垃圾混煤热解特性的实验研究

第25卷第4期工程热物理学报Vol 25, No 42004年7月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJul,2004垃圾混煤热解特性的实验研究包向军蔡九菊刘汊桥张琦傅巍(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳10004)摘要以圊定床热解反应器为背景,研究掺煤量和加热速率对垃圾混煤物料热解特性的影响,实验结果表明:提高加热速率可以有效缩短热解时间,增加掺煤量可以改变反应床结构,提高料层传热速率,缩短热解时阃;在19.6kW供热条件下,掺煤100g和掺煤200g热解时间分别为110min和99min;气体产率分别为25.6%和281%,气体热值分别为18255kJ/m3和1980kJ/m3关键词垃圾混煤;掺煤量;加热速率;热解特性中图分类号:X705文献标识码:A文章编号:0253-231X(2004)04-0691-04EXPERIMENTAL STUDY ON PYROLYSIS CHARACTERISTICS OFURBAN REFUSE BLENDING WITH COALBAO Xiang-Jun CAl Jiu-Ju LIU Han-Qiao ZhANG Qi FU Wei( School of Material Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China)Abstract On the background of fixed bed, two factors including quantity of blending coal and theheating power, which infiuence pyrolysis characteristics of refuse blending with coal, were studied. Theexperiment shows: The pyrolysis time is shorten by improving heating power. The heating velocity ofreaction bed increases and the pyrolysis time is shorten with increasing quantities of blending coal. Onthe heating power of 19.6 kw, the pyrolysis timen, yield of gas and gaseous heating value of blendingcoal 100 g and blending coal 200 are 110 min and 99 min, 25.6% and 28. 1%, 18255 kJ/m and 19830Key words refuse blending coal; quantity of blending coal; heating velocity; pyrolysis characteristics1前言至更低,通过掺混一定比例的煤,可以有效降低垃由于垃圾中含有大量水分u2},影响了热解过圾中的含水率;(3)提高热解溶液中化工产品的质程有效热的利用效率,并且厨余、纤维素类物质热解量;(4)提高热解半焦的应用范围。论文以固定床热溶液中含有大量酸、油脂等劣质化合物,影响了焦解为背景,研究掺煤量和供热功率对混合物料热解油的品质,同时,半焦虽然有一定的活性和热值,作特性的影响为化工原料可以利用的范围很有限,通常采用机械2实验物料脱水和热风干燥的方法,能够降低垃圾中的水分,但是,这种方式往往只减少了垃圾中的水分,并不能为了保证实验结果的可比性,垃圾采用与城市影响垃圾产物的质量本文提出利用掺煤的方法,解圾接近的组分,选择为常见的典型组分2:青决以上问题垃圾掺煤共热解有以下优势:()菜、废纸、塑料和木块,具体的百分构成见表1可以有效提高垃圾热解气体的热值,由于煤中含氧量很低,在裂解过程中产生的小分子的物质主要是表1垃圾的组成(wt%)碳氢化合物,可以有效提高热解气体热值;(2)降低肾菜木片塑料垃圾中含水率,煤中的水分含量一般不超过5%,甚质量百分数收稿日期15;修订日期:2004-0509基金项目科学基金资助项目(No.59974023,No.90210028)作者简介:1971-),男,贵州都匀人,博士研究生,主要从事城市垃圾资源化的研究工程热物理学报25卷煤质采用锅炉常用的动力煤,煤粒直径为5合后,煤粒大部分分散在垃圾的空隙中.