王鵬飛 夏訓峰 王曉偉 王隨林# 席北斗 張 穎

(1.北京建筑大學環(huán)境與能源學院，北京 100044；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；3.中國鐵道科學研究院，北京 100081)

據(jù)統(tǒng)計，我國生活垃圾無害化處理量在2004—2013年由8 088.7萬t增至15 394.0萬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90%以上，同時還能獲得電能，被認為是種有效的處理方法[2]。然而國外垃圾處理的主流方式并不是垃圾焚燒技術[3]，垃圾焚燒所產(chǎn)生的二次污染也一直制約著該技術的廣泛應用[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形式存在，便于回收。氣化技術雖沒有焚燒減容率高，但氣化氣經(jīng)凈化、加壓后便于存儲、運輸，是未來垃圾處理的重要途徑[6]。

在垃圾氣化條件良好時，氣化氣低位熱值可達5.65 MJ/m3，氣化效率可達75%[7]。氣化溫度可有效調節(jié)氣化氣中可燃氣成分比例[8]。風量過小會增加焦油和焦炭產(chǎn)量，過大又會降低氣化氣低位熱值[9]。合適的料層高度能增強垃圾氣化強度，穩(wěn)定氣化反應狀況[10]。盡管有學者已對垃圾氣化條件進行了較多的實驗[11-13]，但實驗室數(shù)據(jù)對實際運行的氣化爐氣化條件參考價值有限，且垃圾最高氣化效率的條件不明確。因此，本研究以實際運行的上吸式固定床生活垃圾氣化爐(簡稱氣化爐)為對象，分析不同氣化段溫度、空氣當量比、料層高徑比對垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響，以期為氣化爐運行提供參考。

表1 垃圾物理組成成分1)

注：1)以質量分數(shù)計。

表2 垃圾工業(yè)成分、元素和低位熱值

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

1 樣品與試驗方法

1.1 樣品采集及方法

采集經(jīng)過篩選、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表1、表2。

采集經(jīng)過旋風除塵、電捕焦后的氣化氣，其采集方法分以下3種條件：

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

(2) 控制T為700 ℃、H/D為2.7，通過調節(jié)風機頻率，ER分別控制為0.30、0.33、0.36、0.39、0.42、0.45，運行穩(wěn)定后各采集3次氣體。

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

1.2 試驗裝置及條件

試驗裝置為處理量50 t/d的氣化爐，總高為16.0 m，爐體外徑為3.2 m，內徑為3.0 m，內外壁夾層中有循環(huán)水流動，濕式出渣。垃圾由液壓進料裝置密封推進，爐渣由魚鱗形爐排緩慢旋轉的同時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測定。取樣口位于氣體流量計上游附近，氣化氣經(jīng)過濾、干燥后由抽氣泵采集于鋁箔采樣袋。試驗裝置如圖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，柱前壓力為2.07×105Pa，熱導檢測器(TCD)溫度為150 ℃，參比流量為30 mL/min，進樣口溫度為50 ℃，柱箱溫度為120 ℃。檢測CO2時，用Porplot Q毛細柱換下5A分子篩即可。烴類用Porplot Q毛細柱檢測，氫火焰離子化檢測(FID)溫度為250 ℃，H2流量為50 mL/min，進樣口溫度為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—進料口；2—氣化爐；3—熱電偶；4—水夾層；5—出渣口；6—空氣入口；7—旋風除塵；8—電捕焦；9—取樣口；10—過濾器；11—干燥器；12—抽氣泵；13—采樣袋；14—流量計；15—二燃室接口圖1 試驗裝置Fig.1 Diagram of the experimental setup

1.3 正交試驗

以氣化爐最高氣化效率為評價指標，以T(A)、ER(B)和H/D(C)為影響因素，因素水平設計(L9(33))見表3。

表3 因素水平設計

1.4 計算方法

采集垃圾氣化氣時，記錄送風量、產(chǎn)氣流量、氣化段溫度和壓力。根據(jù)氣化氣中各可燃氣體積分數(shù)，計算氣化氣低位熱值(Qg，kJ/m3)、單位小時產(chǎn)氣熱量(Q，MJ/h)和氣化效率(η，%)，計算公式如下：

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的體積分數(shù)，%；Vg為產(chǎn)氣流量，m3/h(經(jīng)氣體方程轉化為標況下流量)；Qs為垃圾低位熱值，MJ/kg；Ms為垃圾進料速率，kg/h。

