（热能工程专业论文）一种气化数学模型及木屑的高温气化试验.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 围绕“生物质高温气化技术研究”( n o 2 0 0 1 a a 51 4 0 1 3 ) 和“城市生 活垃圾高温气化处理工艺研究”( 与湖南株洲火炬工业炉公司合作) 课 题，建立气化数学模型，并进行热态试验研究，以优化和完善高温空 气燃烧一高温气化一体化系统，开发新能源，缓解环境污染压力，提 高我国低品位、低密度、低热值固体燃料能源集中利用的水平。 基于物料平衡、能量平衡和化学平衡分析，建立了一种气化数学 模型。针对木屑、秸秆、稻壳和棉柴四种生物质，利用该模型系统地 研究了气化剂温度和水蒸汽添加率对气化结果的影响。研究表明：气 化剂温度在9 0 0 1 3 0 0 范围内，合成燃气热值、气化效率随着气化 温度提高而提高，温度每提高1 0 0 ，热值提高0 2 5 - 0 3 2m j n m 3 ， 其中松木屑合成燃气的热值提高了2 2 4 1 ，达到7 1m j n m 3 ；合成 燃气热值、气化效率随着水蒸汽添加率增加而提高，水蒸汽添加率每 增加1 0 ，热值提高0 4 6 - - 0 5 3m j n m 3 ，对1 1 0 0 气化剂，水蒸汽 添加率增加到6 0 时，松木屑合成燃气热值提高了4 4 8 7 ，为 9 6 m j n m 3 ；相对高温纯空气气化，对松木屑采用1 3 0 0 纯氧气化， 燃气热值提高了8 3 9 4 ，为1 3 1m j n m 3 ，达到中热值水平；与文献 报道的气化试验对比，该模型能较准确地预测气化反应结果，通用性 强，为气化炉操作参数优化提供理论依据。 为探讨高温气化装置产生合成燃气的可行性，验证气化数学模型 的准确性，对气化装置进行改进，增设了气化器自身加热器，进行了 木屑高温空气气化热态试验。试验表明：利用自身加热器可以快速的 将炉内温度升高到1 2 0 0 。c ，满足高温气化的要求；合成燃气c 0 2 和 c x h y 含量及热值随温度的变化规律与模型相一致，证实了高温气化有 利于提高合成燃气热值；气化反应温度为1 0 0 0 。c 时，获得了热值为6 1 9 m j n m 3 的合成燃气。 探讨了压力对高温气化性能的影响。研究表明：随着气化压力的 提高，气化反应速度加快，合成燃气中c o 和h ：含量减少，c h 4 含 量增加( 反应压力从l a t m 提高到2 0 0 a t m 时，c h 4 含量从0 0 6 提高 到5 6 6 ) ，未分解的水蒸汽量增加；压力对高温气化燃气热值影响 不大。 关键词：气化数学模型，生物质，高温气化，高压气化 中南大学硕士学位论文 a b s t r c t a b s t r c t t h i sr e s e a r c hh a sb e e ni m p l e m e n t e da so n eo fa c t i v i t i e so fp r o j e c t s “r e s e a r c ho nh i 【g ht e m p e r a t u r ea i rg a s i f i c a t i o nf o rb i o m a s s ”( 8 6 3s c h e m e ， n o 2 0 0 1 a a 5 1 4 0 1 3 ) a n d “r e s e a r c ho np r o c e s so fh i l g h - t e m p e r a t u r e g a s i f i c a t i o nf o rm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ”( i n v e s t e db yz h u z h o u t o r c hi n d u s t r i a lf u r n a c ei n c ，h u n a np r o v i n c e ) t oo p t i m i z e t h e p e r f o r m a n c eo fs y s t e mi n c l u d i n gt h eh i g h - t e m p e r a t u r ea i rg e n e r a t o ra n d h i g h t e m p e r a t u r eg a s i f i e r , a n dt op r o m o t et h el e v e l o fc o l l e c t i n ga n d u t i l i z i n gl o w - h e a tv a l u ea n dl o w - d e n s i t ye n e r g yf r o mm s w ：b i o m a s sa n d l o w h e a tv a l u ef u e l i no u rc o u n t r y , an e wm a t h e m a t i cm o d e lo f g a s i f i c a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dh