可燃固体废弃物两段式富氧高温气化特性研究

发布时间：2020-04-03 20:12

【摘要】：可燃固体废弃物主要是指具有一定热值的固态废弃物,可作为可再生能源利用。气化制气是可燃固体废弃物处理处置的一个重要发展方向。但是,该工艺目前依然存在气化反应不完全、燃气热值不高、焦油污染问题难以解决等技术瓶颈,制约了可燃固体废弃物气化技术的广泛应用。本文提出了两段式富氧高温气化方法,进行了单元及系统耦合试验研究,获得了可燃固体废弃物两段式富氧高温气化特性。针对所提出的流化床低温气化+旋风炉高温熔融气化的两段式富氧气化方法,基于吉布斯自由能最小化原理建立了该系统的预测模型。考察了温度、气化剂氧浓度、水蒸气通入量、原料含水率及原料种类等对系统耗氧量、燃气品质及气化效率的影响,并进行了流化床气化单元气化剂氧浓度、过程碳损失率等典型参数的灵敏度分析。根据模拟结果,流化床在通入氧浓度为30-50%的富氧气体、限定当量比在小于0.2时,能实现650-750℃的低温富氧初步气化。旋风炉通过通入70-90%的高浓度富氧气体,并控制两段式气化系统当量比在0.2-0.3,保证1200-1400℃下高温深度气化的进行。在自行设计建造的流化床气化装置上,进行了树皮、木屑、秸秆及污泥等典型可燃固体废弃物的单元气化试验,研究了不同温度、当量比、水蒸气通入比、气化剂氧浓度、床料及气化原料下的流化床低温气化特性,获得了相应的燃气组分、热值及气化效率等特性指标。试验发现通过低当量比气化可有效解决流化床富氧气化易超温结渣的问题,实现氧浓度为21-50%范围内的低温富氧气化。较低当量比下的富氧气化燃气以裂解产气为主,呈现燃气热值高、气体产率低的特点,温度、氧浓度的升高及合适的水蒸气通入比、物料混合比均可改善低温气化燃气品质。但由于低温富氧气化后残炭中含较多的固定碳及挥发分、焦油产量较高的特点,燃气利用范围有限且能量转化率较低,需考虑通过进一步的高温气化提升燃气品质及气化效率。根据灰熔融性测定结果,在还原性气氛下,树皮、秸秆及污泥等可燃固体废弃物灰熔点在1100-1200℃左右,并在1200℃以上基本呈流动状态,表明可燃固体废弃物灰分可以通过高温气化熔融流动与燃气完全分离。利用高温管式炉进行了可燃固体废弃物灰分及气化残炭的高温熔融特性研究,分析不同环境气氛、温度条件及残炭含碳量对熔融效果及熔渣特性的影响。结果表明,还原性气氛相比氧化性气氛及惰性气氛下熔融反应速率高,熔点相对较低；温度升高促进残炭熔融反应程度不断加大,熔渣趋于致密均匀化；相同气氛下,残炭含碳量越高时,实现其熔融流动所需温度越高。两段式气化系统中,旋风熔融炉的设置温度应大于等于1300℃以实现残炭的熔融流动。在以上研究的基础上,设计建造了两段式富氧高温气化中试系统,开展了流化床低温气化与旋风炉高温熔融气化的耦合联动试验,获取了系统耦合气化的燃气组分、碳转化率及气化效率等。研究结果表明,两段式富氧高温气化系统燃气热值可以达到10 MJ/Nm3以上,固定碳转化率在99%以上,气化效率可以达到80%左右。系统燃气焦油浓度仅为流化床出口燃气焦油浓度的5%以下,其组分远没有流化床气化焦油复杂,仅含有萘、芘等多环芳烃及少量酚类。流化床气化残炭经旋风炉熔融气化后可以完全熔融形成液态熔渣,熔渣中固定碳含量低至1%以下。耦合联动试验表明,可燃固体废弃物两段式富氧高温气化中试系统能实现可靠运行,在获得高能量转化效率的同时有效减少焦油的排放。
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持续发展的必由么路。逡逑中国固体废弃物的年增长比例平均在８－１０％，２０１３年城市固体废弃物清运量达到１．７２亿吨，而逡逑历年堆积固体废弃物总量已超过７０亿吨，侵占王地５亿多平方米，图１－１所示为我国近年来城市固逡逑体废弃物（ＭＳＷ）的清运量及无害化处理情况据统计，２０１３年我国固体废弃物无害化处理率逡逑为８９．３0／0，处理方式包括卫生填埋、堆肥及焚烧等，其中７０％左右的固体废弃物采用填埋处理Ｗ。逡逑虽然填埋具有工艺简单、成本低、适应性广等优点，但填埋方法不仅占用大量±地，还会由于渗滤逡逑液泄漏造成地下水、空气及王壤等的污染【４’５］。因此，欧盟等发达国家己计划在２０２０年前基本停止逡逑废弃物填埋处理［６’７１。堆肥处理可将固体废弃物中可降解有机废物转化为有机肥，相比填埋技术具有逡逑占地面积小、资源化利用率高等优势【８’９］。但由于堆肥实质为生物降解及转化过程，因此堆肥处理周逡逑期长、产能低，并受原料和环境温度影响很大同时，由于我国固体废弃物分类系统的不完善，逡逑目前堆肥品质较低

逦＾ＨＨＨＨＨＢＰ＾邋＾邋ａｓｈ逡逑图１－２上吸式气化炉原理图ｔ４３ｌ逦图１－３下吸式气化炉原理图Ｗ逡逑２）流化床气化逡逑流化床中气化剂レッ足够速度通过惰性床料层并维持床料悬浮，可燃固废由流化床下部加入，在逡逑密相区与床料充分混合升温并发生热解及不完全燃烧反应，反应后的气相产物及小颗粒焦炭等上升逡逑至流化床稀相区，继续发生气相重整及焦油、焦炭转化反应，最终生成可燃气１４４＂＾６１。与固定床相比，逡逑流化床内物料混合均匀，床料热容量高，温度波动小，，气化反应速率也较高。流化床内大量可燃物逡逑的存在有利于实现气化系统自热式运行，气化强度大、可处理多种类型的固体废弃物，更易实现装逡逑置的大规模应用。流化床气化反应器有两种类型：鼓泡流化床及循环流化床，如图１－４及图＾５所示，逡逑循环流化床通常包含床料的再循环过程，可有效提氋物料在床内的停留时间＾７１。但受到废弃物灰烙逡逑点的制约
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X705


本文编号：2613650