2 結果分析與討論

2.1 氣化段溫度對垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響

在前學者研究基礎上，初定試驗參數(shù)ER為0.36和H/D為2.7進行研究[14-16]。氣化段溫度對垃圾氣化產(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趨勢，750 ℃以后氣化效率增長緩慢。升溫過程中，CO和H2先升后降，CO2先降后升，氣化段溫度增加促進了大分子裂解，但同時也加強了可燃氣的氧化。750 ℃之前，由于焦油和重質烴類熱穩(wěn)定性較差，會發(fā)生脫氫聚合反應，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(Boudouard反應、水煤氣反應)，抑制放熱反應(水煤氣變換反應)的進行。然而，由于在實際氣化過程中，氣體停留時間很短，反應通常達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，體積分數(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)氣流量一直呈增長趨勢，750 ℃以后增長幅度逐漸變小。600～750 ℃時，單位小時產(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，單位小時產(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 空氣當量比對垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響

空氣當量比對垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響如圖3所示。由圖3(a)可以看出，當0.300.36時，氣化爐自平衡機制被破壞，同時氣化氣中可燃氣被氧化加劇，氣化效率迅速下降。此氣化過程可分為兩個階段：ER較小時，垃圾以熱裂解和碳的不完全燃燒反應為主，CO、H2和CH4體積分數(shù)能達到相對較高水平；ER較大時，氣化氣中可燃成分被氧化加劇，CO、H2和CH4體積分數(shù)下降[21]。

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

圖3 空氣當量比對垃圾氣化產(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，可能由于爐內氣固兩相流動組織不均勻而出現(xiàn)溝流現(xiàn)象，使得O2體積分數(shù)一直在5%以上。

由圖3(b)可以看出，ER為0.30～0.45時，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29.4%，說明空氣當量比對氣化效率的影響較大。

2.3 料層高徑比對垃圾氣化產(chǎn)氣特性的影響

料層高徑比對垃圾氣化產(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，由于料層過低，可燃氣被氧化程度較大，氣化效率相對較低。根據(jù)氣化反應動力學可知，垃圾氧化段高度是垃圾粒徑的3.0～3.5倍，在風量不變的情況下，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%，烴類氣體體積分數(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時下降至67.9%。這是因為料層高度增加的同時，氣化爐熱解段和干燥段的高度均增加，氣化氣在向上流動過程中，隨氣化段溫度的降低水煤氣變換反應加強；大分子烴類因熱穩(wěn)定性相對較弱又轉化為焦油。

由圖4(b)可以看出，H/D由2.3增至3.0時，氣化氣低位熱值和單位小時產(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H/D>3.0后，單位小時產(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產(chǎn)氣熱量。

2.4 正交試驗法最高氣化效率的確定

以氣化段溫度、空氣當量比和料層高徑比進行3因素3水平正交試驗，結果如表4所示。

表4 正交試驗結果

由表4可知，空氣當量比對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 ℃，空氣當量為0.36(即風量為2 600 m3/h)，料層高徑比為3.0時(即料層高度為9 m)，垃圾氣化效率最高。在此條件下進行驗證試驗，氣化效率達79.3%，氣化氣低位熱值為4 021.0 kJ/m3，單位小時產(chǎn)氣熱量為13 198.3 MJ/h，結果最佳。

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

2.5 焦油與碳轉化率分析

通過正交試驗分析，可認為氣化效率大于75%的氣化條件為較好工況。基于上述較好工況，對垃圾在該氣化條件下所產(chǎn)生的含焦油量和碳轉化率進行分析。結果發(fā)現(xiàn)，含焦油量在9.2～22.5 g/m3，碳轉化率為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，碳轉化率較高，且氣化氣出口溫度低，熱損失少。

3 結 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。小范圍內改變氣化爐風量不會破壞其自平衡機制。當ER>0.36后，風量超過氣化爐自平衡機制所承受的能力，氣化效率迅速下降。增加料層高度，能延長富含CO2和焦油的氣化氣與水蒸氣發(fā)生氧化還原反應轉變成H2和CO時間，提高產(chǎn)氣品質及氣化效率，但過高的料層高度會增加含焦油量，降低氣化爐整體氣化效率，H/D為3.0時效果最好。

(2) 對于處理量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，垃圾氣化效率最高(79.3%)，氣化氣低位熱值為4 021.0 kJ/m3，單位小時產(chǎn)氣熱量為13 198.3 MJ/h。3個因素對氣化效率的影響依次為ER>T>H/D。實際運行的氣化爐氣化效率與實驗室氣化條件下基本持平，但氣化氣低位熱值相對較低，維持氣化反應所需熱量的供應等因素限制了氣化氣品質。

圖5 正交條件下的試驗結果分析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，碳轉化率為74.5%～85.9%。

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