木块在流化床气化炉内气化特性的试验研究

第21卷第1期电站系统工程Vol.21 No.12005年1月Power System EngineeringJan., 2005文章编号: 105-0060(200)01-0008-03木块在流化床气化炉内气化特性的试验研究浙江大学张加权池涌肖刚缪麒 马增益岑可法摘要:利用自行设计的小型流化床试验装置系统，对城市生活垃圾中木块组分在不同的反应温度、不同的过量空气系数下进行了空气气化实验。分析了在流化床气化炉中，这些反应条件对木块转化为气化气的影响以及在不同的气化反应条件下，木块气化气成分、产气率、气化气热值及气化效率的变化规律。最后，提出了流化床城市生活垃圾气化熔融技术中-些有价值的运行参 数范围。关键词:城市生活垃圾(MSW);气化熔融;流化床;木块;气化中图分类号: TK16文献标识码: 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近年来，我国经济快速发展，人民生活水平日益提高，1实验装 置及实验方法城市生活垃圾的产量也急剧增加。统计资料表明"，目前我国垃圾年产量已达1.6亿t左右，且正以8%~ 10%的速度递增。.1 实验装置同时，我国城市垃圾的成分构成也发生了很大的变化，有机图1为实验采用的流化床气化实验装置示意图。炉膛采用物含量不断增加，达到80%左右; 垃圾热值也不断提高，有电热丝加热。 加热过程及加热温度由温控装置控制和调节。为的城市垃圾的热值高达5 860 kJAkg。 这些特点为我国采用更增加物料在炉内的停留时间，防止物料喷出炉膛以及塑料在给为先进的垃圾处理技术一气化熔融提供了基础。料口因熔化而堵塞，在流化床上方加了水冷装置。垃圾气化熔融处理技术是近年来美国、日本、德国等发达国家为解决垃圾焚烧处理过程中产生二恶英(Dioxins) 类毒性物质问题而提出的，该处理技术极大地满足了无害化、减量化、资源化的要求，成为21世纪新型垃圾处理技术，它导结合垃圾气化和~飞灰熔融二者的优点，与常规的垃圾处理方法相比，具有高效的能源利用率和良好的环保特性。然而，国外的先进技术必须与我国的实际相结合。这就必须对我国垃圾的成分作-清楚的了解。 目前，我国每年产生的城市生活垃圾中，主要可燃成分有:塑料、木块、纸张图1流化床气化装置系统图等，其中木料约占7.76%，是生物质和固体废弃物的主要成分1集气2给料口3.水冷装置 4.,加热装置 5.温控装置6.热电偶 7.流之一1231。随着生活质量提高，住宅条件改善，淘汰下来的废化床主体8稳压瓶9.燃气表 10转 子流量计11.鼓风机弃木材会越来越多。废弃木料主要指电缆辊芯、枕木、各种1.2实验物料特性废旧人造板、废单板、各种包装用过的木材、旧托盘、板皮、实验采用的木块原料的工业分析和元素分析见表1。由于截头、边角料，建筑物拆毁工程中的各种木材以及一次性快给料口尺寸较小， 因此需要对木块进行破碎处理，选择粒径餐用木筷等。在4mm左右。作为城市生活垃圾气化熔融处理的一一个重要组成部分，表1木块的工业分析和元素分析本文对木块在自行设计的小型流化床试验装置系统中进行了工业分析元素分析/%一系列气化试验，其目的在于通过试验研究，掌握木块在流M./%FCu% kJ.kg热值CasHuNaSuO化床内的气化特性，并获得城市垃圾气化熔融技术中- -些有9.7416.41778347.35.).1 0.05 37。28价值的参数。1.3实验方法 .收稿日期: 2004-08- 19流化床的载热流化物料为0.250~0.355 mm的石英砂，张加权(1979-)，男，硕士生。热能工程研究所，310027床层高度大约10cm,流化风量0.5~ 1.6 Nm/h,流化风速0.05~0.15 Nm/s。(主要包括CH、CH、CH、CHo、CH2)含量在这由于在城市生活垃圾气化熔融技术中，垃圾气化阶段个范围内随着温度的升高也增加，但过了600 C再升高温的温度大多控制在500~600 C之间，因此，气化实验是度，含量略有下降。这可能是由于高温下烃类物质进一步在400~700 C的温度范围内，过量空气系数a为0.2~0.8分解(反应式9)有关。而CO和H2随着温度的进一步升高，的情况下进行的。可能更多地参与了(6)、(7)反应，导致体积含量下降。流化床的热源一部分来自电加热炉， 并配有温控仪，这样气化气中的可燃气含量随温度先上升后略有下降，从控制气化反应温度在设定范围内;另-部分来自木块气化12%到26%再到24%左右。