上吸式固定床生活垃圾气化炉气化特性研究*

王鹏飞 夏训峰 王晓伟 王随林# 席北斗 张 颖

(1.北京建筑大学环境与能源学院，北京 100044；2.中国环境科学研究院，北京 100012；3.中国铁道科学研究院，北京 100081)

据统计，我国生活垃圾无害化处理量在2004—2013年由8 088.7万t增至15 394.0万t，其中填埋比例增加1.5倍，堆肥比例增加0.3倍，焚烧比例增加10.3倍[1]。焚烧使垃圾减容量达90%以上，同时还能获得电能，被认为是种有效的处理方法[2]。然而国外垃圾处理的主流方式并不是垃圾焚烧技术[3]，垃圾焚烧所产生的二次污染也一直制约着该技术的广泛应用[4]。

垃圾气化[5]是垃圾在缺氧条件下裂解产气，还原性气氛可减少烟气排放、抑制二噁英产生，且使垃圾中金属以单质形式存在，便于回收。气化技术虽没有焚烧减容率高，但气化气经净化、加压后便于存储、运输，是未来垃圾处理的重要途径[6]。

在垃圾气化条件良好时，气化气低位热值可达5.65 MJ/m3，气化效率可达75%[7]。气化温度可有效调节气化气中可燃气成分比例[8]。风量过小会增加焦油和焦炭产量，过大又会降低气化气低位热值[9]。合适的料层高度能增强垃圾气化强度，稳定气化反应状况[10]。尽管有学者已对垃圾气化条件进行了较多的实验[11-13]，但实验室数据对实际运行的气化炉气化条件参考价值有限，且垃圾最高气化效率的条件不明确。因此，本研究以实际运行的上吸式固定床生活垃圾气化炉(简称气化炉)为对象，分析不同气化段温度、空气当量比、料层高径比对垃圾气化产气特性的影响，以期为气化炉运行提供参考。

表1 垃圾物理组成成分1)

注：1)以质量分数计。

表2 垃圾工业成分、元素和低位热值

注：1)以质量分数计，且均为垃圾经分选后的空气干燥基。

1 样品与试验方法

1.1 样品采集及方法

采集经过筛选、破碎、磁选及干燥后的垃圾，其物理组成成分和工业成分、元素以及低位热值分别见表1、表2。

采集经过旋风除尘、电捕焦后的气化气，其采集方法分以下3种条件：

(1) 控制空气当量比(ER)为0.36、料层高径比(H/D)为2.7，通过控制炉壁夹层中循环水流量，将气化段温度(T)分别调至600、650、700、750、800、850 ℃，运行稳定后各采集3次气体。

(2) 控制T为700 ℃、H/D为2.7，通过调节风机频率，ER分别控制为0.30、0.33、0.36、0.39、0.42、0.45，运行稳定后各采集3次气体。

(3) 控制ER为0.36、T为700 ℃，通过添加物料，将H/D分别调至2.3、2.7、3.0、3.3、3.6、4.0，运行稳定后各采集3次气体。

1.2 试验装置及条件

试验装置为处理量50 t/d的气化炉，总高为16.0 m，炉体外径为3.2 m，内径为3.0 m，内外壁夹层中有循环水流动，湿式出渣。垃圾由液压进料装置密封推进，炉渣由鱼鳞形炉排缓慢旋转的同时配合焊接在炉裙上的挡板排出。气化段温度由位于距出渣口上部约2 m处的2根K型铠装热电偶测定，气化气流量采用上太仪器STF系列DN700高温型靶式气体流量计测定。取样口位于气体流量计上游附近，气化气经过滤、干燥后由抽气泵采集于铝箔采样袋。试验装置如图1所示。

气化气采集完毕后，用Agilent 7890A型气相色谱分析其H2、N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C3H6等含量。H2、N2、O2和CO用5A分子筛色谱柱检测，柱前压力为2.07×105Pa，热导检测器(TCD)温度为150 ℃，参比流量为30 mL/min，进样口温度为50 ℃，柱箱温度为120 ℃。检测CO2时，用Porplot Q毛细柱换下5A分子筛即可。烃类用Porplot Q毛细柱检测，氢火焰离子化检测(FID)温度为250 ℃，H2流量为50 mL/min，进样口温度为225 ℃，柱箱温度为100 ℃，阀箱温度为120 ℃。He为载气，载气流速为4 mL/min。

