上吸式固定床生活垃圾氣化爐氣化特性研究*

王鵬飛 夏訓(xùn)峰 王曉偉 王隨林# 席北斗 張 穎

(1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)生活垃圾無(wú)害化處理量在2004—2013年由8 088.7萬(wàn)t增至15 394.0萬(wàn)t，其中填埋比例增加1.5倍，堆肥比例增加0.3倍，焚燒比例增加10.3倍[1]。焚燒使垃圾減容量達(dá)90%以上，同時(shí)還能獲得電能，被認(rèn)為是種有效的處理方法[2]。然而國(guó)外垃圾處理的主流方式并不是垃圾焚燒技術(shù)[3]，垃圾焚燒所產(chǎn)生的二次污染也一直制約著該技術(shù)的廣泛應(yīng)用[4]。

垃圾氣化[5]是垃圾在缺氧條件下裂解產(chǎn)氣，還原性氣氛可減少煙氣排放、抑制二噁英產(chǎn)生，且使垃圾中金屬以單質(zhì)形式存在，便于回收。氣化技術(shù)雖沒(méi)有焚燒減容率高，但氣化氣經(jīng)凈化、加壓后便于存儲(chǔ)、運(yùn)輸，是未來(lái)垃圾處理的重要途徑[6]。

在垃圾氣化條件良好時(shí)，氣化氣低位熱值可達(dá)5.65 MJ/m3，氣化效率可達(dá)75%[7]。氣化溫度可有效調(diào)節(jié)氣化氣中可燃?xì)獬煞直壤齕8]。風(fēng)量過(guò)小會(huì)增加焦油和焦炭產(chǎn)量，過(guò)大又會(huì)降低氣化氣低位熱值[9]。合適的料層高度能增強(qiáng)垃圾氣化強(qiáng)度，穩(wěn)定氣化反應(yīng)狀況[10]。盡管有學(xué)者已對(duì)垃圾氣化條件進(jìn)行了較多的實(shí)驗(yàn)[11-13]，但實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際運(yùn)行的氣化爐氣化條件參考價(jià)值有限，且垃圾最高氣化效率的條件不明確。因此，本研究以實(shí)際運(yùn)行的上吸式固定床生活垃圾氣化爐(簡(jiǎn)稱氣化爐)為對(duì)象，分析不同氣化段溫度、空氣當(dāng)量比、料層高徑比對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響，以期為氣化爐運(yùn)行提供參考。

表1 垃圾物理組成成分1)

注：1)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)。

表2 垃圾工業(yè)成分、元素和低位熱值

注：1)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，且均為垃圾經(jīng)分選后的空氣干燥基。

1 樣品與試驗(yàn)方法

1.1 樣品采集及方法

采集經(jīng)過(guò)篩選、破碎、磁選及干燥后的垃圾，其物理組成成分和工業(yè)成分、元素以及低位熱值分別見(jiàn)表1、表2。

采集經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵、電捕焦后的氣化氣，其采集方法分以下3種條件：

(1) 控制空氣當(dāng)量比(ER)為0.36、料層高徑比(H/D)為2.7，通過(guò)控制爐壁夾層中循環(huán)水流量，將氣化段溫度(T)分別調(diào)至600、650、700、750、800、850 ℃，運(yùn)行穩(wěn)定后各采集3次氣體。

(2) 控制T為700 ℃、H/D為2.7，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，ER分別控制為0.30、0.33、0.36、0.39、0.42、0.45，運(yùn)行穩(wěn)定后各采集3次氣體。

(3) 控制ER為0.36、T為700 ℃，通過(guò)添加物料，將H/D分別調(diào)至2.3、2.7、3.0、3.3、3.6、4.0，運(yùn)行穩(wěn)定后各采集3次氣體。

