城市生活垃圾气化产气特性实验研究

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热能工程
表 1 实验物料的工业分析和元素分析
名称 木屑 废纸 塑料 织物 厨余 橡胶 混合样 工业分析（应用基） /% 水分 21.65 4.85 0.96 5.78 86.62 0.99 40.07 灰分 1.93 9.56 2.21 3.52 2.25 6.08 2.60 挥发分 63.11 76.60 94.86 73.89 8.46 65.47 47.34 固定碳 13.31 8.99 1.97 16.81 2.67 27.46 9.39 （C） 40.84 34.39 81.91 50.51 4.61 80.76 33.91
温度对气体组分的影响
图 2 所示为 N2气氛条件下，升温速率为 10 ℃/min 时， 城市生活垃圾气化过程中气体组成比例的变化情况。 从图 2 中可以看出，在 250 ～ 500 ℃，生活垃圾受热开 始大量析出挥发分，生活垃圾中含有的羧基、碳基裂解 生成大量的 CO 和 CO2气体， 两种气体的体积分数随温度 升高迅速增加；在 500 ～ 700 ℃，由于挥发分含量逐渐 减少，其裂解产生的 CO 和 CO2的体积分数也随之降低； 在 700 ～ 950 ℃，焦油发生的裂解反应式（10）会产生 CO 气体及少量的 CO2，但由于式（3）碳还原反应的加 剧，使得更多的 CO2被还原而转化为 CO，造成此阶段 CO 的体积分数随温度的升高而迅速增加，CO2的体积分 数随温度升高而持续降低，当温度达到 950 ℃时，其体 积分数降低到 5%左右。
《工业加热》 第
卷
年第
期
元素分析（应用基） /％ （H） 7.50 5.38 10.81 7.04 0.39 10.80 5.82 （O） 27.51 44.80 1.96 30.24 5.48 0.74 16.97 （N） 0.45 0.29 0.14 2.55 0.62 0.60 0.51 （S） 0.12 0.28 0.04 0.36 0.03 1.03 0.12
LIU Hui-li，WANG Hua，HU Jian-hang (Institution of Environment-harmonious Energy New Technology，Kunming University of Science and Technology, Kunming，650093, China) ：The process of municipal solid wastes (MSW) gasification were studied in the atmosphere of N2, air and rich oxygen through a series of experiments. The influence of temperature, heating rates and atmosphere were investigated. The variation discipline of gas products (CO，H2，CH4，CO2) in the temperature range of 250 ～ 950 ℃ were summarized. In the atmosphere of N2, volume percentage of CO decrease between 250 ～ 500 ℃ and increase between 500 ～ 950 ℃ with the increasing of heating rate. H2 start to generate after 500 ℃, and its volume percentage increase between 500 ～ 950 ℃ with the increasing of heating rate. Volume percentage of CO，H2，CH4 in every temperature spots decrease with the increasing of volume percentage of oxygen in the atmosphere, while CO2 in every temperature spots increase with the increasing of volume percentage of oxygen in the atmosphere. ：municipal solid wastes; gasification; heating rate; gas producing characteristics
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。
实验部分
实验样品的准备 城市生活垃圾组成成分复杂，波动性大，采用原生
生活垃圾配置实验原料有一定的困难，因此实验样品采 用未被其他物料污染的单组分原料混合而成。由于金属、 玻璃、灰渣等不可燃物对生活垃圾气化过程的影响可以 忽略，因此实验采用木屑、废纸、塑料、织物、厨余、橡 胶六种可燃组分按质量比 9.2%，23.0%，20.4%，4.0%， 42.2%，1.2%配置成人工混合垃圾，实验原料的工业分析 及元素分析见表 1。实验前， 混合垃圾样品经过粉碎预处 理，处理后的混合垃圾样品的粒径 < 2 mm, 然后置于恒 温干燥箱中，在 105 ℃的温度条件下干燥 1 h 以上，以消 除实验样品中水分的影响。
收稿日期：2008-01-22；修回日期：2008-01-25 基金项目：国家自然科学基金重点项目（90610035） 作者简介：刘慧利 （1980—） ，男，山东烟台人，博士生，研究方向 为能源新技术； 王 华 （1965—） ，男，湖北崇阳人，教授、博士生导师， 研究方向为能源新技术.
