有機固體廢物熱解處理工程設計 環(huán)境工程專業(yè)畢業(yè)設計 畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)設計有機固體廢物熱解處理工程設計學 院環(huán)境科學與工程學院專 業(yè)環(huán)境工程 年級班別學 號學生姓名指導教師2012 年 6 月設 計 總 說 明隨著經濟的發(fā)展，居民生活水平的提高，有機固體廢棄物已經對環(huán)境衛(wèi)生造成了嚴重的影響。因此，人們積極探索著更好的處理處置有機固體廢棄物的方法。有機固體廢物熱解處理工程設計正是探索過程中的一次實踐。本設計的主要內容是依據熱解氣化技術，在循環(huán)流化床氣化爐中將有機固體廢棄物轉換為可燃氣，利用可燃氣發(fā)電，把化學能轉化為電能。在整個設計過程中進行了風煙量計算，系統(tǒng)阻力計算，流化床設計，燃氣凈化系統(tǒng)設計，風機、內燃機選型等工作。此外，利用CAD繪制流化床總圖、流化

2、床本體圖，燃氣凈化系統(tǒng)圖等。關鍵詞： 有機固體廢棄物，循環(huán)流化床，熱解，氣化爐General Specification of DesignAlong with the development of economy, the exaltation of residents living standard, the organic solid waste has already resulted in the serious influence on environmental hygiene. Therefore, people actively investigate a better pr

3、ocessing to handle the method of organic solid waste. Organic solid waste pyrolysis treatment works design is explored in practice. The main content of this design is based on pyrolysis and gasification technology, in the circulating fluidized bed gasifier will of organic solid wastes into an gas, u

4、se of gas power, the chemical energy into electrical energy. In the design process of the air and gas quantity computation, the system friction calculation, fluidized bed design, gas purification system design, the fan, internal combustion engine type selection of the work.In addition, use CAD drawi

5、ng fluidized bed general layout, fluidized bed body figure, gas purification system graph, etc.Key words : organic solid wastes,circulating fluidized bed,pyrolysis, gasifier目 錄1 文獻綜述11.1 有機固體廢棄物的特性21.1.1 有機固體廢棄物的物理特性21.1.2 有機固體廢棄物的化學特性21.1.3 有機固體廢棄物的生物特性31.2 有機固體廢棄物處理的傳統(tǒng)方法41.2.1 焚燒51.2.2 衛(wèi)生填埋51.2.3

6、堆肥51.3 熱解工藝51.3.1 按供熱方式分類61.3.2 按熱解溫度分類71.3.3 影響熱解的主要參數81.4 有機固體廢棄物在流化床氣化爐內反應過程111.5 循環(huán)流化床氣化爐工作原理171.6 設計內容與要求181.7 課題意義182 工藝設計192.1 工藝流程192.1.1 工藝確定192.2 預處理和物料輸送192.2.1 破碎機202.2.2 粉粹機212.2.3 物料輸送方式212.2.4 傳送系統(tǒng)222.3 系統(tǒng)計算222.3.1 流化氣體（空氣）理論進氣量222.3.2 臨界流化速度232.3.3 終端速度242.3.4 操作速度242.3.5 床層空隙度242.4

7、設備計算252.4.1 床徑床高設計252.4.2 進氣管直徑252.5 設備選型262.5.1 氣體分布板262.5.2 床型的選擇27流化床主體的設計282.5.4 返料裝置的設計282.6凈化系統(tǒng)30旋風分離器的設計302.6.2 水冷塔的設計342.7 風機和電機的選擇372.7.1 系統(tǒng)阻力計算372.7.2 系統(tǒng)風量計算382.7.2 風機電機參數392.8 燃氣內燃機選型393 技術經濟性分析41結論43參考文獻44致謝46附錄A.47附錄B .48附錄C .49附錄D .50附錄E .511 文獻綜述目前，我國有機固體廢棄物排放量逐年增多，給農村和城市環(huán)境造成嚴重威脅。廚余垃圾

8、、畜禽糞便、農村秸稈、污泥、食品加工廢棄物等有機固體廢棄物含有大量病原微生物，有機N、P污染物，并會產生惡臭物質，污染越來越嚴重，其無害化處理已成為我國可持續(xù)發(fā)展所無法回避的重大環(huán)境問題。近幾年，我國在城市生活垃圾方面的管理發(fā)展較快，已經逐步建立了適合我國的國情的管理體系，包括法律法規(guī)的建立和完善。從1989年頒布中華人民共和國環(huán)境保護法以來，我國陸續(xù)實施了很多有關城市固體廢棄物管理的法律、法規(guī)，如中華人民共和國固體廢棄物污染環(huán)境防治法、城市市容和環(huán)境衛(wèi)生管理條例、城市生活垃圾管理辦法等。在管理制度政策方面，我國正在逐步建立城市分類收集制度、城市垃圾收費制度等。但對畜禽養(yǎng)殖業(yè)和農業(yè)固體廢棄物的

9、管理起步較晚，還沒有形成系統(tǒng)的管理體系。就全國水平而言，真正達到標準無害化處理的垃圾不到30。與許多發(fā)達國家相比，中國城市生活垃圾管理體系仍然很不健全，主要表現(xiàn)在缺少對垃圾中有用成分進行回收、利用的管理機制和技術設備，缺少鼓勵垃圾減量化的措施，垃圾的全過程管理尚未實現(xiàn)。隨著經濟發(fā)展、居民生活水平的提高和城市化速度的加快，我們應該積極研究有機固體廢棄物減量化、無害化、資源化的新技術新工藝，努力完善各項技術規(guī)范與控制標準。1.1 有機固體廢棄物的特性1.1.1 有機固體廢棄物的物理特性有機固體廢棄物的物理性質與其組成密切相關。組成不同，物理性質一般也不同。一般用組成、含水率、容重這三個參數來表示有

