下吸式氣化爐處理城市生活垃圾
1 前 言
垃圾是困擾中國許多城市的一個嚴重問題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,人民生活水平的提高,垃圾廢棄物的產(chǎn)量日益增長,且成分也在發(fā)生變化。近年來我國的城市垃圾中,有機質的含量明顯上升,其中廢塑料和廢橡膠等增長顯著。有機垃圾廢棄物具有松散、低密度、低熱值、高揮發(fā)分以及垃圾成分復雜等特點,垃圾直接焚燒存在許多問題,如:劇毒含氯化合物PCDDs、PCDFs、PCBs(統(tǒng)稱二惡英類物質)以及含Hg、Pb的飛灰等造成大氣環(huán)境污染等[1]。熱解氣化技術可以將有機垃圾原料轉變成氣體燃料,使其成為清潔的能源,是一種有發(fā)展前途的可再生能源利用方式[2～5]。
氣化爐形式主要有上吸式移動床、下吸式移動床、鼓泡流化床、循環(huán)流化床、噴動床和氣流床等;氣化介質可以是空氣、水蒸氣和富氧空氣等;氣化爐產(chǎn)出的燃氣可用于炊事、加熱、鍋爐或發(fā)電等。根據(jù)城市生活垃圾的物理化學特性,從降低物料預處理成本、提高可燃氣體產(chǎn)率、降低焦油產(chǎn)率等因素綜合考慮,下吸式氣化爐是較理想的氣化爐型。下吸式氣化爐的特征是氣體和有機物料混合向下流動通過高溫區(qū),發(fā)生氣化反應。下吸式氣化爐在煤炭氣化方面是較成熟的技術,但在熱解氣化處理垃圾廢棄物方面的研究報道較少。本研究使用一種具有收縮喉口區(qū)的下吸式氣化爐,對城市生活垃圾進行空氣氣化實驗研究。
2 試驗部分
2.1 試驗原料和裝置
試驗所用垃圾樣品取自廣州市郊區(qū)垃圾填埋場,試驗樣品的元素分析使用Elementar元素分析儀(型號VarioELCHNOS),分析數(shù)據(jù)列于表1。
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針對城市生活垃圾含水量較高,且物料成分復雜,結構不均勻的特點,本研究選擇下吸式氣化爐(如圖1所示)作為處理反應器。下吸式氣化爐的特點是氣固呈順向流動。運行時物料由上部儲料倉向下移動,邊移動邊進行干燥與熱分解的過程,在經(jīng)過喉口時,與噴進的空氣發(fā)生燃燒反應,剩余的炭落入喉口下方,與氣流中的CO2和水蒸氣反應產(chǎn)生CO和H2。由于下吸式氣化爐中的喉口下方爐膛容積的突然擴大,相應延長了氣相停留時間,使焦油在高溫區(qū)較徹底地裂解,因而下吸式氣化爐的一個突出優(yōu)點是氣體中的焦油含量比較少。焦油是生物質或生活垃圾氣化過程中產(chǎn)生的不可避免的副產(chǎn)物,在氣化氣的后續(xù)應用中,需要對焦油進行處理。水洗法是目前對焦油處理的主要方式,因而不可避免地會產(chǎn)生二次污染,對環(huán)境造成比較嚴重的危害。
由于下吸式氣化爐產(chǎn)出的氣體焦油含量較少,一方面可以簡化后續(xù)的處理設備,另一方面可以有效地減少對環(huán)境的二次污染。
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圖1 下吸式氣化爐試驗裝置示意圖
在圖1所示的試驗裝置中,有機垃圾廢棄物從爐上部(內徑500mm)加入,爐中部設有一個收縮喉口(直徑D為180mm),空氣從喉口區(qū)上部和喉口處切向對稱進氣(分別稱為上部空氣量和喉口空氣量)。喉口區(qū)下部為炭床,用熱電偶測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,在喉口區(qū)發(fā)生高溫氣化反應產(chǎn)生可燃氣。針對垃圾中某些成分密度小,流動性差,易架橋、抽空等特點,裝置了適宜的機械攪拌結構,使物料順利下移,實現(xiàn)均勻穩(wěn)定的氣化爐操作。
試驗時首先加入易燃物點火,預熱氣化爐,然后加入5～7kg的有機混合生活垃圾(包括塑料、紙等),關閉進料口,開動風機,噴入適量空氣,進行氣化試驗。
2.2 氣體、焦油和灰分分析
氣化爐產(chǎn)出氣體用針筒取樣后用島津色譜儀(型號GC220B21,配GC2Carboplot30m×053mm×310μm色譜柱和TCD檢測器)作成分分析。燃氣中焦油的含量采用國際標準方法測定,其采樣流程見圖2。燃氣經(jīng)石英棉網(wǎng)過濾,除去飛灰,再經(jīng)過電加熱保溫管道,使燃氣在裝有二氯甲烷的瓶子中通過,二氯甲烷瓶子浸于冰水冷浴鍋里,焦油在其中被吸收、冷凝。實驗完畢后取一定體積的二氯甲烷溶液于容器中,讓二氯甲烷低溫蒸發(fā)后,確定其剩余物的重量即為對應二氯甲烷體積中所含的焦油質量。焦油各組分通過HP6890GC2MS分析。則燃氣中焦油含量的計算式為:
