PDF《NOx 和SO2 排放试验研究》

21 有机废弃物气化焚烧的 NOx 和SO2 排放试验研究 高宁博1 ,李爱民1 , 李延吉2

1 .

大连理工大学 , 辽宁 大连

116024 2 . 沈阳航空工业学院 ,辽宁 沈阳

110034 [ 摘要] 在小型气化焚烧试验台上对有机固体废弃物进行气化与焚烧 , 研究了气化温度 、气 化剂种类 、 气化剂流量以及空气过量系数对 NOx 和SO2 排放的影响 .试验结果表 明, 气化产气经过高温焚烧后 , NOx 和SO2 的排放浓度均比较低 , NOx 最高排放浓 度为

76 .

66 μ L/L , SO2 的排放浓度为

97 .

87 μ L/L ,远低于国家规定的垃圾焚烧排放 浓度 , 焚烧减污效果明显 . [ 关键词] 有机固体废弃物 ;

气化 ;

焚烧 ;

NOx ;

SO2 ;

污染物排放 [ 中图分类号] X701 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号]

1002 -3364( 2008)

08 -0021 -05 基金项目:

985 工程二 期资助项目( 1000-872A01) 作者简介: 高宁博( 1978- ) , 男,陕西礼泉人 , 大连理工大学 环境与生命学院 博士研究生 , 研读方向为固体 废弃物热化学 处理及资源化利 用.E-mail: nbogao @gmail. com 直接焚烧有机固体废弃物是一种比较有效的垃 圾处理方法 ,具有显著的的减容化和资源化效果 , 是 处理固体废弃物的传统方法之一 .但是, 焚烧法处 理固体废弃物容易对环境造成二次污染, 而这种二 次污染所带来的严重后果却远比垃圾本身给人类带 来的危害大得多[

1 , 2] .气化焚烧两段处理工艺处理 有机固体废弃物具有比焚烧技术更显著的无害化 、 减量化效果和更低的二恶英排放, 是垃圾热化学处 理的方向之一 .

1 气化焚烧技术 气化技术能够实现有机废物的资源化, 实现有机 垃圾向能源方向的转化.气化过程是在气化介质 , 如空气、氧气 、水蒸气三者或三者的混合物的参与 下 ,有机固体燃料吸收热量后通过部分氧化将有机 原料转化成为载能气体的转化过程 .气化反应的产 物包括: 一氧化碳 、二氧化碳 、氢气 、甲烷、微量多碳 氢化合物( 乙烯 、 乙烷) 、水 、氮气( 当气化介质为空气 时) 和其它污染物 , 如微小的炭粒子 、灰 、焦油 、含多 碳氢的化合物和油类 .本文在气化焚烧装置上进行 了有机固体废弃物的气化焚烧试验, 结合气化和焚 烧各自的优点, 将气化得到的可燃气体引入另一单 独的燃烧室进行洁净燃烧 , 研究气化 -焚烧过程中 SO2 和NOx 的排放特性 . 有机固体废弃物直接送入气化炉进行气化处理 , 在这个过程中, 垃圾大致要经历热解 、气化和熔融

3 个阶段 , 有机固体废弃物中的挥发分在气化炉的热 解阶段被部分分解 , 剩余的固定碳和灰分进入气化 炉的气化阶段;

焦炭在气化过程中与气化剂发生气 化反应 , 炉体温度迅速升高 , 在一定条件下 , 有机固 体废弃物的热值基本能够满足维持反应所需的温 度, 甚至能够使灰渣熔融 ;

反应中生成的可燃混合气 体直接输送到二次焚烧室中进行高温焚烧 , 焚烧温 度一般维持在

1 000 ℃左右, 这样处理的结果将使气 化产气中的可燃 、有毒或有害气体组分被燃烧或分

22 解 ,从而使最终尾气达到清洁排放 , 满足国家垃圾焚 烧排放标准要求[

3 , 4] .

2 试验装置及步骤 试验台( 图1) 由气化剂发生装置、气化炉 、二次 焚烧室、检测控制系统构成.气化剂发生装置为气 化过程提供流量稳定、成分可控 、供应量可调的气化 剂 .气化炉炉膛由两矩形(

195 mm *115 mm *60 mm) 碳化硅制品构成 , 其内衬有

5 mm 厚的钢板 , 外 围为耐火砖 , 并以耐火水泥填充 , 最外部为铁板炉 身 .二次焚烧室呈矩形结构, 外层有高温耐火砖 , 最 外层是普通砖 , 上部装有功率为

6 .