1.2 試驗(yàn)裝置及條件

試驗(yàn)裝置為處理量50 t/d的氣化爐，總高為16.0 m，爐體外徑為3.2 m，內(nèi)徑為3.0 m，內(nèi)外壁夾層中有循環(huán)水流動(dòng)，濕式出渣。垃圾由液壓進(jìn)料裝置密封推進(jìn)，爐渣由魚(yú)鱗形爐排緩慢旋轉(zhuǎn)的同時(shí)配合焊接在爐裙上的擋板排出。氣化段溫度由位于距出渣口上部約2 m處的2根K型鎧裝熱電偶測(cè)定，氣化氣流量采用上太儀器STF系列DN700高溫型靶式氣體流量計(jì)測(cè)定。取樣口位于氣體流量計(jì)上游附近，氣化氣經(jīng)過(guò)濾、干燥后由抽氣泵采集于鋁箔采樣袋。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

氣化氣采集完畢后，用Agilent 7890A型氣相色譜分析其H2、N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C3H6等含量。H2、N2、O2和CO用5A分子篩色譜柱檢測(cè)，柱前壓力為2.07×105Pa，熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)溫度為150 ℃，參比流量為30 mL/min，進(jìn)樣口溫度為50 ℃，柱箱溫度為120 ℃。檢測(cè)CO2時(shí)，用Porplot Q毛細(xì)柱換下5A分子篩即可。烴類用Porplot Q毛細(xì)柱檢測(cè)，氫火焰離子化檢測(cè)(FID)溫度為250 ℃，H2流量為50 mL/min，進(jìn)樣口溫度為225 ℃，柱箱溫度為100 ℃，閥箱溫度為120 ℃。He為載氣，載氣流速為4 mL/min。

1—進(jìn)料口；2—?dú)饣癄t；3—熱電偶；4—水夾層；5—出渣口；6—空氣入口；7—旋風(fēng)除塵；8—電捕焦；9—取樣口；10—過(guò)濾器；11—干燥器；12—抽氣泵；13—采樣袋；14—流量計(jì)；15—二燃室接口圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Diagram of the experimental setup

1.3 正交試驗(yàn)

以氣化爐最高氣化效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以T(A)、ER(B)和H/D(C)為影響因素，因素水平設(shè)計(jì)(L9(33))見(jiàn)表3。

表3 因素水平設(shè)計(jì)

1.4 計(jì)算方法

采集垃圾氣化氣時(shí)，記錄送風(fēng)量、產(chǎn)氣流量、氣化段溫度和壓力。根據(jù)氣化氣中各可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)，計(jì)算氣化氣低位熱值(Qg，kJ/m3)、單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量(Q，MJ/h)和氣化效率(η，%)，計(jì)算公式如下：

Qg=108VH2+126VCO+359VCH4+643VC2H6+594VC2H4+932VC3H8+874VC3H6

(1)

Q=0.001Vg×Qg

(2)

(3)

式中：VH2、VCO、VCH4、VC2H6、VC2H4、VC3H8和VC3H6分別為H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C3H6的體積分?jǐn)?shù)，%；Vg為產(chǎn)氣流量，m3/h(經(jīng)氣體方程轉(zhuǎn)化為標(biāo)況下流量)；Qs為垃圾低位熱值，MJ/kg；Ms為垃圾進(jìn)料速率，kg/h。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 氣化段溫度對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響

在前學(xué)者研究基礎(chǔ)上，初定試驗(yàn)參數(shù)ER為0.36和H/D為2.7進(jìn)行研究[14-16]。氣化段溫度對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響如圖2所示。由圖2(a)可以看出，氣化效率隨氣化段溫度增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，750 ℃以后氣化效率增長(zhǎng)緩慢。升溫過(guò)程中，CO和H2先升后降，CO2先降后升，氣化段溫度增加促進(jìn)了大分子裂解，但同時(shí)也加強(qiáng)了可燃?xì)獾难趸?50 ℃之前，由于焦油和重質(zhì)烴類熱穩(wěn)定性較差，會(huì)發(fā)生脫氫聚合反應(yīng)，使H2、CO和小分子烴類稍有增加，氣化段溫度繼續(xù)升高(>750 ℃)，使得焦油和重質(zhì)烴類裂解加劇[17]，但其裂解成CO2的速率要大于H2和CO的速率。由勒夏特列原理可知，升高溫度，有利于吸熱反應(yīng)(Boudouard反應(yīng)、水煤氣反應(yīng))，抑制放熱反應(yīng)(水煤氣變換反應(yīng))的進(jìn)行。然而，由于在實(shí)際氣化過(guò)程中，氣體停留時(shí)間很短，反應(yīng)通常達(dá)不到平衡即排出爐外[18]，這使氣化氣中CO2含量較高。氣化氣中C2H6、C2H4、C3H6、C3H8含量始終很低，體積分?jǐn)?shù)均小于2%，圖中不一一體現(xiàn)。

