1　前　言

垃圾是困擾中國(guó)許多城市的一個(gè)嚴(yán)重問題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,人民生活水平的提高,垃圾廢棄物的產(chǎn)量日益增長(zhǎng),且成分也在發(fā)生變化。近年來我國(guó)的城市垃圾中,有機(jī)質(zhì)的含量明顯上升,其中廢塑料和廢橡膠等增長(zhǎng)顯著。有機(jī)垃圾廢棄物具有松散、低密度、低熱值、高揮發(fā)分以及垃圾成分復(fù)雜等特點(diǎn),垃圾直接焚燒存在許多問題,如:劇毒含氯化合物PCDDs、PCDFs、PCBs(統(tǒng)稱二惡英類物質(zhì))以及含Hg、Pb的飛灰等造成大氣環(huán)境污染等[1]。熱解氣化技術(shù)可以將有機(jī)垃圾原料轉(zhuǎn)變成氣體燃料,使其成為清潔的能源,是一種有發(fā)展前途的可再生能源利用方式[2～5]。

氣化爐形式主要有上吸式移動(dòng)床、下吸式移動(dòng)床、鼓泡流化床、循環(huán)流化床、噴動(dòng)床和氣流床等;氣化介質(zhì)可以是空氣、水蒸氣和富氧空氣等;氣化爐產(chǎn)出的燃?xì)饪捎糜诖妒?、加熱、鍋爐或發(fā)電等。根據(jù)城市生活垃圾的物理化學(xué)特性,從降低物料預(yù)處理成本、提高可燃?xì)怏w產(chǎn)率、降低焦油產(chǎn)率等因素綜合考慮,下吸式氣化爐是較理想的氣化爐型。下吸式氣化爐的特征是氣體和有機(jī)物料混合向下流動(dòng)通過高溫區(qū),發(fā)生氣化反應(yīng)。下吸式氣化爐在煤炭氣化方面是較成熟的技術(shù),但在熱解氣化處理垃圾廢棄物方面的研究報(bào)道較少。本研究使用一種具有收縮喉口區(qū)的下吸式氣化爐,對(duì)城市生活垃圾進(jìn)行空氣氣化實(shí)驗(yàn)研究。

2　試驗(yàn)部分

2.1　試驗(yàn)原料和裝置

試驗(yàn)所用垃圾樣品取自廣州市郊區(qū)垃圾填埋場(chǎng),試驗(yàn)樣品的元素分析使用Elementar元素分析儀(型號(hào)VarioELCHNOS),分析數(shù)據(jù)列于表1。

針對(duì)城市生活垃圾含水量較高,且物料成分復(fù)雜,結(jié)構(gòu)不均勻的特點(diǎn),本研究選擇下吸式氣化爐(如圖1所示)作為處理反應(yīng)器。下吸式氣化爐的特點(diǎn)是氣固呈順向流動(dòng)。運(yùn)行時(shí)物料由上部?jī)?chǔ)料倉(cāng)向下移動(dòng),邊移動(dòng)邊進(jìn)行干燥與熱分解的過程,在經(jīng)過喉口時(shí),與噴進(jìn)的空氣發(fā)生燃燒反應(yīng),剩余的炭落入喉口下方,與氣流中的CO2和水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生CO和H2。由于下吸式氣化爐中的喉口下方爐膛容積的突然擴(kuò)大,相應(yīng)延長(zhǎng)了氣相停留時(shí)間,使焦油在高溫區(qū)較徹底地裂解,因而下吸式氣化爐的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是氣體中的焦油含量比較少。焦油是生物質(zhì)或生活垃圾氣化過程中產(chǎn)生的不可避免的副產(chǎn)物,在氣化氣的后續(xù)應(yīng)用中,需要對(duì)焦油進(jìn)行處理。水洗法是目前對(duì)焦油處理的主要方式,因而不可避免地會(huì)產(chǎn)生二次污染,對(duì)環(huán)境造成比較嚴(yán)重的危害。

