1、第7章 城市生活垃圾的熱解氣化1 固體廢物熱轉(zhuǎn)化就是在高溫條件下使固體廢物中可回收利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能源的過程，主要包括熱解、氣化、焚燒等技術(shù)，特別適合有機(jī)固體廢物的資源化。2第一節(jié) 熱解氣化概念與原理3一、熱解氣化的概念 1、熱解(pyrolysis)也稱作熱分解、碳化，在工業(yè)上也稱為干餾。 是指在無氧條件下，通過間接加熱使含碳有機(jī)物發(fā)生熱化學(xué)分解，生成可燃?xì)?、有機(jī)液體和固體殘渣的熱化學(xué)過程。4 2、氣化：在反應(yīng)器中通入部分空氣、氧或蒸汽，使有機(jī)物發(fā)生部分燃燒，產(chǎn)生的熱量用于加熱自身并使之發(fā)生分解，生成可燃?xì)?、有機(jī)液體和固體殘渣的熱化學(xué)過程。 氣化嚴(yán)格地講不應(yīng)該稱為熱解，而是部分燃燒（Part

2、ial-combustion）或缺氧燃燒（starved-air-combustion）。5 熱化學(xué)技術(shù)處理垃圾是在高溫下對有機(jī)固體廢棄物進(jìn)行分解破壞，實現(xiàn)快速、顯著減容的同時，對廢物中的有機(jī)成分加以利用， 近年來，有機(jī)固體廢棄物的熱解(或干餾技術(shù))受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。 熱解是一種古老的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)最早應(yīng)用于煤的干餾，所得到的焦炭產(chǎn)品主要作為冶煉鋼鐵的燃料。6 3、熱解氣化：固體廢物熱解是無氧或缺氧條件下，使固體物料中有機(jī)成份在高溫下分解，最終轉(zhuǎn)化為可燃?xì)狻⒂袡C(jī)液體和固體殘渣的熱化學(xué)過程。 4、熱解與氣化的區(qū)別： （1）外熱與自熱 （2）反應(yīng)和產(chǎn)物7 5、熱解和焚燒有的不同： （1

3、）焚燒需要充分供氧，物料完全燃燒。 熱解無需供氧或只需少量的氧，物料不燃燒或部分燃燒。 （2）焚燒是放熱反應(yīng); 熱解是吸熱反應(yīng)。 （3）焚燒產(chǎn)生大量的廢氣，其處理難度大，環(huán)保問題嚴(yán)重。熱解產(chǎn)生可燃低分子化合物,可燃?xì)猓偷取? （4）焚燒產(chǎn)生的熱量大的可以發(fā)電,小的可就近利用。 熱解產(chǎn)生的是燃料油和燃料氣，便于貯藏和遠(yuǎn)距離輸送。 9 6、熱解與焚燒相比有下列優(yōu)點(diǎn): （1）可以將固體廢物中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以燃料氣、燃料油和炭黑為主的貯存性能源； （2）由于是缺氧分解，排氣量少，有利于減輕對大氣環(huán)境的二次污染； （3）廢物中的硫、重金屬的有害成分大部分被固定在炭黑中； （4）由于保持還原條件，Cr3

4、+不會轉(zhuǎn)化為Cr6+； （5）NOx的產(chǎn)生量少。10二、熱解原理 1、基本原理 固體廢物熱解過程是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。包括大分子的鍵斷裂，異構(gòu)化和小分子的聚合等化學(xué)反應(yīng)，最后生成各種較小的分子。裂解和聚合等很多反應(yīng)是交叉進(jìn)行的。 總反應(yīng)式如下：1112有機(jī)物有機(jī)物加熱加熱無氧或缺氧無氧或缺氧G（H2、CH4、CO、CO2）+L（有機(jī)酸、芳烴、焦油）（有機(jī)酸、芳烴、焦油）+S （碳黑、爐渣）（碳黑、爐渣） 典型熱反應(yīng)： C + O2= CO2 + 408840kJ/kmol C + 1/2O2 = CO + 123217 kJ/kmol CO2 + C = CO - 162405 kJ/km

5、ol C + H2O = CO + H2 - 118821 kJ/kmol C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 75237 kJ/kmol 13 2、產(chǎn)物： 以氫氣、碳氧化物、甲烷等低分子碳?xì)浠衔餅橹鞯目扇細(xì)怏w。 以常溫下為液態(tài)的包括乙酸、丙酮、甲醇等化合物在內(nèi)的燃料油。 純碳和玻璃、金屬、土沙混合形成的碳黑。1415第二節(jié) 熱解氣化影響因素16 影響有機(jī)固體廢棄物熱解產(chǎn)物的因素有很多，如物料特性、熱解溫度、爐型、堆積特性、加熱方式、各組分的停留時間等，而且這些因素都是互相耦合的，形成非線性的關(guān)系。17一、熱解溫度 溫度是熱解過程最重要的控制參數(shù)。溫度變化對產(chǎn)品產(chǎn)量，成分比例有較大

