村镇生活垃圾热解气化炉参数设计与优化产气研究

发布时间：2017-10-02 20:50

  本文关键词：村镇生活垃圾热解气化炉参数设计与优化产气研究

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【摘要】：随着我国经济和新农村建设事业的快速发展,村镇生活垃圾的无害化处理、资源化再利用,成为我国重大民生工程和环境能源工程领域热点课题。研究开发热解气化技术,将垃圾资源化再利用和抑制二VA英产生,对于节约土地资源和保护环境、节能减排具有重要意义。本文以优化垃圾热解气化条件和开发设计热解气化炉为目标,以福建某地区生活垃圾为对象,研究垃圾热解过程表观动力学参数、热解气化炉参数优化、运行条件优化和用水蒸气对可燃气的改质。为热解气化炉的设计与运行提供依据。主要研究内容和结果包括:以生活垃圾中典型组分为对象,利用热重分析仪分析在等速升温条件下,分析生活垃圾典型单组份(树叶、PE、PVC、橡胶、织物、纸张和木屑)的热解特性、实际生活垃圾混合组分热解特性、以及典型单组份按实际垃圾比例混合的热解特性。得出:PE活化能最大(323.6 kJ/mol),织物次之(206.6 kJ/mol),PVC第二热解段和树叶第一热解段的活化能较小(14 kJ/mol);实际混合垃圾与拟合混合垃圾的热解TG曲线在400℃以前热解趋势基本相同,400℃后,拟合混合垃圾热解剩余产物含量较少(18.9%),而实际混合垃圾热解失重率为36%。垃圾热解温度区间基本相同,且热解活化能随温度的增加呈逐渐降低趋势,温度升高有利于垃圾热解。基于福建某地区实际生活垃圾,按处理能力10t/d的要求,进行回转窑垃圾热解炉和上吸式固定床气化炉优化设计。计算分析表明:在回转窑内,除去垃圾中的不可燃组分,垃圾在自然析出水分至含水率为21.8%时,其在回转窑内能进行自热解,无需外热源供热,窑内冷态填充率13%、斜度2.5%、垃圾停留时间40 min、炉体体积5.36 m3,长6.8 m,直径1.16 m;气化炉的尺寸设计相对复杂,一般按高径比在3:1左右,设计气化炉气化强度270 kg/(h.m~2),截面面积1.3 m~2,内壁涂抹20~30 mm粘土耐火层,气化炉高度为3.9 m。气化产气量756 m3/h,换热量285.576 MJ/h,换热面积1.07m~2,采用管径DN15 mm,长度11.3m,冷凝水流速2 m/s。以福建某垃圾气化炉为对象,选取气化温度、气化媒介通入量、料层高度进行单因素分析,利用正交试验法选取最佳气化条件。结果表明:温度升高可提高垃圾气化效率,但有一定局限,750℃以后,气化效率随气化段温度的升高增长缓慢;ER0.36后,风量超过气化炉自平衡能力,气化效率会迅速下降;H/D在3:1时效果最好。对于处理量50t/d垃圾气化炉(Φ3×16 m),温度750℃、风量2600 m3/h、料层高度9 m时,气化效率最大(79.3%);各影响因素中,风量的影响最大,温度次之,料层高度最小。气化气中焦油含量为9.2~22.5 g/m3,碳转化率为74.5~85.9%。对热解污染物进行检测分析发现:二VA英含量远低于国家标准,烟气黑度为1,气体污染物中,除二氧化硫外,其余污染物均很好的符合国家排放标准。以上吸式固定床气化炉产出的气化气为对象,利用Fluent软件改变气化气产气工艺,通过控制水蒸气与碳的比例(S/C),通入水蒸气对气化气进行改质。模拟结果表明:产气热量由13198MJ/h提升至S/C为2时的29971MJ/h,继续增加水蒸气输入量后分别提升至S/C为2.5时的31345MJ/h和S/C为3时的31116.4MJ/h。气化炉出口焦油量约9.2~22.5 g/m3,单位小时产热量13608MJ/h,经过改质后提升热量约16363~17737MJ/h,说明水蒸气对气化气改质效果显著。
【关键词】：生活垃圾 无害化处理 热解气化 气化效率 优化