由于下吸式氣化爐產(chǎn)出的氣體焦油含量較少,一方面可以簡(jiǎn)化后續(xù)的處理設(shè)備,另一方面可以有效地減少對(duì)環(huán)境的二次污染。

圖1　下吸式氣化爐試驗(yàn)裝置示意圖

在圖1所示的試驗(yàn)裝置中,有機(jī)垃圾廢棄物從爐上部(內(nèi)徑500mm)加入,爐中部設(shè)有一個(gè)收縮喉口(直徑D為180mm),空氣從喉口區(qū)上部和喉口處切向?qū)ΨQ進(jìn)氣(分別稱為上部空氣量和喉口空氣量)。喉口區(qū)下部為炭床,用熱電偶測(cè)量喉口處的床層溫度。物料和氣體同向通過喉口區(qū)向下流動(dòng),在喉口區(qū)發(fā)生高溫氣化反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)狻ａ槍?duì)垃圾中某些成分密度小,流動(dòng)性差,易架橋、抽空等特點(diǎn),裝置了適宜的機(jī)械攪拌結(jié)構(gòu),使物料順利下移,實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的氣化爐操作。

試驗(yàn)時(shí)首先加入易燃物點(diǎn)火,預(yù)熱氣化爐,然后加入5～7kg的有機(jī)混合生活垃圾(包括塑料、紙等),關(guān)閉進(jìn)料口,開動(dòng)風(fēng)機(jī),噴入適量空氣,進(jìn)行氣化試驗(yàn)。

2.2　氣體、焦油和灰分分析

氣化爐產(chǎn)出氣體用針筒取樣后用島津色譜儀(型號(hào)GC220B21,配GC2Carboplot30m×053mm×310μm色譜柱和TCD檢測(cè)器)作成分分析。燃?xì)庵薪褂偷暮坎捎脟?guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定,其采樣流程見圖2。燃?xì)饨?jīng)石英棉網(wǎng)過濾,除去飛灰,再經(jīng)過電加熱保溫管道,使燃?xì)庠谘b有二氯甲烷的瓶子中通過,二氯甲烷瓶子浸于冰水冷浴鍋里,焦油在其中被吸收、冷凝。實(shí)驗(yàn)完畢后取一定體積的二氯甲烷溶液于容器中,讓二氯甲烷低溫蒸發(fā)后,確定其剩余物的重量即為對(duì)應(yīng)二氯甲烷體積中所含的焦油質(zhì)量。焦油各組分通過HP6890GC2MS分析。則燃?xì)庵薪褂秃康挠?jì)算式為:

灰中的重金屬用美國(guó)熱電公司的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(IRIS1000)分析。

3　結(jié)果與討論

3.1　氣化過程分析

物料進(jìn)入爐膛內(nèi)的反應(yīng)過程大致可分為4個(gè)區(qū)域,如圖1所示,垃圾熱解氣化的過程見表2。下吸式氣化爐喉管區(qū)主要發(fā)生的是氧化反應(yīng),即空氣由喉管區(qū)進(jìn)入爐內(nèi)與碳混合燃燒,故此段反應(yīng)溫度最高,可達(dá)1000～1200℃。爐內(nèi)溫度由喉管區(qū)開始向上和向下遞減分布,喉管區(qū)下段發(fā)生的還原反應(yīng)是氣化過程的重要部分,影響還原反應(yīng)的主要因素是氣流在還原區(qū)與熾熱碳的接觸時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)氣化爐還原區(qū)呈倒置的喇叭狀,容積突然變大,使氣體流速減慢,以增加其在熾熱碳層中的停留時(shí)間,使還原反應(yīng)進(jìn)行徹底。

3.2　氣體成分分析

混合生活垃圾氣化試驗(yàn)參數(shù)和得到的可燃?xì)獬煞旨盁嶂禂?shù)據(jù)列于表3。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)出的氣體在連接于氣化爐燃?xì)夤芎蟮拇髿馊紵骼锶菀c(diǎn)燃,而且火焰持續(xù)穩(wěn)定。