CO，和N,则呈下降趋势。反应产生的热量。气化实验收集的气体采用意大利生产的Trace GC2000气体分析仪进行气体分析。CO22实验结果 与讨论14气化是将垃圾中有机成分(主要是碳)在还原气氛下CmHn与气化剂反应生成燃气(CO, CH, H2等)的过程。一般是通过部分燃烧反应放热提供其它制气反应的吸热。气化反应的产物为燃气和灰分，其目标产物为单-的气态燃气。 目前，生物质气化已有许多的实验和理论研究，其气化过程4000一般包括下面 3个步骤:①挥发分析出;②挥发分二次反气化反应温度°C应;③焦炭的反应，其中第一步挥发分析出对生物质气化图2气化气组分随 气化温度变化关系过程影响较大。本文研究的重点是在流化床内木块的空气2.2过量 空气系数及气化温度对气化气热值的影响气化，旨在探讨在预定的工况下木块气化的反应特性。气化气热值是反映气化过程进行好坏的一个重要参2.1气化气成分体积含量 与气化温度的关系数，其值高低对后续的熔融处理也产生非常重要的影响。从上面的元素分析可以看出，木块的HC相当高，所一般认为， 气化气热值达到3 000 kJ/Nm'就能使熔融炉中以其挥发分含量较高，固定碳含量较少活性高，这些特点的温度达到1400 C以上4。下面就气化气热值与过量空气决定了木块较适宜气化。又由于木块中含有的主要元素是系数和气化温度之间的关系展开讨论。C、H、O,因而气化产生的产品气的主要成分为: CO2、CO、2.2.1过量 空气系数对气化气热值的影响N2、H、CH、C2~C。 气体等(其中N,为气化介质空气中表2给出了气化气热值与过量空气系数和气化温度的的氮，未参与气化反应;木块中的N、S元素含量非常少，关系。这里，先讨论600 C时气化气热值与a的关系，然可忽略不计)。对于小型流化床实验台而言，设计的流化风后再看一下其他温度下的变化趋势。由上表可知，当过量量在0.5~1.6 Nm/h之间，由于木块中含有较多的氧元素，空气系数从0.2增加到0.8时，气化气低位热值随之从5232相同的过量空气系数下，需要的物料量多，而且木块气化kJNmt 减少到2390 kINm'.气化气热值随a的增加而降低过程中产生较多的碳黑和焦油，为了不使气化器发生严重主要是由于空气的稀释作用，a越大， O2 的含量就越多，堵塞，选用流化风量0.9 Nm2/h比较合适。下面分析气化温这样生成的CO、H,和CH等可燃气体参与燃烧反应就增度对气化气组分体积百分含量的影响。加了，从而导致气化气热值的降低。在气化过程中，主要发生以下反应149:表2木块气化气低位热值(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时气化气热值与过量空气系数的关系与C+2H2 CH,+74.9 MJ/kmol6) 600 C时基本相同。下面主要看看400 C和500 C的情CO+H2O CO2+H2+41.0 MJ/kmol况。气化温度400 C，a从0.4~0.6变化时，由表可知, .焦油+(H2O,CO...)→ECmHn+CO+H,+CH4+... (8)气化气热值变化不大，2 700 kJ/Nm'左右。500 C除a=0.2CH，C+2H,(9) 外，气化气热值仍遵循气化气热值随过量空气系数增大而图2给出了木块气化气组分随气化温度的变化规律。变小的规律。而在400 C，a=0.8 时，气化气热值也降在400~600 C范围内，随温度的升高，H2 含量从3.2%到低为1652 kJ/Nm)，基本遵循上述规律。表中400~500 C，11.1%，CO含量从5.92%到 9.81%逐步上升，这是由于物a =0.2时，由于反应温度低、过量空气系数小，在加料口料中挥发分的析出、焦油的高温分解以及末反应炭与水蒸发生堵塞现象导致气化效果不好，因而气化气热值未列出。气及反应过程中生成的CO2之间发生反应(见反应式3、4、2.2.2气化反 应温度对气化气热值的影响5、8)而产生大量的CO和H2,并减少了CO20 CH、C.H。气化反应温度是影响气化气热值的另一重要因素。以a电站系统工程2005年第21 卷=0.6 为例，400~600 C时，气化气热值从2 748 kJ/Nm'逐=0.2~0.8时，产气率从1.0 Nm/kg增大到3.5 Nm/kg左右，渐上升到3 858 kJNm'，达最大值。随气化温度的进一步提基本成正比例线性关系。