在实验中,mm,为了硏究垃圾与煤掺混以后的热解特性及热为了能有效对比掺煤量对热解过程的影响,垃圾和解产物变化。煤的工业分析见表2。具体的实验装煤的混合物的料层高度确定为300mm,图2为掺置参考文献间].每次试验物料的重量为1kg.热煤100g时料层温度变化,图3为掺煤200g时料层解时间从容器放入炉膛开始计时,当气体流量小于温度变化,加热功率均为19.6kw0.5l/min时,热解过程结束从图中可以看出,掺煤量为100g的热解时间为表2煤的工业分析(wt%)110min,掺煤量为200g的热解时间为99min掺煤量为100g的内侧温度在热解结束时的温度为水份挥发份灰份固定碳高位热值763°C,掺煤量为200g的内侧温度在反应结束时温MJ/kg39426070度为854°C。很明显,掺煤量多的料层传热速度比掺煤量少的料层传热速度快,加快了料层反应速度,缩短了热解时间。这个结果与一些结论A似乎是3结果与讨论矛盾的,因为煤质的密度和热容很大,掺煤越多,3.1加热速度对炉膛温度的影响热解时间应该越长。事实上,这些结论是假设物料电热体产生的热量,一部分用于加热炉体和物内部的传热速度不发生变化,从实验条件中可以知料,一部分提供反应热量,还有一部分通过炉壁散道,由于煤的密度与城市垃圾的密度相差近7倍,失供热速度的快慢,直接影响反应器温度分布,从在料层高度是一定的条件下,增加掺煤量,使料层的而影响物料反应的速度。图1是掺煤量为100g空隙率増大,增大了对流换热和辐射换热的效果,供热功率分别为196kW和288kW时,炉膛温度从而强化了反应器的传热过程~9,图中还可以看的变化曲线出,料层内部温度在100°C附近有一个明显的温度从图中可以看出,两种供热方式的炉膛温度在平台,这是由于青菜中含有大量水分,在加热过程初期的升温速度比较接近,约为70c/mm,而在加中,有一个物料干燥的过程热到10min的时候,出现拐点,28.8kW的炉膛温度以4°C/min线性上升,反应结束时炉膛温度为1057°C,19.6kW的炉膛温度以14°C/min的速度线性上升,反应结束时炉膛温度为900°C。这是由于初期供热主要是炉体温度上升,炉体的蓄热能力外侧温度中部温度一定,两种功率的供热量远大于炉体的蓄热能力一内侧温度因此,炉膛温度在初期上升速度接近。当炉膛温度21416181上升到一定值以后,电热体供热主要是弥补炉体散热解时间/min热损失,炉体温度越高,散热速度越快,因此,供热功率大的炉膛温度上升速度较快图2掺煤100g料层温度分布200800600196kW▲一中部温度288kW内侧温度416181101214161热解时间/min热解时间/min图1不同供热功率的炉膛温度变化图3掺煤200g料层温度分布32掺煤量对热解过程的影响33掺煤量对产气特性的影响实验用煤的表观密度为125kg/cm3,远大于城通过以上分析可以知道,掺煤量改变了反应床市混合垃圾的密度02kg/cm3,当煤和城市垃圾混料层的结构,同时也改变了热量在反应床中的传递包向军等:垃圾混煤热解特性的实验研究693过程,使物料的热解反应速度发生变化.图4为288表3热解产物分布(wt%)kW时不同掺煤量引起的气体瞬时流量的变化,图5为196kW时不同掺煤量引起的气体瞬时流量的变气体产率半焦产率焦油产率196kw25化掺煤100g8. 8 kW从图4可以看出,掺煤100g的气体瞬时流量出196kW28.1现三个明显峰值,分别在9min、46min和76min掺煤200g28.8kW对应的料层系统平均温度值分别为489°、840°C和940°C,一方面由于物料在混合过程中不均匀,易挥从表中可以看出,掺煤100g的混合物料在196发的物料比较靠近反应器壁,使之快速反应,另kW和288kW的加热条件下,气体产率、焦油产方面,由于混合物料由不同的物质构成,其中塑料的率和半焦产率分别为256%、56.4%和18.0%以及热解温度在325°C,纤维素类热解温度在420°C39.3%、46.2%和14.5%,加热功率越大,料层内部煤的热解温度在50°C.因此在热解过程中,不同传热速度越快,料层温度上升速度越快,由于在料物料在不同温度的热解反应速度不同,产生不同温层上方有一定的上升空间,并与炽热的颗粒接触,度段的气体流量峰值。掺煤200g产气主要集中在热解一次焦油在挥发过程中发生二次裂解产生热解25~45mi之间,最大产气速率为1251m,同掺气体和二次焦油,使产物中的焦油产率下降,气体产煤100g相比,反应时间短,反应速度快,这是由于率上升.