o tg a s i f i c a t i o nt e s t sh a v eb e e n c a r r i e do u t b a s e do nm a t e r i a lb a l a n c e ，e n e r g yb a l a n c ea n dc h e m i c a le q u i l i b r i u m ， t h em a t h e m a t i cm o d e lo fg a s i f i c a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h em o d e l c a l lb ea p p l i e dt oa l lk i n d so fs o l i df u e l t h ee f f e c t so fb i o m a s ss p e c i e s ， a i rt e m p e r a t u r ea n df r a c t i o no fs t e a mi nt h ef e e dg a so ng a s i f i c a t i o nh a s b e e nr e s e a r c h e d t h ec o n c l u s i o n sa r es h o w na sb e l o w ： a t9 0 0 1 3 0 0 t h eh i g h - h e a t v a l u e ( i - i h v ) o fs y n g a sa n d g a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fg a s i f i c a t i o n t e m p e r a t u r e w h e na i rt e m p e r a t u r e i n c r e a s e sb y1 0 0 ，t h e h h vo fs y n g a si n c r e a s e s b y 0 2 5 - 0 3 2m j n m a st h e g a s i f i c a t i o no fp i n es a w d u s ta sc o n c e m e d t h eh h vo fs y n g a s i n c r e a s e sb y2 2 4 1 w h e ng a s i f i c a t i o nt e m p e r a t u r er i s e sf r o m 9 0 0 t o1 3 0 0 a n dr e a c h e s7 1m j n m a t1 3 0 0 t h eh h vo fs y n g a sa n dg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s ew i t h t h e i n c r e a s eo ff r a c t i o no fs t e a mi nt l l ef e e dg a s w h e nt h e f r a c t i o no fs t e a mi nt h ef e e dg a si n c r e a s e sb y10 ，t h eh h v o f s y n g a s i n c r e a s e s b y 0 4 6 - 0 5 3 m i 仓i m c o n c e r n i n g t h e g a s i f i c a t i o no fp i n es a w d u s ta t l1 0 0 w h e nt h ef r a c t i o no f s t e a mi nt h ef e e dg a si n c r e a s e st o6 0 t h eh h vo fs y n g a s i n c r e a s e sb y4 4 8 7 a n di sc l o s et om i d d l eh e a tv a l u e c o m p a r e dw i t hh i g ht e m p e r a t u r ea i rg a s i f i c a t i o n ，w h e n t h e i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r c t o x y g e ni su s e da sg a s i f y i n ga g e n tf o rg a s i f y i n gp i n es a w d u s ta t 1 3 0 0 。