第3卷第5期過程工程學(xué)報(bào)Vol 3 No.52003年10月The Chinese Jourmal of Process EngineeringOct.2003下吸式氣化爐處理有機(jī)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(jī)固體廢棄物如農(nóng)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?jī)r(jià)值,應(yīng)加以回收利用.本文使用下吸式氣化爐對(duì)三種原料(木塊、谷殼和混合生活垃圾)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),獲得了氣體成份和氣體熱值數(shù)據(jù),并對(duì)氣化反應(yīng)過程作了討論.關(guān)鍵詞:有機(jī)廢棄物;下吸式氣化爐;反應(yīng)過程中圖分類號(hào): X7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1009- -606X(2003)05- -0477-041前言有機(jī)固體廢棄物具有松散、低密度、低熱值、高揮發(fā)份等特點(diǎn)，帶來了收集、貯存和使用的困難.傳統(tǒng)的有機(jī)物能源利用方法如爐灶直接燃燒的能源利用率只有10%~25%，用能過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并排放出大量煙塵.熱解氣化技術(shù)可以將固體有機(jī)原料轉(zhuǎn)變成氣體燃料，使其使用更加清潔方便，而且能量轉(zhuǎn)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?xì)饪捎糜诖妒?、加熱、鍋爐或發(fā)電等.下吸式氣化爐的特征是氣體和有機(jī)物料混合向下流動(dòng)通過高溫區(qū)，發(fā)生氣化反應(yīng).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(bào)道較少.本文使用-種具有收縮喉口區(qū)的下吸式氣化爐，對(duì)多種物料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).Drying zone2實(shí)驗(yàn)4-ψ10 Pyrolysis zone實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.有機(jī)廢棄物從爐上部(內(nèi)Air Combustion zone徑500 mm)加入，爐中部設(shè)有一個(gè)收縮喉口(直徑DP、\\4-010 Reduction zone為180 mm)，空氣從喉口區(qū)上部和喉口處周向?qū)ΨQThroat進(jìn)氣(分別稱為上部空氣量和喉口空氣量).喉口區(qū)Grate下部為炭床，用熱電偶測(cè)量喉口處的床層溫度物料和氣體同向通過喉口區(qū)向下流動(dòng)，在喉口區(qū)發(fā)生高溫氣化反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)?針對(duì)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(jī)Ash械攪拌結(jié)構(gòu)，使物料順利下移，實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的氣圖L下吸式氣化爐實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目:廣東省新能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目;廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào): 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)工程專業(yè).478過程工程學(xué)報(bào)3卷實(shí)驗(yàn)時(shí)首先加入易燃物點(diǎn)火，預(yù)熱氣化爐，然后加入5~7 kg的有機(jī)物料，關(guān)閉進(jìn)料口，開動(dòng)風(fēng)機(jī)，噴入適量空氣，進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)了3種物料:木塊(長(zhǎng)約3cm,直徑約1cm)、谷殼、混合生活垃圾(包括塑料、紙等). 實(shí)驗(yàn)樣品的元素分析使用Elementar 元素分析儀(型號(hào)Vario ELCHNOS),分析數(shù)據(jù)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(hào)GC-20B-1, 配GC- Carboplot 30 mx0.53 mmx 3.0 μm色譜柱和熱導(dǎo)池檢測(cè)器)作成份分析.表1實(shí)驗(yàn)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(jié)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(yàn)參數(shù)和得到的可燃?xì)獬煞菁盁嶂禂?shù)據(jù)分別列于表2~4.實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)出的氣體在連接于氣化爐燃?xì)夤芎蟮拇髿馊紵髦腥菀c(diǎn)燃，而且火焰持續(xù)穩(wěn)定.氣體樣品作色譜分析獲得主要可燃?xì)獬煞轂镠2, 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(yàn)結(jié)果表3谷殼的氣化實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)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(jī)廢棄物479低，從表2可見，其氣化產(chǎn)氣含有較多的H2以及CH, CH, CH等碳?xì)浠衔?，熱值高達(dá)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?xì)浠衔?，氣體熱值也明顯減少(見表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(shù)據(jù)表明，混合生活垃圾氣化也能產(chǎn)出較多的H2和碳?xì)浠衔?，其氣體熱值高于谷殼氣化熱值,但低于木塊氣化熱值.3.2氣化過程如圖1所示，物料進(jìn)入爐膛內(nèi)的反應(yīng)過程大致可分為4個(gè)區(qū)域:(1)物料干燥區(qū)(溫度約50~ 120°C):物料→水份+干燥物料.(2)熱分解反應(yīng)區(qū)(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(yīng)區(qū)(溫度約800~ 1200*C)，主要有強(qiáng)烈放熱的焦炭氧化反應(yīng)和一氧化碳氧化反應(yīng):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(yīng):焦油→氣體(H, CH, CH4, CH&, C.H, CO, CO2).(4)還原反應(yīng)區(qū)(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(yīng),均為吸熱反應(yīng):焦炭+H2O->CO+H,焦炭+ CO2→2CO.焦油繼續(xù)發(fā)生裂解反應(yīng):焦油→氣體(H2, CH, CH, CH, C.H, CO, CO).下吸式氣化爐喉管區(qū)主要發(fā)生的是氧化反應(yīng)，即空氣由喉管區(qū)進(jìn)入爐內(nèi)與碳混合燃燒，故此.段反應(yīng)溫度最高，可達(dá)1000~1200°C. 爐內(nèi)溫度由喉管區(qū)開始向上和向下遞減分布，喉管區(qū)下段發(fā)生的還原反應(yīng)是氣化過程的重要部分，影響還原反應(yīng)的主要因素是氣流在還原區(qū)與熾熱碳的接觸時(shí)間.本實(shí)驗(yàn)氣化爐還原區(qū)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(yīng)進(jìn)行徹底.3.3氣化爐運(yùn)行特性有機(jī)廢棄物氣化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，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(wěn)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(yīng)后產(chǎn)生氣體的各組份含量都不相同.在掌握各種物料穩(wěn)定氣化需要空氣量的情況下，整個(gè)氣化系統(tǒng)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(jié)，料層阻力加大，MYHCNMH G質(zhì)量安裝機(jī)械攪拌裝置、將碎料和塊料混合使用是較好的解決方法.480過程工程學(xué)報(bào)3卷4結(jié)論木塊、谷殼和混合生活垃圾氣化實(shí)驗(yàn)表明，主要可燃?xì)獬煞轂镠2, CO, CH, CH, CH。等,其中木塊產(chǎn)氣熱值達(dá)4900 kJ/Nm2. 燃?xì)獬煞莺蜔嶂等Q于原料種類和氣化條件.熱解氣化技術(shù)處理農(nóng)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(xiàn):[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]. 太陽能學(xué)報(bào)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(jié)能國際研討會(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)院過程工程研究所期刊部網(wǎng)站(http://www.jproeng.com)現(xiàn)已正式開通( 試運(yùn)行)?！哆^程 工程學(xué)報(bào)》和《中國顆粒學(xué)報(bào)》的作者，可直接進(jìn)入該網(wǎng)站，點(diǎn)擊相應(yīng)期刊主頁中之遠(yuǎn)程投稿，進(jìn)行注冊(cè)、 登錄投稿。作者亦可對(duì)所投稿件的處理情況進(jìn)行網(wǎng)上查詢。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?！哆^程工程學(xué)報(bào)》編輯部中國煤化工MYHCNMHG.