硕士论文城市生活垃圾与生物质混烧发电及烟气净化的研究.pdf

一 天洋大薯 中国近代第一所天学 博士学位论文 _ _ ：i 爿j ：4 1 1 ! j r _ 一级学科： 动力工程及工程热物理 学科专业：热能工程 作者姓名：解海卫 指导教师：张于峰教授 天津大学研究生院 2 0 0 7 年1 2 月 中文摘要 为解决日益严重的垃圾污染问题、缓解能源危机，垃圾焚烧发电方法在世 界各国开始得到广泛应用。但是，由于目前我国城市生活垃圾热值较低，经常 要加入煤炭、燃油等助燃，在处理垃圾的同时浪费了其它的资源。为此，本文 对城市生活垃圾与生物质混烧发电进行了系统而全面的研究，主要内容如下： 1 混烧特性的实验研究。 进行了城市生活垃圾和生物质混烧发电的研究，结果表明：炉膛温度随 一次风率、掺混百分含量和进料量的增大而增大，随过量空气系数的增大而降 低。燃料的燃烧效率随一次风率、炉膛温度和掺混百分含量的增大而增大， 随过量空气系数的增大，先增大后减小。气体不完全燃烧损失与固体不完全 燃烧损失相比，固体不完全燃烧损失起主要作用。掺混生物质后垃圾焚烧发 电厂的单炉直接经济效益达7 1 1 1 5 元h 。 2 混烧后污染物排放特性的实验研究。 分析了城市生活垃圾和生物质混烧后，污染物的排放随掺混百分含量和炉 膛温度的变化规律，结果表明：随掺混百分含量的增加，烟气中h c i 、c o 、 颗粒物、二恶英排放浓度降低，s 0 2 和n o x 排放量略有增加，飞灰和底渣中p b 、 c r 、z n 、c u 等重金属的含量降低。随炉膛温度的增加，烟气中n o x 排放量略 有增加，s 0 2 、c o 、二恶英排放浓度降低；h c i 和颗粒物排放浓度基本上是恒定 的，底渣中p b 、c r 、z n 、c u 含量降低，飞灰中p b 、c r 、z n 、c u 含量增加。 3 旋转喷雾干燥法脱酸实验研究。 利用旋转喷雾干燥法烟气净化实验系统研究了脱酸过程中主要影响因素的 变化对脱酸效率的影响，得出结论：在相同条件下，脱氯效率高于脱硫效率。 化学计量比、入口烟气温度、入口s 0 2 浓度增加或烟气流速、石灰浆浓度降 低都可以提高脱硫效率，入口h c i 浓度增加会导致脱硫率先增加后降低。烟 气流速、化学计量比、石灰浆浓度变化对脱氯效率有较明显影响，其变化趋势 与脱硫效率一致，但变化幅度小于脱硫效率，入口污染物浓度、入口烟气温度 的变化对脱氯效率的影响较小。 4 建立脱酸模型。 用计算流体力学的方法建立了垃圾焚烧电厂旋转喷雾干燥脱酸系统的数值 计算模型，通过联合求解烟气动量、能量、湍流和组分方程，浆滴运动方程， 浆滴蒸发和脱酸模型，得出脱硫效率和脱氯效率。将各工况下计算得到的脱硫 率和脱氯率与实验结果进行了对比。结果表明：该模型能正确的预测出脱硫率 和脱氯率随各参数的变化趋势；模型计算值与实验值吻合较好，误差在5 以内。 关键词：城市生活垃圾；生物质；混烧；污染物排放；模型 a b s t r a c t t h ep o w e rg e n e r a t i o no fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) i n c i n e r a t i o nh a sb e e n a p p l i e dw i d e l yf o rs o l v i n gm s wp o l l u t i o np r o g r e s s i v e l ya n dr e l a x i n ge n e r g ys o u r c e s c r i s i s t h ec o a la n df u e la r ej o i n e da sc o m b u s t i o n - s u p p o r t i n gs o u r c e sf o rt h el o w e r c a l o r i f i cv a l u eo fm s wi nc h i n aa tp r e s e n t t h i sp r a c t i c ew a s t e so t h e re n e r g ys o u e c e s w h e nt h em s wa r ep u t t e da w a y t h e r e f o r e ，as e r i a ls y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v e s t u d yo nc o c o m b u s t i o np o w e rg e n e r a t i o no fm s w w i t hb i o m a s si se x p a n d e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l i o w s 1 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ec o c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h em i x t u r eh a sb e e na n a l y z e db a s eo