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: 105-0060(200)01-0008-03木塊在流化床氣化爐內(nèi)氣化特性的試驗研究浙江大學張加權池涌肖剛繆麒 馬增益岑可法摘要:利用自行設計的小型流化床試驗裝置系統(tǒng)，對城市生活垃圾中木塊組分在不同的反應溫度、不同的過量空氣系數(shù)下進行了空氣氣化實驗。分析了在流化床氣化爐中，這些反應條件對木塊轉化為氣化氣的影響以及在不同的氣化反應條件下，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中-些有價值的運行參 數(shù)范圍。關鍵詞:城市生活垃圾(MSW);氣化熔融;流化床;木塊;氣化中圖分類號: TK16文獻標識碼: 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，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，人民生活水平日益提高，1實驗裝 置及實驗方法城市生活垃圾的產(chǎn)量也急劇增加。統(tǒng)計資料表明"，目前我國垃圾年產(chǎn)量已達1.6億t左右，且正以8%~ 10%的速度遞增。.1 實驗裝置同時，我國城市垃圾的成分構成也發(fā)生了很大的變化，有機圖1為實驗采用的流化床氣化實驗裝置示意圖。爐膛采用物含量不斷增加，達到80%左右; 垃圾熱值也不斷提高，有電熱絲加熱。 加熱過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5 860 kJAkg。 這些特點為我國采用更增加物料在爐內(nèi)的停留時間，防止物料噴出爐膛以及塑料在給為先進的垃圾處理技術一氣化熔融提供了基礎。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是近年來美國、日本、德國等發(fā)達國家為解決垃圾焚燒處理過程中產(chǎn)生二惡英(Dioxins) 類毒性物質(zhì)問題而提出的，該處理技術極大地滿足了無害化、減量化、資源化的要求，成為21世紀新型垃圾處理技術，它導結合垃圾氣化和~飛灰熔融二者的優(yōu)點，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，國外的先進技術必須與我國的實際相結合。這就必須對我國垃圾的成分作-清楚的了解。 目前，我國每年產(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，淘汰下來的廢化床主體8穩(wěn)壓瓶9.燃氣表 10轉 子流量計11.鼓風機棄木材會越來越多。廢棄木料主要指電纜輥芯、枕木、各種1.2實驗物料特性廢舊人造板、廢單板、各種包裝用過的木材、舊托盤、板皮、實驗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， 因此需要對木塊進行破碎處理，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重要組成部分，表1木塊的工業(yè)分析和元素分析本文對木塊在自行設計的小型流化床試驗裝置系統(tǒng)中進行了工業(yè)分析元素分析/%一系列氣化試驗，其目的在于通過試驗研究，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中- -些有9.7416.41778347.35.).1 0.05 37。28價值的參數(shù)。1.3實驗方法 .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(1979-)，男，碩士生。熱能工程研究所，310027床層高度大約10cm,流化風量0.5~ 1.6 Nm/h,流化風速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中，垃圾氣化階段個范圍內(nèi)隨著溫度的升高也增加，但過了600 C再升高溫的溫度大多控制在500~600 C之間，因此，氣化實驗是度，含量略有下降。這可能是由于高溫下烴類物質(zhì)進一步在400~700 C的溫度范圍內(nèi)，過量空氣系數(shù)a為0.2~0.8分解(反應式9)有關。而CO和H2隨著溫度的進一步升高，的情況下進行的。可能更多地參與了(6)、(7)反應，導致體積含量下降。流化床的熱源一部分來自電加熱爐， 并配有溫控儀，這樣氣化氣中的可燃氣含量隨溫度先上升后略有下降，從控制氣化反應溫度在設定范圍內(nèi);另-部分來自木塊氣化12%到26%再到24%左右。CO，和N,則呈下降趨勢。反應產(chǎn)生的熱量。氣化實驗收集的氣體采用意大利生產(chǎn)的Trace GC2000氣體分析儀進行氣體分析。CO22實驗結果 與討論14氣化是將垃圾中有機成分(主要是碳)在還原氣氛下CmHn與氣化劑反應生成燃氣(CO, CH, H2等)的過程。一般是通過部分燃燒反應放熱提供其它制氣反應的吸熱。氣化反應的產(chǎn)物為燃氣和灰分，其目標產(chǎn)物為單-的氣態(tài)燃氣。 目前，生物質(zhì)氣化已有許多的實驗和理論研究，其氣化過程4000一般包括下面 3個步驟:①揮發(fā)分析出;②揮發(fā)分二次反氣化反應溫度°C應;③焦炭的反應，其中第一步揮發(fā)分析出對生物質(zhì)氣化圖2氣化氣組分隨 氣化溫度變化關系過程影響較大。本文研究的重點是在流化床內(nèi)木塊的空氣2.2過量 空氣系數(shù)及氣化溫度對氣化氣熱值的影響氣化，旨在探討在預定的工況下木塊氣化的反應特性。氣化氣熱值是反映氣化過程進行好壞的一個重要參2.1氣化氣成分體積含量 與氣化溫度的關系數(shù)，其值高低對后續(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相當高，所一般認為， 氣化氣熱值達到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，這些特點的溫度達到1400 C以上4。下面就氣化氣熱值與過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過量 空氣系數(shù)對氣化氣熱值的影響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量空氣系數(shù)和氣化溫度的的氮，未參與氣化反應;木塊中的N、S元素含量非常少，關系。