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、PCB s (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Vario EL CHNOS) ,分析数据列于表1。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。图1下吸式气化炉试验装置示意图Fig. 1Schematic diagram of down2draft gasifier test facili在图1所示的试验装置中,有机垃圾废弃物从 炉上部(内径500 mm)加入,炉中部设有一个收缩喉口(直径D 为180 mm) ,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 ～7 kg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GC2Carbop lot 30 m ×053 mm × 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: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( IR IS1000)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。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。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210 g/m3 左右。其中焦油的具体组分分析见图4。焦油中可辨别的主要化学成分见表4。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,大部解,因此燃 气中焦油含量比较低,仅210 g/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: C 19.8 wt% , H 1.08wt% ,O 26.98 wt% , N 0.30 wt% , S 0.36 wt%。重金属分析结果为: Ti最多,达2872.16 mg/kg,其次是Zn、Pb、Cr,其含量分别为1161.06 mg/kg、232.03 mg/kg、225.57 mg/kg; Ni、As和Cd的含量较少,分别为: 23.03 mg/kg、14.29 mg/kg、9.00 mg/kg。灰 的灼减率为19.36 wt%。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4600 kJ /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. Chlorodibenzo2p2dioxins and chlorodibenzofurans are traced components offly ash and flue gas of some municipal incinerators in theNetherlands. 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 ] Wu C1Z1, Huang H1, Zheng S1P1, et al. Biomass gasifica2tion and power generation in China. Bioresource Technolo2gy, 2002, 83 (1) : 65～70[ 5 ] Huang H1T1, Wu C1Z1, Chang J1, et al. Energy from bi2omass and waste—Case studies in China. Intern. J. EnergyTechnol. Policy, 2003, 1 (4) : 400～412