10、機固體廢棄物的物理性質1。(1)組成有機固體廢棄物的組成一般以各成分含量占有機固體廢棄物總質量百分比來表示，即以濕基率表示；亦可按照干基率來表示，即將其烘干后，去掉水分再稱量。(2)含水率含水率的定義為單位質量固體廢棄物中含水量，有質量分數表示。含水率是有機固體廢棄物物理特性的的主要參數，是確定有機固體廢棄物處理過程中必不可少的測點項目。有機固體廢棄物的含水率隨廢棄物種類、成分、季節(jié)、氣候等條件而變化。餐廚垃圾含水率較高，一般為70%90%；污泥含有大量的水分，含水率為75%99%；城市垃圾和農業(yè)廢棄物中含水率相對較低。有機固體廢棄物水分的測定一般采用烘干法，溫度通常控制在1051，烘干時間應

11、以達到質量恒定為準，一般烘烤4h5h。(3)容重有機固體廢棄物在自然狀態(tài)下單位體積的質量稱為有機固體廢棄物的容重，以kg/l，kg/m3或t/m3表示。容重是有機固體廢棄物的重要特性之一，它為有機固體廢棄物儲存空間大小、運輸機具大小、處置構筑物和設施規(guī)模的選擇和設計提供重要依據。1.1.2 有機固體廢棄物的化學特性有機固體廢棄物化學特性參數主要有元素組成、揮發(fā)份、發(fā)熱值。(1)元素組成元素組成主要指C、H、O、P、S及灰分的質量分數。有機固體廢棄物中化學元素組成是很重要的特性參數，對有機固體廢棄物處理工藝的選擇和資源化利用程度的評估是非常重要的?；瘜W元素組成的測定可以為有機固體廢棄物是否適宜堆

12、肥化處置生產有機肥料和飼料提供判斷依據；也可以估算出有機固體廢棄物的發(fā)熱值，確定有機固體廢棄物焚燒處置回收能源的適用性；并可以判斷提取其有機化合物及化學元素的可能性。(2)揮發(fā)分揮發(fā)分是指有機固體廢棄物中揮發(fā)性固體的含量，它是反映廢棄物中有機物含量近似值的指標參數。揮發(fā)分以廢棄物在600下的灼燒來量作為指標，它的測定方向簡單、快速。揮發(fā)分為分析有機固體廢棄物可生化性，判斷能否選用堆肥處理工藝提供依據。(3)發(fā)熱值單位質量有機固體廢棄物完全燃燒，并使反應產物回到參加反應物質的起始溫度時能放出的熱量，稱為有機固體廢棄物的發(fā)熱值根據燃燒產物中水分存在狀態(tài)的不同又分為高位發(fā)熱值和低位發(fā)熱值。高位發(fā)熱值

13、是指單位質量有機固體廢棄物完全燃燒產物中的水分冷凝為0的液態(tài)水所放出的熱量；低位發(fā)熱值是指單位質量有機固體廢棄物完全燃燒后，燃燒產物中的水分冷卻為20的水蒸氣所放出的熱量。有機固體廢棄物的發(fā)熱值對分析燃燒性能，判斷能否選用焚燒處理工藝提供重要依據。例如，當城市生活垃圾的低熱值大于3350kJ/kg時，垃圾焚燒過程基本不用加入助燃劑，可以實現(xiàn)自然燃燒。1.1.3 有機固體廢棄物的生物特性有機固體廢棄物的生物特性可從兩個方面分析。(1)有機固體廢棄物本身所具有的生物性質及對環(huán)境的影響有機固體廢棄物來源廣泛、種類繁多，包括城鄉(xiāng)生活垃圾、畜禽糞便、生活污水和工業(yè)有機廢水處理產生污泥、作物秸稈、木屑、果

14、皮、蔬菜廢棄物等，這些有機固體廢棄物本身含有的有機生物體很復雜，其中有不少生物性污染物。城市生活垃圾中含有多種有害病原菌和寄生蟲卵，還含有植物蟲害、草籽、昆蟲及昆蟲卵，造成生物性污染，威脅人體健康。畜禽糞便和污泥中常會發(fā)現(xiàn)更多病原細菌、病毒、原生動物及后生動物，尤其是腸道病原生物體，典型的寄生蟲有阿米巴溶組織、各種線蟲（如蛔蟲、血吸蟲、鉤蟲等），尤其是蛔蟲卵，在污水和污泥中廣泛存在。畜禽糞便中的病原微生物和寄生蟲卵及其孳生的大量蚊蠅，使畜禽糞便排入環(huán)境中病原種類增多，出現(xiàn)病原菌和寄生蟲的大量繁殖，造成傳染病的爆發(fā)流行并傳播多種疾病。據分析畜牧場所在地排放的每毫升污水中平均含33萬個大腸桿菌和6

15、9萬個腸球菌。有機固體廢棄物如管理不善，在自然堆放過程中易于腐敗分解，污染環(huán)境，尤其是糞便、生活污水污泥，若不進行無害化處理易造成水體的生物性污染，總之有機固體廢棄物生物性污染對環(huán)境及人體健康帶來有害影響，有機固體廢棄物資源化、無害化處理對處置對并消滅上述致病性生物體具有十分重要的意義。(2)有機固體廢棄物可生化性有機固體廢棄物通過生物轉化使有害污染物的毒性隨之改變。對于有機固體廢棄物在環(huán)境中的生物轉化，微生物起關鍵作用，有機物質通過微生物氧化以及其他生物轉化，可以變成更小更簡單的分子，這一過程稱為有機物質的生物降解有機固體廢棄物中有機物質含量、有機物質的可生物降解性能、生物處理過程中微生物的

