垃圾特性对其气化产物影响的研究

垃圾特性对其气化产物影响的研究王现顺，池涌,郑皎,王飞浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027[摘要] 在温度为650 C、过量空气系数为0.4的条件下,对城市生活垃圾的4种典型组分(聚乙烯、橡胶、木竹和纸)进行气化试验研究。运用灰色关联分析理论,考察物料性质对气化合成气的影响。CO和H2的主要影响因素为固定碳;CH。和C2H的主要影响因素为挥发分;CO2和O2的主要影响因素为水分。影响总体气化气的因素依次为:固定碳>水分>挥发分>灰分。[关键词]生活垃圾;灰色关联分析;气化;气化气;物料性质[中图分类号] X705[文献标识码] A[文章编号] 1002 - 3364(2010)02 -0037 - 04[DOI编号] 10.3969/j. issn. 1002 - 3364. 2010. 02. 037STUDY ON THE INFLUENCE OF MSW PROPERTIES UPONITS GASIFIED PRODUCTSWANG Xian - shun,CHI Yong, ZHENG Jiao, WANG FeiState- level Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University, Hangzhou 310027 , Zhejiang Province,PRCAbstract: Under condition of temperature 650 C and coefficient of excess air 0. 4, four typical compo-nents of municipal solid waste (MSW),i. e. polyethylene, rubber , bamboo, and paper, have been gasi-fied for study. By using the grey relationship analysis theory, the influence of material property uponthe produced gas bas been investigated ,it was found that the main affecting factor of CO and H2 is thefixed carbon, the main affecting factor of CH: and C2H。is the volatile matter,and the main affectingfactor of CO2 and O2 is the moisture. The force of affecting factors of the total produced gas is succes-热能sively as follows : fixed carbon> moisture> > volatile> > ash基Key words : MSW ;grey relationship analysis; gasification; produced gas;material property研2007年全国生活垃圾清运量为14 841.3万t,生值也达到了5 000 kJ/kg[2。城市生活垃圾作为一种活垃圾无害化处理率仅为52.2%。同时,我国城市可再生能源,总量大,年产量波动小。传统的垃圾处理生活垃圾(MSW)的有机物含量也在不断提高，如上海方法如填埋、堆肥和焚烧等存在很多问题(0。近几年，发城市生活垃圾的有机物含量已经达到了65%,低位热城市垃圾热解气化以及在此基础上的气化熔融技术得电作者简介:王现顺(1985 -).男,浙江大学热能工程专业硕士研究生。E - mail: msw_ 25@ zju. edu. cn, sdu2008wxs@ yahoo. com. cn7到迅速发展,其NO,和SO,排放较低，从而大幅降低数据与气化数据进行灰色关联分析,研究在特定工况了烟气处理费用,同时它能够解决二恶英和重金属的下物料特性对气化气的影响。污染问题，以其彻底的无害化，显著的减容化,广泛的物料适应性成为最具潜力的焚烧处理替代技术[3~1。1试验 物料和方法灰色理论可以解决“小样本”、“贫信息”的不确定问题;灰色关联分析方法可以在有限的数据下,根据序为了研究物料因索对气化的影响，气化过程中不列曲线的几何形状相似程度来判断其联系是否紧密，添加任何催化剂。根据肖刚等的试验结果,当气化温曲线越接近,相应序列之间联系度就越大,反之越小。度在500~700 C,过量空气系数a为0.2~0.4时,气据此可以应用灰色理论,在少量试验数据下分析影响化炉运行稳定,物料气化完全,气化气热值可以达到垃圾气化的主要因素[12]。