关于生活垃圾热解技术方法内容详解Word文件下载.docx
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其中,挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成,可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。
一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。
在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解,形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。
同时,当挥发分气体离开生物颗粒时,还将穿越周围的气相组分,在这里进一步裂化分解,称为二次裂解反应。
分 类
根据反应条件和控制参数的不同,生物质热解工艺基本上可以分为慢速热解(炭化,carbonization)、快速热解(液化fastpyrolysis)、气化(gasification)、烘培(torrefaction)等。
类别
简介
操作参数
产物
液体
固体
气体
慢速热解
有几千年的历史,是一种以生成木炭为目的的炭化过程。
将木材等生物质放在窑内,在隔绝空气的情况下加热,可以得到占原料质量30%~35%的木炭产量。
约400℃左右,较长蒸气停留时间,可达数天
30%
35%
将磨细的生物质原料放在快速热解装置
快速热解
中,严格控制加热速率(一般约为10~200℃/s)和反应温度(控制在500℃左右),生物质原料在缺氧情况下,被快速加热到较高温度,从而引发大分子的分解,产生小分子气体和可凝性挥发分
以及少量焦炭产物。
可凝性挥发分被快
约500℃左右,蒸气停留时间短,约1s
75%
12%
13%
速冷却成可流动的液体,成为生物油或焦油,其比例一般可达原料质量的40%~60%。
当完成反应时间甚短(<
0.5s)时,又称为闪速热解。
与慢速热解相比,快速热解的传热反应过程发生在极短的时间内,强烈的热效应直接产生热解产物,再迅速淬冷,通常在0.5s内急冷至350℃以下,最大限度地增加
了液态产物(油)。
气化
在高温(750~900℃)下的热解过程,
以气体产物为主。
750~900℃
5%
10%
85%
烘培
一般低于290℃,固体停留时间在
10~60min,主要获得固体产物,一般用于预处理,改善原料的性能。
200~290℃,反应时间
10~60min
在冷凝的情况下低于
5%,否则无
80%
20%
工 艺
城市垃圾常见的热解工艺包括:
(1)新日铁系统
该系统是将热解和熔融一体化的设备,通过控制炉温和供氧条件,使垃圾在同一炉体内完成干燥、热解、燃烧和熔融。
干燥段温度约为300℃,热解段温度为300~1000℃,熔融段温度为1700~1800℃,可燃烧性气体热值6276-10460kJ/m3。
投料口采用双重密封阀结构,可燃性气体导入二燃室进一步燃烧.并利用尾气的余热发电。
灰渣中残存的热解固相产物——炭黑与从炉下部通入的空气在燃烧区发生燃烧反应,通过添加焦炭来补充碳源。
图1新日铁系统工艺流程图
(2)Purox系统
又称为U.C.C.纯氧高温热分解法,采用竖式热解炉,破碎后的垃圾从塔顶投料口进入.依靠垃圾的自重在由上向下移动的过程中,完成垃圾的干燥和热解。
底部燃烧温度:
1650℃。
该系统主要的能量消耗是垃圾破碎过程和1t垃圾热解需要的0.2t氧气的制造过程。
该系统每处理1kg垃圾可以产生热值为11168kJ/m3的可燃性气体0.712m3,该气体以90%的效率在锅炉中燃烧回收热量,系统总体的热效率为58%。
图2Purox系统工艺流程图
(3)Torrax系统
由气化炉、二燃室、一次空气预热器、热回收系统和尾气净化系统构成。
垃圾不经预处理直接投入竖
式气化炉中。
垃圾干燥和热解所需的热量由炉底部通入的预热至1000℃的空气和炭黑燃烧提供。
二次燃烧室温度1400℃,出口气体温度1150~1250℃。
垃圾热值的大约35%用于助燃空气的加热和设施所需电力的供应,提供给余热锅炉的热量达57%,即相当于垃圾热值的大约37%作为蒸汽得到回收。
图3Torrax系统工艺流程图
(4)Occidental系统
采用不锈钢制筒式反应器,炭黑加热到760℃返回热解反应器供热,80℃急冷得到燃料油,热解油平均热值24401kJ/kg。
国外技术进展
图4Occidental系统工艺流程图
生物质能转换技术可高效地利用生物质能源,生产各种清洁能源和化工产品,从而减少人类对于化石能源的依赖,减轻化石能源消费给环境造成的污染。
