深度剖析垃圾焚烧热解气化炉的工作原理

深度剖析垃圾焚烧热解气化炉的工作原理

垃圾焚烧热解气化炉作为一种先进的垃圾处理技术，其工作原理涉及多个复杂的物理和化学过程。本文将从热解过程、产物生成、供热方式、气化过程、二段式燃烧、余热利用、灰渣处理、烟气净化等多个方面，深度剖析该技术的工作原理。

一、热解过程

热解是指在无氧或缺氧环境中，通过加热使有机物分解的过程。在这个过程中，有机物的化学键断裂，大分子量的有机物转化为小分子量的产物，包括可燃气体、焦油和焦炭。根据操作温度的不同，热解可以分为低温、中温和高温三种类型：

1. 低温热解：操作温度在500℃以内。
2. 中温热解：操作温度在500-800℃之间。
3. 高温热解：操作温度超过800℃。

二、产物生成

热解过程中生成的主要产物包括：

1. 可燃气体：如氢气(H₂)、甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)等。
2. 液体产物：如甲醇、醋酸等。
3. 固体残渣：如焦炭和炭黑。

这些产物都有潜在的利用价值，例如，可燃气体可以作为能源使用，液体产物可以通过进一步加工获得有用的化学品，而固体残渣则可以用于制造活性炭或其他工业材料。

三、供热方式

热解技术的供热方式主要有直接加热和间接加热两种：

1. 直接加热法：可能引入氮气或氧气，影响热解气的热值。
2. 间接加热法：通过中间介质传递热量，可以提高热效率，产出的热解气热值更高，更适合直接利用。

四、气化过程

气化是指反应物在还原性气氛下与气化剂发生反应，生成以可燃气为主的热转化过程。气化剂主要包括空气、富氧气体、水蒸气、二氧化碳等。在实际过程中，热解和气化往往同时存在于反应过程中。

五、二段式燃烧

垃圾焚烧热解气化炉通常采用二段式燃烧工艺：

1. 热解气化过程：
   垃圾在垂直料仓内经双辊加料装置送至一燃室进行热解气化。一燃室在无氧或缺氧条件下加热垃圾，使其分解产生可燃气体(如氢气、一氧化碳、甲烷等)、有机液体和炭黑等物质。

2. 二段式燃烧：
   气化后产生的小分子可燃气体进入二燃室进行富氧燃烧。二燃室燃烧温度高，通常在850℃以上，确保燃烧完整，减少污染物排放。

六、余热利用

经余热利用后的烟气温度降到200℃左右，流入脱酸塔与喷入的氢氧化钙和水接触，除去烟气中的有害酸性气体。烟气再通过焚烧炉的烟道喷入活性炭进入布袋除尘器，活性炭充分吸附烟气中的重金属和少量二噁英等有害物质。

七、灰渣处理

燃尽后的结焦状残渣受到一燃室底部的一次供风冷却，经一燃室炉排的机械挤压、破碎成100mm以下的块状物排出至一燃室炉底的水封槽内，然后通过湿式出渣系统排出。处置后产生的具有类陶瓷体特性的残渣可直接作为制砖材料、路基使用或进行卫生填埋处理。

八、烟气净化

烟气经过脱酸塔和布袋除尘器处理后，有害气体和颗粒物得到有效去除，确保排放的烟气符合环保标准。

九、影响因素

1. 垃圾含水率
   垃圾中的水分会通过物理作用和化学作用综合影响垃圾的热解气化过程。含水率的提高会促进碳转化率的提高，但也会降低气化效率。当气化温度一定时，垃圾含水率小于15%时提高气化温度并不会实现碳的全部转化，碳转化率只能达到78.6%；含水率大于25%时，温度大于850℃可以实现碳的全部转化。

2. 气化剂种类
   气化剂的种类是关系到垃圾气化性能的另一关键因素。不同的气化剂会在气化过程中产生具有明显差异的合成气组分。空气气化的反应压力一般为常压，气化产生的合成气中含有大量未参与反应的N?，合成气热值一般在5 MJ/m?左右。氧气气化有利于焦油的二次裂解，气体产率和合成气热值也因此得以提升。高温条件下，水蒸气与碳发生气化反应，能够促进焦油的二次裂解，提高气化产物中H?含量。在相同条件下以水蒸气作为气化介质的气化效率Z高，气化温度为850℃，水蒸气占比为50%时，气化效率Z高。

3. 物料形状和粒径
   物料形状和粒径是影响物料间传热的重要因素，主要通过改变物料间的传热速率来改变热裂解进程。较大的颗粒比表面积能够保证颗粒间热量传递的均匀性和充分性。较小颗粒的物料从表面传热到中心的时间更少，产生的热解气易与热解区分离，易发生二次裂解，产生较多的可燃小分子气体，产气率更高。但是，原料颗粒过小会使得更加容易形成粉尘，进而增加了燃气中的粉尘携带量，增加气体净化的负担。

十、反应器类型

反应器是城市生活垃圾热解气化系统中的核心设备，按照设备运行方式可分为固定床、流化床、回转窑及其他类型的反应器：

1. 固定床反应器
   固定床反应器的比较大优点是制造简单、成本低、运动部件少、操作简单，但同时存在炉内易形成空腔、物料处理量较小的缺点。典型的固定床反应器分为下吸式和上吸式两种：

• 下吸式：适用于含水率不高的物料(含水率低于30%)，生成气通过高温区，故生成气中焦油含量较低。
• 上吸式：生成气不通过高温区，焦油含量较高，但物料被向上流动的热空气烘干，可用于含水率较高(含水率可达50%)的物料。

2. 流化床反应器
   流化床反应器具有传热传质效率高、反应强度大、原料适应性广、处理量大的优点，可进一步分为单流化床、循环流化床、双流化床、携带床。单流化床生成气直接送入净化系统；循环流化床生成气中夹带的固体颗粒经旋风分离器分离后返回至流化床，碳转化率较高；双流化床具有两级反应器，热解反应主要在一级反应器进行，气化反应主要在二级反应器进行。

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