這里，先討論600 C時氣化氣熱值與a的關系，然可忽略不計)。對于小型流化床實驗臺而言，設計的流化風后再看一下其他溫度下的變化趨勢。由上表可知，當過量量在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，氣化氣低位熱值隨之從5232相同的過量空氣系數(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的增加而降低過程中產(chǎn)生較多的碳黑和焦油，為了不使氣化器發(fā)生嚴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等可燃氣體參與燃燒反應就增度對氣化氣組分體積百分含量的影響。加了，從而導致氣化氣熱值的降低。在氣化過程中，主要發(fā)生以下反應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時氣化氣熱值與過量空氣系數(shù)的關系與C+2H2 CH,+74.9 MJ/kmol6) 600 C時基本相同。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，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，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，由于反應溫度低、過量空氣系數(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炭與水蒸發(fā)生堵塞現(xiàn)象導致氣化效果不好，因而氣化氣熱值未列出。氣及反應過程中生成的CO2之間發(fā)生反應(見反應式3、4、2.2.2氣化反 應溫度對氣化氣熱值的影響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，氣化氣熱值從2 748 kJ/Nm'逐=0.2~0.8時，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'，達最大值。隨氣化溫度的進一步提基本成正比例線性關系。這是由于過量空氣增加，相同物料高，氣化氣熱值不升而降。這可能是因為，更高的氣化溫度量下，參與反應的空氣量增加，從而使反應更為徹底完全，使氣化氣中焦油在高溫下發(fā)生了裂解反應(式8)生成C.H、導致產(chǎn)氣率升高。氣化溫度雖然對產(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。且過量空氣越低，a=0.4、0.8 時，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、更多的焦炭在高溫下發(fā)生氣化反都在600 C達峰值。但a=0.2是個例外，可能是由于此應以及在高溫下更多的焦油發(fā)生裂解反應，過量空氣系數(shù)增時過量空氣系數(shù)對氣化氣熱值的影響更大，使氣化氣中可加導致入爐空氣量的增加，使得氣化氣產(chǎn)量增加。燃成分來不及燃燒所致。400C2.3過 量空氣系數(shù)和氣化溫度對氣化效率的影響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3a0概念表征了原料在整個氣化反應中轉化為氣體的百分率。氣化效率隨過量空氣系數(shù)和反應溫度的關系如表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，減低幅度最大，從67.55%降到53.78%。由此可以看出，過高的溫度不- -定08過量空氣系數(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燃氣體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 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達到最大值。當400~500C，a=0.2時， 氣化效果不好; c=0.8時， 所得氣化氣熱:值偏低，不利于后續(xù)熔融處理。因而對于木塊的氣化，氣化溫度600 C，過量空氣系數(shù)a =0.6,木塊的氣化效果最好，此時的氣化氣低位熱值在3 858 kJ/Nm'左右。氣化效率可達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:此時氣化氣流量圖3氣化效率變化曲線達1.27 Nm/ho .0另- -方面，在溫度-定的情況下，a =0.6時氣化效率均達到峰值:即:在a=0.2~0.6 范圍內(nèi)，氣化效率隨過量空氣系數(shù)參考文獻的增大而增大; a=0.6~ -0.8時，氣化效率隨過量空氣系數(shù)的增蔣劍春，戴偉娣，等.城市垃圾氣化試驗研究初探[I].可再生能大而降低。源2003(2): 14~17.氣化效率是反映氣化過程進行好壞的一-個重要參數(shù)，從上2]李愛民， 任遠，李水清.等.木塊在回轉窯內(nèi)熱解特性的試驗研究[0].燃燒科學與技術，1999 5(2): 121~127.面的分析可以得出下面的結論:當氣化溫度在600 C左右，過3] M Moris, L Waldheim. Energy recovery from solid wasle fuels using量空氣系數(shù)為0.6時，木塊氣化效果最好，氣化效率達到67.55%。advanced gasification technology []. Waste Management, 1998(18):2.4產(chǎn)氣率與過量空氣系數(shù)及溫度的關系557~564.氣化反應產(chǎn)氣率是一重要參數(shù)，它是指單位時間內(nèi)生4] 徐嘉城市生活垃圾典型組分的流化床氣化特性實驗研究[D]浙江大學, 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)氣化反應器試驗研究[].物質(zhì)由固體轉化為氣體的能力?；瘜W工程2003, 31(5): 26~30.由圖4可知，過量空氣系數(shù)對產(chǎn)氣率的影響非常大，a編輯:康德