c t h e 唧vo fs y n g a si n c r e a s e sb y8 3 9 4 a n dr e a c h e s m i d d l eh e a tv a l u e t h em o d e lc a nf o r e c a s tt h er e s u l t so fg a s i f i c a t i o nr e a c t i o n h o tg a s i f i c a t i o nt e s t sf o rs a w d u s th a v eb e e nc o m p l e t e d t h r o u g ht h e n e wm e t h o d so fs e l f - h e a t i n g ，t h et e m p e r a t u r ei n s i d et h e g a s i f i e rc a n q u i c k l yi n c r e a s et o 12 0 0 。ca n de n s u r eh i g h t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o n r e a c t i o n s t h ee x p e f i m e n t a lr e s u l t so fh e a tv a l u ea n dt h ec o n t e n to fc 0 2 a n dc x h 。a c c o r dw i t ht h eo n e sf r o mt h em o d e l t h ef a c tt h a t h i 曲一t e m p e r a t u r ea i rg a s i f i c a t i o nc a l lm a k et h eh h v o fs y n g a sh i g h e ri s p r o v e d w h e ng a s i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ei s1 0 0 0 * c t h es y n g a sw i t hh h v o f 6 1 9m j n m 5h a sb e e ng a i n e da tt e m p e r a t u r eo f1 0 0 0 t h ee f r e c to ft h ep r e s s u r eo nt h eg a s i f i c a t i o nr e a c t i o nh a sb e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ep r e s s u r ei n c r e a s e s ，t h eg a s i f i c a t i o n r e a c t i o nr a t ew i l lb ef a s t e lt h ec o n c e n t r a t i o no fc oa n dh ，r e d u c e t h e c o n c e n t r a t i o no fc i - hi n c r e a s ea n du n d e c o m p o s e dv a o o ri n c r c a s e w h e n t h ep r e s s u r ei n c r e a s e sf r o m1t o2 0 0 a t m t h ec o n c e n t r a t i o no fc h 4w i l l i n c r e a s ef r o m0 0 6 t o5 6 6 p r e s s u r eh a sl i t t l ee f f e c to nt h eh e a tv a l u e o fs y n g a s k e y w o r d s ：m a t h e m a t i cm o d e lo fg a s i f i c a t i o n ，b i o m a s s ， h i g ht e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o n h i g hp r e s s u r eg a s i f i c a t i o n 1 1 1 中南大学硕士学位论文原创性声明 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：丕垄1 3日期：趁旦五年兰月立日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 逞竺兰日期：碰年至月日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 从课题来源和意义出发，介绍国内外低热值固体燃料开发利用方式及现状，与国内外垃 圾焚烧气化等工艺对比，阐述生高温气化工艺的优越性，介绍常用的气化研究方法、研究 现状及全文： 作。 高温空气气化技术【”1 ( h i g ht e m p e r a t u r ea i rg a s i f i c a t i o n ，h t a g ) 是上世纪9 0 年代发展起来的能源利用领域的高新技术。h t a g m e e t 气化系统由于采用了高 温空气气化工艺和新型的气化炉，因此而具有很多特点。采用高温空气进行燃气 化，可以处理各类热值的燃料，包括低热值煤、工业废弃物、城市生活垃圾以及 生物质等，而且产出的燃气热值较高；燃气中焦油含量少和灰尘含量低；反应的 二恶英和n o x 生成受到抑制：结构简单、经济性好等卜”】。