另外,很多研究表明,生物质热解过程中,掺煤越多,料层传热速度越快的结果。产物之间存在明显竞争,温度越高越有利于气体产生,温度越低,越有利于半焦产生。在196kW供热条件下,掺煤100g和掺煤200g—掺煤100g的气体产率、焦油产率和半焦产率分别为:25.6%564%和18.0%以及281%、48.8%和23.1%。掺煤量200g的气体产率和半焦产率相对较高,而焦油产率相对较低。掺煤量的增加改变了料层结构,加快了热量在料层中的传递过程,增加了焦油二次裂解的几率,因此,气体产率相对较高,焦油产率相对较低。煤的工业分析可以知道,挥发份占39.4%热解时间/min而固定碳和灰份占58.3%,因此掺煤量越多,热解半焦的含量就越大图4288kW时热解气体瞬时流量变化35热解气体成分分析物料颗粒和热解容器中含有一定的空气,初始热解气体的成分很不稳定,为了减少这种不稳定的影响,实验中气体收集方法为:当气体瞬时速度从最大值开始下降时收集气体,通过9801气体分析仪测量气体中成分的体积含量,并由此可以计算出气◆一掺煤100g体密度和高发热量,见表4一掺煤200g0121416181101表4热解气体成分和性质热解时间/min掺煤100g掺煤200g图519.6kW热解气体瞬时流量变化196kW288kW19.6kW288kw成分34热解产物分布的影响CnHm不同的加热速率和不同的掺煤量,改变了料层2的传热速度和温度分布,影响了物料的反应速度,同时也改变了热解产物的分布。表3是不同掺煤量2在不同加热速率下的热解产物分布0870.880.7高位热值/kJ/m318255173721983017836工程热物理学报25卷不同的加热条件和混合条件,最大瞬时产气速48.8%,増加掺煤量有利于气体产率增加,减少焦油率对应的料层平均温度不同,因此,采样气体的成产率分和性质也不一致。从表中可以看出,供热功率越(3)增加掺煤量可以提高气体热值,在19.6大,CO2、CH4和重烃含量是下降的,CO含量增kW供热条件下,掺煤200g的气体热值为19830大,H2含量变化不明显,这是由于在高温条件下,kJ/m3,比掺煤100g提高了8.6%cH4和重烃在高温条件下脱氢、脱碳,使H2含量增参考文献加,CH4和重烃的含量下降.煤中的含氧量很低,陈海滨,学报等我国城市垃圾处理现状研究,武汉城市因此增加掺煤量,可以增加CH和H2的含量,提1997,14(3):40-4高气体的热值,在196kW加热条件下,掺煤2002高玉宽,杨秀海等城市生活垃圾能源的利用、节能技术,g的气体热值比掺煤100g的气体热值高86%,在1998,(6):44-45[3] Seiji Nomura, K Mark Thomas. Some Aspects of the28.8kW条件下,掺煤200g的气体热值比掺煤100Generation of Coking Pressure During Coal Carbonizag的气体热值高27%sn.Ful,190581808Pyrolysis Kinetics of Coal4结论lomas. Comparative Investigations and EvaluationKinetic Parameters. In: Proceedings ICCS,97. 1997.2通过改变掺煤量和供热功率,研究不同条件的王柏豔,盛宏至等废弃物燃烧及流化床焚烧妒冷模实验593596圾掺煤热解特性,得到以下结论:研究.工程热物理学报,1994,15(4):453-4561)掺煤可以改变反应容器中料层的结构特性间包向军,蔡九菊,刘汉桥等.垃圾混煤热解特性的实验研增大掺煤量可以增大料层的空隙率和传热速率,缩究见:工程热物理学会燃烧学学术会议论文集.上海短热解时间,在196kW供热条件下,掺煤200g的2003.24-307魏小林,田文栋等.煤与垃圾在流化床中的混烧利用技术热解时间为99min,掺煤100g的热解时间为110分析.环境工程,200,18(4):37-41[8] Mustafa Versan Kok, Esber Ozbas, et al. Effect of Par-(2)掺煤量变化对产物分布有很大影响,在196ticle Size on Coal Pyroysis, Journal of Analytical andkw供热条件下,掺煤100g和掺煤200g的气体Applied Pyrolysis. 1998, 45: 103-110廖洪强,姚强。TGA技术研究城市生活垃圾燃烧特性产率分别为25.6%和28.1%,焦油产率分别564%燃料化学学报,2001,29(2):140-143