影响气化的主要因素有:4 000~ 12 000 kJ/m2 (标准状态，下同) ,经过熔融炉后(1)气化器,包括气化器的形状、大小和结构:(2)气化能够实现彻底的清洁有效利用14。因此，试验工况选温度以及加热速率;(3)气化介质,其中不同的气化介定气化温度为650 C,过量空气系数a=0.4。质包括空气、水蒸气和纯氧等;(4)催化剂; (5)物选择聚乙烯(PE)、橡胶、纸和木竹为试验物料,它料科[08]。不同的物料垃圾会产生不同的气化气，通过确们是城市生活垃圾的典型组分，同时在指定的工况下定物料垃圾的工业组分与垃圾气化合成气(简称气化具有良好的气化效果[15~183 ,其工业分析和元素分析结气)之间的关系,可以进一-步建立各种预测模型,对不果见表1。同的垃圾物料气化结果进行预测。本文对各物料特性表1试验原料的工业分析和元素分析结果%工业分析元素分析物料McVeeFC CatHa___ NuSr O。P0. 390.399.31032.50 13.62 0. 68橡胶0.62 39.67 46.83 12. 8847.84.77 1.072.49 3. 58纸.8.449.3470.15 12.07 38. 624.21 0. 120.06 39. 21木竹7.14 1. 2574.8816.73 42.02 5.18 0. 9043. 51试验中以流化蓄热性能好的石英砂为床料,石英砂平均粒径在0.4 mm左右,其堆积表观密度为1 400kg/m' ,真实密度为2 200 kg/m'。试验中稳定鼓风喷淋培收样点气化炉量,以保证良好的流化工况。根据送风量和选定的过. 热电偶4量空气系数调节给料量。气体分析仪试验系统主要由气体发生、气体燃烧和气化产物燃烧宝能。 篡的检测和收集3部分组成。主要设备包括供风装置、门团螺旋给科机屯加热。础布风排渣装置、流化床电加热系统、循环水箱、给料机、.热电們2究流化床气化炉、燃烧室、喷淋塔、气体在线分析仪等。布风板流化床气化炉内径为100 mm,高度为5 m。气化产物水箱空气--- - 热电偶1热取样口选在燃烧室 与气化炉间的水平段,气化产物中I号非气相组分经冷凝装置冷凝后收集,得到净化后的气图1试验系统流程备化气通过气体分析仪在线监测气体的成分和含量。剩i余的气化产物经燃烧室燃烧及喷淋塔净化后排空。试2数 据计算方法验系统流程见图1。为了更好地了解气化过程,研究物料因素对气化气组分的影响,本文由物料的工业分析数据和元素分38析数据与物料的试验气化气组分数据产生不同的序进行适当配比，然后进行气化试验I。试验物料依次，列,计算其关联度,然后进行优势分析[12],确定气化气为竹木+PE(1 : 1)、竹木+橡胶(2 : 1)、PE +橡胶组分的优势影响因素。灰色关联分析的计算包括以下(2: 1)、PE+纸(2 : 1)、竹木+纸(2 : 1)、橡胶十纸步骤:(1)原始数据的变换;(2)计算关联系数;(3)求关:(1 : 1),括号内为相应物料的质量配比。试验所得气联度;(4)排关联序;(5)列关联矩阵。其中,序列{X。化数据如图3所示。(k)}与{X;(k)}中的各点关联系数敬(k)可用式(1)计6[3竹木+PE算:4PE+橡胶ξau(k) =_Omin 十ρOmax_(1)Oor(k)十ρOmax行橡胶+纸式中:Oo:(k)为k时两序列差的绝对值,即Oor(k) = .10-|X。(k)- X,(k)| ;Omx,Omin 分别为各点的绝对差中的最大值与最小值;p为分辨系数,通常取0.5。两序列的关联度可用两序列各个关联系数的平均值计算(式(2)):ro,=2i5o(k),k= 1,2,3...N (2)oCH4 CzH,求出各关联度,排出关联序并列出关联矩阵,最后进行气化气组分优势分析。图3试验I 各物料气化特性3单种物料气化结果5试验的灰色关联分析试验I气化物料依次是PE、橡胶、纸、木竹，试验对影响气化的物料特性数据进行关联分析，以气所得气化结果如图2(N2在试验前后没有变化),除橡化气各组分为系统特征序列,以各物料的工业组分为胶外,其它物料气化气的低位热值均大于3 000 kJ/系统相关因素序列,得到表2数据。最后,经过计算求m3 ,都可以满足后续的气化熔融对气化气热值的要出的综合关联度见表3。灰色关联度分析中的具体算求[印。法见文献[21,22]。分析表3数据,进行灰色理论的优势分析,并进行] PE简单的反应机理分析,可得出如下结果。4-木竹(1)第1、3列中ru>ru>rs>r2,rs>rxs>rs>r23,说明CO和H2的影响因素为物料中的固定碳,其次为水分,CO和H2主要由反应C+ H2O-→CO+H2- 131.5 MJ/kmo[00]生成;第2列中ri2>ra2>r32热>r22 ,说明CO,主要影响因素为水分，其次为固定碳，啡其中水分对CO2的影响有碳水反应C+2H2O→CO2+2H2- 90.0 MJ/kmol,以及水蒸气与焦油等发染H1. .h。