1—进料口；2—气化炉；3—热电偶；4—水夹层；5—出渣口；6—空气入口；7—旋风除尘；8—电捕焦；9—取样口；10—过滤器；11—干燥器；12—抽气泵；13—采样袋；14—流量计；15—二燃室接口图1 试验装置Fig.1 Diagram of the experimental setup

1.3 正交试验

以气化炉最高气化效率为评价指标，以T(A)、ER(B)和H/D(C)为影响因素，因素水平设计(L9(33))见表3。

表3 因素水平设计

1.4 计算方法

采集垃圾气化气时，记录送风量、产气流量、气化段温度和压力。根据气化气中各可燃气体积分数，计算气化气低位热值(Qg，kJ/m3)、单位小时产气热量(Q，MJ/h)和气化效率(η，%)，计算公式如下：

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分别为H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C3H6的体积分数，%；Vg为产气流量，m3/h(经气体方程转化为标况下流量)；Qs为垃圾低位热值，MJ/kg；Ms为垃圾进料速率，kg/h。

2 结果分析与讨论

2.1 气化段温度对垃圾气化产气特性的影响

在前学者研究基础上，初定试验参数ER为0.36和H/D为2.7进行研究[14-16]。气化段温度对垃圾气化产气特性的影响如图2所示。由图2(a)可以看出，气化效率随气化段温度增加呈增长趋势，750 ℃以后气化效率增长缓慢。升温过程中，CO和H2先升后降，CO2先降后升，气化段温度增加促进了大分子裂解，但同时也加强了可燃气的氧化。750 ℃之前，由于焦油和重质烃类热稳定性较差，会发生脱氢聚合反应，使H2、CO和小分子烃类稍有增加，气化段温度继续升高(>750 ℃)，使得焦油和重质烃类裂解加剧[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，升高温度，有利于吸热反应(Boudouard反应、水煤气反应)，抑制放热反应(水煤气变换反应)的进行。然而，由于在实际气化过程中，气体停留时间很短，反应通常达不到平衡即排出炉外[18]，这使气化气中CO2含量较高。气化气中C2H6、C2H4、C3H6、C3H8含量始终很低，体积分数均小于2%，图中不一一体现。

由图2(b)可以看出，气化气低位热值、产气流量一直呈增长趋势，750 ℃以后增长幅度逐渐变小。600～750 ℃时，单位小时产气热量由9 500 MJ/h左右增大至12 012.0 MJ/h，增幅25%以上；而750～850 ℃时，单位小时产气热量由12 012.0 MJ/h增大至12 250.0 MJ/h，增幅仅2.0%。由此可知，升高温度可提高垃圾气化效率，但有一定局限。

2.2 空气当量比对垃圾气化产气特性的影响

空气当量比对垃圾气化产气特性的影响如图3所示。由图3(a)可以看出，当0.300.36时，气化炉自平衡机制被破坏，同时气化气中可燃气被氧化加剧，气化效率迅速下降。此气化过程可分为两个阶段：ER较小时，垃圾以热裂解和碳的不完全燃烧反应为主，CO、H2和CH4体积分数能达到相对较高水平；ER较大时，气化气中可燃成分被氧化加剧，CO、H2和CH4体积分数下降[21]。

图2 气化段温度对垃圾气化产气特性的影响Fig.2 The influence of gasification temperature on MSW gasification characteristics

图3 空气当量比对垃圾气化产气特性的影响Fig.3 The influence of equivalence ratio on MSW gasification characteristics

图4 料层高径比对垃圾气化产气特性的影响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，可能由于炉内气固两相流动组织不均匀而出现沟流现象，使得O2体积分数一直在5%以上。

由图3(b)可以看出，ER为0.30～0.45时，虽然产气流量从3 088.9 m3/h增加到4 101.2 m3/h，气化气低位热值却由3 954.2 kJ/m3降至2 104.0 kJ/m3，造成气化效率急剧下降，单位小时产气热量由12 214.5 MJ/h逐渐降至8 626.4 MJ/h，降低幅度达29.4%，说明空气当量比对气化效率的影响较大。

