（热能工程专业论文）水分对城市生活垃圾热解气化特性影响的试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h et r e a t m e n to f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) h a sb e c o m eo n eo f t h ei m p o r t a n t w o r l d w i d ei s s u e s ，w h i c ha r er e l a t e dt ot h ee n e r g y , e n v i r o n m e n ta n ds o c i a l d e v e l o p m e n t m s wi sc o n s i d e r e da st h em a i ns o u r c eo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a s w e l la sa l li m p o r t a n tr e c y c l i n gr e s o u l c ：e t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fw a s t e t r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sh a v eg a i n e df o c u s e da t t e n t i o ni nt h ew o r l d ，w h i l et h e p y r o l y s i s g a s i f i c a t i o np r o c e s si sp r o v e dt ob ea sa l le f f e c t i v et e c h n o l o g yf o rt h ew a s t e t r e a t m e n t ，w h i c hc a l lr e d u c et h ep o l l u t a n te m i s s i o n , s u c ha sd i o x i n sa n dh e a v ym e t a l s ， a n dr e a l i z et h ee n e r g yr e c y c l i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e p r e s e n t a t i v em s wc o m p o n e n t si nt h ep y r o l y s i s g a s i f i c a t i o np r o c e s sh a v ev e r yi m p o r t a n tg u i d a n c ef o rd e s i g na n do p e r a t i o no f w a s t e t r e a t m e n t d u et oh i g hm o i s t u r ea n d1 0 wh e a tv a l u eo f m s w i nc h i n a , t h em o i s t u r ei n t h ew a s t eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o no f p y r o l y s i s g a s i f i c a t i o np r o d u c t sa n d g a sq u a l i t y h o w e v e r , s o e hc h a r a c t e r i s t i ch a su s u a l l y b e e ni g n o r e dw h e nc o n s i d e r i n g t h er e a c t i o nm e c h a n i s m si nt h ew a s t et r e a t m e n t t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt os t u d yt h e e f f e c to f m o i s t o r eo nt h em s w p y r o l y s i s g a s i f i c a t i o np r o c e s s a l a r g ei n v e n t o r yi s o - t h e r m a lt g as y s t e mh a sb e e ns e t u pt oi n v e s t i g a t et h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i xt y p i c a lw a s t ec o m p o n e n t su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( w i t ha n dw i t h o u ts t e a m ) a t6 0 0 8 0 0 。