由圖2(b)可以看出，氣化氣低位熱值、產(chǎn)氣流量一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，750 ℃以后增長(zhǎng)幅度逐漸變小。600～750 ℃時(shí)，單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量由9 500 MJ/h左右增大至12 012.0 MJ/h，增幅25%以上；而750～850 ℃時(shí)，單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量由12 012.0 MJ/h增大至12 250.0 MJ/h，增幅僅2.0%。由此可知，升高溫度可提高垃圾氣化效率，但有一定局限。

2.2 空氣當(dāng)量比對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響

空氣當(dāng)量比對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響如圖3所示。由圖3(a)可以看出，當(dāng)0.300.36時(shí)，氣化爐自平衡機(jī)制被破壞，同時(shí)氣化氣中可燃?xì)獗谎趸觿?，氣化效率迅速下降。此氣化過(guò)程可分為兩個(gè)階段：ER較小時(shí)，垃圾以熱裂解和碳的不完全燃燒反應(yīng)為主，CO、H2和CH4體積分?jǐn)?shù)能達(dá)到相對(duì)較高水平；ER較大時(shí)，氣化氣中可燃成分被氧化加劇，CO、H2和CH4體積分?jǐn)?shù)下降[21]。

圖2 氣化段溫度對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響Fig.2 The influence of gasification temperature on MSW gasification characteristics

圖3 空氣當(dāng)量比對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響Fig.3 The influence of equivalence ratio on MSW gasification characteristics

圖4 料層高徑比對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響Fig.4 The influence of height-diameter ratio on MSW gasification characteristics

值得注意的是，在ER大于0.36后，可能由于爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)組織不均勻而出現(xiàn)溝流現(xiàn)象，使得O2體積分?jǐn)?shù)一直在5%以上。

由圖3(b)可以看出，ER為0.30～0.45時(shí)，雖然產(chǎn)氣流量從3 088.9 m3/h增加到4 101.2 m3/h，氣化氣低位熱值卻由3 954.2 kJ/m3降至2 104.0 kJ/m3，造成氣化效率急劇下降，單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量由12 214.5 MJ/h逐漸降至8 626.4 MJ/h，降低幅度達(dá)29.4%，說(shuō)明空氣當(dāng)量比對(duì)氣化效率的影響較大。

2.3 料層高徑比對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響

料層高徑比對(duì)垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響如圖4所示。由圖4(a)可以看出，H/D為2.3時(shí)，由于料層過(guò)低，可燃?xì)獗谎趸潭容^大，氣化效率相對(duì)較低。根據(jù)氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知，垃圾氧化段高度是垃圾粒徑的3.0～3.5倍，在風(fēng)量不變的情況下，燃燒段高度幾乎不變。因此，在2.33.0后，H2和CO分別由4.3%和14.7%變?yōu)?.0%和15.2%，烴類氣體體積分?jǐn)?shù)變化不大，然而氣化效率卻有較大幅度下降，并在H/D為4.0時(shí)下降至67.9%。這是因?yàn)榱蠈痈叨仍黾拥耐瑫r(shí)，氣化爐熱解段和干燥段的高度均增加，氣化氣在向上流動(dòng)過(guò)程中，隨氣化段溫度的降低水煤氣變換反應(yīng)加強(qiáng)；大分子烴類因熱穩(wěn)定性相對(duì)較弱又轉(zhuǎn)化為焦油。