16、環(huán)境條件都關系到有機固體廢棄物生物處理的可行性。有機固體廢棄物含有大量有機物，給生物體提供豐富的碳源及能量，有機固體廢棄物中各類不同物質的生化速率和生化分解產物也不同，可溶性有機成分可被微生物直接吸收，生化速率較快，而固體和膠體狀的有機污染物首先附著在微生物體外，由微生物分泌的胞外酶分解為可溶性物質，再滲入細胞就分解速率而言，碳水化合物最快，其次是脂肪、蛋白質，有機固體廢棄物中碳水化合物含量較多，其中單糖、二糖類和淀粉極易生物降解，纖維素較難降解，木質素更難降解有研究表明，城市生活垃圾中淀粉含量低，它在生物處理過程中分解速度快，降解完全；而纖維素、木質素是城市有機垃圾和污泥中的主要成分，但它被

17、微生物降解利用的速度相當緩慢。分析有機固體廢棄物可生化性，是選擇合適處理工藝的重要依據，但目前還沒有適宜的固體廢棄物生物處理可行性的定量評價指標和技術方法。借鑒工業(yè)廢水生物處理可行性的分析方法，通過BOD5/CODcr值近似反映可降解有機物占全部有機物質的比例，盡管這一方法比較粗糙，但在實際工程中經常用做工業(yè)廢水生物處理可行性的評定方法。有機固體廢棄物生物轉化的過程主要分為兩類：化學轉化，包括熱分解、水解、加氫等；生物化學轉化，主要有堆肥化、沼氣發(fā)酵化，也包括廢纖維糖化、蛋白化等生物處理技術。1.2 有機固體廢棄物處理的傳統(tǒng)方法由于有機固體廢棄物的嚴重污染，世界各國都在積極探討處理技術和方法。

18、有機固體廢棄物的處理方法很多，目前有機固體廢棄物處理處置技術主要有焚燒、填埋、堆肥與垃圾綜合處理技術2。1.2.1 焚燒許多固體廢物含有潛在的能量。可通過焚燒回收利用。固體廢物經過焚燒體積可減少80%到90%，一些有害的固體廢物可通過焚燒破壞其組成結構或殺滅細菌，達到解毒、除害的目的。在我國經濟較發(fā)達的東部沿海地區(qū)，由于人口密度高，土地資源寶貴，越來越多地使用焚燒法處理生活垃圾。但由于我國垃圾焚燒處理技術不成熟，真正建一座好的垃圾焚燒處理場，關鍵部分的焚燒設備還需從國外引進，單位投資成本高，資金問題沒處解決，只有少數有條件的大城市可采用。直接焚燒系高溫和深度氧化的綜合過程，存在問題有：垃圾成分

19、復雜，各可燃物具有不同的理化性質和燃燒特性，較難控制其燃燒過程，也難保證充分燃燒；二次污染，產生的酸性氣體、劇毒的含氯高分子化合物、飛灰等對環(huán)境造成污染；爐內金屬腐蝕，含氯化合物在爐內形成HCI等腐蝕性氣體，損傷爐內金屬部件。1.2.2 衛(wèi)生填埋所謂衛(wèi)生填埋就是能對垃圾滲濾液和填埋氣體進行控制的填埋方式，通常首先要進行防滲處理在填埋場底采用人工襯層，四周采用垂直防滲幕培并使之與天然隔水層相連接，使填埋場場底下形成一個獨立的水系，使之不會污染地下水。滲濾液一般通過管道收集后直接處理或送城市污水處理廠處理。垃圾填埋場氣體中含有大量甲烷、二氧化碳、及其他微量成分，若不采取適當的收排系統(tǒng)進行處理，則會

20、在填埋場累積，通過填埋覆蓋層或側壁向場外釋放，對周圍環(huán)境和人類健康造成很大危害。這些氣體一般需通過石籠等收集后燃燒排放或收集后經過凈化處理作為能源回收。1.2.3 堆肥垃圾堆肥技術按生物發(fā)酵方式分為厭氧堆肥和好氧堆肥；按垃圾所處的狀態(tài)分，可分為靜態(tài)堆肥和動態(tài)堆肥；按發(fā)酵設備形式可分為封閉式堆肥和敞開式堆肥。較好的方式為動態(tài)高溫堆肥。但處理成本高，我國大多數城市采用的是靜態(tài)敞開式堆肥。雖處理成本低，但堆肥過程無法控制，對周圍環(huán)境污染較大。厭氧堆肥因有機物分解慢且堆肥周期長，容易產生臭味。占地面積大不適合大面積推廣應用。1.3 熱解工藝熱分解過程由于供熱方式、產品狀態(tài)、熱解爐結構等方面的不同，熱解

21、方式也各異。按熱解的溫度不同，分為高溫熱解、中溫熱解和低溫熱解；按供熱方式可分為直接加熱和間接加熱；按熱解爐的結構可分為固定床、移動床、流化床和旋轉爐等；按熱解產物的聚集狀態(tài)可分成氣化方式、液化方式和炭化方式；按熱分解與燃燒反應是否在同一設備中進行，熱分解過程可分成單塔式和雙塔式；還可按熱解過程是否生成爐渣分為造渣型和非造渣型。下面簡單敘連一下按按供熱方式和熱解溫度的分類3。1.3.1 按供熱方式分類(1)直接加熱法 供給被熱解物的熱量是被熱解物（所處理的廢物）部分直接燃燒或者向熱解反應器提供補充燃料時所產生的熱。由于燃燒需提供氧氣，因而就會產生CO2、H2O等氣體混在熱解可燃氣中，稀釋了可燃

