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廢塑料流化床焚燒特性及試驗(yàn)研究

文檔作者：金余其周江奇嚴(yán)建華池涌劉訊倪明江岑可法文檔來源： 1．浙江大學(xué)能源清潔利用與環(huán)境教育部重點(diǎn)買驗(yàn)室 2．杭州汽輪機(jī)廠			點(diǎn) 擊數(shù)：
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第22卷第2期
·1 724·2002年4月
動 力 工程
POW ER ENGINEERING
Vo1 22 No 2
Apr． 2002
· 環(huán)保技術(shù)·
文章編號：1 000—6761(2002)02 1 724 05
廢塑料流化床焚燒及排放特性的試驗(yàn)研究
金余其 ． 周江奇。， 嚴(yán)建華 ， 池 涌 ， 劉 訊 ， 倪明江 ， 岑可法
(1．浙江大學(xué)能源ai潔利用與環(huán)境教育部重點(diǎn)買驗(yàn)室，抗州310027；2．杭州汽輪機(jī)廠，杭州310000)
摘要：在一內(nèi)徑40mm、高500ram小型電加熱流化床焚燒護(hù)上時廢塑料的燃燒特性．包括燃燒效率
、揮發(fā)
份析出特性廈煙黑酌生成進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了主要?dú)怏w污襲特(SO 、NO、HC1)的排放特性應(yīng)運(yùn)行條件(過剩
空氣率、床溫廈水份等參數(shù))對虛塑料燃燒和排放的彰響 囤1 0表1毒7
關(guān)鍵詞：廢塑料；流化床；焚燒；排放
中圖分類號：TK 229．66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
O 刖再
隨著石油化工的迅速發(fā)展及塑料制品的大量
使用．廢1日塑料的廢棄量也越來越大，就我國而
言，塑料總產(chǎn)量由1 975年1．4萬t增至1 988年
的360萬t，增加157倍，預(yù)計(jì)每年還將以8 ～
10／0／ 的速度增長。0。1 990年，我國的廢塑料就達(dá)
到了90萬t。l坐中等城市年平均廢塑料量達(dá)
2000萬t以上。 。廢塑料成為垃圾．造成嚴(yán)重的環(huán)
境污染 因此．研究廢塑料的處理和利用已勢在必
行。
目前．廢塑料的處理和利用主要有：再生法、
焚燒法、熱分解法等 。再生法具有很高的環(huán)境和
資源價值，但由于回收過程中分離、清洗成本太
高，暫時很難在我國發(fā)展。而熱分解法同樣存在工
藝流程過于復(fù)雜的問題。而焚燒法具有處理速度
快、減容、減量顯著等優(yōu)點(diǎn)，廢塑料熱值高回收能
源較為有利，實(shí)施也相對簡單 當(dāng)然，它帶來的二
次污染問題不容忽視 尤其是含氯廢棄物焚燒時
會產(chǎn)生HC[和其它有機(jī)污染物(如 英等)，
HCI不僅影響人類健康．而且會腐蝕鍋爐設(shè)備- l。
因此，在焚燒廢塑料等廢棄物時，不僅需研究其燃
燒特性．還需研究其排放特性。
流化床燃燒具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高．
污染低等特殊的優(yōu)點(diǎn)，因而研究采用流化床技術(shù)
收稿日期：2o00 08 1】
基金項(xiàng)目：同家Iq然科學(xué)基盎(59836210j
作者筒彳r：金余其(197l一)．男．浙江』=學(xué)博士生．主要從事
固體廢棄物的潔凈利用技木的研究
