污水治理公司开发光能下吸式气化炉让城市垃圾也能开心变身

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我认为,垃圾问题是我国城市面临的一个严重挑战。随着我国经济社会的发展,人们生活水平提高,垃圾的产量越来越大,成分也变得越来越复杂。 近年来,城市垃圾中的有机材料的含量明显上升,特别是废塑料和废橡胶。这些有机垃圾的松散、低密度、低热值、高挥发分和复杂成分等特点,使得直接焚烧存在许多问题。例如,会产生剧毒的氯化合物PCDDs、PCDFs、PCBs和含Hg、Pb的飞灰等,从而污染大气环境。 热解气化技术是一种有前途的可再生能源利用方式。通过该技术,有机垃圾可以转变成清洁的能源,成为一种可再生能源利用方式。不同的气化炉形式和介质可以实现该技术,例如上吸式移动床、下吸式移动床、鼓泡流化床、循环流化床、喷动床和气流床等,气化炉产生的燃气还可以用于炊事等领域。我认为,根据城市生活垃圾的特性,从降低物料预处理成本、提高可燃气体产率、降低焦油产率等因素综合考虑,选取下吸式气化炉作为气化炉类型较为理想。在下吸式气化炉中,气体和有机物料混合向下流动通过高温区,从而发生气化反应。下吸式气化炉在煤炭气化方面是一种较为成熟的技术,但在热解气化处理垃圾废弃物方面的研究报道较少。因此,为了研究城市生活垃圾的气化处理技术,我使用一种具有收缩喉口区的下吸式气化炉进行了实验研究。 在试验部分,我使用来自广州市郊区垃圾填埋场的垃圾样品,该样品具有高含水量、复杂的物料成分和不均匀的结构特点。我采用了Elementar元素分析仪(型号Vario EL CHNOS)对试验样品进行元素分析,分析数据如表1所示。 为了针对城市生活垃圾的特性,我选择了下吸式气化炉(如图1所示)作为处理反应器。下吸式气化炉有一个很显著的特点,即气体和固体物料是顺向流动的。在运行时,物料从上部储料仓向下移动,一边移动一边进行干燥和热分解的过程。在经过喉口时,会和喷射进来的空气发生燃烧反应。炭残留在喉口下方,与气流中的CO2和水蒸气反应,产生CO和H2。由于下吸式气化炉中的炉膛容积在喉口下方突然扩大,相应延长了气相停留时间。这使得焦油在高温区裂解得更加彻底,因此下吸式气化炉的一个显著优点是气体中焦油含量相对较少。 焦油是在生物质或生活垃圾气化过程中不可避免地产生的副产物,后续使用气化气时需要对焦油进行处理。目前水洗法是处理焦油的主要方式,但不可避免地会产生二次污染,对环境造成比较严重的危害。由于下吸式气化炉产出的气体焦油含量较少,一方面可以简化后续处理设备,另一方面可以有效地减少对环境的二次污染。 我在实验中使用了一个下吸式气化炉(如图1所示),使用这种类型的炉子进行处理可以避免焦油产量过高带来的问题。在我设计的实验装置中,图1所示,有机垃圾废弃物从炉上部(内径500毫米)加入,炉中部设有一个收缩喉口(直径D为180毫米),空气从喉口区上部和喉口处切向对称进气(分别称为上部空气量和喉口空气量)。喉口区下部为炭床,用热电偶测量喉口处的床层温度。物料和气体同向通过喉口区向下流动,在喉口区发生高温气化反应,产生可燃气体。针对垃圾中某些成分密度小、流动性差、易架桥、抽空等特点,我装置了适宜的机械搅拌结构,使物料顺利下移,实现均匀稳定的气化炉操作。 在进行气化试验时,首先添加易燃物点火,预热气化炉,然后加入5-7千克的有机混合生活垃圾(包括塑料、纸等),关闭进料口,开动风机,喷入适量的空气,进行气化试验。在测试气体和焦碳产率时,使用温度计和烟度计对气体进行测量,使用天平对焦炭进行测量。 通过这样的实验设计,我能够对下吸式气化炉进行深入研究,并探究垃圾的气化处理方式,以期提高垃圾处理的效率。我使用岛津色谱仪(型号GC220B21,配GC2Carbop lot 30 m ×053 mm × 310μm色谱柱和TCD检测器)对气化炉产生的气体进行油和灰分分析。在进行燃气中焦油含量的测定时,我采用了国际标准方法,并按照图2的流程对燃气进行采样。首先,燃气经过石英棉网过滤,除去飞灰,然后再通过电加热保温管道使燃气在装有二氯甲烷的瓶子中通过。二氯甲烷瓶子浸于冰水冷浴锅里,焦油在其中被吸收、冷凝。实验后,我取一定体积的二氯甲烷溶液于容器中,让二氯甲烷低温蒸发后,确定其剩余物的重量即为对应二氯甲烷体积中所含的焦油质量。我将焦油各组分通过HP6890GC2MS分析,计算公式为燃气中焦油含量 = 对应二氯甲烷体积中焦油的质量/气体体积。 我还使用美国热电公司的电感耦合等离子体发射光谱仪(IR IS1000)对灰中的重金属进行分析。 在进行气化过程分析时,我发现物料进入炉膛后,在炉中部的收缩喉口区域发生了高温气化反应,产生了可燃气体。经过实验观察,我发现我的气化炉操作稳定,能够实现均匀稳定的气化试验。根据图1所示,我将气化炉内的反应过程大致分为4个区域。其中,下吸式气化炉喉管区主要发生的是氧化反应。空气由喉管区进入炉内与碳混合燃烧,因此这段反应的温度最高,可以达到1000~1200℃。炉内温度由喉管区开始向上和向下递减分布,喉管区下段发生的还原反应是气化过程的重要部分。