固體廢棄物氣化綜合性實驗教學探索

鄭曉園, 應 芝, 王 波

(上海理工大學 能源與動力工程學院, 上海 200039)

針對現有實驗教學中綜合性和探索性實驗比例偏低的現狀,以提高學生對專業實驗的興趣、培養學生的創新能力和科學素養為目的,開發了綜合性實驗——固體廢棄物氣化實驗。隨著我國城市化進程的加快和人民生活水平的提高,土地資源日益緊缺,而人們對環境質量的要求日益增長,城市固體廢物(生活垃圾和污水污泥)的無害化處理給城市的可持續性發展提出了嚴峻的挑戰。通過焚燒處理,減容效果顯著,處理量大。全國城市生活垃圾焚燒處理量占無害化處理量比例從2010年的18%上升到2015年的34.28%,焚燒處理正逐步受到重視[1]。但焚燒處理時,燃燒過程和尾氣凈化控制不嚴格,容易產生二惡英等二次污染物[2]。氣化處理被認為是具有前景的固體廢棄物處理技術之一[3]。通過氣化,在還原性氣氛中將廢棄物轉化為可燃氣體,可通過內燃機或燃氣輪機直接燃燒利用,也可通過費托反應合成液體燃料或化學品,從而實現廢棄物的資源化、無害化和減量化[4]。

1 實驗設計

1.1 實驗目的

1.1.1 掌握固體廢棄物氣化的技術原理

目前,固體廢棄物氣化正成為國內外的研究重點和發展方向之一,建設相應的實驗平臺并開展相關實驗,有助于學生熟悉熱能工程專業知識在廢棄物處理領域的應用,提高學生對科技前沿知識和學科交叉領域知識的認識和理解。而且,實驗平臺可以加強學生對理論知識的理解,也是理論聯系實際的平臺。

1.1.2 體現實驗教學理論聯系實踐的優勢

1.1.3 培養學生的動手能力和創新能力

該實驗操作以學生為主,通過分組,學生互相配合、分工合作完成實驗操作、數據記錄以及實驗結果分析。由于該實驗平臺具有一定的靈活性,可以通過改變物料、操作參數等方式使得每組學生的實驗有一定的差異,確保每組學生獨立開展實驗和獨立解決實驗過程碰到的問題,進而激發學生的好奇心和興趣。通過該實驗,還可拉近學生與實踐研究的距離,消除神秘感,激發學生積極參與和發揮創造能力。興趣是最好的導師,也是培養學生創新思維的前提條件,有助于激發學生的創新潛能和提高動手能力[6]。由學生自主參與實驗和獨立完成實驗,可以提高學生的學習獲得感和成就感。

1.2 實驗平臺及儀器

實驗平臺如圖1所示,該綜合性實驗平臺可用于不同物料(如煤、生活垃圾、污水污泥和廢棄生物質等)、氣體(空氣、水蒸氣和二氧化碳等)、氣化溫度和氣化介質/物料比的氣化實驗,而基于實驗結果可以開展能量分析和分析。基于該平臺,甚至還可以開展燃燒特性實驗。

該實驗平臺主要由分析采樣系統、給料系統、氣化爐系統和氣化介質發生系統等組成。分析采樣系統包括冷凝器、過濾器、焦油收集燒瓶、真空泵、流量計和氣相色譜等；給料系統主要由料倉和螺旋給料機組成；氣化爐系統包括豎直布置的控溫電加熱爐和石英管等；氣化介質發生系統包括CO2氣體鋼瓶、蒸氣發生器、微量注射泵、質量流量計等。

1.3 實驗過程

實驗時,將經過干燥、破碎和篩分的物料放入螺旋給料機料斗,通過控制給料機轉速的變化,可以改變給料量。通過豎直布置的控溫電加熱爐,氣化爐內溫度可從室溫加熱至1 300 ℃。實驗時,先設置好實驗溫度,達到該溫度后,根據實驗需要,從爐膛上部通入空氣、氮氣、水蒸氣、二氧化碳或者它們的混合氣。自上往下吹掃10 min后,由螺旋給料機按設定的給料量從上至下輸送物料。待氣化反應穩定后,氣體產物經冷凝和干燥過濾,進入氣相色譜進行在線分析氣體產物組成,然后收集焦油,預處理后進行后續分析。實驗結束后,收集焦炭并進行后續分析。

圖1 實驗平臺

2 理論分析

2.1 能量分析

忽略動能和勢能,物流的能量(En)可表示為物理能(Enph)和化學能(Ench)[7],即:

En=Enph+Ench

(1)

氣體的物理能可表示為[8]

(2)