焚燒廢棄物已在日車等發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)
用
筆者在流化床焚燒試驗(yàn)爐上對廢塑料的燃燒
特性及HCI、SO NO等污染物的排放進(jìn)行了試
驗(yàn)研究，為廢塑料流化床焚燒利用提供參考；同時
由于廢塑料是城市生活垃圾的重要組分．本研究
也有助于了解城市生活垃圾的焚燒特性及排放特
性
1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法
廢塑料焚燒在流化床焚燒試驗(yàn)爐上進(jìn)行，焚
燒及測試系統(tǒng)見圖1 本系統(tǒng)主要由下列幾部分
組成；流化床本體，送風(fēng)系統(tǒng)，給料系統(tǒng)，煙氣取樣
系統(tǒng)。流化床為電加熱，內(nèi)部為l根內(nèi)徑40ram、
高度500mm 的羅紋陶瓷管，功率2kw 的電熱絲
纏繞在陶瓷管上(主要集中于密相區(qū))；布風(fēng)板為
孔徑約5O m 的不銹鋼網(wǎng)；陶瓷管外設(shè)置石棉保
溫層． 減少散熱損失并保證試驗(yàn)的安全；床層內(nèi)
裝有K 型熱電偶測量床溫，超溫時通過溫控儀
XCT 可使電源自動跳閘；加熱功率由變壓器調(diào)
節(jié) 送風(fēng)系統(tǒng)由l臺離心風(fēng)機(jī)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)組成，
氣體流量由調(diào)節(jié)閥1控制。本文針對廢塑料的特
點(diǎn)，對給料裝置進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)給
料。煙氣取樣系統(tǒng)分兩部分：一是通過MSI2000
煙氣分析儀測試煙氣中O 、CO、CO 、NO 、SO
等的濃度；二是通過0．1N NaOH 溶液吸收以測
試煙氣中HCI濃度．溶液中的Cl濃度采用陰離
子色譜分析法測試。試驗(yàn)中的2個測量系統(tǒng)分開
獨(dú)立進(jìn)行。
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第2期 動力 工程
圖1 流化康贊燒系統(tǒng)簡圖
試驗(yàn)中床料采用平均粒徑為0 NTmm 的石
萸砂．靜止床高為約?0mm．流化風(fēng)速為0．1～0．2
m／s．床溫650～1 O00℃ ；通過滴節(jié)球閥2使給料
r】處為零壓或徽正壓 運(yùn)行中照床溫波動較小 測
試中CO、CO!、NO 、SO!等濃度每1Os記錄1次．
每個工況中測試的參數(shù)取其甲均值．而HC1的吸
收則經(jīng)歷每個工況的整個燃燒過程。
試驗(yàn)用的廢塑料取白富陽市某造紙廠，主要
有包裝用的塑料薄膜 塑料袋、塑料繩、編織帶 密
封膠帶、玻璃紙等．還有微量的紙"。陵塑料主要
成份為聚己烯、聚丙烯、聚丙乙烯．其工業(yè)和元素
分析示丁表1 連續(xù)焚燒試騎時將廢塑料加工成
表觀尺寸小于5ram 的片料，以實(shí)現(xiàn)順利給料
表1 廢塑料工業(yè)及元素分析
名稱 (、 H． ()． ． S ． CI 4 1w， F‘ ，r Qn c--
“ ％
廢 料 45 8 7 80 2 CI L】 o 2 89 181 84
2 試驗(yàn)結(jié)果及討論
2．1 廢塑料的燃燒特性
2．2．1 揮發(fā)份的析出覆燃燒
從表1廢塑料的工業(yè)分析可知：廢塑料的可
燃成分中95 以 是揮發(fā)份，因此，揮發(fā)份的析
出與燃燒是整個廢塑料焚燒中的關(guān)鍵過程 測量