nt h e e x p e r i m e n t a lp h e n o m e n o na n dd a t a i ) t h ef u r n a c et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s i n go f t h ep r i m a r ya i rr a t i o ，t h eb l e n d e dr a t i o ( w ) a n dt h ef e e d i nq u a n t i t y b u t i td e c r e a s e sw h e nt h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s i i ) t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y i n c r e a s e sw h e nt h ep a r a m e t e r si nt e r m so ft h ep r i m a r ya i rf r a c t i o n ，t h ef u r n a c e t e m p e r a t u r ea n dt h eb l e n d e dr a t i o ( w ) b u ti ti n c r e a s e sf i r s t l ya n d t h e nd e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s i n go ft h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n t i i i ) c o m p a r e dw i t ht h ea i rc o m b u s t i o nl o s s a n dt h es o l i dc o m b u s t i o nl o s s ，t h ee f f e c to ft h es o l i dc o m b u s t i o nl o s si sm o r e b i g g e r i v ) t h e d i r e c te c o n o m i cb e n e f i t so fo n eu n i ti s711 15 y u a n ha f t e rt h e c o - c o m b u s t i o no f m s ww i t hb i o m a s s 2 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fc o n t a m i n a t i o n s t h ed i v e r s i f i c a t i o np r i n c i p l eo fc o n t a m i n a t i o n se m i s s i o nw i t ht h eb l e n d e d r a t i o ( w ) a n dt h ef u r n a c et e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d i ) w h e nt h eb l e n d e dr a t i o ( w ) i n c r e a s e ，t h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fh c i ，c o ，f l y a s ha n dp c di nf l u e g a s d e c r e a s e ，a n dt h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fs 0 2a n dn o x i n c r e a s es l i g h t l y , a n dm e t a l s o fp b ，c r ，z n ，c ui nb o t hf l ya s ha n db o t t o ma s hd e c r e a s e i i ) w h e nt h ef u r n a c e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，t h e e m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fn o xi n c r e a s e s l i g h t l y ， 8 0 2 ，c o ，p c dd e c r e a s e ，h c ia n df l ya s hi sn o tc h a n g e ，m e t a l so fp b ，c r ，z n ，c u i n b o t t o ma s hd e c r e a s e ，a n dm e t a l si nf l ya s hi n c r e a s e 3 e x p e r i m e n t a ls t u d yo np u r i f i c a t i o no ff l u