6、的影響。 在較低溫度下有機(jī)廢物分裂成較多的中小分子，油類含量相對較多。 隨著溫度的升高，除大分子裂解外，許多中間產(chǎn)物也發(fā)生二次裂解，氣體產(chǎn)量成正比增加，而各種酸、焦油、炭渣產(chǎn)量相對減少。1819二、加熱速率 對熱解產(chǎn)物的生成比有較大的影響。通過加熱速率和加熱溫度的結(jié)合，可控制熱解產(chǎn)物中各組分的生成比例。 低溫低速：固體含量增加。 高溫高速：氣體組分增加。20三、加熱時間 物料在反應(yīng)器中的保溫時間決定了物料轉(zhuǎn)化率。 物料的保溫時間與處理量成反比例。保溫時間長，熱解充分，但處理量??；保溫時間短，則熱解不完全，但處理量大。21四、物料性質(zhì) 物料性質(zhì)如有機(jī)成分、含水率和尺寸大小等對熱解過程有重要影響。

7、 有機(jī)物成分比例大，熱值高，可熱解性較好，產(chǎn)品熱值高，可回收性好，殘渣少； 含水率低，干燥耗熱少，升溫到工作溫度時間短； 較小的顆粒尺寸促進(jìn)熱量傳遞，保證熱解過程的順利進(jìn)行。2223五、反應(yīng)器類型 不同反應(yīng)器有不同的燃燒床條件和物流方式。 一般來說，固定燃料床處理量大，而流化態(tài)燃燒床溫度可控性好。 氣體與物料逆流進(jìn)行有利于延長物料在反應(yīng)器內(nèi)滯留時間，從而可提高有機(jī)物的轉(zhuǎn)化效率；氣體與物料順流進(jìn)行可促進(jìn)熱傳導(dǎo)，加快熱解過程。24六、供氣供氧 空氣或氧氣作為熱解反應(yīng)中的氧化劑，使物料發(fā)生部分燃燒，提供熱能以保證熱解反應(yīng)的進(jìn)行。因此，供給適量的空氣是非常重要的，也需要嚴(yán)格控制。 由于空氣中含有較多的

8、氮?dú)?，供給純氧能提高可燃?xì)怏w的熱值，也增加生產(chǎn)成本。25第三節(jié) 熱解氣化工藝與設(shè)備26一、熱解氣化工藝分類27二、熱解氣化設(shè)備 一個完整的熱解工藝包括進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)器、回收凈化系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等幾個部分。熱解過程發(fā)生在反應(yīng)器中，因此熱解反應(yīng)器是非常重要的。不同的反應(yīng)器類型往往決定了整個熱解反應(yīng)的方式以及熱解產(chǎn)物的成分。 固定床 同向流 按燃燒 流化床 根據(jù)物料 逆向流 床條件 旋轉(zhuǎn)爐 與氣體相對 可分為 分段爐 流向 交叉流28幾種熱解反應(yīng)器 固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器 旋轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器 雙塔循環(huán)式反應(yīng)器雙塔循環(huán)式反應(yīng)器291 1、固定床反應(yīng)器（固定燃燒床反應(yīng)器）

9、、固定床反應(yīng)器（固定燃燒床反應(yīng)器）熱量由廢物燃燒部分燃燒所提供；逆流式物流方向，停熱量由廢物燃燒部分燃燒所提供；逆流式物流方向，停留時間長，保證了廢物最大程度地轉(zhuǎn)換成燃料；因氣體留時間長，保證了廢物最大程度地轉(zhuǎn)換成燃料；因氣體流速相應(yīng)較低，產(chǎn)生氣體中夾帶的顆粒物質(zhì)也比較少，流速相應(yīng)較低，產(chǎn)生氣體中夾帶的顆粒物質(zhì)也比較少，減少了對空氣污染的潛在影響。減少了對空氣污染的潛在影響。但存在一些技術(shù)難題，如有但存在一些技術(shù)難題，如有粘性的燃料需要進(jìn)行預(yù)處理；粘性的燃料需要進(jìn)行預(yù)處理；使其燃燒時不結(jié)成餅狀。使其燃燒時不結(jié)成餅狀。由于反應(yīng)器內(nèi)氣流為上行式，由于反應(yīng)器內(nèi)氣流為上行式，溫度低，含焦油等成分多，溫