燃料顆粒在流化床內(nèi)揮發(fā)份的析出時間通常有2
種方法，即FET(flame extinction time)觀察法及
煙氣CO 濃度變化法(即認(rèn)為CO 濃度趨于穩(wěn)定
時刻作為揮發(fā)份析出結(jié)束，如圖4箭頭示意) 。
由于FET 方法更為直觀而且不會受系統(tǒng)滯后等
因素的影響．所以本文主要采用該法研究揮發(fā)份
析出和燃燒。揮發(fā)份的析出燃燒時間為從塑料片
投入到火焰結(jié)束．但同時在線分析記錄燃燒過程
的煙氣成分。在揮發(fā)份析出及燃燒試驗(yàn)中．塑料片
統(tǒng)一剪成lOmm×10mm 大小 塑料片投入床層
后，迅速著火燃燒，并發(fā)出“撲撲”的爆破聲(這可
能是由于塑料揮發(fā)份析出迅速，導(dǎo)致局部缺氧燃
燒)。圖3示出了塑料揮發(fā)份析出燃燒時間與床溫
的關(guān)系。
由囝2可知，廢塑料揮發(fā)份析出燃燒時問隨
溫度增加而減少，為約2～7s．不同塑料之間及同
一塑料軟質(zhì)與硬質(zhì)之間有 定的差別。同時。本
文也通過煙氣分析的方法研究了廢塑料投入床層
后CO 的濃度變化，典型工況如圖3示。試驗(yàn)發(fā)
現(xiàn)．通過CO 濃度變化測試廢塑料的揮發(fā)份析出
時問與火焰觀測法明顯偏大．這與參號文獻(xiàn)E6]生
物質(zhì)揮發(fā)份析出時間的測試結(jié)果是類似的 導(dǎo)致
這一現(xiàn)象的主要原因是廢棄物類燃料揮發(fā)份含量
高而且析出速度非常迅速．而CO 濃度的積聚和
稀釋都需要一定的時間，同時煙氣測試系統(tǒng)也有
一定時間的滯后，故揮發(fā)份析出與測試的CO 濃
度變化在時間上并不一致 所以．本文認(rèn)為 對于
廢棄物的揮發(fā)份析出時問．采用火焰觀察法(FET
法)測試較為合適
? 腰塑科j軍發(fā)份計(jì)出時I司 租廈的 糸
2．1．2 燃燒效率廈煙黑的生成
般廢棄物類燃料揮發(fā)份含量較高．而固定
碳含量較低．因此該類燃料的熱損失主要源白于
氣體不完全燃燒 所以．廢棄物的燃燒效率通常可
采用下式表示：
．
一 ?
式中Eco ]、[c0]分別表示煙氣中CO 、CO
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726 動力 工程
周3 廢 料投^球?qū)雍筅齤氣(’()，濃世的變化( 一
8f” 。【’
毫
g
釜
：
750 8fm 850 90fJ 050
床溫， c
l舯
99 羹
蠼
4馨
圉J 燃燒教率與瞇溫的關(guān)系t煙氣(J 1l l
的體積濃度。
本試驗(yàn)研究丁廢塑料燃燒效率與床溫、空氣
過剩率(EA)的關(guān)系．試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5
蓋
呈
攔
C
5 燃恍效事 過荊空氣凹燕糸
從試驗(yàn)研究結(jié)果看：廢塑料流化床燃燒效率
都非常高，空氣過剩率EA 大丁t0 時．燃燒效
率在99．4 以上 在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，床溫對燃
燒效率的影響較小 而過剩空氣率對燃燒敬率影
響較大．尤其在EA小于4O ．廢塑料的燃燒效
率和煙氣中CO濃度都有一個大的突變 因此，為
保證燃燒效率及較低的CO排放濃度，焚燒廢塑
料時保持較高的過剩空氣率是必要的
另外，焚燒廢塑料之類廢棄物時，不可避免會
產(chǎn)生煙黑，煙黑一旦形成就很難再燃盡．不僅造成
污染，而且會降低受熱面?zhèn)鳠嵝省榇耍疚膶?