eg a sb yr o t a t i n gs p r a yd r y i n g a ne x p e r i m e n t a ls y s t e m ，f o rp u r i f y i n gf l u eg a so fw a s t ei n c i n e r a t o r sb yr o t a t i n g s p r a yd r y i n g ，h a sb e e ns e tu p ，w h i c ht a k e si n t oa c c o u n tt h ep a r t i c u l a rf a c t ，t h a tt h eg a s q u a n t i t yi ss m a l la n dc o n t a i n sr e l a t i r v l yl i t t l es 0 2 ，b u tr e l a t i v e l ym u c hh c i t h e i i i n f l u e n c e ，o ft h em a i nc o n t r o l l a b l es y s t e md s i g na n do p e r a t i o np a r a m e t e r s ，o n d e s u l p h u r i z a t i o na n dd e c h l o r i n a t i o ne f f i c i e n c yh a v eb e e nt e s td e t e r m i n e d i ) t h e r o t a t i n gs p r i a yd r y i n gm e t h o di sm o r ed f f i c i e n ti nd e c h l o r i n a t i o na n dl e s s i n d e s u l p h u r i z a t i o n i i ) t h ed e c h l o r i n a t i o na n dd e s u l p h u r i z a t i o ni n c r e a s ew h e nt h e s t o i c h i o m e t r yr a t i o ( s r ) ，t h et e m p e r a t u r eo ff l u eg a sa n dt h ec o n c e n t r a t i o no fs o ： i n c r e a s eo rt h ev e l o c i t yo ff l u eg a s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fl i m es l u r r yd e c r e a s e ，a n dw h e n t h ec o n c e n t r a t i o no fh c ! i n c r e a s e ，t h ed e s u l p h u r i z a t i o ni n c r e a s e s f i r s t l ya n dt h e n d e c r e a s e s i 1 1 ) t h ev e l o c i t y o ff l u e g a s ，t h es t o i c h i o m e t r yr a t i o ( s r ) a n d t h e c o n c e n t r a t i o no fl i m es l u r r yh a v em o r ed f f i c i e n ti nd e c h l o r i n a t i o n ，t h et r e n do fi t s d i v e r s i f i c a t i o ni ss a m ew i t hd e s u l p h u r i z a t i o n ，b u tt h ee x t e n to fi t sd i v e r s i f i c a t i o ni s l e s s ；t h ec o n c e n t r a t i o no fc o n t a m i n a t i o na n dt h et e m p e r a t u r eo ff l u eg a sh a v el e s s e 陌c i e n ti nd e c h l o r i n a t i o n 4 am o d e lo ff l u eg a sc l e a n i n gi ss e t t e du p f o ro p t i m i z i n gt h ef l u e g a sc l e a n i n gs y s t e m s ，am o d e lw a sd e v e l o p e db y c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c st os i m u l a t et h ef l u eg a sc l e a n i n gb yt h es p r a yd r y e ro f aw a s t ei n c i