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-12
• 1.1.1 生活垃圾处理方式变化趋势与特点11-12
• 1.1.2 村镇生活垃圾处理的必要性12
• 1.2 村镇生活垃圾热解气化技术分类及应用12-16
• 1.2.1 生活垃圾热解气化技术分类12-14
• 1.2.2 生活垃圾热解气化技术应用现状14-16
• 1.3 热解炉气化影响因素文献调研16-19
• 1.3.1 气化媒介对热解气化炉特性研究现状16-17
• 1.3.2 催化剂对热解气化炉气化特性研究现状17-18
• 1.3.3 催化剂除焦油特性研究现状18-19
• 1.3.4 垃圾含水率对热解气化特性研究现状19
• 1.4 选题依据与研究内容19-20
• 1.4.1 选题依据19-20
• 1.4.2 研究内容20
• 1.5 课题来源20-21
• 第2章 基于生活垃圾热解动力学分析21-31
• 2.1 实验材料与方法21-22
• 2.1.1 实验材料21-22
• 2.1.2 实验仪器与实验条件22
• 2.2 实验结果与分析22-30
• 2.2.1 等速升温条件下垃圾单组份热解分析22-24
• 2.2.2 等速升温条件下垃圾单组份热解参数的确定24-28
• 2.2.3 等速升温条件下模拟混合垃圾热解对比分析28-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第3章 垃圾热解气化炉系统优化设计31-43
• 3.1 外热式回转窑热解炉系统优化设计31-35
• 3.1.1 垃圾热解炉结构设计31
• 3.1.2 垃圾热解炉尺寸设计31-32
• 3.1.3 垃圾热解反应热分析计算32-34
• 3.1.4 热解系统与尾气净化系统明细34-35
• 3.2 上吸式固定床气化炉系统优化设计35-42
• 3.2.1 垃圾气化炉结构设计35
• 3.2.2 垃圾气化炉尺寸设计35-38
• 3.2.3 垃圾气化气能量平衡及冷凝系统设计计算38-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第4章 福建某垃圾气化处理厂试验分析43-51
• 4.1 垃圾气化处理厂工艺流程43-44
• 4.2 实验装置与实验方法44-45
• 4.2.1 气化炉最佳气化效率检测方法44
• 4.2.2 实验装置测试方法44-45
• 4.3 实验结果与分析45-49
• 4.3.1 气化段温度对垃圾气化特性的影响45-46
• 4.3.2 空气当量比ER对垃圾气化特性的影响46
• 4.3.3 料层高径比H/D对垃圾气化特性的影响46-47
• 4.3.4 正交试验法最大气化效率的确定47-48
• 4.3.5 热解产出物与后处理分析48-49
• 4.4 本章小结49-51
• 第5章 水蒸气对气化提质数值模拟分析51-62
• 5.1 物理模型简介51-52
• 5.2 数学模型52-56
• 5.2.1 流体力学基本控制方程52-54
• 5.2.2 湍流模型54-55
• 5.2.3 输运和化学反应模型55-56
• 5.3 模型网格划分与边界条件设置56-57
• 5.3.1 计算区域网格划分56
• 5.3.2 计算区域边界条件设置56-57
• 5.4 计算结果与分析57-61
• 5.4.1 不同S/C比对气化气成分分布的影响58-60
• 5.4.2 水蒸气改质对气化气热值的影响60-61
• 5.5 本章小结61-62
• 第6章 总结与展望62-64
• 6.1 总结62-63
• 6.2 展望63-64
• 参考文献64-68
• 在校研究成果68-69
• 致谢69

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