下吸式气化炉处理有机废弃物

第3卷第5期过程工程学报Vol 3 No.52003年10月The Chinese Jourmal of Process EngineeringOct.2003下吸式气化炉处理有机废弃物黄海涛，熊祖鸿，吴创之(中国科学院广州能源研究所,广东广州510070)摘要:有机固体废弃物如农业和林业生产废弃物、城市生活垃圾等具有-定的能量价值,应加以回收利用.本文使用下吸式气化炉对三种原料(木块、谷壳和混合生活垃圾)进行了实验,获得了气体成份和气体热值数据,并对气化反应过程作了讨论.关键词:有机废弃物;下吸式气化炉;反应过程中图分类号: X7文献标识码: A文章编号: 1009- -606X(2003)05- -0477-041前言有机固体废弃物具有松散、低密度、低热值、高挥发份等特点，带来了收集、贮存和使用的困难.传统的有机物能源利用方法如炉灶直接燃烧的能源利用率只有10%~25%，用能过程费时费力，并排放出大量烟尘.热解气化技术可以将固体有机原料转变成气体燃料，使其使用更加清洁方便，而且能量转换效率比直接燃烧有较大提高，是一种有发展前途的可再生能源利用方式1-1.气化炉形式主要有上吸式移动床、下吸式移动床、鼓泡流化床、循环流化床、喷流床型等.气化介质可以是空气、水蒸汽、富氧空气等.气化炉产出的燃气可用于炊事、加热、锅炉或发电等.下吸式气化炉的特征是气体和有机物料混合向下流动通过高温区，发生气化反应.下吸式气化炉在煤炭FeedMixer气化方面是较成熟的技术，但在热解气化处理固体废弃物方面的研究报道较少.本文使用-种具有收缩喉口区的下吸式气化炉，对多种物料进行了实验.Drying zone2实验4-ψ10 Pyrolysis zone实验装置如图1所示.有机废弃物从炉上部(内Air Combustion zone径500 mm)加入，炉中部设有一个收缩喉口(直径DP、\\4-010 Reduction zone为180 mm)，空气从喉口区上部和喉口处周向对称Throat进气(分别称为上部空气量和喉口空气量).喉口区Grate下部为炭床，用热电偶测量喉口处的床层温度物料和气体同向通过喉口区向下流动，在喉口区发生高温气化反应产生可燃气.针对某些原料密度小、T流动性差、易架桥、抽空等特点，装置了适宜的机Ash械搅拌结构，使物料顺利下移，实现均匀稳定的气图L下吸式气化炉实验装置示意图化炉操作.中国煤化I;asifier test facilityTHCNMHG.收稿日期。2003- 03- 17,修回日期: 2003-04 29基金项目:广东省新能源重点实验室资助项目;广东省自然科学基金资助项目(编号: 010875)作者简介:黄海涛(1962-), 男,广东省连县人，博士,研究员,化学工程专业.478过程工程学报3卷实验时首先加入易燃物点火，预热气化炉，然后加入5~7 kg的有机物料，关闭进料口，开动风机，喷入适量空气，进行气化实验.实验了3种物料:木块(长约3cm,直径约1cm)、谷壳、混合生活垃圾(包括塑料、纸等). 实验样品的元素分析使用Elementar 元素分析仪(型号Vario ELCHNOS),分析数据列于表1.气化炉产出气体用针筒取样后用岛津色谱仪(型号GC-20B-1, 配GC- Carboplot 30 mx0.53 mmx 3.0 μm色谱柱和热导池检测器)作成份分析.表1实验原料的元素分析"able 1 Elemental analysis of test materias (%,∞)C_HNS_Wood48.38343.040.0740.045Rice hull34.375.46837.060.3760.326Mixed garbage45.56.9726.980.4780.843结果与讨论3.1气体成份木块、谷壳、混合生活垃圾气化实验参数和得到的可燃气成份及热值数据分别列于表2~4.实验中产出的气体在连接于气化炉燃气管后的大气燃烧器中容易点燃，而且火焰持续稳定.气体样品作色谱分析获得主要可燃气成份为H2, CO, CH, CH, CH6等.木块的特点是挥发份高、灰含量表2木块的气化实验结果表3谷壳的气化实验结果Table 2 Gasification test results of woodTable 3 Gasification test results of rice hull_Gas sample No.Gas sample No.2Run time (min)153:Upper air flow rate (Nm/h).81(1Throat air flow rate (Nn/h)14Throat air flow rate (Nm/h)18Temperature of throat zone (C)900870Temperature of throat zone (°C_ 11621234_Gas composition (%)Gas composition (%) .H29.875.266.39CH2.031.990.9co18.7318.02Co20.8517.451.030.4900.460.140.030.02,0.380.890.210.5653.6358.759.2CO213.45 14.514.0714.11_ Lower heating value of gas (kJNm)4900.6 4566.2Lower heating value of gas (kJ/Nmi)3517.5 3854.8_表4垃圾混合物的气化实验结果Table 4 Gasification test results of mixed garbage582234Upper air flow rate (Nm'/h)13i32(2025_Temperature of throat zone °C)83794410851153Gas composition (%) _11.8111.789.11).39.192.291.480.7414.8215.5717.216.7715.250.85CH。