n e r a t i o np o w e rp l a n t i nt h i sm o d e l ，t h em o m e n w m ，e n e r g y ，t u r b u l e n c e a n dc o m p o s i t i o ne q u a t i o n so ff l u eg a s ，t h em o m e n t u me q u a t i o no fs l u r r yd r o p l e t s ， a n de v a p o r a t i o na n dc l e a n i n gm o d e l so fd r o p l e t sw e r es o l v e d t o g e t h e r t h e e f f i c i e n c i e so fd e s u l p h u r i z a t i o na n dd e c h l o r i n a t i o nw e r eo b t a i n e d t h ee f f e c to f p o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o ne n t e r i n gt h es p r a yd r y e r ，g a sv e l o c i t y ，s l u r r yc o n c e n t r a t i o n ， a n ds t o i c h i o m e t r i cr a t i oo nt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fh c la n ds 0 2w e r ei n v e s t i g a t e d b yt h i sm o d e l t h er e m o v a lp r o f i l e so f t h e ma l o n gt h er e a c t o r sh e i g h tw e r ep r e s e n t e d a n dt h e s es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a r e s u l t ss h o w t h a tt h em o d e lc a nb eu s e dt oe v a l u a t et h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fh c ia n ds 0 2o ft h e g a sc l e a n i n gs y s t e mw i t h ae r r o rl e s st h a n5 b e t w e e ns i m u l a t e dr e s u l t sa n d m e a s u r e dv a l u e s k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ；b i o m a s s ；c o c o m b u s t i o n ；p o l l u t a n t e m i s s i o n ；m o d e l i i i 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位做储签名懈妞签字吼地脚1 月工午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞苤茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：饵海卫 导师签名 签字日期：工d d 莎年j 月2 午日 签字日期：2 c ，必年1 日多每删 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 城市生活垃圾现状及处理方法 1 1 1 城市生活垃圾产量及其危害 随着人口的增长、城市化进程的加速和经济的发展以及居民生活水平的不 断提高，世界各国的城市生活垃圾产量急剧上升并构成对人类生存环境的威胁。 从世界范围来看l ij ，目前全世界每年的垃圾产量高达1 0 1 0 1 0 t 。产垃圾最 多的国家是美国，每年已超过2 l o s t ；德国人均年产垃圾为世界之最，达到每 人8 0 0 k g 。 在我国1 2 巧j ，全国主要城市年产生活垃圾1 5 1 0 8 t ，城市人均年产垃圾4 0 0 k g ， 城市生活垃圾储存量已达6 0 1 0 9 t ，侵占土地面积5 1 0 8 m 2 ，并且以年增长率 8 一1 0 的速度增长。目前6 6 0 个城市中，已有2 0 0 多个处于垃圾包围之中。 泛滥成灾的城市生活垃圾己造成许多城镇严重的社会问题。有的地区已经 威胁到人类自身的安全和生存。城市生活垃圾产生的危害不仅体现在占用太多 的土地，形成垃圾包围城市的恶劣环境，而且会对大气环境、地下水源、土壤 和农作物造成污染。垃圾中的有机物变质散发的大量有害气体进入大气，严重 污染了环境，影响到城市居民的生活与健康；垃圾中的有害物质，溶入地下水、 渗入土壤，造成对地下水源及土壤的污染，危及周围地区人民的健康及生命安 全，并且此类污染的危害很难消除。