22、氣，降低了熱解產氣的熱值。如果采用空氣作氧化劑，熱解氣體中不僅有CO2、H2O，而且含有大量的N2，更稀釋了可燃氣，使熱解氣的熱值大大降低。因此，采用的氧化劑是純氧、富氧或空氣，其熱解可燃氣的熱質是不同的。如用空氣作氧化劑，熱解美國城市混合有機廢棄物所得的可燃氣，其熱值一般只在5500kJ/m3（標準狀態(tài)下）左右。采用純氧作氧化劑熱解，其熱解氣熱值可達11000kJ/m3（標準狀態(tài)下）。(2)間接加熱法將被熱解的物料下直接供熱介質在熱解反應器（或熱解爐）中分離開來的一種方法?？衫酶蓧κ綄峄蛞环N中間介質來作傳熱（熱砂料或熔化的某種金屬床層）。墻式導熱方式由于熱阻大，熔渣可能會出現(xiàn)包覆傳熱壁面

23、或者腐蝕等問題，以及不能采用更高的熱解溫度等而受限；采用中間介質傳熱，雖然可能出現(xiàn)固體傳熱或物料下中間介質的分離等問題，但二者綜合比較起來后者較墻式導熱方式要好一些。直接加熱法的設備簡單，可采用高溫，其處理量和產氣率也較高，但所產氣的熱值不高，作為單一燃料直接利用還不行，而且采用高溫熱解，在NOx產生的控制上，還需認真考慮。間接加熱法的主要優(yōu)點在于其產品的品位較高，如前所述的用同樣美國的城市有機混合垃圾作物料，其產氣熱值可達18630kJ/m3(標準狀態(tài)下)，相當于用空氣作氧化劑的直接加熱法產氣熱值的3倍多。完全可當成燃氣直接燃燒利用。但間接加熱法每千克物料所產生的燃氣量-產氣率大大低于直接法

24、。除流化床技術外。間接加熱一般而言，其物料被加熱的性能較直接加熱差，從而增長了物料在反應器的停留時問，即間接加熱法的生產率是低于直接加熱法的，間接加熱法不可能采用高溫熱解方式，這可減輕對N0x產生的顧慮。對于不同的反應器型式，在加熱方法、運行繁簡和加熱速度大小方面的一般性能，可以由表1.1反映出來。表1.1 不同反應器的性能項目爐型直接加熱法間接加熱法墻式中間介質運行簡易加熱速度運行簡易加熱速度運行簡易加熱速度豎式爐+0+-+臥式爐/-+旋轉爐+0+-+流化床-+/-+注：“+”表示性能好；“-”表示不好；“0”表示不好不壞；“/”表示尚無發(fā)展。1.3.2 按熱解溫度分類(1)高溫熱解熱解溫度

25、一般都在1000以上，高溫熱解方案采用的加熱方式幾乎都是直接加熱法，如果采用高溫純氧熱解工藝，反應器中的氧化-熔渣區(qū)段的溫度可高達1500，從而將熱解殘留的情性固體（金屬鹽類及其氧化物和氧化硅等）熔化，以液態(tài)渣形式排出反應器，清水淬冷后?；＿@樣可大大減少固態(tài)殘余物的處理困難，而且這種粒化的玻璃態(tài)渣可作建筑材料的骨料。(2)中溫熱解熱解溫度一般為600790，主要用在比較單一的物料作能源和資源回收的工藝上，像廢輪胎、廢塑料轉換成類重油物質的工藝。所得到的類重油物質既可作能源，亦可做化工初級原料。(3)低溫熱解熱解溫度一般在600以下。農業(yè)、林業(yè)和農業(yè)產品加工后的廢物用來生產低硫低灰的炭就可采用

26、這種方法，生產出的炭視其原料和加工的深度不同，可作不同等級的活性炭和水煤氣原料。1.3.3 影響熱解的主要參數(1)溫度 反應器的關鍵控制變量是熱解溫度。熱解產品的產量和成分可由控制反應器的溫度來有效地改變。為了說明這點，下面以柏林理工大學所作的一系列實驗數據進行說明。實驗用的是合成廢物，以便每次實驗輸入物科條件基本不變。具體輸入物料特性見表1.2。表1.2 熱解的物料特性及熱解溫度/%項目惰性物有機物水分干基的含碳800Bln43.435.421.217.5900Bln45.434.819.817.31000Bln42.439.817.819.7900SA4%41.754.14.226.49

27、00SA30%30.239.130.719.1900SA50%21.728.250.113.8表中Bln代表原西柏林的家庭廢物，SA是合成家庭廢物，其后的百分數表示物料不同的含水量百分數。實驗的加熱方式為豎井爐間接加熱方式，準確地控制熱解爐溫在條件下，得到的相應熱解產物特性見表13。表1.3 熱解產物特性項目熱解氣體容積/%焦炭成分的重量/%H2COCO2CH4CnHmH2SPCHNS100ppm-(GR+C)800Bln2.5339.5214701.616.10.20.180.162.3900Bln3.50.58.570.513004.5140.20.10.121.51000Bln5.592

28、3.50.0512006.2130.20.10.110.8900SA4%9442160027.50.20.130.132.5900SA30%2.51.516.590.528078.519.50.10.090.132900SA50%5421186.50.525086130.10.070.111碳氫化合物C2H4、C2H6、C3H6、C4H10以及C4H6等合并在一起記為CnHm。從上表可以看出，溫度在800以上范圍內變化的條件下，H2含量基本不變，而CO/CO2的含量分配明顯改變，即t=800、900、1000時，CO/CO2=13/23、20.5/18.5、29/12。這就說明，在該條件下，進