这是由于过量空气增加，相同物料高，气化气热值不升而降。这可能是因为，更高的气化温度量下，参与反应的空气量增加，从而使反应更为彻底完全，使气化气中焦油在高温下发生了裂解反应(式8)生成C.H、导致产气率升高。气化温度虽然对产气率影响不大，但从产CO、H2 CH,等小分子气体以及烃类气体发生裂解(式9)气率变化曲线图，仍然可以发现产气率随气化温度的变化规生成不容易气化的碳黑，从而降低了气化气热值。律，即: .随气化温度的升高，产气率增大。且过量空气越低，a=0.4、0.8 时，气化气热值随气化温度的变化规律产气率增加幅度越小。这可能是由于，更高的气化温度使更与a =0.6时相似，都是随温度的升高，热值先增大后减少，多的挥发分快速释放出来、更多的焦炭在高温下发生气化反都在600 C达峰值。但a=0.2是个例外，可能是由于此应以及在高温下更多的焦油发生裂解反应，过量空气系数增时过量空气系数对气化气热值的影响更大，使气化气中可加导致入炉空气量的增加，使得气化气产量增加。燃成分来不及燃烧所致。400C2.3过 量空气系数和气化温度对气化效率的影响250二3- 50C[二200气化效率是指气化气热值占原料热值百分比含量。这个3a0概念表征了原料在整个气化反应中转化为气体的百分率。气化效率随过量空气系数和反应温度的关系如表3和图3所示:在400~600 C的范围内(除c=0.2 外)，气化效率随温度的升高而升高。温度继续升高到700°C;气化效率有不同程度的降低，其中a =0.6时，减低幅度最大，从67.55%降到53.78%。由此可以看出，过高的温度不- -定08过量空气系数σ获得很好的气化效果，600 C左右气化最理想。图4产气率变化曲线表3气化效率数值表.20.40.60.83结论气化效率气化效率气化效率气化效率/%1%40032.3745.9635.80(1)气化气中含有的气体成分较多，主要有CO2、N、50044.3953.0745.33CH、CO、H、CH6、CH、CH、CH。CH2等，且可60052.4967.5553.78燃气体成分的体积含量占总体积的20%左右。70048.1349.5658.28(2)气化气热值随过 量空气系数的增大而降低;随气化温度的升高先增大后减小，600 C达到最大值。当400~500C，a=0.2时， 气化效果不好; c=0.8时， 所得气化气热:值偏低，不利于后续熔融处理。因而对于木块的气化，气化温度600 C，过量空气系数a =0.6,木块的气化效果最好，此时的气化气低位热值在3 858 kJ/Nm'左右。气化效率可达67.55%，能够满足后续熔融处理的要求。(3) 产气率随气化温度的升高略有增加;在气化温度为400~ 700 C的范围内，随过量空气系数的增加而以近似线性规律升高。产气率最高为3.85 Nm/kg:此时气化气流量图3气化效率变化曲线达1.27 Nm/ho .0另- -方面，在温度-定的情况下，a =0.6时气化效率均达到峰值:即:在a=0.2~0.6 范围内，气化效率随过量空气系数参考文献的增大而增大; a=0.6~ -0.8时，气化效率随过量空气系数的增蒋剑春，戴伟娣，等.城市垃圾气化试验研究初探[I].可再生能大而降低。源2003(2): 14~17.气化效率是反映气化过程进行好坏的一-个重要参数，从上2]李爱民， 任远，李水清.等.木块在回转窑内热解特性的试验研究[0].燃烧科学与技术，1999 5(2): 121~127.面的分析可以得出下面的结论:当气化温度在600 C左右，过3] M Moris, L Waldheim. Energy recovery from solid wasle fuels using量空气系数为0.6时，木块气化效果最好，气化效率达到67.55%。advanced gasification technology []. Waste Management, 1998(18):2.4产气率与过量空气系数及温度的关系557~564.气化反应产气率是一重要参数，它是指单位时间内生4] 徐嘉城市生活垃圾典型组分的流化床气化特性实验研究[D]浙江大学, 2004. 4~52.成的气化气体积量(Nm?) 与给料量(kg) 的比值，反映[5]米铁， 张春林，等，流化床作为生物质气化反应器试验研究[].物质由固体转化为气体的能力。化学工程2003, 31(5): 26~30.由图4可知，过量空气系数对产气率的影响非常大，a编辑:康德