另外，城市垃圾中有机物含量较高，垃圾 发酵后产生沼气，主要成分是甲烷和二氧化碳，会对大气产生污染，阻碍植被 生长，破坏臭氧层。更危险的是，垃圾集中堆放产生的甲烷是可燃气体，当与 空气混合达到一定比例时，遇火花会产生爆炸，直接威胁到人们的生命财产安 全。由于垃圾中还含有致病菌和寄生虫卵等危害人类健康的因素，处理不当会 造成疾病的传播，影响人类的生活环境。在一些经济发达的地区，人民生活水 平迅速提高，而可用土地相对较少，使得对城市生活垃圾减量化、无害化处理 的要求越来越高，有些地区甚至已到了亟待解决、非治理不可的地步。 1 1 2 城市生活垃圾的组成及特点 城市生活垃圾的组成很复杂，其组成成分( 这里主要指物理成分) 受到了 自然环境、经济发展水平、居民生活水平、城市规模、居民生活习惯等因素的 第一章绪论 影响。故各国、各城市甚至各地区产生的城市生活垃圾组成都有所不同。表1 一l 和表1 2 分别为部分发达国家和我国部分城市的垃圾成分情况【6 1 。 表1 1 部分发达国家城市生活垃圾的平均组成单位：w 表1 2 我国部分城市生活垃圾的平均组成单位：w 我国是发展中国家，经济还不发达，同国外发达国家相比，我国城市生活 垃圾具有以下特点。 1 ) 含水率高。垃圾中含有大量蔬菜果皮，因此含水率约4 0 - - - 5 0 。 2 ) 无机物质含量高。目前我国大多数城市仍以煤为主要燃料，垃圾中的煤 渣、砂石、金属、玻璃等无机物含量很高。 3 ) 有机物质含量少。在我国的垃圾中，有机物中的厨房废物垃圾较多，含 水率高。纸张、塑料、木料、纺织物、皮革等高热值物质含量较少。 4 ) 热值较低。均小于5 0 0 0 k j k g ，平均为4 5 0 0 k j k g 。 1 1 3 城市生活垃圾处理方法概述 解决垃圾问题的目标是要将垃圾进行减量化、资源化及无害化处理。要合 理、有效地处理垃圾，必须首先了解垃圾的两重性：一是它的危害性；二是它 的可用性。垃圾的处理、利用在很大程度上取决于它的成分，并与国家经济发 展水平、技术条件、环境保护、市政规划以及政府的政策等因素相关。为了消 2 第一章绪论 除垃圾对环境的恶劣影响，通常采用填埋、堆肥、热解和焚烧四大基本处理技 术i ，u 。这几种处理方法各有优缺点，适用范围也不尽相同。 1 ) 填埋：垃圾填埋，历史久远，它是最简单和终极的处理垃圾的方法。其 优点为：初投资低，适应性强，可接纳各种废弃物，处理能力大；运行费用低， 不受垃圾成分变化和气候变化的影响。但是填埋法也面临着一些重大的问题， 比如：占地面积大，容易造成二次污染( 如污染地下水源、有害气体四处飘散污 染大气以及被填埋的垃圾发酵产生的甲烷气体易引发爆炸等) 。 2 ) 堆肥：是指依靠自然界广为分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，通过 人工控制堆肥环境条件，从而促进可降解的有机物转化成稳定的腐殖质的生物 化学技术。此法处理成本低、处理量大。但其缺点是：堆肥垃圾中含有不少重金 属、玻璃渣、塑料皮等，对农作物不利；堆肥周期长，占地面积大，而且随着 填放或储存时间的增长，同样会产生新的环境污染问题。 3 ) 热解：热解法是将垃圾中有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之分解、 反应。其能源回收性好，环境污染小，这也是热解处理技术最为优越、最有意 义之处。热解气化法在处理单组分废弃物( 如塑料、橡胶、生物质等) 方面取得 了较为成功的经验。但由于城市生活垃圾组分和成分极其复杂，垃圾的高水分 和高灰分使得生活垃圾的热解技术尚未达到中试或工业性应用的程度。 4 ) 焚烧：焚烧是指垃圾中的可燃物，在焚烧炉中与氧进行燃烧过程。其优 点是垃圾在高温下焚烧，其中的有害物质被分解，焚烧后的残渣只有原来容积 的1 0 - - 3 0 ，垃圾焚烧产生的热量又转化为电能服务于社会。真正实现了固 体废物处理的无害化、减量化和资源化。因此垃圾焚烧被认为是今后处理城市 生活垃圾的重要发展方向。当然，焚烧法也有其局限性。首先，焚烧投资大， 占用资金周期长，运行费用高；其次焚烧对垃圾的热值有一定的要求；另外， 焚烧法的燃烧尾气中常含有有害气体s o x 、n o x 、h c i 和二恶英等，容易产生二 次污染。因此，如何控制有害物的排放就成为焚烧的关键。 1 2 生物质能及其利用现状 1 2 1 生物质能概述 从广义上讲，生物质能是植物通过光合作用生成的有机物，它的最初来源 是太阳能，所以它是太阳能的一种，同时也是可再生的。生物质能是人类利用 最早、最多、最直接的能源，在1 8 世纪大规模地利用煤燃料以前，人类主要依 靠木材作燃料。至今，世界上仍有1 5 亿以上的人口以生物质作为生活能源，在 第章绪论 全球能源消费中仍占有相当的份额，约1 5 ( 如图i i 所示) ，仅次于煤炭、石 油、天然气，居世界能源消费总量的第四位”“。 生物质所蕴藏的能量是相当惊人的，根据生物学家估算”，现今全世界每 年由光台作用所形成的有机质约为1 4 0 0 一1 8 0 0 亿t ( 干重) ，相当于目前世界总 能耗的1 0 倍。