97 kW 的燃烧器 ( 使用

0 号柴油) , 气化反应生成的可燃混合气体从 上部进入焚烧炉体, 通过燃烧器完全燃烧后产生的 烟气从下部排出.为了使烟气顺利排出, 在烟道末 端装有引风机 , 使系统处于负压状态 .试验中所用 的气化剂主要是空气和氧气 .气化炉和二次焚烧室 是主反应炉体 , 外接温度控制柜 .温度由 K 型热电 偶测定.气化剂从气化炉的底部吹入 , 与气化炉中 的碳进行反应 ,产生的热量可使灰渣熔融 ,产生的炉 渣可从底部的炉门排出 .二次焚烧后最终排出的气 体用 Teto350XL 型烟气分析仪进行在线测量 . 1-进料 口2-变速器 3-绞笼 4-陶瓷管

5 -进料管 6-反应 器7-氧气瓶 8-氮气瓶 9-流量计 10-加热元 件11-水 蒸气发生器 12-集气袋 13-产气分 析仪 14-电 控箱 15-燃 烧器 16-二 次焚烧室 17-烟气分析 仪18-引风 机19-尾 气排放管 图1试验装置示意 本文以废木屑、稻壳 、内胎和废橡胶作为试验物 料.试验物料用 SM -2000 型粉碎机进行破碎 ,加工 后生物质的粒度尺寸在(

1 ~

3 ) cm3 以下, 橡胶的破 碎采用人工方法剪成不大于

2 cm *5 cm 方形条状 . 各种物料的工业及元素分析结果见表

1 . 表1有机固体废物工业及元素分析结果 % 项目 水分 挥发分 灰分 固定碳 Cad Had Oad Nad Sad 木屑

12 .

00 75.

05 0.

54 12 .

41 50.

40 5.

97 42.

37 0.

15 0.

05 稻壳

17 .

18 38.

98 17.

38 26 .

46 46.

18 5.

96 36.

43 4.

46 0.

42 内胎

1 .

02 64.

92 6.

55 27 .

51 49.

10 6.

80 5.

90 0.

10 1.

50 橡胶

1 .

15 67.

03 29.

74 2 .

08 53.

22 7.

09 7.

76 0.

50 1.

34 试验时 , 首先向气化炉内通入一定流量的气化 剂 ,使系统中的其它气体排出, 待各项参数稳定后 , 打开燃烧器 ,间歇送入待测的固体废物, 并记录各项 试验数据.试验过程中用集气袋收集气化产气 , 用 气相色谱质谱联用仪进行成分分析 ;

用烟道分析仪 对二次焚烧室排放物进行现场测量 .

2 试验机理

2 .

1 氮氧化物的生成过程 在高温条件下 ,氮氧化物来源于生活垃圾焚烧过 程中 N2 和O2 的氧化反应 .另外 , 含氮有机物的燃 烧也可以生成 NOx .其中 NO 浓度在氮氧化物中达

90 %以上, NO2 浓度较低 .NO x 的生成过程可用反 应式( 1) ~ ( 3) 表示 . 2N2 +3O2 2NO +2NO2 ( 1) 2NO + O2 2NO2 ( 2) Cx Hy Oz Nw +O2 CO2 +H2 O +NO + NO2 ( 3) 混合垃圾燃烧时所生成的 NOx 有燃料型 NO x 和热力型 NOx . 燃料型 NOx 由燃料中的 N 转化而 来, 由于燃料中氮的热分解温度较低 , 在600 ℃~

800 ℃就会形成, 故它在垃圾焚烧生成的 NOx 中占

60 %~

80 %.热力型 NO x 是空气中的 N2 和O2 在 高温下直接反应的生成物 .在1300 ℃以下 ,热力型 NOx 含量很少 , 主要是燃料型 NOx .随着温度的升 高、过量空气系数的增大, 上述方程均向右移动 , 烟 气中 NOx 的浓度呈增加趋势 .

23 2 .

2 SO2 的产生过程 高温焚烧时 ,有机垃圾中所含硫分经氧化生成硫 氧化物.燃料中的硫根据其存在形态分为无机硫和 有机硫.有机固体废弃物中 , 硫主要是以有机硫的 结构存在.由于有机硫的组成极为复杂, 至今对其 认识不够充分 .有机物料中大体存在

6 种含硫官能 团:硫化物 、硫醇类 、硫酸类 、噻吩类、硫醌类以及硫 蒽类 ,其中以噻吩类硫结构最为稳定[ 5] .以含硫有 机物为例 ,SOx 宏观的产生机理可用式( 4) ~ 式( 6) 表示 . 2H2 S +3O2 2SO2 +2H2 O ( 4) Cx Hy Oz Sp +O2 CO2 +H2 O +SO2 ( 5) 2SO2 +O2 2SO3 ( 6) 有机硫在氧化性气氛中可直接氧化成 SO2 , 而在 还原性气氛中它们首先分解成 H2 S 和COS , 然后再 氧化形成 SO2 .在物料加热过程中 , 侧链硫( ―SH) 和环硫链(―S ―) 首先破裂 , 产生最早的挥发硫 .随 着温度的升高 ,氧化反应更为完全 ,烟气中呈现 H2 S 浓度减少 、SO x 增加的趋势 .随着过量空气系数增 大 ,反应式( 4)~ 式( 6) 向右移动 , 烟气中呈现 H2 S 、 SOx 浓度减少的趋势 .有些无机硫比较稳定, 分解温 度很高, 并不能转变成 SO x ,最终与有机质缩聚成高 分子硫化合物存在于炉渣中[

5 ~ 8] .

3 试验结果及分析

3 .

1 燃烧器空料时 NOx 和SO2 的生成 图2是气化炉内不添加任何物料 ,只单独打开燃 烧器时( 焚烧室内温度为

1 000 ℃ ) NOx 排放曲线 . 排气中 NOx 最高浓度为

62 μ L/L( 标准状态 , 下同) , NOx 主要是燃烧器燃用

0 号柴油所产生 ;

SO2 未检出 . 图2燃烧器空料状态下 NOx 的排........