由圖4(b)可以看出，H/D由2.3增至3.0時(shí)，氣化氣低位熱值和單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量分別從2 713.1 kJ/m3和9 444.3 MJ/h升高至3 565.6 kJ/m3和12 686.4 MJ/h，當(dāng)H/D>3.0后，單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量由12 686.4 MJ/h降低至11 450.8 MJ/h，焦油大量累積降低了單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量。

2.4 正交試驗(yàn)法最高氣化效率的確定

以氣化段溫度、空氣當(dāng)量比和料層高徑比進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，空氣當(dāng)量比對(duì)氣化效率的影響最大，氣化段溫度影響次之，料層高徑比影響最小?？疾霢、B、C因素在3個(gè)水平上的變化，得出最佳條件為：B2A2C2，即氣化段溫度為750 ℃，空氣當(dāng)量為0.36(即風(fēng)量為2 600 m3/h)，料層高徑比為3.0時(shí)(即料層高度為9 m)，垃圾氣化效率最高。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，氣化效率達(dá)79.3%，氣化氣低位熱值為4 021.0 kJ/m3，單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量為13 198.3 MJ/h，結(jié)果最佳。

由圖5可以看出，試驗(yàn)中垃圾氣化效率為65%～78%，氣化氣低位熱值總體在3 000～3 900 kJ/m3。實(shí)際運(yùn)行的氣化爐氣化效率與實(shí)驗(yàn)室氣化條件下基本持平，但氣化氣低位熱值比實(shí)驗(yàn)室氣化條件下略低。實(shí)驗(yàn)室垃圾氣化時(shí)采用外熱源供熱，ER較小時(shí)依然能保持垃圾氣化段溫度穩(wěn)定、均勻。然而實(shí)際垃圾氣化時(shí)，氣化熱量全部由燃燒段供應(yīng)，ER過(guò)小，就會(huì)使氣化爐燃燒段放熱量減少[22]，不能保證氣化爐正常運(yùn)行；ER過(guò)大，會(huì)加強(qiáng)氣化氣燃燒反應(yīng)，而且大量N2稀釋氣化氣，造成氣化氣低位熱值下降[23]。

2.5 焦油與碳轉(zhuǎn)化率分析

通過(guò)正交試驗(yàn)分析，可認(rèn)為氣化效率大于75%的氣化條件為較好工況?；谏鲜鲚^好工況，對(duì)垃圾在該氣化條件下所產(chǎn)生的含焦油量和碳轉(zhuǎn)化率進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含焦油量在9.2～22.5 g/m3，碳轉(zhuǎn)化率為74.5%～85.9%，氣化氣出口溫度為350～425 ℃。與下吸式固定床生活垃圾氣化爐相比，含焦油量稍高，碳轉(zhuǎn)化率較高，且氣化氣出口溫度低，熱損失少。

3 結(jié) 論

(1) 升高氣化段溫度可提高垃圾氣化效率，但有一定局限，主要是由于焦油裂解成CO2的速率大于H2和CO，限制了氣化效率的提高。小范圍內(nèi)改變氣化爐風(fēng)量不會(huì)破壞其自平衡機(jī)制。當(dāng)ER>0.36后，風(fēng)量超過(guò)氣化爐自平衡機(jī)制所承受的能力，氣化效率迅速下降。增加料層高度，能延長(zhǎng)富含CO2和焦油的氣化氣與水蒸氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)變成H2和CO時(shí)間，提高產(chǎn)氣品質(zhì)及氣化效率，但過(guò)高的料層高度會(huì)增加含焦油量，降低氣化爐整體氣化效率，H/D為3.0時(shí)效果最好。

(2) 對(duì)于處理量50 t/d的氣化爐(Φ 3.0 m×16.0m)，T為750 ℃，ER為0.36，H/D為3.0時(shí)，垃圾氣化效率最高(79.3%)，氣化氣低位熱值為4 021.0 kJ/m3，單位小時(shí)產(chǎn)氣熱量為13 198.3 MJ/h。3個(gè)因素對(duì)氣化效率的影響依次為ER>T>H/D。實(shí)際運(yùn)行的氣化爐氣化效率與實(shí)驗(yàn)室氣化條件下基本持平，但氣化氣低位熱值相對(duì)較低，維持氣化反應(yīng)所需熱量的供應(yīng)等因素限制了氣化氣品質(zhì)。

圖5 正交條件下的試驗(yàn)結(jié)果分析Fig.5 Analysis of the orthogonal array test results

(3) 氣化氣中含焦油稍高，但碳轉(zhuǎn)化率要高于下吸式固定床生活垃圾氣化爐。垃圾氣化在較好工況下，含焦油量為9.2～22.5 g/m3，碳轉(zhuǎn)化率為74.5%～85.9%。

[1] 中國(guó)人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2013[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2013.