目前,世界各国尤其是发达国家,都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术,以保护本国的矿物能源资源,为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。
热解技术是国外研究生物质能转换的热点之一。
气化技术
原料:
主要是城市居民生活垃圾、工业固体废弃物、城市绿化垃圾、原木生产及木材加工的残余物、薪柴、农业副产品等,包括板皮、木屑、枝杈、秸秆、稻壳、玉米芯等,原料来源广泛,价廉易取。
它们
挥发分高,灰分少,易裂解,是热化学转换的良好材料。
按照具体转换工艺的不同,在添入反应炉之前,根据需要应进行适当的干燥和机械加工处理。
特点:
IEA煤研究机构对生物质固体废弃物与煤的混合利用进行了研究,经过对各种废弃物的实验发现,
与混合液化和混合热解相比,混合气化更有吸引力。
因为气化方式燃料适应性广,从挥发分含量比较高的生物质和大多数废弃物到反应性差的煤,能够同时产生可燃气体。
与传统的燃烧工艺相比,气化技术既有较高的效率同时具有很好的环保性能。
国外已经建成的大型IGCC电厂一般采用气流床煤气化炉,这一多联产技术将通过生产合成气的同时输出电力、热能和其他产品,使得过程更容易优化,同时获得富集的CO2易于减排,适合开展混合气化工业化
应用的探索性试验。
荷兰:
关于生物质的单独气流床气化方面的研究,荷兰能源中心(ECN)试图开发生物质气流床气化
技术,从生物质灰的熔融特性、生物质给料装置、加压方法以及气化路线选择方面进行了一些研究,发现最大的困难在加料系统,尤其是干粉气化方式并不能适应生物质等有机废弃物。
德国:
科林公司(CHOREN)提出整套生物质热解与气流床气化相结合的路线分为三个阶段,第一步
热解得到气体、焦油和固体产物,第二步进一步分解液体焦油,第三步在气流床气化生物质炭。
而气流床气化炉在处理化石燃料方面技术成熟,如果在煤气化过程添加一定比例的生物质,则可以灵活调整混合气化的燃料比例,使得气化炉运行成本更低。
瑞典:
世界上第一个生物质气化IGCC(Integrated gasification combined cycle)电站位于瑞典
Varnamo,采用正压循环流化床气化炉(950-1000℃,18bar)、高温陶瓷管过滤器、燃气蒸汽联合循环发电系统。
燃料为木材,输入热量18MW,供电6MW,供热9MW。
净发电效率32%,总效率83%。
该厂1991-1993年建设,1993-1999年运行,气化炉运行8500小时,全厂运行3600小时。
因运行成本太高,2000年停运封存。
xxx年VaxjoVarnamoBiomassGasificationCenter成立,将该电站作为大型的研究设施,目的为:
1)开发利用垃圾衍生燃料RDF,包括废弃轮胎等;
2)生产清洁的富氢合成气,采用催化重整方法;
3)改造成生产汽车替代燃料,二甲醚/甲醇/生物柴油。
美国:
PolkPowerStation在DOE资助下,于***年在其水煤浆气化炉添加桉树进行混合气化试验。
图5
所示为混合气化系统组成原理图,桉树被磨制成较细的粉末后与煤混合制取水煤浆,在气化炉混合气化。
试验中生物质添加量达1.2%,混合气化过程没有任何技术障碍。
但是生物质收集和粉碎磨粉成本非常高,由于磨粉过程大尺寸木材片卡住煤浆泵造成给料困难。
因此,木材类生物质直接制粉用于混合气化的燃料制备成本太高。
图5混合气化系统组成原理图
西班牙:
ElcogasIGCC电厂(Puertollano)采用的PRENFLO(pressurisedentrainedflowgasifier)加压气流床气化炉,是一种加压、干式给料工艺。
气化炉结构独特,气化炉本体与合成气冷却器结合。
燃料、
O2和蒸汽一起从装在气化炉下部的燃烧器给入。
在气化炉出口,合成气借助再循环的洁净合成气淬冷,熔渣在水槽内淬冷。
气化原料为高灰煤和高硫石油焦,采用85%纯度的氧气气化。
进行了小麦秸秆与煤焦的混合气化,添加比例10%(基于总能量),结果表明添加生物质后,合成气中CO2和H2O的浓度增加而CO减少,适当调整氧气和蒸汽流量以达到较高的冷煤气效率。
但是生物质含水量必须控制在15%以下,以免影响制粉过程。
热解炭化技术
是最早开展城市生活垃圾热解处理的国家,早在1929年就对垃圾进行了高温热解的实验研究。
1967年Kisser和Friedmdii进行了均质有机废物高温热解的试验,随后进一步进行了对非均质废物(如城
市生活垃圾)的高温热解的研究,结果显示垃圾热解产生的气体可以用作锅炉燃料。
随后Hoffman和Fitz在实验室中使用一种干馏系统分解典型的城市生活垃圾,研究结果表明,高温分解产物包括气体、焦油及各种形式的固体残渣。