随着旨在遏制全球气 候变暖的京都议定书于2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效，h t a g 将具有更大的市 场潜力。 1 1 课题来源和意义 随着经济的发展，我国城市生活垃圾产生量不断增长，1 9 9 8 年的产量达到 了1 5 1 0 8t ，并以每年8 0 一1 0 的速度增长【“】。然而目前城市生活垃圾的处理 率只有5 7 3 其中无害化处理和资源化利用率则更低，大量城市生活垃圾露天 堆放或简易填埋处理，“垃圾围城”现象在全国各大城市十分普遍，对环境造成巨 大危害。即使部分城市采用传统的焚烧工艺来处理，但存在适应性差、燃烧稳定 性不好，热利用效率低以及产生二次污染等问题【l2 1 。我国是煤炭大国，但很多属 于低热值的劣质煤，一般用于直接燃烧，热效率低，而且造成严重的环境污染。 我国是农业大国，生物质燃料分布极其广泛，总量也十分巨大，仅农村每年产生 的生物质燃料可折合2 7 1 0 9t 标准煤，占农村总能耗4 0 左右，其中秸秆产量超 过7 1 0 8t ，谷壳4 1 0 7t 1 3 - 1 6 。但是，目前生物质利用程度不高，利用率也很 低，大量的生物质燃料被白白浪费。全国有近一半的秸秆在田间直接焚烧，木材 加工、木制品生产产生的大量木屑、锯木等被废弃，食品加工产生的壳、皮等被 当作垃圾填埋【1 7 , 1 8 1 。近年来，我国政府也意识到了开展生物质气化利用的重要意 义，在“七五”、“八五”及“九五”期间，均把生物质气化技术的研究与开发列为国 家重点科技攻关项目。我国在部分地区、部分领域进行了生物质燃料利用的研究 和推广工作，但在不同程度上存在着某些技术经济问题，有待进一步解决i l 。气 化将成为今后生物质燃料利用总的发展趋势。利用高温空气气化技术处理诸如城 中南大学硕士学位论文第一章绪论 市生活垃圾、部分工业垃圾、医疗垃圾、生物质废料、造纸厂污泥以及低热值煤 等固体废弃物，不仅可有效地处理这些废弃物，而且可以实现资源化利用，变废 为宝1 2 0 | 。高温空气气化技术具有结构简单、紧凑，操作灵活，气化效率及系统热 效率高，经济性好等特点，是项值得推广应用的新气化技术，将具有极大的市 场潜力i l j ，4 j 。 本课题来自国家“十五”8 6 3 计划项目“生物质气化发电优化系统及其示范工 程”的子课题“生物质高温气化技术研究”，该子课题的研究目的是：探索高温气 化技术生产中热值合成燃气的可能性和可行性。 1 2 国内外低热值固体燃料开发利用方式及现状 1 2 1 低热值煤能量利用 煤作为燃料已有很久的历史，其利用方式通常有直接燃烧，液化和气化。其 中煤气化是清洁、高效利用煤的一种重要途径【2 “。上世纪7 0 年代以来发达国家 加快了新一代煤气化技术的开发和工业进程。固定床、流化床和气流床等几种不 同类型的煤气化技术均取得了较大的发展和较好的效果1 2 ”。固定床常见有间歇式 气化和连续式气化两种；流化床常见有温克勒、灰团聚、循环流化床和加压流化 床等：气流床以德士古( t e x a c o ) 和谢尔( s h e l l ) 为代表【2 。近2 0 年来，我国 煤气化科研和先进技术开发方面取得了引人注目的成效。1 9 8 8 年，中国科学院 能源研究所的汤健中申请了“煤的高温气化法”发明专利f 2 ”。江苏理工大学与郑州 永泰能源有限公司共同开发了f m i 6 型常压间歇流化床气化炉。分别于1 9 9 8 年、 1 9 9 9 年应用于郑州和南阳城市煤气站，生产城市燃气。2 0 0 0 年又推出了f m 2 5 型炉，并设计用于生产合成气田j 。中国科学院山西煤炭化学研究所从2 0 世纪8 0 年代开始研究“灰熔聚流化床煤粉气化技术”，目前己可以进行大型工业化装置的 设计工作。现在正在进行加压( 1 1 5 m p a ) 实验，并取得了一定的经验和成果j 。 然而，针对低热值劣质煤气化效果比较好的装置还没有研制出来。 1 2 2 城市生活垃圾能量利用 城市生活垃圾处理已成为世界各国面对的共同课题。常见的处理方式有：填 埋、堆肥、热解、焚烧等 2 “。目前普遍认为焚烧法处理垃圾是实现减量化最快捷 有效的技术方法，同时能够彻底消除有害细菌和病毒，并可回收能量f 2 7 捌j 。国外 最早进行垃圾焚烧技术研究开发的是德国。第一代垃圾焚烧炉基本上以炉排层燃 方式为主，少量采用回转窑和流化床方式。第二代垃圾焚烧工艺技术路线均是低 温气化加高温熔融焚烧【2 9 1 。德国目前已有5 0 余座从垃圾中提取能量的装置及十 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 多家垃圾发电厂。法国巴黎有4 个垃圾焚烧厂，年处理量1 7 x 1 0 6 t ，占全市垃圾 总量的9 0 。美国从8 0 年代起，政府投资7 0 亿美元，兴建9 0 座焚烧厂，年处 理能力3 0 x 1 0 6 t 。日本已有垃圾发电厂1 3 0 多座。丹麦、瑞典等国也有类似的焚 烧发电厂。1 9 8 5 年深圳首次引进日本三菱公司的1 5 0t d 垃圾焚烧炉以来，目前 已有杭州、中山等城市有垃圾发电厂建成投产。到2 0 1 0 年，我国将建有各类垃 圾能源工厂1 5 0 2 0 0 座p 。