫度從圖中可以看出,兩種供熱方式的爐膛溫度在平臺(tái),這是由于青菜中含有大量水分,在加熱過程初期的升溫速度比較接近,約為70°Cmn,而在加中,有一個(gè)物料干燥的過程熱到10min的時(shí)候,出現(xiàn)拐點(diǎn),28.8kW的爐膛溫度以4°C/min線性上升,反應(yīng)結(jié)束時(shí)爐膛溫度為1057°C,19.6kW的爐膛溫度以1.4°C/min的速度線性上升,反應(yīng)結(jié)束時(shí)爐膛溫度為900°C。這是由000外側(cè)溫度于初期供熱主要是爐體溫度上升,爐體的蓄熱能力爾中部溫度定,兩種功率的供熱量遠(yuǎn)大于爐體的蓄熱能力,一內(nèi)側(cè)溫度因此,爐膛溫度在初期上升速度接近。當(dāng)爐膛溫度21416181101上升到一定值以后,電熱體供熱主要是彌補(bǔ)爐體散熱解時(shí)間/min熱損失,爐體溫度越高,散熱速度越快,因此,供熱功率大的爐膛溫度上升速度較快圖2摻煤100g料層溫度分布外側(cè)溫度19.6kW▲一中部溫度288kW內(nèi)側(cè)溫度4161811016181101熱解時(shí)間/min熱解時(shí)間/min圖1不同供熱功率的爐膛溫度變化圖3摻煤200g料層溫度分布32摻煤量對(duì)熱解過程的影響實(shí)驗(yàn)用煤的表觀密度為125kg/cm3,遠(yuǎn)大于城ayH中國煤化工CNMHG煤量改變了反應(yīng)床市混合垃圾的密度02kg/cm3.當(dāng)煤和城市垃圾混料層的結(jié)構(gòu),同時(shí)也改變了熱量在反應(yīng)床中的傳遞包向軍等:垃圾混煤熱解特性的實(shí)驗(yàn)研究693過程,使物料的熱解反應(yīng)速度發(fā)生變化。圖4為288表3熱解產(chǎn)物分布(wt%)kW時(shí)不同摻煤量引起的氣體瞬時(shí)流量的變化,圖5為196kW時(shí)不同摻煤量引起的氣體瞬時(shí)流量的變氣體產(chǎn)率半焦產(chǎn)率焦油產(chǎn)率196kW化摻煤100g從圖4可以看出,摻煤100g的氣體瞬時(shí)流量出196kW摻煤200g現(xiàn)三個(gè)明顯峰值,分別在9min、46min和76min,對(duì)應(yīng)的料層系統(tǒng)平均溫度值分別為489°、840°C和940°C。一方面由于物料在混合過程中不均勻,易揮從表中可以看出,摻煤100g的混合物料在19.6發(fā)的物料比較靠近反應(yīng)器壁,使之快速反應(yīng),另一kW和288kW的加熱條件下,氣體產(chǎn)率、焦油產(chǎn)方面,由于混合物料由不同的物質(zhì)構(gòu)成,其中塑料的率和半焦產(chǎn)率分別為25.6%、56.4%和18.0%以及熱解溫度在325°C,纖維素類熱解溫度在420°C39.3%、46.2%和14.5%,加熱功率越大,料層內(nèi)部煤的熱解溫度在50°℃.因此在熱解過程中,不同傳熱速度越快,料層溫度上升速度越快,由于在料物料在不同溫度的熱解反應(yīng)速度不同,產(chǎn)生不同溫層上方有一定的上升空間,并與熾熱的顆粒接觸,度段的氣體流量峰值。摻煤200g產(chǎn)氣主要集中在熱解一次焦油在揮發(fā)過程中發(fā)生二次裂解產(chǎn)生熱解」25~45min之間,最大產(chǎn)氣速率為125min,同摻氣體和二次焦油,使產(chǎn)物中的焦油產(chǎn)率下降,氣體產(chǎn)煤100g相比,反應(yīng)時(shí)間短,反應(yīng)速度快,這是由于率上升另外,很多研究表明,生物質(zhì)熱解過程中,摻煤越多,料層傳熱速度越快的結(jié)果。產(chǎn)物之間存在明顯競爭,溫度越高越有利于氣體產(chǎn)生,溫度越低,越有利于半焦產(chǎn)生。在19.6kW供熱條件下,摻煤100g和摻煤200摻煤100g一摻煤200g的氣體產(chǎn)率、焦油產(chǎn)率和半焦產(chǎn)率分別為:25.6%目一裝左址丫56.4%和18.0%以及28.1%、48.8%和23.1%。摻煤量200g的氣體產(chǎn)率和半焦產(chǎn)率相對(duì)較高,而焦油產(chǎn)率相對(duì)較低。摻煤量的增加改變了料層結(jié)構(gòu),加快了熱量在料層中的傳遞過程,增加了焦油二次裂解的幾率,因此,氣體產(chǎn)率相對(duì)較高,焦油產(chǎn)率相對(duì)41較低。