多孔介质燃烧器处理焦油时影响内部温度的因素分析

徐 鹏，王启民，王 超

（沈阳工程学院a.研究生部；b.能源与动力学院；c.机械学院，辽宁 沈阳 110136）

1 焦油的危害

生活垃圾低温热解可以将有机废物在较高温度下转变为气体燃料，实现生活垃圾的无害化处理，但在气化的同时会产生焦油。焦油的成分主要是多环芳香族，对金属材质的设备和塑料管道有很强的腐蚀作用，对系统设备的安全运行造成潜在的危害［1］。此外，残留的焦油还会粘结空气中的灰尘，凝结为细微液滴的焦油很难完全燃尽，燃烧过程易产生黑碳，会造成环境污染，而且焦油含有的一些有毒物质也会影响人类健康。

2 焦油的处理方法

目前，焦油的去除方法主要有水洗法、过滤法、热解法和催化裂解法。焦油在温度达到700 ℃时开始分解，在达到1 000 ℃时将会直接燃烧［2］。因此，利用多孔介质燃烧器燃烧气化气，可以去除其中的焦油。

3 处理流程及因素分析

3.1 焦油处理流程

图1 为焦油处理工艺的流程图。首先对燃烧器预热，当温度超过500 ℃时，通入烟气。以C3H6作为辅助燃料，在燃烧器中先点燃辅助燃料，待燃烧器升温后，通入气化气。

图1 焦油处理工艺流程

预热时，燃烧器内的主要化学反应为

氧气在空气中的含量为21%。理论配量上，C3H6与空气的摩尔配比为1:21.4。

3.2 当量比对多孔介质中温度的影响

当量比是控制燃烧器内温度的重要参数，是燃料和氧化剂实际燃烧所用的质量比值与理论比值之比，即过量空气系数的倒数［3］：

式中，mF为燃料的质量；mO为氧化剂的质量。

当量比为多孔介质燃烧的一个重要参数，其变化对燃烧器的燃烧温度、火焰位置以及燃烧极限均有较大的影响［4-9］。本实验在不同当量比下进行，最后找到最合适的当量比。

预热时，燃料与空气的实际配比及当量比如表1所示。燃烧器内氧化铝小球温度在不同当量比下随时间变化的曲线如图2 所示。在相同的时间段内不同当量比下氧化铝小球温度上升的速率如表2所示。

表1 燃烧器预热时燃料与空气的理论值与实际值及当量比

图2 燃烧器内氧化铝小球温度在不同当量比下随时间变化的曲线

表2 相同时间内不同当量比下温度上升的速率

由图2及表2可知，在预热时，燃烧器内的氧化铝小球温度受当量比的影响如下：

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1）在同一个当量比下，其温度随着时间的增加而升高；

2）在同一时间段内，当量比越大，其温度上升的速度越高；

3）在当量比超过一定范围时，燃烧器内丙烷的量增大，空气的量不足，燃烧不完全，随着当量比的增大，燃烧器升温速度下降，温度降低。

预热后，将气化气通入燃烧器内。垃圾低温热解气化反应式为

城市垃圾=可燃性气体+有机液体+固体残渣

可燃性气体中含有不同量的CH4、H2、H2O、CO、CO2、和NH3等，这些气体混合在一起是一种很好的燃料；有机液体中含有油类、焦油、焦木酸、芳烃和水，其中油类和焦油也是有价值的燃料，而焦木酸是化学成分复杂的混合物；固体残渣是一种轻质碳素物质，其含硫量很低，也可制成燃料［10］。

反应物按1 mol 计算，则反应所消耗氧气的量为9.75 mol，所消耗空气的量为46.43 mol。加上预热所用的21.4 mol，则消耗空气的总量为67.83 mol。

气化气流量q的取值范围为65 m3/h～78 m3/h，管道的内径为219 mm.其管道的横截面积为

则气化气的流速范围为

由于气化气的通入，燃烧器内通入的空气的量将增加，同时减少C3H6的量，得到不同的当量比，如表3 所示。在相同的气化气速率、不同的当量比下，燃烧器内的温度发生变化。在不同的速率、相同的当量比下，氧化铝介质的温度变化情况如图3所示。以10 min为单位，测量在相同气体速率、不同当量比下燃烧器内的温度变化，如图4所示。在气体流速由0.48 m/s上升到0.57 m/s的过程中，氧化铝小球的升温速率如表4 所示，得到了不同当量比下气化气速率对氧化铝小球升温速率的影响。

表3 燃烧器内丙烷与空气的理论值与实际值

当量比过大，使得燃烧不完全；若当量比过小，过量空气的存在使得预混气体的空截面流速增加，火焰稳定燃烧的难度增大，燃烧质量不好，降低了多孔介质中的温度。因此，气化气在多孔介质中燃烧，存在一个较佳的当量比。

根据图3 可知，氧化铝小球的温度随着气体流速的增加而升高，氧化铝小球的温度与气体的流速成正比例关系。在该实验条件下，当v=0.48m/s、φ=0.45 时，燃烧状况较佳。在φ=0.45 之前，随着当量比的增加，反应逐渐加剧；在φ=0.45 之后，随着当量比的增加，多孔介质中的温度反而有所降低。因为在这种情况下，燃烧所需的氧气不足，有一部分气化气没有完全燃烧，释放的热量减少，燃烧火焰中心温度降低，所以多孔介质中的温度也随之降低。当气化气速率为v=0.51 m/s，氧化铝小球在φ=0.5 时，温度达到最佳值；当气化气速率为v=0.54 m/s，氧化铝小球在φ=0.6 时，温度达到最佳值；当气化气速率为v=0.57 m/s，氧化铝小球在φ=0.63 左右时，温度达到最佳值。在当量比超过最佳值后，由于空气不足导致气化气不能完全燃烧，而此时气体带走一部分热量，使得氧化铝小球的温度降低。

图3 当量比对氧化铝小球温度的影响

由图4 及表4 可知，在气体的流速由0.48 m/s上升到0.57 m/s 的过程中，在当量比相同时，氧化铝小球的温度随着气体速率的增加而上升，基本成线性关系。当量比为0.6 时，燃烧器内氧化铝小球升温的速率最快。在同一气体速率下，当量比为0.6 时的氧化铝小球温度要高于当量比不是0.6 时的温度。当量比在0.35 至0.6 之间时，逐渐增加丙烷，火焰燃烧充足，氧化铝小球温度上升的速率随着当量比的增加逐渐增长。当量比在大于0.6 时，燃烧器内丙烷过多，空气量不变，使得燃烧器内的燃烧不充分，氧化铝小球的温度及升温速度都随着当量比的增加而下降；同时，燃烧器内气体的密度逐渐增大，如果引风机出现问题，则会在燃烧器内引发爆炸。

图4 不同当量比下气化气速率对氧化铝小球温度的影响

表4 不同当量比下气化气速率对氧化铝小球升温速率的影响

4 结语

本文采用多孔介质燃烧器对垃圾低温热解所产生的气化气中的焦油进行处理。通过理论与实验研究，对比分析了不同当量比和不同的气化气速率下燃烧器内氧化铝小球的温度变化，确定了燃烧器的温度受进口当量比的影响很大，会随着当量比的增大而升高，且存在一个最佳当量比。当处于最佳当量比燃烧时，燃烧温度最高；低于或超过最佳当量比时，燃烧器内部温度开始下降，使得烟气内焦油分解速率下降。