煙黑的生成(每個工況煙氣過濾裝置中煙黑的產(chǎn)
生量)進(jìn)行了定性的觀察和分析。在焚燒試驗(yàn)中．
第22卷
作者發(fā)現(xiàn)：煙黑的生成量多少與煙氣的CO濃度
大小成正比關(guān)系。過剩空氣率低十4O 時，煙氣
的煙黑和CO濃度都急劇上升。這可能是由于廢
塑料揮發(fā)份含量高而且析出迅速(其他固體廢棄
物也有類似現(xiàn)象)．在其周圍形成擴(kuò)散燃燒．當(dāng)過
剩空氣率較低時，極易導(dǎo)致供氧不足而形成還原
性氣氛，從而引起煙黑和CO 濃度上升。
2．1．3 水倚對燃燒的影響
考慮到實(shí)驗(yàn)焚燒的廢甥料水份可能會更高
(本試驗(yàn)所用的廢塑料已經(jīng)一段時間的自然干
燥)，作者初步研究了提高廢塑料水份后對燃燒的
影響，使廢塑料含水率從40 上升至70 。為便
于對比，試驗(yàn)中平均過剩空氣率控制在約36 ．
即與圖6的最定點(diǎn)一致．結(jié)果發(fā)現(xiàn)加水后．CO濃
度從原來的2100mg／kg降到了1200mg／kg．煙黑
濃度也有明顯改善。原因可能是：r1)廢塑科加水
后使燃燒火焰縮短，從而促進(jìn)了揮發(fā)份與空氣的
混合；(2)水蒸汽奉身與CO或煙黑反應(yīng)，從而抑
制r煙黑的生成；(3)加水后．延長了揮發(fā)份析出
時間．見圖3虛線所示，有利于可燃?xì)怏w在床層的
均勻分布
6 s，SL)2轉(zhuǎn)換軍氣障溫∞ 蓑系
2．2 廢塑料的排放特性
由于率試驗(yàn)中廢塑料S、N和CI元素含量較
低(表1)，故焚燒時煙氣的SO 、NO、HCI的絕對
濃度都較低．本試驗(yàn)中分別為5～12mg／kg、30～
76m g／'kg、31～ 35mg．／kg(折算為煙氣0 211 )
為使結(jié)果具有參考性．本文研究焚燒中廢塑料S
— SO 、N— NO、C1一Hc1的轉(zhuǎn)化率。其中SO：、
NO 轉(zhuǎn)化率根據(jù)煙氣分析和元素分析求解如下
(以 O為例．S0 類似)：
K = I'U／．~o · (2)
式(2)中 表示該氣體或元素在煙氣或燃料
中的摩爾份額。而HC1的轉(zhuǎn)化率則通過陰離子色
㈣ 0
、普 樣((1薯
。三丹辯蠼簦
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第2期 動力 工程
譜測試吸收液中的cl_。濃度求得煙氣中HC1的
量后計(jì)算而得。本文研究了廢塑料中C1一HCl轉(zhuǎn)
化率隨床溫的變化
!．2．】SO 的排放
在研究床溫的影響時．保持每個工況煙氣含
氧量約為】1 ，即過剩空氣率Ea—l10 ；而研
究過剩空氣率的影響時則保持床溫基本不變，為
800。C 圖S表明：床溫從750。C升到900。C時．轉(zhuǎn)
化率從21 升到30 可見，床溫升高有利于
SO 的析出。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：過剩空氣率也明顯有利于
SO 的生成，當(dāng)過剩空氣率從40 升到200 時，
轉(zhuǎn)化率從l2 時，轉(zhuǎn)化率從1 2 升到了3O (圖7)
圖7 s／s(b轉(zhuǎn)燕翠與過 空氣翠日g關(guān)東
2．2．2 NO 的排放
圖8、圖9分別顯示了廢塑料中N— No 的轉(zhuǎn)
化率隨床溫、空氣過剩率的變化關(guān)系。床溫上升，
N—NO轉(zhuǎn)化率升高(1 6 一2 9 )．據(jù)有關(guān)參考文
獻(xiàn)E73研究認(rèn)為：溫度上升能促使N zO熱分解成
中間產(chǎn)物NCO，并向NO轉(zhuǎn)化；同時，溫度上升使
燃燒效率提高 CO濃度下降，也有利于NO 的生
成 過剩空氣率升高對N—No轉(zhuǎn)化率的影響更
為顯著(15 一38 )，這結(jié)果與No 的生成機(jī)理
有關(guān)．01是NO 生成反應(yīng)中必需的反應(yīng)劑．提高
O 的分壓能促使化學(xué)平衡式向產(chǎn)物(NO)方向進(jìn)
行；而且，隨過剩空氣率的升高，燃燒效率提高、
CO濃度下降．不利于N0 的還原反應(yīng)。
圖8 N／NO轉(zhuǎn)化享與床溫的黃系
2．2．3 HC1的排放
在焚燒含氯廢棄物時不可避免地會產(chǎn)生HCI
及其他有機(jī)污染物(如二惡英等)。由于在小試驗(yàn)
臺上測試二惡英的排放有一定的難度，故本文只
研究了HCI的排放 試驗(yàn)溫度750～850。C范圍
內(nèi)．cl HC1的轉(zhuǎn)換率為S7 ～63 ，如圖9所示。
由此可見：HCI是cl的主要轉(zhuǎn)化途徑。轉(zhuǎn)換率隨
溫度的變化不是很大．但其趨勢是溫度升高，轉(zhuǎn)化
率略有增加。
圖9 N／NO轉(zhuǎn)化率與空氣過剩率的關(guān)系
圉l0 燃料C1 HC1轉(zhuǎn)換率 束溫的蓋系
3 結(jié)論
從廢塑料焚燒研究表明：
(1)廢塑料流化床焚燒具有較高的燃燒效
率，當(dāng)過剩空氣率大于40 時，燃燒效率大于
99．4 ；
(2)過剩空氣率對燃燒效率、煙氣CO 排放
濃度、煙黑生成影響較大，尤其在過剩空氣率較小
