城市生活垃圾原位水蒸氣催化氣化制備富氫燃氣.pdf

1、針對目前化石能源短缺以及其利用所帶來的嚴重環(huán)境污染問題,人們越來越重視清潔能源—氫能的開發(fā)和利用。由于城市生活垃圾產(chǎn)量不斷增加,對環(huán)境造成的污染日益嚴重,垃圾的處理問題已經(jīng)成為目前亟需解決的迫切問題。而城市生活垃圾有機組分中含有大量的碳氫化合物,因而可以看作是一種可再生資源,利用熱解氣化技術(shù)處理城市生活垃圾不僅能對城市生活垃圾進行大量的減量化,而且還能進行能源—氫能的回收。
　　本文采用含水城市生活垃圾作為氣化原料,利用其本身所含

2、有的水分在高溫?zé)峤鈺r揮發(fā)成蒸汽,形成一個自發(fā)的蒸汽氛圍,產(chǎn)生的蒸汽作為后續(xù)城市生活垃圾氣化時所需的氣化劑;并在城市生活垃圾原料中添加一定的CaO對氣化過程中產(chǎn)生的CO2進行高溫原位吸附以及對焦油進行一定的原位催化裂解,提高氫氣產(chǎn)率;針對在該條件下焦油含量較高的問題,研制了一種新型的改性白云石載鎳催化劑使得城市生活垃圾原位水蒸氣催化氣化過程中產(chǎn)生的焦油進一步催化裂解和促進富氫燃氣的產(chǎn)生。圍繞著該工藝的構(gòu)建,本文開展以下研究工作:
　

3、　(1)選取城市生活垃圾有機組分(織物、木屑、紙張、塑料)為氣化原料,并測定了樣品的工業(yè)分析、元素分析及其熱值。結(jié)果表明,城市生活垃圾有機組分的揮發(fā)分和固定碳含量較高,而灰分含量低于2％。主要的元素組成為C、H、O三種元素。此外,混合垃圾樣品的低位熱值達到17.09MJ/kg。
　　(2)通過TG/DTG/DTA方法分別探討了各單一有機組分的熱解特性,分析了各組分間在熱解過程中的相互影響規(guī)律,對混合垃圾樣品的熱失重行為和動力學(xué)特征

4、進行了研究。結(jié)果表明,織物、塑料及木屑的熱解過程均只有一個主要的失重階段,而紙張有兩個失重階段;對城市生活垃圾中各組分之間的共熱解特性研究時發(fā)現(xiàn)當(dāng)各組分的組成相似時,混合熱解時不受單組分之間的相互影響;當(dāng)各組分的組成差別較大時,各單獨組分熱解轉(zhuǎn)化階段溫度分布是否重疊成為混合熱解規(guī)律的主要影響因素。對混合垃圾進行熱重分析時得到在低溫區(qū)(240~385℃)失重的主要是混合垃圾樣品中纖維素和半纖維素的分解以及部分塑料的低溫分解,而發(fā)生在385

5、~500℃間的第二失重峰主要是塑料和木質(zhì)素組分的分解。使用等轉(zhuǎn)化率法求解了城市生活垃圾混合組分的熱解動力學(xué)參數(shù),樣品熱解的表觀活化能E值在170~225kJ/mol范圍之間。
　　(3)在小型管式爐固定床反應(yīng)器上對城市生活垃圾原位水蒸氣氣化特性進行了系統(tǒng)的研究,考察了加熱方式、反應(yīng)溫度、含水率、氣化停留時間對城市生活垃圾原位水蒸氣氣化產(chǎn)物分布、氣體成分的影響,并對該氣化工藝進行了物料衡算和能量分析,探討了城市生活垃圾原位水蒸氣氣化

6、工藝的可行性。實驗結(jié)果表明,快加熱方式有利于提高燃氣品質(zhì)和減低焦油含量;隨著反應(yīng)溫度的增加,氣體產(chǎn)物含量增加,而焦油含量和半焦含量下降,氣體組分中H2和CO含量升高,CO2、CH4和C2烴類氣體含量降低;當(dāng)城市生活垃圾中的含水率為39.45wt.%時,氣體成分中H2的含量達到最高值為25.8vol.%;通過N2流速來間接反映氣相停留時間,隨著N2流速的降低產(chǎn)生的氣體中氫氣含量從22.84vol.%升高到28.49vol.%;在該工藝條件

7、下得到的物料平衡誤差為6.8%,通過能量分析得到冷氣效率、能源回收率和穩(wěn)態(tài)理論能耗比分別為54.24%、85.56%和2.78。
　　(4)采用TG-MS分析方法研究CaO的添加對城市生活垃圾熱解特性和熱解產(chǎn)物的影響,同時對以CaO為添加劑的城市生活垃圾原位水蒸氣氣化制氫進行了試驗研究。結(jié)果表明,添加CaO有利于城市生活垃圾在低溫區(qū)域的熱解,能減少焦油組分的逸出,并且能減弱CO2的逸出峰強度;隨著[Ca]/[C]由0增加到1.5,

8、H2的濃度和產(chǎn)率由25.89vol.%和10.86gH2/kg MSW增加到45.90vol.%和31.56gH2/kg MSW;水蒸氣的引入提高CaO的碳酸化反應(yīng)活性,促進了H2的產(chǎn)生,但是過高的含水率會降低產(chǎn)氣品質(zhì),最佳的含水率為39.45wt.%;高溫強化了城市生活垃圾、焦油的熱分解等反應(yīng)產(chǎn)生更多的H2,但不利于CaO的碳酸化反應(yīng),最佳的操作溫度為700~750℃。
　　(5)研制了一種以改性白云石為載體,采用沉淀-沉積法負

9、載氧化鎳,制備新型的改性白云石載鎳催化劑,在自行設(shè)計的兩段式固定床反應(yīng)器上對城市生活垃圾原位水蒸氣催化氣化制氫特性進行研究,評價并比較該催化劑與傳統(tǒng)鎳基催化劑和煅燒改性白云石催化劑的催化活性,采用GC-MS方法對焦油產(chǎn)物中的主要化學(xué)成分在不同催化劑作用下的變化規(guī)律進行了分析。結(jié)果表明,與Calcined MD催化劑和NiO/γ-Al2O3催化劑相比,NiO/MD催化劑具有更好的催化活性和催化穩(wěn)定性,焦油的去除率能達到90%以上,氫氣含量