29、行著發(fā)生爐煤氣的重要反應。根據物質平衡測定結果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度提高，氣體的產量也增加。對應于從800升到900、1000，氣體產量分別增加了30和80。 CH4的減少不是絕對產量的降低，而是由于總產氣量的增加而被“稀釋”了。同樣，CnHm降低主要是由于溫度升高，它進一步降解，另外也有稀釋原因。干的純熱解氣含有6580的H2和CO。由于H2和CO燃燒時的熱值（kJ/m3，標準狀態(tài)下）實際相差無幾，所以盡管熱解溫度發(fā)生了200的變化，其熱解氣的熱值變化并不明顯。如果熱解溫度不變，只增加熱解的含濕量，則每千克廢物的熱解產氣量明顯增加。尤其是CH4和CnHm的減少，更證明了是CH4被氧化的結果，即CH4

30、+2H2O=CO2+4H2上式左邊為三個分子，而右邊則成為5個分子。若溫度上升，則氣體量還將增加。此時H2和CO2的比例也將升高。但此為吸熱反應，要維持反應溫度不變，必須提供更多的外熱源。在每次試驗中，H、C、N的含量對溫度和濕度都無顯著的依從關系，NH3不穩(wěn)定，隨著溫度升高，NH3含量降低。焦炭的碳成分分析表明，提高溫度和濕度，C含量均會降低。所列差值100-(GR+C)在完全熱解時，它將為零。此時可揮發(fā)物均已析出，只剩固定碳。從上例可知，溫度參數是熱解過程最關鍵的參數。分析其產物的增減趨勢，一定要將它可能發(fā)生的化學反應及能量提供結合起來4。(2)濕度熱解過程中濕度的影響是多方面的。主要表現(xiàn)

31、為影響產氣的產量和成分、熱解的內部化學過程以及影響整個系統(tǒng)的能量平衡，熱解過程中的水分來自兩方面，物料自身的含水量Wy和外加的高溫水蒸氣。反應過程中生成的水分其作用更接近于外加的高溫蒸氣。物料中的含水量Wy，對不同物料來講其變化非常大，對單一物料而言就比較穩(wěn)定。如制革污泥Wy高達95%，而廢輪胎幾乎不含水分。城市生活垃圾Wy變化較大，像我國的城市生活垃圾含水量一般均可達40%左右，有時超過60%。這部分水在熱解過程前期的干燥階段（105以前）總是先失去，最后凝結在冷卻系統(tǒng)中或隨熱解氣一同排出。如果它以水蒸氣的形式與可燃的熱解氣共存，則會嚴重降低熱解氣的熱值和可用性。因此，在熱解系統(tǒng)中要求將水分

32、凝結下來，以提高熱解氣的可用性。物料中Wy的含量增高，其可熱解的干質比例就減少，以應用基為基礎計算的有用熱解產物量就減少，同時要求的干燥熱量增加。這就會帶來兩種結果：一是系統(tǒng)的外加熱量增多，一是凈產出能源減少。所以不是任何物質進行熱解處理在技術經濟上都是可行性的。在熱解進行的內部化學反應過程中，水分對產氣量和成分都有明顯影響。上面介紹的柏林理工大學試驗研究的結果很清楚地表明，在900條件下，物料水分由4%(SA4%)到50%(SA50%)的熱解氣體產量和成分都發(fā)生了較大的變化。氣體產生按重量百分比計從70%上升到86%；而熱解氣成分按去水后的容積百分比分別為：H2 49%54% CO 24%2

33、1%CO2 14%18% CH4 12%6.5%如果反應是在500550的條件下，則呈現(xiàn)“甲烷化反應”，反應方向主要向左。因此，水分的影響一定要與反應條件聯(lián)系在一起考察，不能只看一個參與反應的反應物的條件。其次，水分對熱解的影響還與熱解的方式甚至具體的反應器結構相關。如直接熱解方式在800以上供以水蒸氣，則有水與碳的接觸反應和“水煤氣反應”。從實際反應效果來看，一般噴入水蒸氣應在反應器內溫度達900以上才好。進一步分析不難看出，即使是直接熱解尚與物料和產氣導出的流向有關，是逆向或同向流動情況都是有區(qū)別的。如果導出氣與物料流動方向相同，即含水分的導出氣將經過高溫區(qū)，此時產氣的成分組成與逆向流動產

34、氣的組成也是不同的。被熱解物料的水分高低與整個系統(tǒng)的能量平衡有直接關系。用能量的導出率R指標進行討論 (1.1)式中 R為能量導出率；hout為熱解產氣的能量；hin為加入熱解系統(tǒng)的能量。能量導出率表明了一個事實，即尋求在輸出與輸入的能量關系上，找到最大的R，而不是只看系統(tǒng)產出了多少能量。(3)反應時間反應時間是指反應物料完成反應在爐內停留的時間，與物料尺寸、物料分子結構特性、反應器內的溫度水平、熱解方式等因素有關，并且影響熱解產物的成分和總量。一般而言，物料尺寸愈小，反應時間愈短；物料分子結構愈復雜，反應時間愈長；反應溫度愈高，反應物顆粒內外溫度梯度愈大，這就會加快物料被加熱的速度，反應時間