昆明理工大学和东南大学正在开发适合我国垃圾特 点的第二代垃圾焚烧炉【3 l 3 2 】。 1 2 3 生物质能利用 1 2 3 1 生物质能利用方式 由于近代科学技术的发展和全世界对改善地球环境呼声的高涨，因而这些年 来，生物质能在向高效、节能和综合利用的高层次利用方面取得很大的进展。按 利用方式可分为：直接燃烧利用、热化学转化和生物转换。生物质能转化技术途 径如图1 1 所示f 3 甜。 图1 - 1 生物质能转化技术途径 1 2 3 2 国内外生物质能开发利用现状 国外生物质能开发利用是从7 0 年代末期开始的，现在已有很大进展。目前，直 接燃烧秸秆的先进设备已投放市场，生物质供热、发电或热电联供己成为现实口7 捌。 在厌氧方面，中温和高温下的产气率可达5m 3 ( m 3 d ) ，百千瓦级的沼气发电机组 每立方米发电量可达1 4 2 6 ( k w h ) ，发电效率高达3 8 。在热解气化技术方面 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 已有多项技术设备进入商品化阶段。如荷兰b t g 开发成功的生物质热解产气率 达6 6 ；德国、美国等开发出自动化程度相当高的家用生物质气化炉用于用户热 水和供暖；产热量达o 6 3 2 1x 1 0 7 k j h 的大型生物质气化装置也已开发成功【3 5 _ 3 7 1 。 日本利用高温空气气化技术已建成规模为15 “d 的s t a r - m e e t 工厂，并于2 0 0 2 年投入运行 7 , 1 0 1 。自1 9 9 8 以来，继日本、美国之后外，瑞典、意大利、丹麦、奥 地利等国也已投巨资用于高温空气气化技术的研究。生物质的加压气化已在瑞典 的v a r n a m o 电厂进行示范? 另一个生物质气化演示项目是英国的a r b i l e 电厂， 以木材林和薪材林提供的木材碎片作燃料，发电能力为1 0 m w ，采用高效的联合 循环将木材转化为燃气。常压气化产生的生物质燃气可用来取代大型煤粉锅炉的 部分用煤，这项技术已在芬兰、荷兰及澳大利亚等国使用。表1 - 1 列出了几种国 外开发的生物质热解气化系统【3 。 表卜1国外几种生物质热解气化发生系统 从“六五”以来，我国对生物质能的利用先后进行了研发，取得了一定的成绩， 在厌氧消化方面，目前国内处理有机废弃物的沼气示范工程已有6 0 0 多处，总池 2 x 1 0 5 m 3 ，年产沼气1 1 0 8 m 3 左右，经过1 0 多年的研究开发，厌氧消化技术已经 取得了较大进展，例如猪粪中温厌氧消化u s r 装置产气率达到2 2 m 3 ( m 3 d ) 3 6 , 3 9 。在热解制油方面，浙江大学开展了液化机理性试验研究，并于九 十年代中自行研制开发了国内第一台小型生物质流化床闪速热裂解试验装置【4 0 j ， 东北林业大学研制了稚式生物质中温闪速热解液化装置”“。在热解气化方面，低 热值的n d 4 0 0 、6 0 0 、9 0 0 型秸秆气化装置相继研制成功并投放市场，建立了1 0 0 多个气化集中供气村。其研究和应用现状如表1 2 所示 4 2 1o 另外以生物质能利 用技术为核心的综合利用技术模式由于明显的经济和社会效益面得到快速发展。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 2 我国生物质气化装置应用现状 气化炉类型 直化炉1气化k“8“度 “+ “1 m 功率j h , 径m mm jh1 应用情况研觯位 l1 0 0 2 4 02 9生产供热广州能源所 上吸式 1 0 0 01 8 0 1 6锅炉供热南京林化所 4 0 0 2 0 00 3发电中国农机所 6 0 02 0 0 0 6 6木材烘干中国农机所 下吸式 9 0 02 0 01 4 9 锅炉供气中国农机所 6 0 02 0 0o 6 6生活用气山东能源所 2 0 0 01 5 0发电 商业部等 层式下吸式 1 】0 01 5 0 发电江苏粮食局 2 0 03 9 8 发电广州能源所 循环流化床中 4 0 02 0 0 04 2锅炉供气 广州能源所 热值气化装置 1 5 02 0 0 0 0 6 7居民供气 1 3 高温气化工艺 1 3 1 高温气化与传统气化对比 传统的固体燃料气化工艺常采用固定床气化和流化床气化，气化剂采用中低 温空气，气化效果不是很理想 4 3 , 4 4 1 。同时气化燃料范围小，一般是成块木材和煤， 不适用于含水量高的品质差的生物质和城市生活垃圾，限制了其应用范围。富氧 或纯氧气化，尽管能够提高燃气热值和气化效率，但需要空气分离装置，动力消 耗大、系统复杂，总体经济效益不高。 针对煤的气化，汤健中申请了“煤高温气化法，专利【2 5 】。该工艺以1 0 0 0 - - 1 6 0 0 的高温空气水蒸汽混合气代替氧气水蒸汽作煤的气化剂，生产廉价的燃料气和 原料气。高温气化剂中蒸汽体积含量占4 0 0 一7 5 ，用在流化床气化炉中气化效 果最佳。高温气化剂是利用蓄热式热风炉预热的，热风炉的燃料则由气化炉自产 煤气供给。该气化法具有如下优点：可使空气水蒸汽气化的煤气热值提高到氧 气气化的水平；投资和制气成本与氧气法相比可大幅度降低；加压气化动力费可 得到显著节约。