0.09中国煤化工O20.266CNMHG0.7653.67MYH60.7512.8610.9311.912.0610.95Lower heating value of gas (k JNm)4561.23894.23554.53463.33175.5期黄海涛等:下吸式气化炉处理有机废弃物479低，从表2可见，其气化产气含有较多的H2以及CH, CH, CH等碳氢化合物，热值高达4900kJINm'.谷壳的特点是挥发份少、灰含量高,一般为20%~30% (@.与木块比较，谷壳的气化产气含有较少量的H2以及CH, CH, CH。等碳氢化合物，气体热值也明显减少(见表3).混合生活垃圾含有塑料、纸制品、厨余和不可燃物玻璃、金属等，其中塑料和纸制品有较高的热值.表4数据表明，混合生活垃圾气化也能产出较多的H2和碳氢化合物，其气体热值高于谷壳气化热值,但低于木块气化热值.3.2气化过程如图1所示，物料进入炉膛内的反应过程大致可分为4个区域:(1)物料干燥区(温度约50~ 120°C):物料→水份+干燥物料.(2)热分解反应区(温度约120~800°C),干燥物料受热释放挥发份和焦油，形成焦炭:干燥物料→焦炭+焦油+气体(H, CO, CO2, CH, CH, CH6 CH).(3)氧化反应区(温度约800~ 1200*C)，主要有强烈放热的焦炭氧化反应和一氧化碳氧化反应:焦炭+ O2→aCO2 + bCO +cH2O,2CO+O2→2CO2同时，焦油受高温作用发生裂解反应:焦油→气体(H, CH, CH4, CH&, C.H, CO, CO2).(4)还原反应区(温度约为700~ 000C)。主要有焦炭与水蒸汽和二氧化碳发生的还原反应,均为吸热反应:焦炭+H2O->CO+H,焦炭+ CO2→2CO.焦油继续发生裂解反应:焦油→气体(H2, CH, CH, CH, C.H, CO, CO).下吸式气化炉喉管区主要发生的是氧化反应，即空气由喉管区进入炉内与碳混合燃烧，故此.段反应温度最高，可达1000~1200°C. 炉内温度由喉管区开始向上和向下递减分布，喉管区下段发生的还原反应是气化过程的重要部分，影响还原反应的主要因素是气流在还原区与炽热碳的接触时间.本实验气化炉还原区呈倒置的喇叭状，容积突然变大，使气体流速减慢，以增加其在炽热碳层中的停留时间，使还原反应进行彻底.3.3气化炉运行特性有机废弃物气化是一个复杂的物理化学过程，受燃料性质的影响较大.表2~4表明不同的物.料需要在不同的空气量及操作条件下才能正常地稳定气化，垃圾混合物气化需要的空气量较大,谷壳气化需要的空气量较小，而且反应后产生气体的各组份含量都不相同.在掌握各种物料稳定气化需要空气量的情况下，整个气化系统的操作还与中国煤化工粒度有关.原料粒度太大容易架空，太小容易粘结，料层阻力加大，MYHCNMH G质量安装机械搅拌装置、将碎料和块料混合使用是较好的解决方法.480过程工程学报3卷4结论木块、谷壳和混合生活垃圾气化实验表明，主要可燃气成份为H2, CO, CH, CH, CH。等,其中木块产气热值达4900 kJ/Nm2. 燃气成份和热值取决于原料种类和气化条件.热解气化技术处理农林业和生活废弃物，既回收能量，也减少环境污染..参考文献:[1]徐冰燕吴创之，罗曾凡,等中国生物质气化技术的发展与前景[J]. 太阳能学报1999, 20(特刊): 162 -169.[2]袁振宏.生物质能源发展方向[A]. 2000环境、可再生能源和节能国际研讨会[C].北京:中国国际科学中心2000.[3] Wu C Z, Huang H, Zheng S P, et al. 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And the gasification reaction processes arealso discussed.Key words: organic solid waste; down-draftgasifier; reaction processes重要通知中国科学院过程工程研究所期刊部网站(http://www.jproeng.com)现已正式开通( 试运行)。《过程 工程学报》和《中国颗粒学报》的作者，可直接进入该网站，点击相应期刊主页中之远程投稿，进行注册、 登录投稿。作者亦可对所投稿件的处理情况进行网上查询。欢迎刊物的读者、作者、编委和审稿人浏览该网站，并给我们提出宝贵的意见。《过程工程学报》编辑部中国煤化工MYHCNMHG.