時，會有一突變，因此焚燒廢塑料時保持較高的過
剩空氣率是必要的；
(3)在廢塑料焚燒時，S—SO 、N—N0、C1一
HCI的轉(zhuǎn)化率分別為12 ～ 30 、1 S ～ 40 、
57 ～ 63 ；
(4)過剩空氣率或床溫對s—so 、N—No
的轉(zhuǎn)化率有較大的影響，而床溫對cI— HcI的轉(zhuǎn)
化率影響較小。
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· 】728 ·
參考文獻(xiàn)
動力 T 程 第22卷
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Nl Ming—jiang ， CEN Ke一}
(1．Clean Energy and Em rironment Engrg． Ke)r Lab．of M inistryr of
Education．Zhejiang Univ．一Hangzhou 310027，China；
2．Hanzhou Steam Turbine W orks．Hangzhou 310000．China)
Abstract：In this paper．the waste plastics com bustion characteristics (including combustion efficien—
ey，devolatilization characteristic and formation of sOOt)，the emission of main gas pollutants(SO ，
NO ，HC1)and the effect of operating conditions (including such param eters as excess air，bed tem per
ature and m oisture content etc．)on combustion and pollutants emission were investigated in an elec
tric heated 1aboratory scale fluidized bed combustor with inner diameter of 40 mm and height of 500
mm．Figs 10，table 1 and refs 7．
Key words：waste plastics；fluidized bed；incineration；pollutants emission
(上接第171 8頁)
basic propertics of the petroleum coke and its characteristics of devolatl1lzati0n，ignition and combus
tion were investigated．A precombustor is developed to satisfy some special requirements of the user．
A series of hot testing have been carried out．Another form of preparing and transport of petroleum
c0ke—— the W PC slurry is investigated in the second part．The rheological behaviors of the slurry
have been measured．The best concentration of the petroleum coke in slurry is chosen．In this paper
all the studies will be intrduced．The paper has summed up the combustion characteristics of the pre
combustor．when burning the petroleum coke．The testing results show that the precombustor can be
successfullyr burning pulverized petroleum coke at lower air preheating temperatures．The testing re
suits also show that after simply refitting the precombustor can successfullyr combust the W PC slurry
tOO．The experimental results are helpful for further utilization of petroleum coke．Fig 1 1．tables 5 and
refs 3．
Key words：oil fi red boiler；precombustor；petroleum coke；water petroleum coke slurry；cyclone
cnmhust1on

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