该工艺也存在一些不足，如只针对煤气化，气化燃料范围小，对 低热值劣质煤，气化效果也不是很理想。限制了其应用范围。 针对日益严重的城市生活垃圾处理问题，上世纪8 0 年代末9 0 年代初出现了 将传统的生活垃圾焚烧技术的飞灰和炉渣进行高温熔融处理以分解其中的二恶 英毒性物的垃圾焚烧+ 灰渣熔融处理的新技术【4 5 ，4 “，之后出现了将生活垃圾先在 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 4 5 0 6 0 0 的条件下进行气化，形成易燃烧的可燃气体和易于铁、铝等金属回收 的残留物，再在另一熔融炉中进行可燃气体焚烧和抑制二恶英产生的高温熔融处 理的垃圾气化+ 气化残留物熔融处理的新技术，和将垃圾的气化和气化残留物熔 融处理置于一台炉子中进行的生活垃圾直接气化熔融焚烧技术1 4 ”。气化熔融技术 将焚烧和熔融溶为一体，相对传统的焚烧+ 灰熔融处理而言，气化熔融在控制二 恶英排放、减容性、物质回收的方面更具吸引力。气化熔融技术的特点主要包括： 彻底的无害化、显著的减容性、广泛的物料适应性、高效的能源回收性等【4 8 i o 后面两种新技术属于第二代垃圾焚烧技术，其主要特征：将低温气化和高温 熔融焚烧技术相结合。国外有三种典型的工艺技术路线：移动床气化炉方式：回 转窑气化炉方式；流化床气化炉方式。三种类型的垃圾焚烧炉还存在一些不足之 处。如移动床气化炉方式要在炉底部形成1 7 0 0 1 8 0 0 的高温区，因而难免要使 用焦碳等辅助燃料，因此使运行费用上升，同时移动床气化炉方式会导致气体在 上升过程中产生偏流，对稳定运行不利；回转窑气化炉方式采用传热效率差的外 部加热法，导致炉子尺寸偏大，投资费用增加：流化床气化炉方式没有设置脱除 酸性气体装置，将造成余热锅炉高温腐蚀，直接影响气化效率。三种焚烧炉的共 同特点就是设备复杂，投资和运行费用高，因而限制了其在我国推广应用。 昆明理工 大学开发了一 种昆工式城市 生活垃圾直接 气化熔融焚烧 技术1 。其工 艺流程示意图 如图1 2 所 示。该技术的 最大特点是不 用价格贵的焦1 给耕机2 气化燃烧妒3 = 次燃烧室4 余热锅炉5 蒸汽过热器 炭，而是采用 6 锅炉汽包7 发电机8 - 风机 9 空气预热器1 0 一省煤器 从炉膛底部随篙黧犍豢龃嚣撼茎塔麓昙 富荤c 或是空气 2 1 辅助燃料2 2 燃料与一次空气23 飞灰 2 4 无害化处理的飞灰 一道向炉内喷 入煤粉，进行 图卜2 昆工式城市生活垃圾直接气化熔融焚烧技术工艺流程示意图 垃圾直接气化熔融焚烧处理。工艺流程为：将配好料的垃圾置于温度为 1 3 5 0 - - - t 5 0 0 c 、炉内气氛为还原性的气化熔融炉中进行处理，过剩空气系数一般 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 控制在0 6 左右，辅助燃料视垃圾成分或热值的情况而定；可燃气体产物进入二 次旋风燃烧室完全燃烧后进行余热发电：熔融渣和金属从一个渣口中排出并被水 急速冷却，经分选机分选出金属和无机残渣后再生利用。该炉的基建投资和运行 费用比国外所研制的垃圾直接气化熔融炉要低得多。 东南大学开发出适合我国垃圾特点的第二代垃圾焚烧炉。其工艺流程如图 1 3 所示【2 训。垃圾经预处理后送入到全封闭振动流化床干燥器，加料器将干燥后 的垃圾送入循环流化床低温气化炉，气化炉温度控制在6 0 0 c ，在气化过程中向 回料器中加入石灰石等吸附剂定向脱除氯、氟、硫等污染物；气化炉排出的含灰 可燃气体进入高温熔融焚烧炉，在高温焚烧过程中将二恶英彻底分解，同时将绝 大部分飞灰熔融固化；高温烟气经余热锅炉产生蒸汽，蒸汽进入汽轮发电机组产 生电能；烟气然后通过空气预热器，预热后的空气进入气化炉、熔融炉作为燃烧 气，随后烟气进入净化器处理，达到高要求的排放标准后排空。 图l 一3 第二代垃圾焚烧炉系统流程因 该低温气化和高温熔融焚烧技术和设备具有以下优点：垃圾适应性广，由于 采用了全封闭惰性介质振动流化床干燥器和循环流化床低温气化炉等设备，对垃 圾随季节波动和垃圾预处理要求不高，尤其对高水分、低热值特别适合，符合我 国垃圾水分高，随季节波动性大，且垃圾未能有效分类的国情；气化熔融炉可将 二恶英和重金属等二次污染降低到最大限度；物料循环可提高脱氯脱硫脱氟和气 化效率；低温热解可以使某些重金属( 如镉、铅等) 留在残渣中，同时对回收金 属，特别是低熔点金属( 如铝) 有利，同时缺氧条件可有效抑n - - 恶英生成；设 备紧凑，易于大型化。 上面国内开发的两种垃圾焚烧气化工艺尚在研究阶段，还没有实现工业上的 应用，技术还不成熟。其主要用于处理垃圾，缺点是结构复杂，投资和运行费用 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 都比较大。 上世纪9 0 年代日本和美国提出了一种全新的气化方法一高温空气气化法 【1 3 ，4 】。其机理是采用采用超过1 0 0 0 c 的高温空气，使固体燃料如垃圾、生高温空 物质燃料中的可燃成分在1 3 0 0 以 上的高温环境下发生不完全燃烧，获 得含大量c o 、h 2 及低分子烷烃的燃余热回 气，而不可燃成分转变成熔渣。 