生的裂解反应等;第4列中,r4>r4t>r2x>r3,O2的O“O,HO2H， CH↓主要影响因素是水分;第5、6列中r3as>rs>rs>r2s，势r36>rs>r6>r26,说明CH,和C2H,主要来自于物力图2试验I 各物料气化特性料中挥发分的热解,而生成CH和CH的合成反应电则进行较少。4组合物料气化结果为了更好地了解物料因素对气化的影响，把物料9表2试验灰关联分析数据序列竹木+PE竹木+橡胶PE+橡胶PE+纸竹木+纸橡胶+纸PE橡胶竹木Y:(CO)7. 5410.654.977. 2214. 448. 633.95 4.43 15. 5311. 61Y2(CO2)11.6113.538.9410.8412. 7611.9110.23 14.32 14. 1Ya(H2)2. 742.352.045.283.052.55 1.17 9.31 1. 77Y:(O2 ;0. 10.150. 150.072. 171.460. 6Yo(CH4)5.53.195.054.214.593. 133.31 1.53 4.00 3. 14Y6(CzH4) .6. 521.1511. 657.731.381. 438.632. 060.910.6X:(M.)3.770.473.07 .7.574. 530. 390.62 8.44 7. 14Xz(Aur)14.0613. 423.9524.510.3039.679.341.25Xa(Vx)87.165.5381.8289. 5973.358.49 99.31 46.83 70. 1574. 88.X.(Fax).3715. 454.294.0212. 48012.88 12. 0716. 73表3试验气化气相关 因素关联度项目Y:(C0)Y3(H)Y(O2)Y;(CH4)Ye(CeH)r(2)X(M)0.656673 0. 8406250.697595 0.627 4680. 538 7690.536 7513. 897 880Xx(Au)0. 533 0410.515 1960.517 388 0. 567 5980.5019720.501 9403. 137133Xx(Vx)0.537908 0. 555 6650.535389 0. 5049950. 669 0680. 672 5773.475 602X(Fcr)0. 9524940. 7081220.828113 0.594812 0. 5285770.5276044. 139721(2)第1行中,r2>r:>r>ru>ris>rs,其中[4] 李建新,等.国内城市生活垃圾特性及其处理技术研究rovrs较其它关联度要低很多;在第2行中,r21~r20差[J].热力发电,2006.35(1);11-14.别很小,其中r2s 最大;在第3行中,，30>rs>ra2>ral .5] Yao Bin Yang, Vida N Sharifia, Jim Swithenbank,et al.>r3a>rsu,其中r36、r3s相对于其它关联度大很多;在Converting moving - grate incineration from combustiorto gasification - numerical simulation of the burning char第4行中，r4>r4s>rs2>r>r4s>rq6,其中ra1vr4s和acteristics[J]. Waste Management, 2007,27 (5) :645 .r2相对其它关联度较大。关联度越大表明某工业组分对其相应气体影响越大，分析各关联度大小可知每6]池涌,郑皎，金余其,等.模拟垃圾流化床气化特性的实验种工业成分主要影响气体:物料中的水分主要影响气研究[J].中国电机工程学报，2008 ,28<29):59 - 63.化气中的CO2 ,其次为CO.H2和O2 ;灰分抑制气化进[7] Maitri Thamavithya. Animesh Dutta,et al. An Investiga行;挥发分主要影响气化气中的CH和CzH;固定碳tion Of MSW Gasification ln A Spout - Fluid Bed Reacto主要影响气化气中CO和H2的生成,其次是CO2。[J]. fuel procssing technology .2008.89(3) :949 - 957.热(3)表3中最后1列表示各行关联度之和，依次为8] Antonio Messineo,et al. Municipal W aste Management It，能rm、rA、rv和rxc,有rpc>rx>rv>r,所以影响总体气Sicily: Practices And Challenges[J]. Waste Management,基2007 ,28(7): 1201 - 1208.化气生成的优势因素 依次为:固定碳>水分>挥发分9]温俊明,池涌,等.垃圾热解实验研究及其神经网络预测.研>灰分。模型[J].