35、縮短。反應物的旅度對反應器的時間也有關系。如采用稀相和密相，就有一個最恰當的濃度問題。熱解方式對反應時間的影響就更加明顯，直接熱解與間接熱解相比熱解時間要短得多。因為直接熱解可理解為在反應器同一斷面的物料基本上處于等溫狀態(tài)，而壁式間接加熱，在反應器的同一斷面上就不是等溫狀態(tài)而存在一個溫度梯度。反應器內徑（或當量內徑）愈大，溫度差愈大。所以間接熱解的反應器內徑尺寸都做得較小。如果采用中間介質的間接熱解方式，熱解反應時間直接與處理的量有關，處理的量大小與反應器的熱平衡直接相關，與設備的尺寸相關。如采用間接加熱的沸騰床，它的反應時間短，但單位時間的處理量不大，要加大處理量相應的設備尺寸也很大。反應時

36、間與熱解產物間的關系，從本質上講是與熱解溫度和物料的分子結構特性相關。反應時間與加熱速度大、最終溫度高使揮發(fā)分（即熱解產物）產量正向相關。若其他反應條件都處相同狀態(tài)，只考慮反應時間因素的話，則反應時間愈長，熱解的氣態(tài)和液態(tài)產物愈多；時間短，小分子的氣態(tài)產物占熱解氣體積百分比較大。熱解通常存在著快分解和慢分解兩步，快分解有實用意義，而慢分解實用意義不大。另外，物料尺寸大，揮發(fā)分相對減少，這是因為在物料中心析出揮發(fā)分之后，在逸出表面的過程中有裂解，凝聚或聚合現(xiàn)象出現(xiàn)，在表面上出現(xiàn)碳的某些沉積物而使反應減緩。1.4 有機固體廢棄物在流化床氣化爐內反應過程有機固體廢棄物在流化床氣化爐內反應的過程很復雜

37、，隨著氣化裝置的類型、工藝流程、反應條件、氣化劑種類、原料性質等條件的不同，反應的過程也不相同，不過這些過程的基本反應包括有機固體廢棄物的干燥、熱分解反應、還原反應和氧化反應四個過程5。(1)有機固體廢棄物的干燥有機固體廢棄物在進入氣化爐后，在熱量的作用下，首先被加熱析出吸著在有機固體廢棄物表面的水分，在100150主要為干燥階段，大部分水分在低于105條件下釋出，這階段的過程進行比較緩慢，因需要供給大量的熱，而且在表面水分完全脫除之前，被加熱的有機固體廢棄物溫度是不上升的。(2)熱分解反應當溫度達到160以上便開始發(fā)生高分子有機物在吸熱的不可逆條件下熱分解反應，并且隨著溫度的進一步升高，分解

38、進行得越激烈。由于有機固體廢棄物中含有較多的氧，當溫度升高到一定程度后，氧將參加反應而使溫度迅速提高，從而加速完成熱分解。熱分解是一個十分復雜的過程，其真實的反應可能包括若干不同路徑的一次、二次甚至高次反應，不同的反應路徑得到的產物也不同。但總的結果是大分子的碳水化合物的鏈被打碎，析出有機固體廢棄物中的揮發(fā)分，留下木炭構成進一步反應的床層。有機固體廢棄物的熱分解產物是非常復雜的混合氣體和固態(tài)炭，其中混合氣體至少包括數百種碳氧化合物，有些可以在常溫下冷凝成焦油，不可冷凝氣體則可直接作為氣體燃料使用，是相當不錯的中熱值干餾氣。原料種類及加熱條件是有機固體廢棄物熱分解過程的主要影響因素。由于有機固體

39、廢棄物中的揮發(fā)組分高，在較低的溫度下（300400）就可能釋放出70%左右的揮發(fā)組分，而煤要到800時才釋放出約30的揮發(fā)組分。熱分解速率隨著溫度的升高和加熱速率的加快而加快，只要有足夠的溫度與加熱速率，熱分解會以相當快的速率進行。完成熱分解反應所需時間隨著溫度的升高呈線性下降，由試驗可知當溫度為600時，完成時間約27s左右；當溫度達900時，則只需9s左右。而足夠的氣相滯留期和較高的溫度則會使二次反應在很大程度上發(fā)生，從而使最終的不可冷凝氣體產量隨著溫度的升高而增加。(3)還原反應有機固體廢棄物經熱分解后得到的炭與氣流中的CO2、H2O、H2發(fā)生還原反應生成可燃性氣體。主要發(fā)生如下反應6。

40、二氧化碳還原的化學反應C+CO2=2CO；H=+162.142kJ/mol (1.2)這個反應向右進行，是強烈的吸熱反應，因而溫度愈高，CO2的還原將愈徹底，CO的形成將更多；不同溫度下二氧化碳還原時的平衡成分(容積分數)及平衡常數見表1.4。表1.4 二氧化碳還原時的平衡成分(容積分數)及平衡常數溫度/CO/%CO2/%平衡常數K4500.799.30.00155010.789.30.01965039.860.20.30980086.213.87.54790097.882.1239.898100099.410.59161.004110099.850.15526.066120099.940.0

41、61453.001表1.4表明在氣化爐中，有效的CO2的還原溫度是在800以上，隨著溫度的升高，CO2的含量急劇減少，反應平衡常數K值迅速增大，溫度增加有利于還原反應。同時正向反應的體積增加，系統(tǒng)的總平衡壓力將影響平衡時的組成，圖1.1為壓力對該反應平衡混合物組成的影響，由圖1.1可以看出，壓力的增大使CO平衡含量減少。CO2在氣化爐內與燃料接觸的時間也影響CO2還原反應的徹底程度，由使用焦炭做燃料試驗得出，在溫度為1300時，徹底還原所需的時間約56s，當溫度降低后，則需要的時間就增長了。圖1.1 碳與二氧化碳還原反應中平衡混合物與壓力的關系顯然一般的氣化爐中并不以二氧化碳為氣化劑，但在燃燒

