社區：
垃圾是困擾中國許多城市的一個嚴重問題。隨 著工業現代化的發展,人民生活水平的提高, 垃圾
廢棄物的產量日益增長,且成分也在發生變化。近 年來我國的城市垃圾中,有機質的含量明顯上升,其
中廢塑料和廢橡膠等增長顯著。有機垃圾廢棄物具 有松散、低密度、低熱值、高揮發分以及垃圾成分復
雜等特點,垃圾直接焚燒存在許多問題,如:劇毒含 氯化合物PCDDs、PCDFs、PCB s (統稱二惡英類物
質) 以及含Hg、Pb 的飛灰等造成大氣環境污染 等[ 1 ] 。熱解氣化技術可以將有機垃圾原料轉變成
氣體燃料,使其成為清潔的能源,是一種有發展前途 的可再生能源利用方式[ 2～5 ] 。
氣化爐形式主要有上吸式移動床、下吸式移動 床、鼓泡流化床、循環流化床、噴動床和氣流床等;氣
化介質可以是空氣、水蒸氣和富氧空氣等;氣化爐產 出的燃氣可用于炊事、加熱、鍋爐或發電等。根據城
市生活垃圾的物理化學特性,從降低物料預處理成本、提高可燃氣體產率、降低焦油產率等因素綜合考
慮,下吸式氣化爐是較理想的氣化爐型。下吸式氣 化爐的特征是氣體和有機物料混合向下流動通過高
溫區,發生氣化反應。下吸式氣化爐在煤炭氣化方 面是較成熟的技術,但在熱解氣化處理垃圾廢棄物
方面的研究報道較少。本研究使用一種具有收縮喉 口區的下吸式氣化爐,對城市生活垃圾進行空氣氣
化實驗研究。
2 試驗部分
2. 1 試驗原料和裝置
試驗所用垃圾樣品取自廣州市郊區垃圾填埋 場,試驗樣品的元素分析使用Elementar元素分析儀
(型號Vario EL CHNOS) ,分析數據列于表1。
針對城市生活垃圾含水量較高,且物料成分復 雜,結構不均勻的特點,本研究選擇下吸式氣化爐
(如圖1所示)作為處理反應器。下吸式氣化爐的 特點是氣固呈順向流動。運行時物料由上部儲料倉
向下移動,邊移動邊進行干燥與熱分解的過程,在經 過喉口時,與噴進的空氣發生燃燒反應,剩余的炭落
入喉口下方,與氣流中的CO2 和水蒸氣反應產生 CO和H2。由于下吸式氣化爐中的喉口下方爐膛容
積的突然擴大,相應延長了氣相停留時間,使焦油在 高溫區較徹底地裂解,因而下吸式氣化爐的一個突
出優點是氣體中的焦油含量比較少。焦油是生物質 或生活垃圾氣化過程中產生的不可避免的副產物,
在氣化氣的后續應用中,需要對焦油進行處理。水 洗法是目前對焦油處理的主要方式,因而不可避免
地會產生二次污染,對環境造成比較嚴重的危害。
由于下吸式氣化爐產出的氣體焦油含量較少,一方 面可以簡化后續的處理設備,另一方面可以有效地
減少對環境的二次污染。
圖1 下吸式氣化爐試驗裝置示意圖
Fig. 1 Schematic diagram of down2draft gasifier test facili
在圖1所示的試驗裝置中,有機垃圾廢棄物從 爐上部(內徑500 mm)加入,爐中部設有一個收縮
喉口(直徑D 為180 mm) ,空氣從喉口區上部和喉 口處切向對稱進氣(分別稱為上部空氣量和喉口空
氣量) 。喉口區下部為炭床,用熱電偶測量喉口處 的床層溫度。物料和氣體同向通過喉口區向下流
動,在喉口區發生高溫氣化反應產生可燃氣。針對 垃圾中某些成分密度小,流動性差,易架橋、抽空等
特點,裝置了適宜的機械攪拌結構,使物料順利下 移,實現均勻穩定的氣化爐操作。
試驗時首先加入易燃物點火,預熱氣化爐,然后 加入5 ～7 kg的有機混合生活垃圾(包括塑料、紙
等) ,關閉進料口,開動風機,噴入適量空氣,進行氣 化試驗。
2. 2 氣體、焦油和灰分分析
氣化爐產出氣體用針筒取樣后用島津色譜儀 (型號GC220B21,配GC2Carbop lot 30 m ×053 mm × 310μm色譜柱和TCD檢測器)作成分分析。
燃氣中焦油的含量采用國際標準方法測定,其 采樣流程見圖2。燃氣經石英棉網過濾,除去飛灰,
再經過電加熱保溫管道,使燃氣在裝有二氯甲烷的 瓶子中通過,二氯甲烷瓶子浸于冰水冷浴鍋里,焦油
在其中被吸收、冷凝。實驗完畢后取一定體積的二 氯甲烷溶液于容器中,讓二氯甲烷低溫蒸發后,確定
其剩余物的重量即為對應二氯甲烷體積中所含的焦 油質量。焦油各組分通過HP6890GC2MS分析。則
燃氣中焦油含量的計算式為:
灰中的重金屬用美國熱電公司的電感耦合等離 子體發射光譜儀( IR IS1000)分析。
3 結果與討論
3. 1 氣化過程分析
物料進入爐膛內的反應過程大致可分為4個區 域,如圖1所示,垃圾熱解氣化的過程見表2。
下吸式氣化爐喉管區主要發生的是氧化反應,即空氣由喉管區進入爐內與碳混合燃燒,故此段反 應溫度最高,可達1000～1200 ℃。爐內溫度由喉管 區開始向上和向下遞減分布,喉管區下段發生的還 原反應是氣化過程的重要部分,影響還原反應的主 要因素是氣流在還原區與熾熱碳的接觸時間。本實 驗氣化爐還原區呈倒置的喇叭狀,容積突然變大,使 氣體流速減慢,以增加其在熾熱碳層中的停留時間, 使還原反應進行徹底。