ci nt h ep y r o l y s i s g a s i f i c a t i o np r o c e s s e s t h e t h e r m o g r a v i m e t r i cp r o c e s si sa n a l y z e db yw e i g h tc o n v e r s i o nr a t ea n dv o l a t i l el o s s r a t e t h ep r o d u c e dg a s e sa r ec h a r a c t e r i z e do n - l i n eb yg a sa n a l y s i ss y s t e m t h ee f f e c t a n dm e c h a n i s mo ft h em o i s t u r eo nt h ew a s t ec o m p o n e n t sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h r o u g hg a sy i e l d ，g a sc o m p o s i t i o na n d h e a tv a l u eo f g a sp r o d u c t b a s e do nt h er e s u l t sf r o ms m a l l s c a l ee x p e r i m e n t s ，ac o m p a r a t i v eo n eb e t w e e n t h ep o l y e t h y l e n e0 e ) a n dp ew i t h2 0 m o i s t u r ea t7 5 0 。ch a sb e e nc a r r i e do u to na p i l o t - s c a l ef l u i d i z e d - b e dg a s i f i c a t i o ns y s t e m t h er e s u l t so fs y n g a sy i e l d ，h e a tv a l u e o f s y n g a s ，t a ry i e l da n d h e a tv a l u e o f t a ri n d i c a t et h a tt h es t e a mp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei n t h er e f o r m i n ga n dc r a c k i n go fg a s e o u sp r o d u c t s i ti sa l s of o u n dt h a tt h ee x i s t e n c eo f t h es t e a md e c r e a s e st h eh e a tv a l u eo ft a r , a n di n c r e a s e st h eh e a tv a l u eo fs y n g a s ，t h u s i m p r o v i n gt h es y n g a sq u a l i t y k e yw o r d s ：m s w ；s t e a m ；p y r o l y s i s g a s i f i c a t i o n ；i s o t h e r m a lt g a ；g a sp r o d u c t a n a l y s i s ；f l u i d i z e d - b e dg a s i f i c a t i o n ；p o l y e t h y l e n e ( p e ) l i 学号：2 0 5 0 8 2 2 4 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝垄盘堂或其它教育机 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谢意。 学位论文作者签名： 签字开期： 年 月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝望盘竺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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 膨。 签字同期：年月同签字只期：年 月r 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 随着城市化和工业化进程的推进，全世界对能源的需求日益增加。据报道， 至2 0 2 0 年全世界的能量消耗量将比现在增长一倍。目前，这种能源需求主要通 过增加石油、煤炭的消耗量来满足，这不仅涉及到有限的化石燃料的维持问题， 而且会使危及人类的环境污染问题变得日趋严重，因此环境保护成为各国政府工 作的重要任务之一。