利用生活垃圾制取可燃气体的新型垃圾处理技术，国 内外许多研究人员对城市生活垃圾气化进行了大量的 研究
随着城市化进程的加快和人们生活水平的提高，我 国城市生活垃圾的产量迅速增加。数量庞大的生活垃圾 对城市及周边地区的生态环境构成极大威胁，垃圾堆放 产生的有害气体及垃圾渗滤液对大气、水源及土壤造成 污染，严重危害人体健康。在垃圾产量增加的同时，我 国城市生活垃圾的成分构成也发生了很大变化，主要是 纸类、织物、塑料等有机可燃组分的含量增加 1-2 ，可燃 物的比例已经由 40%增加到 80%以上， 垃圾的热值也由 过去的 3 349 kJ/kg 上升到 5 860 kJ/kg 3 。热值的提高使 城市生活垃圾资源化处理技术（气化、焚烧） 逐渐引 起人们的关注，其中的城市生活垃圾气化处理技术是
实验结果及讨论
城市生活垃圾气化过程中可能会发生以下反应 9-10 ： 1 C＋ O2 CO （1） 2 C＋O2 CO2 （2） C＋CO2 C＋H2O （g） C＋2H2O （g） C＋2H2 CH4 CO2＋H2 CO＋H2O （g） 2CO CO＋H2 CO2＋2H2 （3） （4） （5） （6） （7）
图1
城市生活垃圾气化实验装置图
实验条件及分析方法 实验气氛：热解条件下载气为纯度 99.99%的 N2, 气 化条件下载气为空气（O2体积分数 21%） ，富氧条件下载 气为氧气 2体积分数 50%～ 55%） （O 和空气的混合气体。 分析方法：采用 GC112A 气相色谱仪分析主要气体 产物 H2，CO，CH4，CO2的组成及体积分数，以氩气作 载气，色谱分离柱为不锈钢柱，柱温 110 ℃，进样器和 检测器温度均为 150 ℃。
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《工业加热》 第
卷
年第
ຫໍສະໝຸດ Baidu
期
城市生活垃圾气化产气特性实验研究
刘慧利，王
（昆明理工大学
华，胡建杭
昆明 650093）
环境调和型能源新技术研究所，云南
摘要：在氮气、空气和富氧三种气氛条件下对城市生活垃圾气化过程进行实验研究，考察了温度、升温速率及反应气氛对城市生活 垃圾气化的影响。总结出了城市生活垃圾气化过程中产生的 CO，H2，CH4，CO2四种主要气体产物的体积分数在 250 ～ 950 ℃的变 化规律。氮气气氛下，在 250 ～ 500 ℃的低温区段，CO 气体的体积分数随升温速率的升高而降低；在 500 ～ 950 ℃的高温区段， CO 气体的体积分数随升温速率的升高而增加。 2在 500 ℃之后才开始产生， H 其体积分数在 500 ～ 950 ℃随升温速率的升高而增加。 CO，H2，CH4三种气体在各个温度点处的体积分数都随气氛中氧气体积分数的增加而降低，而 CO2气体在各个温度点处的体积分数 则随气氛中氧气体积分数的增加而升高。 关键词：城市生活垃圾；气化；升温速率；产气特性 中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1002-1639(2008)03-0001-05
热解产生的碳氢化合物可能发生以下反应： C H ＋ O2 C H ＋ H2O 焦油裂解反应 焦油 C H ＋CO＋H2＋CH4＋CO2＋…（10） C H ＋CO＋H2＋ （11） 气化过程中焦油还可能发生以下反应： 焦油＋ 2O，CO2，…） （H CH4＋… C＋ CO＋ CO2＋ H2＋ H2O （8） ＋2 CO＋ H2 （9） 2
net, al/
kJ・kg 17 820 12 617 39 591 15 890 754 34 012 13 550
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实验装置 实验采用外加热固定床式气化反应器，实验过程中 生活垃圾样品被装入刚玉管反应器内，并且将物料稳定
在反应器的中部以确保加热温度的稳定性。气化反应的 温度由伸进炉料内的热电偶测定，生活垃圾气化后产生 的气体首先经蛇形冷凝管冷却，气体中的焦油冷凝为液 体，由与冷凝管相连的焦油回收装置进行收集。冷却后 的气体经过滤器净化后，利用气相色谱进行气体成分和 体积分数的检测，随后气体流经湿式流量计进行产气量 的计量， 尾气经燃烧后排入大气。 实验仪器及装置见图 1。
图2 温度对热解气化气体产物组分的影响
对于 H2，在温度低于 500 ℃时，其析出量很低，体 积分数一般不超过 1%；在 500 ～ 700 ℃，挥发分发生热 分解反应式（8）逐渐析出 H2，其体积分数随温度升高而
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迅速增加；在高温阶段（700 ～ 950 ℃） ，焦油发生二次 裂解反应（10）大量生成 H2，使得 H2的体积分数进一步 增加，在 950 ℃时其体积分数达到最大值 30.1%。 对于气体产物 CH4，其体积分数在温度超过 400 ℃ 以后才明显呈现出增高的趋势，在 400 ～ 700 ℃，挥发 分的裂解反应使得 CH4的体积分数随温度的升高而迅速 增加， 700℃时达到最大值， 13.1%； 700 ～ 900℃， 在 为 在 虽然焦油的裂解使 CH4的体积分数增加，但由于温度越 高，CH 4的裂解反应越剧烈，造成 CH4 的体积分数随温 度升高而快速下降，CH4 裂解生成碳和 H 2 的反应也是 700 ～ 900 ℃H2体积分数迅速增加的原因之一。 图 3 所示为空气气氛条件下，升温速率为 10 ℃/min 时， 城市生活垃圾气化过程中气体组成比例的变化情况。 从图中可以看出，在 250 ～ 400 ℃，CO2的体积分数随温 度升高迅速增加，此阶段生活垃圾受热大量析出挥发分， 挥发分与通入反应系统的氧气发生反应式（8）生成大量 CO2。 由于通入的空气量不能使挥发分完全燃烧以及挥发 分发生的裂解反应， 使得该阶段有一定量的 CO 生成， 此 阶段 CO 的体积分数随温度的变化情况与 CO2的变化趋势 相同。在 400 ～ 700 ℃，由于生活垃圾中的挥发分逐渐 析出完全，使得 CO 的体积分数迅速下降，CO2的体积分 数随温度升高也呈现出略微下降的趋势。 700 ～ 900 ℃， 在 生活垃圾热分解残留的固定碳开始与 CO2发生碳还原反 应， 使得此阶段 CO2的体积分数迅速下降， CO 的体积 而 分数随温度的升高迅速增加，此外，焦油的裂解反应式 （10） 、固定碳与水蒸气发生的反应式（4）以及固定碳与 氧气发生的不完全燃烧反应式（1）生成大量 CO 气体， 也是 700 ～ 900 ℃ CO 体积分数迅速增加的原因之一。 由于焦油和固定碳的量随反应进行逐渐降低，因此造成 900 ℃之后 CO 体积分数的降低。