3. 2 氣體成分分析
混合生活垃圾氣化試驗參數和得到的可燃氣成 分及熱值數據列于表3。實驗中產出的氣體在連接 于氣化爐燃氣管后的大氣燃燒器里容易點燃,而且 火焰持續穩定。
表3數據表明,混合生活垃圾氣化能夠產出較 多的H2、CO和碳氫化合物。隨著溫度逐漸升高,碳
氫化合物會逐漸分解,如表3中的CH4 含量隨溫度 升高而降低。由于燃氣中碳氫化合物的含量對氣體
熱值有較大的影響,所以燃氣的熱值會隨溫度的升 高而有所降低,見圖3 。因此,用下吸式氣化爐熱解
氣化垃圾,并不是溫度越高越好,而應該是控制在一 定的溫度范圍內以達到最佳的氣化效果。經過多次
實驗,最佳的氣化溫度應在750～900 ℃的范圍內。
3. 3 燃氣中焦油的測定
按實驗部分中焦油測定方法對燃氣中焦油進行 了測定。正常操作條件下,燃氣中焦油的總量為210 g/m3 左右。其中焦油的具體組分分析見圖4。
焦油中可辨別的主要化學成分見表4。
從圖4和表4中可以看出:焦油中所含的成分 復雜,且多為有機物。由于采用的是下吸式氣化爐, 燃氣經過喉部區域時,溫度較高,在1000 ℃左右,導 致燃氣中的焦油通過高溫區時,大部分裂解,因此燃 氣中焦油含量比較低,僅210 g/m3 左右,與其他氣 化爐產生的燃氣相比,焦油含量低很多。
3. 4 垃圾灰渣分析
對垃圾熱解氣化后的灰渣進行了元素分析和重 金屬分析。元素分析結果為: C 19.8 wt% , H 1.08
wt% ,O 26.98 wt% , N 0.30 wt% , S 0.36 wt%。重金屬分析結果為: Ti最多,達2872.16 mg/kg,其次
是Zn、Pb、Cr,其含量分別為1161.06 mg/kg、232.03 mg/kg、225.57 mg/kg; Ni、As和Cd的含量較少,分
別為: 23.03 mg/kg、14.29 mg/kg、9.00 mg/kg?；?的灼減率為19.36 wt%。
3. 5 氣化爐運行特性討論
生活垃圾中有機廢棄物的氣化是一個復雜的物 理化學過程,受垃圾組分和性質的影響較大。不同
的組分的垃圾混合物需要在不同的空氣量及操作條 件下才能正常的穩定氣化,而且反應后產生氣體的
各組分含量都不相同。在掌握各種物料穩定氣化需 要空氣量的情況下,整個氣化系統的操作還與混合
垃圾的進給、混合垃圾的密度、自然體積有關。垃圾 自然體積太大容易架空,太小容易粘結,料層阻力加
大,影響氣化系統的操作和燃氣質量。安裝機械攪 拌裝置,將碎料和適中的塊料混合使用是較好的解
決方法。
4 結 論
下吸式氣化爐處理垃圾,操作方便,運行穩定, 所產生的燃氣既可以滿足燃氣內燃機發電,又可以
進一步合成為儲存、運輸都很方便的液體燃料?；?合生活垃圾氣化試驗表明,主要可燃氣成分為H2、
CO、CH4、C2H4、C2H6 等,產氣熱值達4600 kJ /m3。
燃氣成分和熱值取決于垃圾組分、性質和氣化條件。 熱解氣化技術處理城市生活垃圾,既回收能量,也減
少環境污染,具有廣闊的應用前景。
參考文獻
[ 1 ] Olie K1,Vermeulen P1L1, Hutzinger O. Chlorodibenzo2p2
dioxins and chlorodibenzofurans are traced components of
fly ash and flue gas of some municipal incinerators in the
Netherlands. Chemosphere, 1997, 6 (8) : 455～459
[ 2 ] 徐冰燕,吳創之,羅曾凡,等. 中國生物質氣化技術的發
展與前景. 太陽能學報, 1999, 20 (特刊) : 162～169
[ 3 ] 袁振宏. 我國的生物質能源發展方向與對策. 2000 環
境、可再生能源和節能國際研討會,北京, 2000150～55
[ 4 ] Wu C1Z1, Huang H1, Zheng S1P1, et al. Biomass gasifica2
tion and power generation in China. Bioresource Technolo2
gy, 2002, 83 (1) : 65～70
[ 5 ] Huang H1T1, Wu C1Z1, Chang J1, et al. Energy from bi2
omass and waste—Case studies in China. Intern. J. Energy
Technol. Policy, 2003, 1 (4) : 400～412