随着对水污染、工业污染治理的同时，城市生活垃圾的处理 也变得越来越重要，今年我国政府首次将垃圾处理列为环境保护工作的重点。 为了解决城市生活垃圾问题，各国政府纷纷出台各种政策、法规，加强城市 生活垃圾的管理。随着环保科技水平的提高，为垃圾的多样化处理提供了可能， 从最初的无害化处理逐渐过渡到减量化、资源化处理，尤其是在世界能源危机爆 发和自然资源日益稀缺的情况下，人们开始积极地从这种“离位资源”上获取物 质和能量。 总体来说，城市生活垃圾的特性研究是综合治理和利用系统的重要组成部 分，也是保证全系统整体功能发挥的重要基础。准确掌握城市生活垃圾物理化学 特性对制定城市生活垃圾的收集、运输、处理具有决定性的作用，尤其是城市生 活垃圾的成份、含水率、热值等对决定垃圾的热处理方式意义重大。 1 。2 城市生活垃圾的特性 城市生活垃圾( m u n i c i p a ls o l i d w a s t e ，m s w ) 是指城市人1 2 1 在日常生活中 产生或为城市日常生活提供服务而产生的固体废物，以及法律、行政法规规定， 视为城市生活垃圾的固体废物。城市生活垃圾主要包括居民生活垃圾、商业垃圾、 市政垃圾、建筑垃圾等。垃圾可分为三类：一类是有机垃圾，即在自然条件下易 分解的垃圾，主要是厨房垃圾；一类是于电池等危险废物；还有一类是废纸、塑 料、金属等可回收的垃圾。 1 2 1 城市生活垃圾的产量现状及影响因素 近年来，全球城市生活垃圾的年产量增长速度高达8 4 2 ，每年产生垃圾 4 5 0 亿t 左右。其中美国的垃圾产量排在世界第一位，人均每天达到2k g 。英国、 法国、荷兰三国的垃圾人均年产量分别为3 2 9 、2 7 0 及2 1 0k g ，日本年产生活垃 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 圾为5 1 0 7 t ，人均约为5 0 0 k g ，最近十年日平均垃圾产量增加了一倍，欧洲经 济共同体国家生活垃圾平均增长率为3 ，德国为4 ，瑞典为2 ，韩国生活 垃圾年增长率高达1 1 。在我国，一个5 0 万人口的中等城市，每天可产生1 0 0 t 生活垃圾，加上建筑垃圾和工业垃圾，每日垃圾产生量不低于1 5 0 0t 。随着我国 垃圾清运量逐年上升【1 】平均每年增长率约为4 2 。截至2 0 0 5 年，全国生活垃 圾清运量为1 5 6 0 2 万t ，东部、东北、中部、西南和西北各地区清运量所占比例 分别为4 2 8 、1 5 9 、2 2 3 、9 4 和9 6 。 城市生活垃圾产生量主要与人口、经济发展水平、居民收入、居民消费水平、 民用燃料结构等因素有关，其中城市人口数量和人均垃圾日产量是影响城市垃圾 总量的直接因素。垃圾产生量与城市人口的增长几乎成正比关系增长；而人均垃 圾日产量与g d p 和人均工资收入这两项指标有较好的线性关系，据调查显示， g d p 每增加1 0 0 元，人均年垃圾产量增加4 0 8k g ；人均年工资收入增加1 0 0 元， 人均年垃圾产量增加1 5 1k g 。因此，经济发达、居民生活水平高的城市垃圾产 量要比经济欠发达，居民生活水平相对较低的城市要高。图l - 1 表明我国在过去 1 5 年内，垃圾清运量分别与人口和人均g d p 的关系。 伯2 0 1 2 8 0 0 0 1 2 4 0 0 0 _ 1 2 0 0 0 0 k 1 1 6 0 0 0 1 5 0 1 2 0 0 0 9 o 浙江大学硕士学位论文第2 章城市生活垃圾典型组分在水分影响下的热重试验研究 生了水煤气反应。挥发份的析出过程即失重的主要阶段，6 0 0 * ( 2 时，在有无水蒸 汽气氛下，质量转化终止时间日分别为9 6s 和9 6s ；7 0 0 c 时，在有无水蒸汽气 氛下，质量转化终止时间f f 分别为5 6s 和6 0s ；8 0 0 * ( 2 时，在有无水蒸汽气氛下， 质量转化终止时间r f 分别为4 4s 和4 4s 。 2 4 高分子化合物类热重试验结果与分析 2 4 1 聚乙烯( p e ) 热重试验结果 聚乙烯( p e ) 是目前使用最广泛的通用热塑性塑料之一，生活垃圾中p e 的 含量很大，在塑料垃圾中所占比例高达4 8 。 在6 0 0 、7 0 0 及8 0 0 ( 恒温) 条件下考察聚乙烯( p e ) 对快速热解气化的 影响，其质量转化率曲线及挥发份逸出率曲线见图2 8 和图2 - 9 。 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 1 7 5 2 0 02 2 52 5 02 7 53 0 0 t i m e s 图2 8p e 在不同温度不同气氛下的质量转化率曲线 从图中可以看出，温度的升高使得p e 热解气化反应程度加深，质量转化速 度加快，不同工况下均只有一个失重阶段。但p e 属于高聚合物，较生物质类的 热解气化特性而言，还是有所区别的：首先，因p e 中的挥发份含量为9 9 3 1 ， 所以整个失重过程可以看作是挥发份的完全析出过程，失重过程非常集中，在很 短的时间段内便迅速完成了，其主要反应为聚合物的直链断裂生成较小分子量的 烷烃以及乙烯等轻质气体的过程【7 4 】，反应方式主要是自由基的转移，如图2 1 0 ( 式中“”代表多个重复单元) 。