10、度低，含焦油等成分多，易堵塞氣化部分管道。易堵塞氣化部分管道。30典型的固定燃燒床反應(yīng)器典型的固定燃燒床反應(yīng)器 1 Fuel In-Feed SystemThe metering bin is designed to provide short term fuel storage and to deliver a steady rate of fuel to the gasifier. The metering bin out-feed augers have a variable speed drive that deposits fuel into a horizontal auger c

11、onveyor where it is transferred to a vertical conveyor. The vertical auger pushes fuel into the base of the fuel pile inside the gasifier. A constant fuel pile height is maintained in the gasifier over the entire operating range.31 2 GasifierAs fuel enters the gasifier, it moves through progressive

12、stages of drying, pyrolysis, gasification and reduction to ash. Combustion air (20 - 30% of stoichiometric), steam and/or oxygen are introduced through the inner and outer cone into the base of the fuel pile. The process is maintained by simultaneous control of combustion air and fuel feed rate. Com

13、bustion temperatures in the fuel pile are tightly controlled and kept below the ash melting temperatures to ensure that there is no formation of “clinker” and that the ash flows freely.32 3 Automatic Ash Removal SystemAs partially processed fuel passes to the outer cone, it is reduced to non-combust

14、ible ash. The ash migrates to the grate at the base of the gasifier where it is removed intermittently through a set of openings. The openings are normally covered by a rotating plate fabricated with the same pattern of openings. When hydraulically activated, the rotating plate aligns its openings w

15、ith the fixed plate and the ash drops into two ash hoppers. Each ash hopper has two parallel augers to convey the ash to a collection conveyor and an enclosed ash bin.33 4 SyngasSyngas exits the gasifier at 500 700 . The syngas can be combusted in a close coupled oxidizer with the resulting flue gas

16、 directed to heat recovery equipment such as boilers, thermal oil heaters, air-to-air heat exchangers and turbines. Nexterra is also developing systems to directly fire syngas into industrial boilers, kilns, dryers and other equipment.342、流化床反應(yīng)器（流態(tài)化燃燒床反應(yīng)器） 在流化床中，氣體與燃料同在流化床中，氣體與燃料同流向相接觸；反應(yīng)器中氣體流速流向相接觸

17、；反應(yīng)器中氣體流速高到可以使顆粒懸浮，使得固體高到可以使顆粒懸浮，使得固體廢物顆粒分散，反應(yīng)性能更好，廢物顆粒分散，反應(yīng)性能更好，速度快。速度快。 此工藝要求廢物顆粒本身可此工藝要求廢物顆粒本身可燃性好；溫度應(yīng)控制在避免灰渣燃性好；溫度應(yīng)控制在避免灰渣熔化的范圍內(nèi)，以防灰渣融熔結(jié)熔化的范圍內(nèi)，以防灰渣融熔結(jié)塊。塊。 適應(yīng)于適應(yīng)于含水量高或波動較大含水量高或波動較大的廢物燃料，且設(shè)備尺寸比固定的廢物燃料，且設(shè)備尺寸比固定床小，但熱損失大，氣體中帶走床小，但熱損失大，氣體中帶走大量的熱量和較多地未反應(yīng)的固大量的熱量和較多地未反應(yīng)的固體燃料粉末。體燃料粉末。35 旋轉(zhuǎn)窯是一種間接加旋轉(zhuǎn)窯是一種間接加

18、熱的高溫分解反應(yīng)器。熱的高溫分解反應(yīng)器。 其主要設(shè)備為一個稍其主要設(shè)備為一個稍微傾斜的圓筒，在它緩慢微傾斜的圓筒，在它緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中使廢料移動旋轉(zhuǎn)的過程中使廢料移動通過蒸餾容器到卸料口。通過蒸餾容器到卸料口。蒸餾容器由金屬制成，而蒸餾容器由金屬制成，而燃燒室則是由耐火材料砌燃燒室則是由耐火材料砌36成。分解反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體一部分在蒸餾器外壁與燃燒成。分解反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體一部分在蒸餾器外壁與燃燒室內(nèi)壁之間的空間燃燒，這部分熱量用來加熱廢料。此室內(nèi)壁之間的空間燃燒，這部分熱量用來加熱廢料。此類裝置要求廢物必須破碎較細(xì)，尺寸一般要小于類裝置要求廢物必須破碎較細(xì)，尺寸一般要小于5cm5cm，以，以保證反應(yīng)進(jìn)行