[2] 張濤，趙增增.城市生活垃圾焚燒爐渣在混凝土中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境污染與防治，2014，36(4)：65-69.

[3] 王臨清，李梟鳴，朱法華.中國(guó)城市生活垃圾處理現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].環(huán)境污染與防治，2015，37(2)：106-109.

[4] 袁浩然，魯濤，熊祖鴻，等.城市生活垃圾熱解氣化技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2012，31(2)：421-427.

[5] 徐嘉，閆建華，肖剛，等.城市生活垃圾氣化處理技術(shù)[J].科技通報(bào)，2014，20(6)：560-564.

[6] 鄭皎，嚴(yán)密，熊祖鴻，等.25t/d城市生活垃圾上吸式氣化爐的產(chǎn)氣特性分析[J].能源工程，2014(4)：39-42.

[7] 聞望，魏敦松，莊勝茂.城市垃圾氣化制氣的研究[J].煤氣與熱力，1992，12(4)：4-10.

[8] CHEN Chong，JIN Yuqi，YAN Jianhua，et al.Simulation of municipal solid waste gasification in two different types of fixed bed reactors[J].Fuel，2013，103(2)：58-63.

[9] 張立靜，余渡江，黃群星，等.我國(guó)城市固體廢棄物氣化熔融的特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2013，19(5)：418-424.

[10] 王玉群.提高煤氣發(fā)生爐氣化效果的一條有效途徑[J].煤炭加工與綜合利用，1998(4)：33-34.

[11] LUO Siyi，XIAO Bo，HU Zhiquan，et al.Influence of particle size on pyrolysis and gasification performance of municipal solid waste in a fixed bed reactor[J].Bioresource Technology，2010，101(16)：6517-6520.

[12] 韓艷霞，師兆忠，馮云，等.餐廚垃圾高溫厭氧消化產(chǎn)沼氣的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治，2015，37(6)：14-17.

[13] 李春萍.垃圾RDF的氣化特性[J].環(huán)境工程，2013，31(增刊1)：550-552.

[14] 潘春鵬.生活垃圾固定床熱解氣化的實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[15] 陳翀.生活垃圾固定床熱解氣化特性的實(shí)驗(yàn)研究及其過(guò)程模擬[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[16] 馬中青，張齊生，周建斌，等.下吸式生物質(zhì)固定床氣化爐研究進(jìn)展[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，37(5)：139-145.

[17] EL RUB Z A，BRAMER E A，BREM G.Experimental comparison of biomass chars with other catalysts for tar reduction[J].Fuel，2008，87(10)：2243-2252.

[18] 吳創(chuàng)之，陰秀麗，羅曾凡，等.生物質(zhì)富氧氣化特性的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1997，18(3)：2-7.

[19] 金亮，周勁松，吳遠(yuǎn)謀，等.下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究[J].熱能動(dòng)力工程，2011，26(1)：105-109.

[20] 孫立，張曉東.生物質(zhì)熱解氣化原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：195-197.

[21] 伏啟讓，黃亞繼，牛淼淼，等.垃圾衍生燃料流化床富氧氣化實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2014，48(7)：1265-1271.

[22] GASTON K R，JARVIS M W，PEPIOT P，et al.Biomass pyrolysis and gasification of varying particle sizes in a fluidized-bed reactor[J].Energy Fuels，2011，25(8)：3747-3757.

[23] 張世紅，李相鵬，何廣昌，等.頂部點(diǎn)火上吸式固定床中農(nóng)業(yè)廢棄物氣化特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(10)：196-202.