这些轻质气体在较低温度下就挥发析出了， 阳 加 o 寥，eib芷coisjo，cou l u 5 i e ，5 浙江大学硕士学位论文第2 章城市生活垃圾典型组分在水分影响下的热重试验研究 由于生成物在高温区的停留时间很短，二次反应的程度低，热解气化反应生成的 固体残碳含量很低，不到原样品的1 。其次，水蒸汽的存在对熟解气化过程影 响较大，可以看到在6 0 0 和8 0 0 时，水蒸汽的存在使得反应速度明显加快，箕 存在增加了活化能，使得碳链断裂速度加快。在8 0 0 。c 时，质量转化率和挥发份 逸出率曲线斜率近似为一条直线。 6 0 0 时，在有无水蒸汽气氛下，质量转化终止时间矸分别为1 2 4s 和1 1 4s ； 7 0 0 时，在有无水蒸汽气氛下，质量转化终止时间研分别为9 0s 和8 4s ；8 0 0 时，在有无水蒸汽气氛下，质量转化终止时间计分别为6 8s 和6 0 s 。 o2 57 51 0 01 2 51 5 01 7 5 2 0 0 2 2 52 5 02 7 53 0 0 t i m e $ 图2 - 9p e 在不同温度不同气氛下的挥发份逸出率曲线 c h 2 - c h 2 - c h 2 - c h 2 - - f c h 2 - c h 2 + c h 2 - c h 2 一 一c h 2 - c h 2 + c h 2 = c h c h 2 - c h 2 + c h 2 c h 2 - c h 2 一c h ：一 一c h 2 - c h 2 + c h 2 - c h 2 一c h - c h 2 一c h 2 - c h 2 - c h - c h 2 一 一一c h = c h 2 + c h 2 - c h 2 一c h 2 - c h2 - c h 2 - c h 2 一 一c h 2 - c h 2 - c h 2 - c h 2 - c s 2 - c h c h 2 一一c h 2 - ( c h 2 ) 7 - c h c h 2 图2 1 0 聚乙烯( p e ) 碳碳键断裂示意图 2 4 2 橡胶热重试验结果 在6 0 0 、7 0 0 及8 0 0 c ( 恒温) 条件下考察橡胶对快速热解气化的影响，其 质量转化率曲线及挥发份逸出率曲线见图2 1 1 和图2 1 2 。 竹o 浙江大学硕士学位论文 第2 章城市生活垃圾典型组分在水分影响下的热重试验研究 0 1 0 01 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 t i m e l s 图2 1 1 橡胶在不同温度和气氛下的质量转化率曲线 o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 3 5 04 0 0 t i m e ，s 图2 1 2 橡胶在不同温度和气氛下的挥发份逸出率曲线 从上图中可以看出橡胶与前面三种组分的热解气化过程相比，虽然也只有一 个失重阶段，但其质量转化率很低，即使在8 0 0 时，它的质量转化率也不超过 4 5 ，且水蒸汽的存在对此过程没有太大影响，而温度的升高对此过程影响较大。 这可能是由于橡胶的成分比较复杂，除了主要成分( 橡胶聚合物) 外，还包括一 些填充物和无机助剂，其中某些成分较难分解，即使达到一定温度，也要经历较 长的活化时间才能发生分解反应。从8 0 0 的挥发份逸出率曲线上可以看到在 5 肚1 5 0s 之间有个缓慢的逸出过程。本试验使用的橡胶中挥发份只有4 6 ，失 重的主要阶段就是挥发份的析出过程，而灰份占到近4 0 的比例，也是造成转 化率较低的原因。 6 0 0 时，在有无水蒸汽气氛下，质量转化终止时间曰分别为1 0 6s 和9 8s ； 阳 柚 仲 o ，9l叱亡oisj9coo芏口一e|v、 如柏加仲。 零，eo订ium3j正m口u毋罢哥石 浙江大学硕士学位论文 第2 章城市生活垃圾典型组分在水分影响下的热重试验研究 7 0 0 ( 2 时，在有无水蒸汽气氛下，质量转化终止时间r f 分别为7 8s 和7 8s ；8 0 0 时，在有无水蒸汽气氛下，质量转化终止时间f f 分别为1 4 88 和1 5 0s 。 2 。4 3 织物热重试验结果 在6 0 0 、7 0 0 及8 0 0 c ( 恒温) 条件下考察织物对快速热解气化的影响，其 质量转化率曲线及挥发份逸出率曲线见图2 一1 3 和图2 1 4 。 从织物的质量转化率曲线可以看到，其失重过程只有一次，其曲线特性与生 物质类似，温度对热解气化过程的影响远远大于水蒸汽的作用，织物中的轻质挥 发份及重质挥发份随温度的升高逐渐析出，反应深度逐渐加深。 o 5 0 l o o 1 5 0 2 0 02 5 0 3 0 03 5 04 0 0 t i m e s 图2 1 3 织物在不同温度和气氛下的质量转化率曲线 05 0l o o1 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 4 0 0 t i m e s 图2 1 4 织物在不同温度和气氛下的挥发份逸出率曲线 如 阳 印 蚰 伸 。 术alb叱colsj8uoo芏bi皿； 仲加柏己佃。 芝功gc。jo山ed毋u山。