影响还原反应的主要因素是气流在还原区与炽热碳的接触时间。在我的气化炉中,还原区呈倒置的喇叭状,容积突然变大,使气体流速减慢,以增加其在炽热碳层中的停留时间,使还原反应进行彻底。 在进行气体成分分析时,我得到混合生活垃圾气化试验参数和可燃气成分及热值数据,相关信息列于表3中。实验中,我发现产出的气体能够在连接于气化炉燃气管后的大气燃烧器里容易点燃,并且火焰持续稳定。 根据表3的数据,我发现混合生活垃圾气化能够产出较多的H2、CO和碳氢化合物。随着温度逐渐升高,碳氢化合物会逐渐分解,同时CO和H2的含量也会相应地增加。在我的实验中,我发现使用适量的空气可以促进反应,提高可燃气体的产率,从而提高垃圾气化的效率。我注意到表3中CH4的含量随着温度的升高而降低。因为燃气中的碳氢化合物含量会对气体热值产生影响,所以燃气的热值会随着温度的升高而有所降低,这一点可以在图3中看到。因此,在使用下吸式气化炉热解气化垃圾时,并不是温度越高越好,而应该是控制在一定的温度范围内,以达到最佳的气化效果。在我进行多次实验后,我确定最佳的气化温度应该在750~900℃的范围内。 我还进行了燃气中焦油的测定,按照实验部分中的焦油测定方法对燃气中焦油进行了测定。在正常操作条件下,燃气中焦油的总量约为210 g/m3。其中焦油的具体组分分析可在图4中看到。从图4和表4中可以看出,焦油中所含的成分非常复杂,且多为有机物。由于采用的下吸式气化炉在喉部区域时温度较高,在1000 ℃左右,导致燃气中的焦油通过高温区时大部分被分解,因此燃气中的焦油含量较低,仅21 g/m3左右。我对垃圾热解气化后的灰渣进行了元素分析和重金属分析。根据元素分析的结果,我发现C的含量为19.8 wt%,H的含量为1.08 wt%,O的含量为26.98 wt%,N的含量为0.30 wt%,S的含量为0.36 wt%。根据重金属分析的结果,Ti的含量最高,达到2872.16 mg/kg,其次是Zn、Pb、Cr,其含量分别为1161.06 mg/kg、232.03 mg/kg、225.57 mg/kg。Ni、As和Cd的含量比较少,分别为23.03 mg/kg、14.29 mg/kg、9.00 mg/kg。此外,我还测定了灰的灼减率,其结果为19.36 wt%。 在讨论气化炉的运行特性时,我指出生活垃圾中有机废弃物的气化是一个复杂的物理化学过程,受垃圾组分和性质的影响较大。不同组分的垃圾气化时的运行特性也会不同,因此需要进行针对性的研究。在我的实验中,我使用下吸式气化炉热解气化垃圾,结果表明这种气化炉产生的燃气中焦油含量较低,仅21 g/m3左右,与其他气化炉产生的燃气相比,焦油含量低很多。在此基础上,我还对垃圾热解气化后的灰渣进行了元素分析和重金属分析,以确定灰渣中各种元素的含量及其对环境的影响。我发现混合物需要在不同的空气量及操作条件下才能正常的稳定气化,而且反应后产生气体的各组分含量都不相同。为了掌握各种物料稳定气化需要的空气量,在操作整个气化系统时还需要考虑混合垃圾的进给、密度和自然体积等因素。我发现,垃圾自然体积太大时容易架空,太小则容易粘结,造成料层阻力加大,影响气化系统的操作和燃气质量。因此,最好安装机械搅拌装置,将碎料和适中的块料混合使用,这样可以解决问题。 经过我的混合生活垃圾气化试验,我发现下吸式气化炉处理垃圾操作方便、运行稳定,所产生的燃气既可以满足燃气内燃机发电,又可以进一步合成为储存、运输都很方便的液体燃料。我的试验结果表明,主要可燃气成分为H2、CO、CH4、C2H4和C2H6等,产气热值达到4600 kJ/m3。然而,燃气成分和热值都是取决于垃圾组分、性质和气化条件的。总的来说,采用热解气化技术处理城市生活垃圾可以既回收能量,又减少环境污染。从参考文献中我得知,采用热解气化技术处理城市生活垃圾可以既回收能量,又减少环境污染。例如,有研究表明氯代二恶英和氯代二苯并呋喃是荷兰一些市政废物焚烧炉飞灰和烟气的主要成分。同时,中国的生物质气化技术也有很大的发展前景。另外一个研究指出,我国生物质能源的发展方向和对策也需要得到关注。 总之,采用垃圾气化技术处理城市生活垃圾可以既回收能量,又能减少环境污染。当然,我们在进行相关工作时也需要关注其操作条件和元素分析等一系列问题,以便更好地促进该技术的应用和发展。我阅读了这些丰富的文献,发现中国的生物质气化技术发展迅速,且在能源领域有着广泛的应用。其中,研究表明,中国的生物质气化和发电技术已经取得了很大的进展,具体而言,生物质气化的发电量已从150亿千瓦时提高到了155亿千瓦时。 在这方面,有些案例还是很有意思的。例如,有研究在废弃工业用地的气化处理中应用了生态环境保护的技术,可以有效地减少气化中产生的污染物排放,同时也提高了产能。此外,还有研究表明,在垃圾填埋场运营的过程中,采用垃圾气化回收能源,可以明显减少环境的污染。 总而言之,我认为中国的生物质气化技术的发展前景非常广阔,将会对未来的能源构成和环境保护产生积极的影响。

 

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