为了克服现有基于常温空气、富 氧或纯氧的固定床或流化床气化的 不足之处。根据高温空气气化机理， 和气化剂比例方式实现。气化器中空气系数为0 1 0 5 。 夺气化器的温度始终高于灰熔点，灰渣以熔融状态排出。 夺气化器的热稳定器由耐高温的卵石球布置组成。 夺设有蒸汽发生器，以回收燃气余热，并产生水蒸汽气化剂。 夺设有气体净化器，以去除燃气烟尘和酸性气体。 1 3 2 高温气化的优越性 高温气化工艺是一个全新的气化工艺，在气化机理与气化设备上都与以往不 同，最重要的不同是采用了高温预热空气作为气化剂和采用了卵石床气化炉作为 气化设备。因而该高温气化系统具有许多独特的优越性，主要表现在： ( 1 ) 可获得中热值的燃气 采用高温空气气化，气化反应增强，空气过剩系数大大降低1 1 , 3 1 ，如可采用 常温空气气化一半的空气量，同时可允许较大比例的水煤气反应，单位燃气的热 值明显提高，、可达到中热值燃气，扩大了燃气的用途 5 0 - 5 4 】。 ( 2 ) 对环境污染小 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 由于二恶英在4 0 0 5 0 0 开始形成，在7 0 0 8 0 0 形成较快，而在8 0 0 以 上便开始分解，因此采用高温空气气化，气化温度控制在1 0 0 0 ( 2 以上，抑制了 二恶英的生成：同时烟气与蓄热体热交换后迅速冷却到2 0 0 ( 2 以下，也有利于抑 制二恶英的再生成。燃气中n o x 的来源物n h 3 及h c n 等在气体湿式净化过程 中己经除掉，加之空气发生器的燃烧室内采取烟气再循环实现高温低氧燃烧，有 效地抑制了n o x 的生成，n o x 的排放浓度很低，仅3 0 - 5 0 p p m 【5 5 5 讲。燃气中的硫 化物、h c i 等也在净化过程中除去，烟气中不存在s o 。、h c i 等有害气体。因此， 该技术可称为“环保型”气化技术，该气化系统可实现“零”排污生产系统。 ( 3 )燃气中焦油含量少 采用高温空气气化，由于气化温度很高，燃气在气化室内的停留时间长，焦 油、酚类等物质在高温下可分解，出口燃气中焦油含量显著减少【5 4 ，可满足集 中送气或直接送燃气轮机发电对燃气中焦油含量的要求。 ( 4 )对燃料的适应范围扩大 一方面，气化剂温度高，能加速气化反应；另一方面，气化室中采用了一定 高度的卵石层，具有较大的表面积和蓄热能力，能起到延长气化时间和稳定气化 温度的作用。因此对输入固体燃料的热值、成分和种类均有较强的适应能力。这 正好与生活垃圾、生物质燃料等属性多交的特性相适应。采用该技术可以有效地 利用那些在传统气化方法看来无法利用或利用价值不大的低热值固体燃料，燃料 的利用范围显著扩大 9 , 5 3 , 5 4 , 6 0 l 。 ( 5 ) 结构简单、紧凑，气化效率高，经济性好 采用高温空气气化，无需使用氧气，系统内部构成一个封闭式循环系统，结 构简单、紧凑，操作灵活，适应性强。该系统不需要联合循环气化所需的空气分 离装置，也不需要流化床气化所需的大功率动力装置，生物质无需进行复杂的预 处理，气化系统热效率比采用常温空气气化显著提高，处理煤的气化系统热效率 高达4 6 ，处理生物质可燃废弃物的气化系统热效率达4 5 1 t 1 , 3 , 4 , 1 0 , 6 1 1 ，而且所 得燃气的热值大大提高，系统的经济性明显。 1 4 固体燃料气化的研究方法 对固体燃料气化过程的研究，获得合成燃气的组成是关键。获得合成燃气的 组成有两个途径：一是通过试验研究；二是建立数学模型1 6 2 “j 。 ( 1 ) 试验研究。此方法通常在没有了解燃料物理化学性质和气化系统性能的 情况下采用。如瑞典皇家工学院在上吸式气化装置上，对木屑和木炭进行了一系 列的气化试验【6 5 】，获得了合成燃气组成、热值等气化指标，通过对装置进行能量 平衡分析，从而了解该装置的整体性能。华中科技大学、广州能源研究所和河南 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 能源研究所在不同的气化装置上也进行了一系列的生物质中低温( 6 0 0 8 0 0 c ) 气化试验【6 8 1 。 ( 2 ) 数值模拟。数值模拟的研究通常存在两种，一种是机理模型1 6 ”，另一种 是平衡模型硎。前者对气化炉内部情况能作出较为详细分析的模拟，后者对气化 炉的输入输出能作出参考性分析的数学模拟。随着煤和生物质气化技术的成熟、 气化过程试验研究数据的丰富以及各种气化机理模型的提出，出现了一种新的气 化研究方法一神经网络模拟【6 9 ，7 。 1 5 固体燃料气化的研究现状 针对煤的气化，中国科学院山西煤炭化学研究所结合有关的气化反应动力学 方程，考虑布多尔反应、水煤气反应和水煤气变化反应，建立了流化床气化炉稀 相段气化反应的数学模型。该模型的缺点在于考虑忽略了甲烷化反应，同时在 流化床气化炉的运行过程中，浓相段和稀相段之间很难区分，难以确定稀相段反 应的初始条件。中国市政工程华北设计研究院建立了固定床煤气化的数学模型及 模拟计算i 馏，煤炭科学研究总院北京煤化学研究所建立了固定床循环操作气化过 程数学模型【7 3 1 。