磊毋io 浙江大学硕士学位论文 第2 章城市生活垃圾典型组分在水分影响下的热重试验研究 同样，挥发份的析出过程即失重的主要阶段，6 0 0 c 时，在有无水蒸汽气氛 下，质量转化终止时间f f 分别为1 1 8s 和7 6s ；7 0 0 c 时，在有无水蒸汽气氛下， 质量转化终止时间f f 分别为6 6s 和6 6s ；8 0 0 c 时，在有无水蒸汽气氛下，质量 转化终止时间f f 分别为4 4s 和4 4s 。 2 5 厨余类热重试验结果与分析 在6 0 0 、7 0 0 及8 0 0 c ( 恒温) 条件下考察厨余对快速热解气化的影响，其 质量转化率曲线及挥发份逸出率曲线见图2 1 5 和图2 - 1 6 。 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 1 7 5 2 0 02 2 5 ：2 5 02 7 5 t i m e ，s 图2 1 5 厨余在不同温度和气氛下的质量转化率曲线 02 55 07 51 0 01 2 5 1 5 0 1 7 52 0 02 2 5 2 5 02 7 5 t i m e s 图2 1 6 厨余在不同温度和气氛下的挥发份逸出率曲线 加 仲 o oe心1日芷co一坦9coo羔6ie，5 竹两5；加伯0 爨8西叮lu8每正eci毋。聃山m=苛io 浙江大学硕士学位论文 第2 章城市生活垃圾典型组分在水分影响下的热重试验研究 从图中可以看出厨余在6 0 0 及7 0 0 c 的氮气和水蒸汽气氛，及8 0 0 c 的氮气 气氛下均只有一个失重阶段，而在8 0 0 1 2 的水蒸汽气氛下，有两个明显的失重过 程，第一个失重过程可以看作是挥发份的析出过程，第二个失重过程可能是残碳 和水蒸汽发生了水煤气反应，如下所示： c + h 2 0 寸c o + h 2 c + 2 h 2 0 c 0 2 + 2 h 2 ( 1 ) ( 2 ) 根据8 0 0 c 的两种工况作出微分转化率( d t g ) 曲线，如图2 1 7 所示。从 微分转化率曲线中可以看到，水蒸汽存在的工况下，转化速率变快，转化时间变 长。转化时间变长的主要原因是水蒸汽和厨余中残碳的水煤气反应。 1 0 01 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 02 0 0 2 2 02 4 02 6 0 t i m e s 图2 1 7 厨余d t g 曲线 6 0 0 ( 2 时，在有无水蒸汽气氛下，质量转化终止时间f f 分别为1 3 6s 和1 3 2s ； 7 0 0 时，在有无水蒸汽气氛下，质量转化终止时间r f 分别为1 2 6s 和1 2 6s ；8 0 0 时，在氮气气氛下，质量转化终止时间r f 为1 1 0s ，在水蒸汽气氛下，第一个 失重阶段反应时间为9 0s ，失重份额为6 7 ，第二个失重阶段在试验记录时间 内失重份额为1 2 。 基于以上对城市生活垃圾六种组分的等温热重试验研究，从反应持续时间 即反应最大转化率。和最大失重速率( d 口由) 一这三个特征参数就水分在不 同温度下对垃圾热解气化的影响作了总结，见表2 - 2 。 加 协 佃 ：宝 乎，9苛芷uols缸coo趸芒9jm罄o 浙江大学硕士学位论文第2 章城市生活垃圾典型组分在水分影响下的热重试验研究 表2 2 六种组分等温热重过程的特征参数 、 6 0 0 7 0 0 8 0 0 氮气水蒸汽氮气水蒸汽氮气 水蒸汽 t t | 毫 9 49 45 26 04 4 4 4 纸屑 m 6 4 2 96 8 2 26 7 46 7 37 0 0 97 1 - 3 5 ( d 盯d r ) 。p o s 2 5 43 3 74 2 84 5 05 9 25 9 5 t f s 9 69 66 46 04 8 4 8 竹木x 膈7 7 2 37 9 5 38 0 0 38 0 5 68 3 5 8 2 8 7 ( d 口d f ) s 2 9 43 0 9 4 3 64 6 2 5 6 34 7 3 t f s 1 2 4 1 1 49 0 8 46 86 0 p e n 胼 9 2 1 79 3 0 69 5 6 89 5 6 79 6 4 59 8 6 ( d 口, u ) s 3 2 92 9 83 4 54 6 64 6 25 1 3 t t | s 1 0 69 87 8 7 81 4 8 1 5 0 橡胶珥m 觞4 0 | 3 23 7 1 53 9 7 43 9 8 64 2 0 64 2 3 2 ( d 口出) 。p o s 1 4 9 1 7 82 2 02 0 63 3 22 5 9 t t | s 1 1 87 66 66 64 4 4 4 织物膨8 0 9 68 3 2 88 2 9 3 8 2 4 68 6 9 5 8 7 1 3 ( d 口d f ) 。鸬佻 2 23 3 3 9 4 4 0 45 9 8 9 0 6 f f s 1 3 61 3 21 2 6 1 2 6 1 1 0 厨余 。惕 6 2 4 56 3 6 56 3 8 46 3 3 6 6 3 ( d 口d f ) 一s 1 6 42 1 12 6 12 3 73 6 7 3 2 浙江大学硕士学位论文 第2 章