2.3 料层高径比对垃圾气化产气特性的影响

料层高径比对垃圾气化产气特性的影响如图4所示。由图4(a)可以看出，H/D为2.3时，由于料层过低，可燃气被氧化程度较大，气化效率相对较低。根据气化反应动力学可知，垃圾氧化段高度是垃圾粒径的3.0～3.5倍，在风量不变的情况下，燃烧段高度几乎不变。因此，在2.33.0后，H2和CO分别由4.3%和14.7%变为4.0%和15.2%，烃类气体体积分数变化不大，然而气化效率却有较大幅度下降，并在H/D为4.0时下降至67.9%。这是因为料层高度增加的同时，气化炉热解段和干燥段的高度均增加，气化气在向上流动过程中，随气化段温度的降低水煤气变换反应加强；大分子烃类因热稳定性相对较弱又转化为焦油。

由图4(b)可以看出，H/D由2.3增至3.0时，气化气低位热值和单位小时产气热量分别从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，当H/D>3.0后，单位小时产气热量由12 686.4 MJ/h降低至11 450.8 MJ/h，焦油大量累积降低了单位小时产气热量。

2.4 正交试验法最高气化效率的确定

以气化段温度、空气当量比和料层高径比进行3因素3水平正交试验，结果如表4所示。

表4 正交试验结果

由表4可知，空气当量比对气化效率的影响最大，气化段温度影响次之，料层高径比影响最小。考察A、B、C因素在3个水平上的变化，得出最佳条件为：B2A2C2，即气化段温度为750 ℃，空气当量为0.36(即风量为2 600 m3/h)，料层高径比为3.0时(即料层高度为9 m)，垃圾气化效率最高。在此条件下进行验证试验，气化效率达79.3%，气化气低位热值为4 021.0 kJ/m3，单位小时产气热量为13 198.3 MJ/h，结果最佳。

由图5可以看出，试验中垃圾气化效率为65%～78%，气化气低位热值总体在3 000～3 900 kJ/m3。实际运行的气化炉气化效率与实验室气化条件下基本持平，但气化气低位热值比实验室气化条件下略低。实验室垃圾气化时采用外热源供热，ER较小时依然能保持垃圾气化段温度稳定、均匀。然而实际垃圾气化时，气化热量全部由燃烧段供应，ER过小，就会使气化炉燃烧段放热量减少[22]，不能保证气化炉正常运行；ER过大，会加强气化气燃烧反应，而且大量N2稀释气化气，造成气化气低位热值下降[23]。

2.5 焦油与碳转化率分析

通过正交试验分析，可认为气化效率大于75%的气化条件为较好工况。基于上述较好工况，对垃圾在该气化条件下所产生的含焦油量和碳转化率进行分析。结果发现，含焦油量在9.2～22.5 g/m3，碳转化率为74.5%～85.9%，气化气出口温度为350～425 ℃。与下吸式固定床生活垃圾气化炉相比，含焦油量稍高，碳转化率较高，且气化气出口温度低，热损失少。

3 结 论

(1) 升高气化段温度可提高垃圾气化效率，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，限制了气化效率的提高。小范围内改变气化炉风量不会破坏其自平衡机制。当ER>0.36后，风量超过气化炉自平衡机制所承受的能力，气化效率迅速下降。增加料层高度，能延长富含CO2和焦油的气化气与水蒸气发生氧化还原反应转变成H2和CO时间，提高产气品质及气化效率，但过高的料层高度会增加含焦油量，降低气化炉整体气化效率，H/D为3.0时效果最好。

(2) 对于处理量50 t/d的气化炉(Φ 3.0 m×16.0m)，T为750 ℃，ER为0.36，H/D为3.0时，垃圾气化效率最高(79.3%)，气化气低位热值为4 021.0 kJ/m3，单位小时产气热量为13 198.3 MJ/h。3个因素对气化效率的影响依次为ER>T>H/D。实际运行的气化炉气化效率与实验室气化条件下基本持平，但气化气低位热值相对较低，维持气化反应所需热量的供应等因素限制了气化气品质。

图5 正交条件下的试验结果分析Fig.5 Analysis of the orthogonal array test results

(3) 气化气中含焦油稍高，但碳转化率要高于下吸式固定床生活垃圾气化炉。垃圾气化在较好工况下，含焦油量为9.2～22.5 g/m3，碳转化率为74.5%～85.9%。

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