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灰中的重金屬用美國熱電公司的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(IRIS1000)分析。
3 結果與討論
3.1 氣化過程分析
物料進入爐膛內的反應過程大致可分為4個區(qū)域,如圖1所示,垃圾熱解氣化的過程見表2。下吸式氣化爐喉管區(qū)主要發(fā)生的是氧化反應,即空氣由喉管區(qū)進入爐內與碳混合燃燒,故此段反應溫度最高,可達1000～1200℃。爐內溫度由喉管區(qū)開始向上和向下遞減分布,喉管區(qū)下段發(fā)生的還原反應是氣化過程的重要部分,影響還原反應的主要因素是氣流在還原區(qū)與熾熱碳的接觸時間。本實驗氣化爐還原區(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間,使還原反應進行徹底。
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3.2 氣體成分分析
混合生活垃圾氣化試驗參數(shù)和得到的可燃氣成分及熱值數(shù)據(jù)列于表3。實驗中產(chǎn)出的氣體在連接于氣化爐燃氣管后的大氣燃燒器里容易點燃,而且火焰持續(xù)穩(wěn)定。
表3數(shù)據(jù)表明,混合生活垃圾氣化能夠產(chǎn)出較多的H2、CO和碳氫化合物。隨著溫度逐漸升高,碳氫化合物會逐漸分解,如表3中的CH4含量隨溫度升高而降低。由于燃氣中碳氫化合物的含量對氣體熱值有較大的影響,所以燃氣的熱值會隨溫度的升高而有所降低,見圖3。因此,用下吸式氣化爐熱解氣化垃圾,并不是溫度越高越好,而應該是控制在一定的溫度范圍內以達到最佳的氣化效果。經(jīng)過多次實驗,最佳的氣化溫度應在750～900℃的范圍內。
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3.3 燃氣中焦油的測定
按實驗部分中焦油測定方法對燃氣中焦油進行了測定。正常操作條件下,燃氣中焦油的總量為210g/m3左右。其中焦油的具體組分分析見圖4。
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焦油中可辨別的主要化學成分見表4。
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從圖4和表4中可以看出:焦油中所含的成分復雜,且多為有機物。由于采用的是下吸式氣化爐,燃氣經(jīng)過喉部區(qū)域時,溫度較高,在1000℃左右,導致燃氣中的焦油通過高溫區(qū)時,大部分裂解,因此燃氣中焦油含量比較低,僅210g/m3左右,與其他氣化爐產(chǎn)生的燃氣相比,焦油含量低很多。
3.4 垃圾灰渣分析
對垃圾熱解氣化后的灰渣進行了元素分析和重金屬分析。元素分析結果為:C19.8wt%,H1.08wt%,O26.98wt%,N0.30wt%,S0.36wt%。重金屬分析結果為:Ti最多,達2872.16mg/kg,其次是Zn、Pb、Cr,其含量分別為1161.06mg/kg、232.03mg/kg、225.57mg/kg;Ni、As和Cd的含量較少,分別為:23.03mg/kg、14.29mg/kg、9.00mg/kg；业淖茰p率為19.36wt%。
3.5 氣化爐運行特性討論
生活垃圾中有機廢棄物的氣化是一個復雜的物理化學過程,受垃圾組分和性質的影響較大。不同的組分的垃圾混合物需要在不同的空氣量及操作條件下才能正常的穩(wěn)定氣化,而且反應后產(chǎn)生氣體的各組分含量都不相同。在掌握各種物料穩(wěn)定氣化需要空氣量的情況下,整個氣化系統(tǒng)的操作還與混合垃圾的進給、混合垃圾的密度、自然體積有關。垃圾自然體積太大容易架空,太小容易粘結,料層阻力加大,影響氣化系統(tǒng)的操作和燃氣質量。安裝機械攪拌裝置,將碎料和適中的塊料混合使用是較好的解決方法。
4 結 論
下吸式氣化爐處理垃圾,操作方便,運行穩(wěn)定,所產(chǎn)生的燃氣既可以滿足燃氣內燃機發(fā)電,又可以進一步合成為儲存、運輸都很方便的液體燃料。混合生活垃圾氣化試驗表明,主要可燃氣成分為H2、CO、CH4、C2H4、C2H6等,產(chǎn)氣熱值達4600kJ/m3。
燃氣成分和熱值取決于垃圾組分、性質和氣化條件。熱解氣化技術處理城市生活垃圾,既回收能量,也減少環(huán)境污染,具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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