中国电机工程学报.2005 .25(5):154 - 158. .[10] Carlson c p pian, Kunio Yoshikawa, et al. Development。[参考文献]a high - temperature air - blown gasfication system[J].分[1]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴[M].北京:Bioresource Technology . 2001 ,79(3) :231 - 234.方中国统计出版社,2007:428 - 430.[11] 董长青,杨勇平.木屑和聚乙烯流化床共气化实验研究电[2]孙晓杰.徐迪民,李雄,等.上海城市生活垃圾的组成及热[J].中国电机工程学报, 2007.27(5):55 - 60.值分析[J].同济大学学报(自然科学版) ,2008 ,36<3) :356[12] 刘思峰,党耀国，等.灰色系统理论及其应用[M].北京:期C[3]李延吉,李爱民,等. 基于灰色关联和BP神经网络研究废- 378.科学出版社,2008;46 - 84.(下转第45页]弃物气化特性[J].热力发电,2008 ,37<5):16- 20.40价格)决定。假设按2007年我国动力煤价550元/t计济成本，可充分体现优质优价原则,且使建立的补充方算,电的单位炯流经济成本约为0. 33元/(kW●h)，程更加客观、简便;改进后的矩阵模式更易于操作,便2008年10月我国动力煤价1100元/t,电的单位烟流于用计算机对复杂能量系统进行烟流经济成本分析。经济成本约为0.65元/(kW●h) ,但电价仍保持0. 56计算表明,对于多联产能量系统产品,采用本文提出的元/(kW●h),这是造成热电厂亏本的原因。按能质因数法进行定价是适宜的,该方法为多联产能只考虑非能费用时，电的单位炯经济成本只有量系统产品定价提供了较科学的依据。0.0065元/(kW●h),表明非能费用不是影响单位煳流经济成本的主要因素。[参考文献]考虑排烟对环境的影响，假设排烟费为- 10. 001]倪维斗,李政,薛元.以煤气化为核心的多联产能源系统元/GJ,其使单位烟流经济成本净增将与非能费用产生资源/能源/环境整体优化与可持续发展[J].中国工程科的单位烟流经济成本相当。由此可见，通过控制能源学,2000,2(8) : 59-68.价格和排污费可以有效控制能源消费及产品价格，能.2] KeenanJ H. A steam chart for second law Analysis[J] .Mechanical Engineering,1932.54:195 - 204.源价格、排污费升高,产品价格就升高。比较表3、表4可知，按能质因数定价时,电的单[3] 华责.过程用能分析及综合[M].北京:烃加工出版社，989.位烟流经济成本从0. 49元/(kW●h)增到0. 65元/4]王云波.倪维斗,李政,等.多联产能源系统的热经济学分(kW●b),热的单位烟流经济成本从1.13元/(kW●析[J].煤炭转化，2005.28<4):57 -61.h)下降到0.70元/(kW●h),如果按炯流中包含的热5]王加璇，杨永平,王清照.关于热经济学定价的矩阵法量算,热量价从36. 14元/GJ(0. 13元/(kW●h))下降[J].工程热物理学报，1992.13(1):1-6.到22.51元/GJ(0. 08元/(kW●h))。已知背压机组6]杨俊，谢涎梅.按能级分摊产品烟成本的方法[J].武汉水只有在合适的电热比下才能发挥最佳效益,则按能质利电力大学学报,2005,32(1);106- 108.因数确定单位烟流经济成本，电的单位烟流经济成本[7]汤学忠.热能转换与利用[M].冶金工业出版社,2002;91- 92.提高，热的单位煳流经济成本降低,不仅符合能量梯级利用和优质优价原则,而且能促进人们以热供热,而不[8] Valero A, Guallar J, Munoz M. The Exergeic Cost andRelated Concepts An Applieation to a Simple Co - genera-是以电供热,多用热少用电。tion Plant - N [C]. International Symposium on SecondLow Analysis of Thermal Systems. Romal, 1987 ,5:123 -3结论130. .用C;=be'确定有多个输出烟流时的单位烟流经(上转第40页)[13] V Kirubakaran,et al . A Review On Gasification Of Bio-2003,84(1-3): 175- 196. .热能mass[J] . 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