我国生物质能也极为丰富，例如现在每年的秸秆产量约6 5 亿t ， 薪柴年产量泡括木材砍伐的废弃物沩2 亿t 左右，还有大量的人畜粪便及工业 排放的有机废料、废渣。据环卫部门估计，我国每年生物质资源总量达折6 亿t 标准煤以上，扣除了一部分作饲料和其他原料，可开发为能源的生物质资源达3 亿多吨标准煤，而随着农业和林业的发展，特别是随着速生炭林的开发推广， 我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发和利用潜力。 嘿鞫一搿 1 酱肾礁。 12 2 生物质能的特点 崩1 一i 世界能源状况 生物质能既不同于常规的矿物能源，又有别于其他新能源，它兼有两者的 特点和优势，是人类最主要的可再生能源之一。其优点如下： 1 ) 清洁性：与矿物能源相比，生物质的硫含量、氯含量低，生物质作为燃 料时，燃烧过程中的硫化物和氮化物较少；由于它在生长时需要的二氧化碳相 当于其燃烧时排放的二氧化碳量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零： 用新技术开发利用生物质能不仅有助于减轻温室效应，促进生态良性循环t 而 且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成为解决能源危机与环境问题的重要途 径之一。 2 ) 可再生性；只要有阳光照射，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质 能也就永远不会枯竭。特别是在大力提倡植树、植草、台理采樵、保护自然环 境的情况下，植物将会源源不断地供给生物质能源。 3 ) 可储存性与替代性：因为它是有机资源，所以对于原料本身或其液体或 第一章绪论 气体燃料产品进行储存是可能的。液体或气体燃料运用于已有的石油、煤炭动 力系统之中也是可能的。 4 ) 普遍性和易取性：生物质是一种到处都有的，普遍而廉价的能源，取材 容易，生产过程极为简单。 5 ) 蕴藏量巨大性：由于生物质的年生长量十分巨大，相当于全世界一次性 能耗的1 0 倍，实际可以利用的量按该数据的1 0 推算，可以满足能量供给的要 求。因此，生物质除了储备能源以外，更有流通能源的意义。 但是生物质能源也有其弱点：从质量密度的角度来看，作为燃料与矿物能 源相比不具优势；它是能量密度较低的低品位能源；它重量轻，体积大，给运 输带来一定难度；并且风、雨、雪、火等外界因素为它的保存带来不利条件。 1 2 3 生物质能开发利用技术综述 既然生物质是一种巨大的资源，就应该尽可能地加以利用【1 4 。吼事实上人 们也一直在寻找充分、有效地利用生物质的新技术、新方法，多种生物质能利 用技术也陆续被研究开发出来，从目前来看，主要的技术种类分类如图l 一2 所示， 分为直接燃烧技术1 刀、物化转换技术和生化转换技术。 图1 - 2 生物质转化技术分类 第一章绪论 1 2 3 1 直接燃烧技术 直接燃烧技术大致可分为炉灶燃烧、锅炉燃烧和成型燃烧三种情况。炉灶 燃烧是最原始的利用方法，一般适用于农村或山区分散独立的家庭用炉，它的 投资最省，但效率最低，燃烧效率在1 0 - - 2 0 左右。锅炉燃烧采用了现代化 的锅炉技术，适用于大规模利用生物质，它的主要优点是效率高，并且可实现 工业化生产。主要缺点是投资高，而且不适于分散的小规模利用，生物质必须 相对比较集中才能采用本技术。成型燃烧技术是把生物质固化成型后再采用传 统的燃煤设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统的定型产品，不必经 过特殊的设计或处理，主要缺点是运行成本高，所以它比较适合企业对原有设 备进行技术改造时，在不重复投资的前提下，以生物质代替煤，以达到节能的 目的，或应用于对污染要求特别严格的场所，如饭店烧烤等。 1 2 3 2 物化转换技术 物化转换技术包括三方面：一是干馏技术；二是气化制生物质燃气技术； 三是热解制生物质油。干馏技术主要目的是同时生产生物质炭和燃气，它可以 把能量密度低的生物质转化为热值较高的固定炭或气，炭和燃气可分别用于不 同用途。优点是设备简单，可以生产炭和多种化工产品，缺点是利用率较低， 而且适用性较小，一般只适用于木质生物质的特殊利用。生物质热解气化是把 生物质转化为可燃气的技术，根据技术路线的不同，可以是低热值气，也可以 是中热值气。它的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用效率较高，而且用 途广泛，如既可以用作生活煤气，也可以用于烧锅炉或直接发电，主要缺点是 系统复杂，而且由于生成的燃气不便于储存和运输，必须有专门的用户或配套 的利用设施。热解制油是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它 的主要优点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加 值大大提高，主要缺点是技术复杂，目前的成本仍然太高。 1 2 3 3 生化转换技术 生物转换技术主要是厌氧消化和特种酶技术为主。沼气发酵是有机物质在 一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵，生成沼气，消化 液和消化污泥。