42、過程中產生大量二氧化碳。而此二氧化碳的還原反應為氣化過程中的一個重要反應。(2)水蒸氣還原的化學反應C+H2O(g)=CO+H2；H=+118.628kJ/mol (1.3)C+2H2O(g)=CO2+2H2；H=+75.114kJ/mol (1.4)上面的兩個反應都是吸熱反應，因此溫度增加都將都有利于水蒸氣還原反應的進行。但生成CO與CO2的反應平衡常數K是不同的，見表1.5。表1.5碳與水蒸氣反應的平衡常數與溫度的關系溫度/K溫度/K式(1.3)式(1.4)式(1.3)式(1.4)3000.0000.00010002.1652.6024000.0000.00011009.8627.9725

43、000.0000.000120034.99220.5626000.0000.0011300102.31746.3527000.0020.0161400256.71593.7988000.0340.1301500569.343173.7639000.3410.678由表1.5可知，溫度對于紅熱的碳與水蒸氣生成CO和CO2的反應的影響程度不同。在溫度較低（700）時，C+2H2O(g)的反應常數比C+H2O(g)的大，這表明溫度較低不利于CO的生成，有利于CO2的生成。在溫度較高時情況相反，有利于生成CO的反應進行。由表1.5又可看出，隨著溫度的增加，KCO的上升速度快，而KCO2的上升速度慢。由

44、此可知，提高溫度有利于提高CO含量和降低CO2含量。此外，溫度低于700時。水蒸氣與碳的反應速率極為緩慢，在400時，幾乎沒有反應發(fā)生，只有當溫度高于800時，反應速率才有明顯增加。而燃料的種類也與水蒸氣還原的程度有密切關系，在常見的固體燃料中，生物質炭的活性最高，木炭在800時水蒸氣就已充分分解，而此溫度下煙煤焦炭與水蒸氣幾乎未發(fā)生反應。綜上所述，溫度是影響碳還原反應的主要因素。溫度升高有利于CO的生成及水蒸氣的分解，確切地說800是木炭與CO2和水蒸氣充分反應的溫度。(3)甲烷生成反應有機固體廢棄物氣化可燃氣中的甲烷，一部分來源于有機固體廢棄物中揮發(fā)分的熱分解和二次裂解，另一部分則是氣化爐

45、中的碳與可燃氣中的氫反應以及氣體產物的反應結果。C+2H2=CH4；H=752.400 kJ/mol (1.5)CO+3H2=CH4+H2O(g)；H=2035.66 kJ/mol (1.6)CO2+4H2=CH4+2H2O(g)；H=827.514 kJ/mol (1.7)以上生成甲烷的反應都是體積縮小的放熱反應。在常壓下甲烷生成反應速率很低，高壓有利于反應進行。而碳與水蒸氣直接生成甲烷的反應也是產生甲烷的重要反應：2C+2 H2O=CH4+ CO2 (g) ；H=677.286 kJ/mol (1.8)碳加氫直接合成甲烷是強烈的放熱反應，甲烷是穩(wěn)定的化合物，當溫度高于600時，甲烷就不再是

46、熱穩(wěn)定了，因而反應將向分解的方向CH4C+2H2進行，在這個反應中碳以炭黑形式析出。C+H2反應混合物的組成和平衡常數見表1.6。表1.6 C+H2反應混合物的組成和平衡常數溫度/CH4/%H2/%K30096.903.10239.883340086.1613.8420.893050083.5316.473.715455046.6953.310.891360031.6868.320.478665019.0380.970.234470011.0788.930.10238004.1495.860.05501000.5099.500.014811000.2099.800.006011500.1099

47、.900.0033由表1.6可知，甲烷的平衡含量隨著溫度升高而減少。并且由于反應前后的體積發(fā)生變化，因此總壓力的變化必然影響平衡時的H2和CH4的含量。因此為了增加燃料氣中的甲烷含量，提高燃料氣的熱值，宜采用較高的氣化壓力和較低的溫度。反之，為了制取合成原料氣，應降低甲烷的含量，則可采用較低的氣化壓力和較高的反應溫度。常壓氣化時，對此反應的適宜反應溫度一般認為最好在800。CO、CO2的甲烷化反應以及碳與水直接生成甲烷的反應的平衡常數見表1.7。表1.7 幾種反應的平衡常數溫度/K式(1.6)式(1.7)式(1.8)式(1.9)298.167.87010248.5781050.007859.9

48、031044004.08310159.4811040.03581.3551035001.14510109.3331090.08171.3151026001.97710248.2911020.13672.7041018003.2065.2460.25064.03810003.75810-22.72710-20.35451.37815004.20710-63.76210-80.58193.74610-1CO或CO2的甲烷化反應都屬于均相反應，隨著溫度的上升，甲烷含量要比C+H2O反應下降得緩慢。但是，溫度的升高畢竟對正反應不利，故應控制甲烷化的反應溫度。CO或CO2的甲烷化反應中，由于它們需要有4

49、個或5個分子的互相作用，一般要在有催化劑的條件下才能進行，而有機固體廢棄物中灰分的某些成分對甲烷的生成起了催化作用。(4)一氧化碳變換反應CO+H2O(g) =CO2十H2；H=43.514 kJ/mol (1.9)該反應稱為一氧化碳變換反應，它是氣化階段生成的CO與蒸汽之間的反應，這是制取H2為主要成分的氣體燃料的重要反應，也是提供氣化過程中甲烷化反應所需H2源的基本反應。該反應的平衡常數見表1.7。當溫度高于850時，此反應的正反應速度高于逆反應速度，故有利于生成氫氣。為有利于此反應的進行，通常要求反應溫度高于900。由于該反應易于達到平衡，通常在氣化爐燃氣出口溫度條件下，反應達到平衡，從