煤的工業(yè)分析可以知道,揮發(fā)份占39.4%熱解時(shí)間/min而固定碳和灰份占58.3%,因此摻煤量越多,熱解半焦的含量就越大圖428.8kW時(shí)熱解氣體瞬時(shí)流量變化35熱解氣體成分分析物料顆粒和熱解容器中含有一定的空氣,初始熱解氣體的成分很不穩(wěn)定,為了減少這種不穩(wěn)定的影響,實(shí)驗(yàn)中氣體收集方法為:當(dāng)氣體瞬時(shí)速度從最大值開始下降時(shí)收集氣體,通過9801氣體分析儀測量氣體中成分的體積含量,并由此可以計(jì)算出氣◆摻煤100g體密度和高發(fā)熱量,見表4,012141618110表4熱解氣體成分和性質(zhì)熱解時(shí)間/min圖519.6kW熱解氣體瞬時(shí)流量變化4 100 g #44煤200gw. 8 kw34熱解產(chǎn)物分布的影響CnHm不同的加熱速率和不同的摻煤量,改變了料層O的傳熱速度和溫度分布,影響了物料的反應(yīng)速度中國煤化工2018同時(shí)也改變了熱解產(chǎn)物的分布。表3是不同摻煤量在不同加熱速率下的熱解產(chǎn)物分布CNMHG高位熱值/kJ/m318255173721983017836工程熱物理學(xué)報(bào)25卷不同的加熱條件和混合條件,最大瞬時(shí)產(chǎn)氣速48.8%,增加摻煤量有利于氣體產(chǎn)率增加,減少焦油率對(duì)應(yīng)的料層平均溫度不同,因此,采樣氣體的成產(chǎn)率分和性質(zhì)也不一致。從表中可以看出,供熱功率越(3)增加摻煤量可以提高氣體熱值,在19.6大,CO2、CH4和重?zé)N含量是下降的,CO含量增kW供熱條件下,摻煤200g的氣體熱值為19830大,H2含量變化不明顯,這是由于在高溫條件下,kJ/m3,比摻煤100g提高了8.6%CO2氣體與熱的碳層發(fā)生還原反應(yīng),產(chǎn)生CO,而CH4和重?zé)N在高溫條件下脫氫、脫碳,使H2含量增參考文獻(xiàn)加,CH4和重?zé)N的含量下降。煤中的含氧量很低,陳海濱,陶華等.我國城市垃圾處理現(xiàn)狀研究.武漢城市此增加摻煤量,可以增加CH4和H2的含量,提建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào),1997,14(3):40-4高氣體的熱值,在196kW加熱條件下,摻煤2002高玉寬,楊秀海等城市生活垃圾能源的利用、節(jié)能技術(shù),g的氣體熱值比摻煤100g的氣體熱值高86%,在1sej1Nom, K Mark Thom. Some Aspects of th28.8kW條件下,摻煤200g的氣體熱值比摻煤100Generationking Pressure During Coal Carbonize-g的氣體熱值高27%tion,Fuel,1996,75(7):801-808[4 Seebauer V, et al. Pyrolysis Kinetics of Coal and結(jié)論Biomass. Comparative Investigations and Evaluation ofKinetic Parameters. In: Proceedings ICCS, 97. 1997. 2通過改變摻煤量和供熱功率,研究不同條件的593596垃圾摻煤熱解特性,得到以下結(jié)論:]王柏懿,盛宏至等.廢棄物燃燒及流化床焚燒爐冷模實(shí)驗(yàn)研究,工程熱物理學(xué)報(bào),1994,15(4):453-4561)摻煤可以改變反應(yīng)容器中料層的結(jié)構(gòu)特性,間]包向軍,蔡九菊,劉漢橋等.垃圾混煤熱解特性的實(shí)驗(yàn)研增大摻煤量可以增大料層的空隙率和傳熱速率,縮究。見:工程熱物理學(xué)會(huì)燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.上海短熱解時(shí)間,在19.6kW供熱條件下,摻煤200g的2003.24-30熱解時(shí)間為99min,摻煤100g的熱解時(shí)間為110團(tuán)7魏小林,田文棟等.煤與垃圾在流化床中的混燒利用技術(shù)分析.環(huán)境工程200018(4):37-41[8]Mustafa Versan Kok, Esber Ozbas, et al. Effect of Par-(2)摻煤量變化對(duì)產(chǎn)物分布有很大影響,在196ticle Size on Coal Pyroysis, Journal of Analytical andW供熱條件下,摻煤100g和摻煤200g的氣體Applied Pyrolysis. 19983-110⑨9廖洪強(qiáng),姚強(qiáng).TGA技術(shù)研究城市生活垃圾燃燒特性產(chǎn)率分別為25.6%和281%,焦油產(chǎn)率分別564%燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(2):140-143中國煤化工CNMHG