同时还证明了高温分解一旦开始,它就能自动维持下去,因为反应产物可以作为加热热解系统的能源。
欧洲:
建立了一些以垃圾中的纤维素物质(如木材、庭院废物、农业废物等)和合成高分子物质(如
废塑料、废橡胶等)热解实验性装罝,其目的是将热解作为焚烧处理的辅助性手段。
在欧洲,主要根据处理对象的祌类、反应器的类型和运行条件对热解处理系统进行分类,研究不同条件下产物的性质和组成,尤其重视各祌系统在运行上的特点和问题。
加拿大:
热解技术研究主要围绕农业废弃物等生物质,特别是木材的气化进行的。
加拿大政府于二十
世纪70年代末期,开始了以利用大量存在的废弃生物质资源为目的的研发计划,相继开展了利用回转窑、流化床对生物质进行气化和利用催化剂对木材高温液化的研究。
日本:
对城市生活垃圾热解技术的研究是从1973年开始的,主要是为配合热解气化熔融技术而进行的,
且新日铁的城市生活垃圾热解熔融技术在世界上最早实现工业化。
1)实验室研究进展
经过科学家的不断摸索研究,热解工艺理论研究已初具规模。
热解过程包含四个连续的热反应阶段。
第一阶段为吸热脱水阶段,温度较低,析出结合水,聚合物开始裂解。
第二阶段为挥发分大量析出阶段,一氧化碳出现最大生成速率,同时生成少量液体产品。
前两阶段均为吸热反应。
第三阶段为二次裂解阶段,是液体产物的主要生成阶段,气体产物可燃成分大量增加,释放大量的热。
第四阶段固体产物焦结构固化、压缩,挥发物质减少,固定碳含量增加,同时生成氢和CO等。
该阶段也是放热反应。
已有研究显示,升温速率对液体产物影响不大,但对气体产物和固体产物的分布有较大影响,建议生物质热解的温度在350℃
~600℃之间,固体产物焦炭的生产率在15~35%之间,流化床的应用较为广泛。
美国、欧洲:
首先针对生物质的三种主要成分木质素、半纤维素、纤维素开展了热解机理研究(E.Sjö
strö
m,1993;
F.Shafizadesh,1985)。
在此基础上,展开了广泛的实验室研究,包括不同生物质原料(如木
材(Joseph,1996;
Lim,1993)、椰子壳(Iniesta,***)、塑料(Uzumkesici,1999)、甘蔗渣(Strezov,***;
Katyal,xxx)等)的热解过程分析、产物生成速率、产物分布等,研究了热解温度、蒸气停留时间、升温速率等不同参数对热解过程的影响,对产物的特性进行了评价,发展了流化床、烧蚀反应器、循环式流化床、旋转炉等不同类型的反应器。
伴随着人们对城市生活垃圾处理处置的重视,以及生活垃圾传统处理工艺暴露出的问题,人们逐渐将热解技术应用于生活垃圾的处理。
针对MSW炭化温度这一核心参数,美国学者认为
(BridgwaterandPeacocke,1999;
Bridgwater,***),控制炭化温度在400℃左右,蒸气停留时间在数天时,有利于固体产物的生成,其液体、固体和气体产物的比例约为30%、35%和35%。
印度:
研究集中于腰果壳(Das,xxx;
Das,xxx)、甘蔗渣(Das,xxx;
Parihar,***)、花生榨油残渣
(Agrawalla, xxx)等原料。
印度理工学院(Das,xxx)研究了400~600℃下热解的产物生产率,发现随着温度的升高,焦炭产率由400℃的23%,下降至600℃的19%。
Matsuzawa研究了在435℃、445℃和455℃下城市生活垃圾热解后的固体产物的理化特性,认为可用作热解反应过程燃料,满足热解过程对能量的需求。
表2列出了大多数目前已知的最近和现有的热解工艺的研究和运行实例。
表1国外实验室热解反应器应用
反应器类型
生产商
运行或研究机构
处理量/kg/h
Fluidbed
Agritherm,Canada
AdelaideU,Australia
1
BiomassEngineeringLtd,UK
AstonU.,UK
5
Dynamotive,Canada
Cirad,France
2
RTI,Canada
CurtinU,Australia
ECN,NL
IowaStateU.,USA
6
NREL,USA
10
PNNL,USA
TNO,Netherlands
USDA,ARS,ERRC,USA
U.Seoul,Korea
N/A
Transported
bed&
CFB
Ensyn,Canada
CPERI,Greece
Metso/UPM,Finland
U.Birmingham,UK
U.Nottingham,UK
VTT,Finland
20
Rotatingcone
BTG,Netherlands
Integralcatalytic
pyrolysis
BioEcon,Netherlands