50、而該反應決定了出口燃氣的組成。在實際的氣化過程中，上述反應同時進行，改變溫度、壓力或組分濃度都對反應的化學平衡產生影響，從而影響產氣成分，而且由于氣體的停留時間很短，不可能完全達到平衡。因此，在確定合理的操作參數時，應綜合考慮各反應的影響。在還原區(qū)已沒有氧氣存在，在氧化反應中生成的二氧化碳在這里同碳及水蒸氣發(fā)生還原反應，生成一氧化碳(CO)和氫氣(H2)。由于還原反應是吸熱反應，還原區(qū)的溫度也相應降低，約為700900。4氧化反應由于碳與二氧化碳、水蒸氣之間的還原反應、物料的熱分解都是吸熱反應，因此氣化爐內必須保持非常高的溫度。通常采用經氣化殘留的碳與氣化劑中的氧進行部分燃燒，并放出熱量，也正

51、是這部分反應熱為還原區(qū)的還原反應、物料的熱分解和干燥提供了必要的熱量。由于是限氧燃燒，氧氣的供給是不充分的，因而不完全燃燒反應同時發(fā)生，生成一氧化碳，同時也放出熱量。在氧化區(qū)，溫度可達10001200，反應方程式為：C+O2=CO2；H=408.177 kJ/mol (1.10)2C+O2=2CO；H=246.034 kJ/mol (1.11)通常把氧化反應區(qū)及還原反應區(qū)總稱做氣化區(qū)，氣化反應主要在這里進行；而熱分解區(qū)及干燥區(qū)則總稱為燃料準備區(qū)。必須指出，燃料區(qū)(層)這樣清楚的劃分在實際上是觀察不到的，因為區(qū)與區(qū)之間是參差不齊的，這個區(qū)的反應也可能在那個區(qū)中進行。上述燃料區(qū)(層)的劃分只是指明

52、氣化過程的幾個大的區(qū)段。1.5 循環(huán)流化床氣化爐工作原理循環(huán)流化床反應器工藝流程如圖2.3所示。工作原理是直接往爐內通入空氣，通過控制空氣供應量，使有機固體廢物部分與氧氣燃燒，提供熱分解所需的熱量，有機固體廢棄物獲得熱量后發(fā)生熱解反應，生成炭和揮發(fā)分。揮發(fā)分導出循環(huán)流化床，產物炭通過旋風分離器回到燃燒室參與燃燒。這個設備將提供反應熱量的燃燒室和發(fā)生反應的流化床兩個部分合為一整體7。圖1.2 循環(huán)流化床工作原理圖1.6 設計內容與要求有機固體廢棄物的熱解是在缺氧或貧氧狀態(tài)下進行的不可逆吸熱化學反應，最終生成可燃氣、焦油(含化學水)和半焦油，可燃氣可燃燒回收熱量。城市生活垃圾分類收集的可燃物部分包

53、括紙類、塑料、纖維、木片、皮革、橡膠等。某些輕工生產過程也產生大量有機固體廢物，例如糖廠、家具廠、碾米廠等產生的甘蔗渣、木屑、谷殼等。有機固體廢棄物具有松散、低密度、低熱值、高揮發(fā)分等特點，帶來了收集、貯存和利用的困難。熱解氣化技術可以將這些有機固體廢物轉變成氣體燃料，使其使用更加清潔方便。本設計課題的主要工藝步驟包括有機固體廢物的預處理、有機固體廢物的熱解氣化、燃氣凈化（除灰和除焦油）、燃氣存儲、氣體內燃機發(fā)電等。其中有機固體廢物的熱解氣化裝置擬采用循環(huán)流化床氣化爐，除灰和除焦油裝置擬采用旋風分離器和水冷塔等。設計有機固體廢物處理量為2000 kg/h。1.7 課題意義隨著人們環(huán)境資源意識的

54、增強，各國政府對固體廢棄物處理技術標準的提高，傳統(tǒng)的固體廢棄物處理主要方法填埋、堆肥、焚燒三種技術日益顯示出其缺陷，如固體廢棄物填埋占用大片土地，堆肥法處理量小、效率低，焚燒法容易產生二次污染，特別是二惡英(Dioxins)的污染問題，使其在工業(yè)應用方面受到阻礙。因此開發(fā)固體廢棄物適應性強、高效潔凈的固體廢棄物處理技術是問題的關鍵，也是世界各國發(fā)展固體廢棄物處理技術的大趨勢。有機固體廢棄物熱解技術在實現(xiàn)無害化、減量化和資源化處理的同時，能有效克服焚燒產生的二惡英污染問題，因而成為新興的、具有較大發(fā)展前景的固體廢棄物處理技術。熱解技術在處理有機固體廢棄物方面的應用和發(fā)展歷史較短，但與直接焚燒法相比，具有以下兩個優(yōu)點：在熱解過程中有機廢棄物能轉化成可利用能量形式8，其經濟性更好；熱解產生的燃氣視其熱值的高低可直接燃燒或和其它高熱值燃料混合燃燒，反應過程產生焦油視其性質可制成燃料或提取化工原料。熱解焚燒系統(tǒng)的二次污染小，可簡化污染控制問題，對環(huán)境更加安全；熱解法產生的煙氣量比直接焚燒法少，特別是煙氣中重金屬、二惡英類等污染物的含量較少，有利于煙氣的凈化，降低了二次污染物的排放水平，因而是一種安全的處理方法。可見，本課題很具現(xiàn)實意義。2 工藝設計2.1 工