式中,ni為合成氣中成分氣體i的摩爾收率,mol/kg;hi為成分氣體i的比焓,kJ/kmol。

實驗條件下,氣體的比焓可由式(3)計算[8]

(3)

式中,T為狀態溫度,K；T0為環境溫度,取298 K；K∶h0為環境條件下的比焓,kJ/kmol,部分氣體環境條件下的比焓，如表1所示；cP為氣體定壓比熱容,kJ/(kmol·K),可由經驗公式(4)求取。

(4)

式中,a、b、c、d為定壓比熱容系數,取值如表2所示。

表1 氣體的比焓、比熵、高位熱值和標準化學

表2 氣體定壓比熱容系數[9]

氣體的化學能可以表示為[8]

(5)

式中,HHVi為成分氣體i的高位熱值,kJ/kmol,如表1所示。

2.2 分析

Ex=Exph+Exch

(6)

(7)

式中,h為實驗條件下的比焓,kJ/kmol；h0為環境狀態下的比焓,kJ/kmol；s0為環境狀態下的比熵,kJ/(kmol·K),如表1所示；s為實驗條件下的比熵,kJ/(kmol·K),可通過式(8)求取。

(8)

式中,R0為通用氣體常數,取8.314 472 kJ/(kmol·K)；P為實驗條件下成分氣體i的壓力,Pa；P0為環境條件下成分氣體i的壓力,Pa。

(9)

3 實驗結果與討論

本文以生活垃圾CO2氣化為例,討論了氣化溫度對氣化氣組成、成分氣體能值和值、氣化氣能值和值的影響。

3.1 氣化溫度對生活垃圾CO2氣化特性的影響

圖2所示為氣化介質與生活垃圾質量比為0.66時,氣化溫度對氣化氣組成和低位熱值的影響。提高氣化溫度,有利于氣化過程中吸熱反應(R1和R2)的進行,促進了合成氣中CO和H2體積濃度的提高。其中,CO的體積濃度從17.11%持續增加到54.51%；H2的體積濃度從8.22%增加到28.5%,但氣化溫度從1 100oC增加到1 200oC時,H2體積濃度增加的幅度在減小。這是因為氣化溫度大于1 100oC時,H2分子會被分解[13]。同時,CO2的體積濃度從70.63%降低到20.70%。CH4的體積濃度隨著氣化溫度的升高先從4.04%增加到5.05%,再減少到1.54%。這是因為通過甲烷干重整反應(R3)消耗了部分CH4。該反應有助于氣化氣中CO和H2濃度的增加。

C+H2O→CO+H2ΔH=130.41kJ/mol

(R1)

C+CO2→2COΔH=172.62kJ/mol

(R2)

CH4+CO2→2CO+2H2ΔH=247kJ/mol

(R3)

如圖2所示,由于氣化氣中可燃氣體成分濃度的增加,氣化氣的低位熱值(LHV)隨著溫度的升高從4.5 MJ/Nm3增加到10.52 MJ/Nm3。

圖2 氣化溫度對氣化氣組成和低位熱值的影響

3.2 氣化溫度對氣化氣中各成分氣體能值和值的影響

圖3所示為氣化溫度900、1 000、1 100和1 200oC時氣化氣中各氣體成分的能值和值分布情況。從圖3中可以發現,各氣體成分的值均小于其能值,印證了是最大可用能的定義。隨著氣化溫度從900oC升到1 200oC,N2、H2和CO的能值保持著增加的趨勢,而CO2和CH4先增加后減小。N2、H2、CO、CO2和CH4的值變化趨勢與其對應的能值變化趨勢保持一致。各氣體成分對氣化氣的能值和值貢獻不同。在900oC,能值的貢獻為N2>CO>CH4>CO2>H2,值的貢獻為N2>CO>CO2>CH4>H2；從1 000oC至1 200oC時,能值的貢獻為CO>(N2和H2)>CH4>CO2,值的貢獻為CO>H2>N2>CH4>CO2。

圖3 不同氣化溫度時氣化氣中各成分氣體的能值和值

3.3 氣化溫度對氣化氣能值和值的影響

圖4 不同氣化溫度時氣化氣的能值和值

4 結語

(1) 通過綜合實驗教學表明,學生自己獨立實驗和結合課堂理論知識觀察思考實驗現象,極大地提高了學生的實驗熱情和學習興趣,同時鍛煉了學生獨立處理實驗問題的能力,取得了良好的實驗效果。

(2) 生活垃圾CO2氣化實驗結果表明,提高氣化溫度可以顯著增加合成氣中H2和CO的濃度。因而,氣化氣的低位熱值也從從4.5 MJ/Nm3增加到10.52 MJ/Nm3。

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