这个过程就叫沼气发酵或厌氧消化。它包括小型的农村沼气技 术和大型的厌氧处理污水工程。它的主要优点是提供的能源形式为沼气，非常 清洁，具有显著的环保效益，主要缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜 于以环保为目标的污水处理工程。利用生物技术把生物质转化为乙醇的主要目 6 第一章绪论 的是制取液体燃料，它的主要优点可以使生物质变为清洁燃料，拓宽用途，提 高效率，主要缺点是转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。 1 3 混烧研究现状 1 3 1 生活垃圾与煤混烧现状 由于城市生活垃圾成分复杂、波动性大的特点，为保证燃烧的稳定性，掺 煤燃烧是目前垃圾焚烧行业的一大特色。垃圾与煤混合燃烧，一方面能够利用 煤提高垃圾燃料的热值，改善燃烧过程的稳定性和充分性；另一方面可以利用 垃圾中所含有的碱性成分抑制煤燃烧过程中s 0 2 等有害气体的排放。这对于减轻 锅炉设备的腐蚀以及减轻大气环境污染等都具有非常重要的意义。 1 3 1 1 燃烧特性及气态污染物排放研究 l a w r e n c e a r u t h l 2 0 1 研究表明：掺烧1 0 和2 0 的城市生活垃圾，使锅炉热 效率分别下降了1 3 和3 3 ；掺烧2 0 的生活垃圾使锅炉的尾气中s 0 2 含量和 n o 。含量明显下降，但使尾气中的粉尘含量和h c i 含量大大增加。董长青【2 1 】在 0 2 m w 循环流化床上进行了城市生活垃圾与煤混烧实验，结果表明当垃圾与煤 掺烧比例增大时，床温沿炉高增加，混烧时流化床稀相区温度比单独烧煤要高 2 5 0 左右。 尤孝方【2 2 】研究发现：城市生活垃圾( m s w ) 与煤混烧产生的多环芳烃总量 高于全煤燃烧。e s t e l l e 2 3 】等的研究表明：当把垃圾加入到煤中时，由于m s w 中 高钙基物质的存在，酸性气体的停留时间延长了，因而降低了n o x 和s 0 2 的排放， 并且增加了h c l 的排放。蒋旭光【2 4 】研究发现：c l h c l 的转化随温度升高而增加， 但当垃圾中含有大量n a c l 时，c l 元素则不易析出，高温下尤为明显；随h c l 浓 度的升高，n o 浓度呈下降趋势；s 0 2 浓度变化呈抛物线形式。车得福f 2 5 】认为， n a ci 能够降低煤燃烧过程中s 0 2 排放总量，其原因是n a c ! 具有带水特性，这种 性质延长了煤体中原有水分及燃烧过程中产生水分在煤体中的停留时间，使煤 灰分中以方解石和白云石形式存在的钙和镁成分的活性增强，从而对燃烧过程 中产生的s 0 2 的吸收能力增强，即n a c l 降低煤燃烧过程中s 0 2 的排放量是通过改 善煤灰的自身固硫性能来实现的。 1 3 1 2 二恶英排放的研究 1 9 7 7 年，o l i e 等人1 2 6 】最先在垃圾焚烧炉的飞灰中检测出了二恶英。此后垃圾 7 第一章绪论 焚烧产生的二恶英( p c d d f s ) 弓i 起了国内外学者的广泛关注。 a k a j i t a 等人f 2 7 】通过垃圾和煤在流化床中的混烧实验发现，随着垃圾在给料 中比例的增加，二恶英的排放浓度增加。对于垃圾和煤混烧可以降低二恶英的 排放有两种不同的解释。g u l l e t t 等人【2 8 2 9 1 研究结果显示，s 0 2 和c u o 反应形成 c u s 0 4 ，其与c u c l 2 相比，会导致催化剂活性降低，抑制了c 1 2 的产生以及氯芳香 基的联芳基合成。g r i f i n t3 0 j 认为s 0 2 同c 1 2 反应能抑$ u c l 2 转化为芳香族结构，提高 s 0 2 浓度可减少c 1 2 的含量，这一反应可在4 0 0 * ( 2 发生。 k r a g h u n a t h a n l 3 1 3 2 】等人实验证实硫元素可以降低二恶英类的生成，并提出 了硫元素抑制二恶英类生成的两种机理，kt u p p u r a i n e n i3 3 j 和bkg u l l e t t l 3 4 1 等人证 实添加石灰石可以阻止氯化氢向氯分子的转化从而抑制二恶英类的生成。 仲兆平1 3 5 j 建立了由增湿调温器、吸收塔、除沫器、化浆池、沉降池及测量 子系统等组成的净化烟气中的二恶英的实验台。该实验台处理烟气量为1 5 0 2 0 0 0 n m 3 h ，吸收塔内径1 2 m ，高6 5 m 。实验结果表明：当吸收剂为石灰石浆液， 浆液浓度为1 ，循环倍率为3 ，喷射速度为5 1 5 m s ，鼓泡管插入深度1 4 0 m m 时，净化装置的二恶英净化效率为9 9 3 5 ，尾气中二恶英的排放浓度( 0 2 ：11 时) 为o 15 7 3 n g n m 3 。 1 3 1 3 重金属的排放特性的研究 国内外对垃圾焚烧过程中重金属的排放特性展开了广泛的研究，重金属在 焚烧炉中的最终分布除了与单个金属的特性有关外，在实际运行中还与垃圾组 成【3 6 4 0 1 以及运行环境等因素有关【4 1 - 4 4 。 李建新【4 5 j 对某垃圾焚烧厂的1 5 t d 的流化床垃圾焚烧炉，在不同的煤与垃圾 混烧比例下与纯煤燃烧时重金属的排放特性进行对比分析，结果表明，掺煤混 烧时飞灰中重金属的含量高于纯煤燃烧方式。 