这些模型都是在特定的炉型基础上建立起来的，气化物料也限于 煤，因而限制了其应用范围。 针对生物质气化，新西兰学者d l g i l t r a p 建立了下吸床还原区气一炭反应 稳态模型【7 4 1 ，该模型的缺点是计算所需的参数比较多，难以获取，同时还原区顶 部初始条件的有效性限制了该模型的准确性。 为了掌握卵石床气化器这个新型气化装置的性能，深入了解内部的气化机 理，为气化炉选择最佳运行工况，指导今后开展的气化试验，有必要综合考虑物 料平衡、能量平衡和化学平衡及该装置的特点，建立一个适用各种固体燃料气化 的数学模型。 在传统的固体燃料气化技术中，通常采用中低温常压进行气化，气化效果不 是很理想。一方面得到的合成燃气热值较低，限制了其用途；另一方面产气率低， 不利于大规模工业生产。上世纪9 0 年代以来，发展起来了一种固体燃料高温空 气水蒸汽气化技术，很多学者研究了温度对气化过程产生的影响，如日本的 k y o s h i k a w a 4 1 、美国的c a r l s o nc ep i a n l 3 1 等。日本对煤开展了高温气化试验， 获得了一些数据，认为提高气化反应温度对提高燃气热值及品质起很大的作用。 为了了解高温下生物质气化的行为及效果，有必要对生物质开展高温气化试验， 积累试验数据。 除了温度因素外，压力对气化结果也会产生一定的影响，但从压力对气化 过程影响的角度来研究并不是很多。高温高压气化是今后发展气化技术的一种 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 趋势【1 7 】，因而有必要探讨压力对高温气化过程及结果的影响。 1 6 论文的主要工作 课题组成员虽已完成了高温空气发生器和卵石床气化器的搭建和初步调试 工作 7 5 - 7 7 ，但高温空气发生器的点火装置还没有实施改造，生物质气化试验还没 有开展，对气化机理缺乏深入的认识。因此，对高温气化系统展开进一步研究十 分必要。本文对高温空气发生器的点火装置进行了改造，优化卵石床气化器，在 整个高温气化系统上首次进行了木屑高温空气气化试验，得到了第一手数据，为 今后的进一步研究工作打下了基础。主要工作如下： 从课题来源和意义出发，介绍国内外低热值固体燃料开发利用方式及现 状，与国内外垃圾焚烧气化等工艺对比，阐述生高温气化工艺的优越性， 介绍气化研究方法及现状。 基于物料平衡、能量平衡和化学平衡分析，建立一种气化数学模型，获得 不同气化物料、气化剂温度和水蒸汽添加率的合成燃气成分、热值及气化 效率等气化指标，探讨生物质高温气化生产中热值燃气的可行性，为高温 气化操作优化奠定基础。利用国内外生物质气化试验结果与模型计算结果 进行对比，验证其正确性和可靠性。 简述高温气化系统试验装置的组成、工作原理、结构尺寸及试验参数的获 取。在高温气化系统上进行了一种生物质一木屑的气化试验，对获得的合 成燃气进行成分分析，并计算其热值。将试验结果与气化模型的计算结果 进行对比，验证装置生产合成燃气的可行性及气化数学模型的准确性。 通过化学动力学和热力学理论分析压力对气化过程和结果的影响，提出适 合高压气化的合成燃气平衡组成方程组。探讨了高温气化工艺采用加压气 化的必要性。 中南大学硕士学位论文 第二章气化数学模型及其应用 第二章气化数学模型及其应用 基于物料平衡、能量平衡和化学平衡分析建立一种气化数学模型。分别针对松木屑、 秸秆、稻壳和棉柴进行气化计算，研究气化剂温度和水蒸汽添加率对合成燃气成分、热值、 气化效率及干燃气产率的影响。利用国内外生物质气化试验结果与模型计算结果进行对比， 验证其正确性和可靠性。 本课题组成员关于高温空气水蒸汽气化进行了一些前期研究，曹小玲i l9 l 和 郑彦民f 7 6 j 利用综合计算法对无烟煤的高温空气气化工艺过程进行了设计计算，后 者以此为基础设计出卵石床气化器。王晓波1 7 7 提出纯碳气化时的平衡方程组，忽 略了物料种类对气化的影响。本课题组下一步工作就是在高温气化装置上进行气 化试验，探讨生物质高温气化产生合成燃气的可行性，并研究提高燃气热值及气 化效率的措旅。为此，本文基于物料平衡、能量平衡和化学平衡分析，建立一种 气化数学模型，该模型适用于各种固体燃料的气化计算，可以获得不同气化物料、 气化剂温度和水蒸汽添加率的合成燃气成分、热值及气化效率等气化指标，为高 温气化操作优化奠定基础。 2 1 模型假设 基于物料平衡、能量平衡和化学平衡 物料：c t 分析，考虑其中的某些主要化学反应，对 “ 气化炉建立起输入与输出之间的关系，如 图3 1 所示。进而建立气化数学模型，用 于估算不同气化物料、气化剂温度和水蒸 汽添加率的合成燃气成分、热值及气化效 率等气化指标。模型假设条件如下： 气化剂：国 见d ( 1 ) 假定厶成燃气组成为c d 、c 0 2 、 合成燃气= 坼c o ，, 易c o ：, h 2 0 , 鼢 吼、苎：竺、，鼢、n 2 ；， 盼l 气化炉的输入与输出 ( 2 ) 空气组成为2 1 0 2 和7 9 n 2 ； 一“一。 ( 3 ) 定义水蒸汽的添加率为k 。= 鱼，；其中为气化所耗空气量，l o n o l ； 玎。 为添加的水蒸气量，k m o l ； ( 4 ) 假定气化炉密封良好，没有气体泄漏； ( 5 ) 气化反应在1 a t