BattelleColumbus,USA
KiorUSA
TechnicalU.ofMunich
U.MassachusettseAmhurst,USA
VirginiaTech.U.,USA
3
30
Ablative
PyTec,Germany
InstituteofEngineering
15
TechnicalU.Denmark
1.5
AugurorScrew
Abritech,Canada
AuburnU.USA
1.0
LurgiLR,Germany
KIT(FZK),Germany
500
RenewableOilIntl,USA
MississippiStateU.,USA
MichiganStateU.USA
0.5
TexasA&
MU.,USA
Movingbedand
fixedbed
AnhuiYinengBio-energy
Ltd.,China
AnadoluUniversity,Turkey
Sci.&
Technol.,Japan
0.1
U.Auto`nomadeBarcelona,Spain
2)工程化应用
鉴于其良好的资源化前景,人们一直推动生活垃圾热解技术走向工业化实践和工程应用。
生活垃圾低温热解炭化技术最早应用于工业化,每年连续运行达。
生活垃圾进炉前一般先干燥处理,部分需要将重金属分选出来。
新建炭化厂产品焦热值较高,达20900kJ/kg,用于锅炉燃料、水泥窑
燃料、热电站以及钢铁生产企业的燃料,销售价格4~10美元/吨。
数量
处理规模
炭化工艺
炭化温度
运行时间
日本
6座(xxx-xxx年)
20~60吨/天
流化床和旋转炉
400~600℃
206~336天/年
1座(规划在高萩市)
25吨/天
1座(规划在丹波市)
60吨/天
xxx年日本建设了第一座生产规模并稳定运行的城市生活垃圾炭化厂
原 料
由于日本有完善的生活垃圾分类体系,一般分类为可燃垃圾、不可燃垃圾、可回收垃圾和大型垃圾。
因此用于处理的原料生活垃圾为可燃垃圾和可燃大型垃圾部分。
进料生活垃圾先破碎处理,含水率降至
10~15%wt.%,然后进入旋转
炭化炉
70吨/天
(两条生产线并行,单条35吨/天)
旋转炭化炉,产物焦经洗气脱氯、脱水后造粒(块状原料),制成
产品焦,用于替代燃料。
热解气和焦油用于炭化所需能量。
450~550℃
可连续24小时运行,206~336天/年
热解气
和焦油
产物焦
造粒,制
产品焦
脱水
洗气
干燥
粉碎
进料
旋转炭化炉
(450~550℃)
锅炉或燃烧室
图6日本首例炭化厂工艺流程
***年该厂运行情况
产 焦
飞 灰
环保控制
不可燃残渣
产品焦的特性
处理生活垃圾13856吨
(湿基,含
水率按56%
3247吨,产品焦产率为
23%(湿
108吨
烟气采用水幕除尘、活性炭喷雾和布袋除尘,排放的NOx
小于100ppm,二
194吨
可燃组分比例约
67%,低位热值
11440kJ/kg(湿基计),氯含量
计),含水率
基计)
恶英排放小于0.01ng。
飞灰浸出测试铅浓度低于0.3mg/L,经螯合处
理后填埋。
0.4%(湿基计)。
与日本其他炭化厂相比,产品焦热值较低,该厂将产品
焦外运,为此支付
运费80美元/吨,
具体去向不明。
该厂运行初期曾遇到粉碎、干燥、物料输送等技术问题,炭化炉与热解气焚烧室外侧表面部分腐蚀,是运行中比较严重的问题,后来都通过工程手段予以解决。
注:
部分内容译自:
A.V.Bridgwater,etc.Anoverviewoffastpyrolysisofbiomass,1999
In-HeeHwang,etc.SurveyofcarbonizationfacilitiesformunicipalsolidwastetreatmentinJapan,
XXX
A.V.Bridgwater,Reviewoffastpyrolysisofbiomassandproductupgrading,***
CommissionoftheEuropeanCommunities,Directive***/77/EConthe“Promotionofelectricityproducedfromrenewableenergysourcesintheinternalelectricitymarket,”27September***
WebsiteofDepartmentofEnergy,US
国内技术现状与发展趋势
实验室研究现状
国内在生物质和生活垃圾热解方面的研究起步较晚。
中国科技大学、沈阳农业大学、中国科学院、广州能源研究所、上海交通大学、山东理工大学等单位在热解方面都展开
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