h a s s e l r i i s 删等人在对典型垃圾组分中重金属含量测定后指出，即使去除了 明显易生成重金属污染物的垃圾源，焚烧后仍将有大量的重金属存在；重金属 在焚烧产物中通常以不同的化合物形态存在，改变垃圾与煤混烧时的燃烧工况 条件，可以改变重金属的化合物形态，从而改变重金属在灰渣中的分布。 1 3 2 生物质与煤混烧现状 相对于煤、石油等常规能源，生物质的燃烧过程具有c 0 2 零排放的特剧4 7 _ 8 1 ， 其在能源结构中的地位越来越重要。由于特性多变，使得煤与生物质的混合燃 烧在实际操作上还存在着许多问题，包括混合燃料的燃烧特性、气体污染物和 8 第一章绪论 颗粒物的排放以及其中矿物质的演变等 4 9 - 5 1 】。国内外学者从多方面对生物质与 煤混烧进行了研究，下面对已有的研究成果作一个简要回顾。 1 3 2 1 燃烧特性的研究 刘豪 5 2 1 认为：在煤中加入生物质后，燃烧明显分成挥发分燃烧和焦炭燃烧 两个阶段；生物质的挥发分初析温度要远低于煤的挥发分初析温度，使得着火 燃烧提前。在煤中掺人生物质后，可以改善煤的着火性能，获得更好的燃尽特 性；生物质和煤混合后，发热量增加，提高了生物质的利用价值。 1 3 2 2 气态污染物排放的研究 b o e m e r 等人1 5 玉5 4 】就煤和各种燃料在不同比例下混合n o x 的排放规律进行研 究，认为煤的种类、过量空气系数和温度是影响流化床中n o x 排放的重要因素， 其结论是，煤的变质程度越高，燃烧中形成的n o x 越低；床温越高，形成的n o x 越多；n o x 排放随着过量空气系数的增加而增加。 沈伯雄【5 5 j 研究发现：生物质在流化床底部迅速燃烧和热解，释放出大量的 挥发分，挥发分燃烧消耗氧气，抑制了燃料氮转变成n o x ；生物质快速燃烧和气 化形成多孔性焦炭，有利于n o x 的分解；煤和生物质混烧可有效降低n o x 的排放。 有关文献【5 5 7 j 表明许多生物质的挥发分含量超过6 0 ，组分中含有大量的 c o 、h e 、c i - h 、c 2 i - h 、c 3 h 6 、h c n 和n h 3 ，这些物质本身可以把n 2 0 和n o x 还原 成氮气1 58 5 9 j 。 s p l i e t h o f f l 6 0 认为当生物质与煤混烧时，烟气中s 0 2 的排放大大降低而被有效 的吸附在颗粒物之中。这是因为生物质飞灰中含有大量的c a o 和m g o 等碱土金 属，所以s 0 2 在一定程度上能被吸收掉而以硫酸盐的形式存在于颗粒物中，从而 造成混烧时颗粒物中有相当高的硫含量。 b e n g t 和j o h a n 等学者【6 “6 2 】认为燃料中的硫元素除一部分以s 0 2 气体的形式在 燃烧过程中随烟气排出外，其余的则更易与c a 、m g 等碱土金属结合以硫酸盐的 形式通过汽化凝结富集在亚微米颗粒上。 1 3 2 3 颗粒物排放的研究 王泉斌【6 3 】在沉降炉上进行了生物质与煤的混烧实验，分析研究了生物质与 煤混烧时可吸入颗粒物的排放特性以及颗粒物中矿物元素的演变规律。实验结 果表明：煤与生物质混烧时，c a 元素在亚微米颗粒和超微米颗粒上均有一定程 度的富集；磷元素在亚微米和超微米颗粒中的浓度含量都有很明显的提高；钠 元素的质量浓度分布与钙元素比较相似，但比钙元素更易汽化，并富集在亚微 9 第一章绪论 米颗粒上。硫元素易与c a 、m g 等碱土金属结合通过汽化凝结富集在亚微米颗粒 上，在p m l o 颗粒中含有大量的硫元素。 夏永俊畔j 研究发现：m n 在p m l o 中的富集是最弱的，z n 则主要富集在亚微米 颗粒上，c r 在p m 】o 的所有粒径颗粒上均出现富集，z n 与c r 在p m l o 上的富集程度 相当，而p b 在p m l o 上的富集最为明显，这与它们的化学特性有关；m n 的分布行 为受s 、c i 含量的影响不大，而受燃料的燃烧特性及燃烧温度的影响较大，温度 越高，m n 越易挥发，s 、c 1 对p b 、z n 和c r 的分布行为均有影响，其中s 含量的增 大对3 种元素的挥发行为均有抑制作用，c l 含量的增大则对p b 和z n 的挥发有促进 作用，但对c r 的挥发行为却有抑制作用；此外，n o 比减小有助于c r 挥发性增强， 更低的n o 比气氛使得c r 在p m l o 上的富集更加明显 1 4 烟气脱酸研究现状 1 4 1 烟气脱酸工艺的研究 垃圾焚烧中产生的酸性气体主要是h c i 、s 0 2 ，其净化机理是利用酸碱中和 反应。目前，垃圾焚烧烟气脱酸( h c i 、s 0 2 ) 技术主要是借鉴燃煤烟气的脱硫 ( s 0 2 ) 技术。按其脱酸方式以及脱酸反应产物的形态可分为湿法、干法及半 干法三大类 6 5 6 6 】： 1 ) 湿法工艺。该工艺的原理是利用碱性溶液 如c a ( o h ) 2 、n a o h 等】 对焚烧烟气进行洗涤，通过酸碱中和反应将h c ! 和s 0 2 等酸性气体去除，该工 艺具有同时净化颗粒物、酸性气态污染物和部分重金属的功能。 2 ) 半干法工艺。该工艺是使烟气中的污染物与碱液进行反应，形成固 态物质而被去除的一种方法。半干