表3數(shù)據(jù)表明,混合生活垃圾氣化能夠產(chǎn)出較多的H2、CO和碳?xì)浠衔铩ｋS著溫度逐漸升高,碳?xì)浠衔飼?huì)逐漸分解,如表3中的CH4含量隨溫度升高而降低。由于燃?xì)庵刑細(xì)浠衔锏暮繉?duì)氣體熱值有較大的影響,所以燃?xì)獾臒嶂禃?huì)隨溫度的升高而有所降低,見圖3。因此,用下吸式氣化爐熱解氣化垃圾,并不是溫度越高越好,而應(yīng)該是控制在一定的溫度范圍內(nèi)以達(dá)到最佳的氣化效果。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),最佳的氣化溫度應(yīng)在750～900℃的范圍內(nèi)。

3.3　燃?xì)庵薪褂偷臏y(cè)定

按實(shí)驗(yàn)部分中焦油測(cè)定方法對(duì)燃?xì)庵薪褂瓦M(jìn)行了測(cè)定。正常操作條件下,燃?xì)庵薪褂偷目偭繛?10g/m3左右。其中焦油的具體組分分析見圖4。

焦油中可辨別的主要化學(xué)成分見表4。

從圖4和表4中可以看出:焦油中所含的成分復(fù)雜,且多為有機(jī)物。由于采用的是下吸式氣化爐,燃?xì)饨?jīng)過喉部區(qū)域時(shí),溫度較高,在1000℃左右,導(dǎo)致燃?xì)庵械慕褂屯ㄟ^高溫區(qū)時(shí),大部分裂解,因此燃?xì)庵薪褂秃勘容^低,僅210g/m3左右,與其他氣化爐產(chǎn)生的燃?xì)庀啾?焦油含量低很多。

3.4　垃圾灰渣分析

對(duì)垃圾熱解氣化后的灰渣進(jìn)行了元素分析和重金屬分析。元素分析結(jié)果為:C19.8wt%,H1.08wt%,O26.98wt%,N0.30wt%,S0.36wt%。重金屬分析結(jié)果為:Ti最多,達(dá)2872.16mg/kg,其次是Zn、Pb、Cr,其含量分別為1161.06mg/kg、232.03mg/kg、225.57mg/kg;Ni、As和Cd的含量較少,分別為:23.03mg/kg、14.29mg/kg、9.00mg/kg?；业淖茰p率為19.36wt%。

3.5　氣化爐運(yùn)行特性討論

生活垃圾中有機(jī)廢棄物的氣化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,受垃圾組分和性質(zhì)的影響較大。不同的組分的垃圾混合物需要在不同的空氣量及操作條件下才能正常的穩(wěn)定氣化,而且反應(yīng)后產(chǎn)生氣體的各組分含量都不相同。在掌握各種物料穩(wěn)定氣化需要空氣量的情況下,整個(gè)氣化系統(tǒng)的操作還與混合垃圾的進(jìn)給、混合垃圾的密度、自然體積有關(guān)。垃圾自然體積太大容易架空,太小容易粘結(jié),料層阻力加大,影響氣化系統(tǒng)的操作和燃?xì)赓|(zhì)量。安裝機(jī)械攪拌裝置,將碎料和適中的塊料混合使用是較好的解決方法。

4　結(jié)　論

下吸式氣化爐處理垃圾,操作方便,運(yùn)行穩(wěn)定,所產(chǎn)生的燃?xì)饧瓤梢詽M足燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電,又可以進(jìn)一步合成為儲(chǔ)存、運(yùn)輸都很方便的液體燃料。混合生活垃圾氣化試驗(yàn)表明,主要可燃?xì)獬煞譃镠2、CO、CH4、C2H4、C2H6等,產(chǎn)氣熱值達(dá)4600kJ/m3。

燃?xì)獬煞趾蜔嶂等Q于垃圾組分、性質(zhì)和氣化條件。熱解氣化技術(shù)處理城市生活垃圾,既回收能量,也減少環(huán)境污染,具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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