有机固体废物热解处理工程设计-环境工程专业-本科毕业论文.doc

本科毕业设计有机固体废物热解处理工程设计学 院 环境科学与工程学院 专 业 环境工程 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月 设 计 总 说 明随着经济的发展，居民生活水平的提高，有机固体废弃物已经对环境卫生造成了严重的影响。因此，人们积极探索着更好的处理处置有机固体废弃物的方法。有机固体废物热解处理工程设计正是探索过程中的一次实践。本设计的主要内容是依据热解气化技术，在循环流化床气化炉中将有机固体废弃物转换为可燃气，利用可燃气发电，把化学能转化为电能。在整个设计过程中进行了风烟量计算，系统阻力计算，流化床设计，燃气净化系统设计，风机、内燃机选型等工作。此外，利用CAD绘制流化床总图、流化床本体图，燃气净化系统图等。关键词： 有机固体废弃物，循环流化床，热解，气化炉General Specification of DesignAlong with the development of economy, the exaltation of residents' living standard, the organic solid waste has already resulted in the serious influence on environmental hygiene. Therefore, people actively investigate a better processing to handle the method of organic solid waste. Organic solid waste pyrolysis treatment works design is explored in practice. The main content of this design is based on pyrolysis and gasification technology, in the circulating fluidized bed gasifier will of organic solid wastes into an gas, use of gas power, the chemical energy into electrical energy. In the design process of the air and gas quantity computation, the system friction calculation, fluidized bed design, gas purification system design, the fan, internal combustion engine type selection of the work.In addition, use CAD drawing fluidized bed general layout, fluidized bed body figure, gas purification system graph, etc.Key words : organic solid wastes, circulating fluidized bed, pyrolysis, gasifier目 录1 文献综述11.1 有机固体废弃物的特性21.1.1 有机固体废弃物的物理特性21.1.2 有机固体废弃物的化学特性21.1.3 有机固体废弃物的生物特性31.2 有机固体废弃物处理的传统方法41.2.1 焚烧51.2.2 卫生填埋51.2.3 堆肥51.3 热解工艺51.3.1 按供热方式分类61.3.2 按热解温度分类71.3.3 影响热解的主要参数81.4 有机固体废弃物在流化床气化炉内反应过程111.5 循环流化床气化炉工作原理171.6 设计内容与要求181.7 课题意义182 工艺设计192.1 工艺流程192.1.1 工艺确定192.2 预处理和物料输送192.2.1 破碎机202.2.2 粉粹机212.2.3 物料输送方式212.2.4 传送系统222.3 系统计算222.3.1 流化气体（空气）理论进气量222.3.2 临界流化速度232.3.3 终端速度242.3.4 操作速度242.3.5 床层空隙度242.4 设备计算252.4.1 床径床高设计252.4.2 进气管直径252.5 设备选型262.5.1 气体分布板262.5.2 床型的选择272.5.3 流化床主体的设计282.5.4 返料装置的设计282.6净化系统302.6.1 旋风分离器的设计302.6.2 水冷塔的设计342.7 风机和电机的选择372.7.1 系统阻力计算372.7.2 系统风量计算382.7.2 风机电机参数392.8 燃气内燃机选型393 技术经济性分析41结 论43参 考 文 献44致 谢46附录A .47附录B .48附录C .49附录D .50附录E .511 文献综述目前，我国有机固体废弃物排放量逐年增多，给农村和城市环境造成严重威胁。厨余垃圾、畜禽粪便、农村秸秆、污泥、食品加工废弃物等有机固体废弃物含有大量病原微生物，有机N、P污染物，并会产生恶臭物质，污染越来越严重，其无害化处理已成为我国可持续发展所无法回避的重大环境问题。近几年，我国在城市生活垃圾方面的管理发展较快，已经逐步建立了适合我国的国情的管理体系，包括法律法规的建立和完善。从1989年颁布中华人民共和国环境保护法以来，我国陆续实施了很多有关城市固体废弃物管理的法律、法规，如中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法、城市市容和环境卫生管理条例、城市生活垃圾管理办法等。在管理制度政策方面，我国正在逐步建立城市分类收集制度、城市垃圾收费制度等。但对畜禽养殖业和农业固体废弃物的管理起步较晚，还没有形成系统的管理体系。就全国水平而言，真正达到标准无害化处理的垃圾不到30。与许多发达国家相比，中国城市生活垃圾管理体系仍然很不健全，主要表现在缺少对垃圾中有用成分进行回收、利用的管理机制和技术设备，缺少鼓励垃圾减量化的措施，垃圾的全过程管理尚未实现。随着经济发展、居民生活水平的提高和城市化速度的加快，我们应该积极研究有机固体废弃物减量化、无害化、资源化的新技术新工艺，努力完善各项技术规范与控制标准。1.1 有机固体废弃物的特性1.1.1 有机固体废弃物的物理特性有机固体废弃物的物理性质与其组成密切相关。组成不同，物理性质一般也不同。一般用组成、含水率、容重这三个参数来表示有机固体废弃物的物理性质1。(1)组成有机固体废弃物的组成一般以各成分含量占有机固体废弃物总质量百分比来表示，即以湿基率表示；亦可按照干基率来表示，即将其烘干后，去掉水分再称量。(2)含水率含水率的定义为单位质量固体废弃物中含水量，有质量分数表示。含水率是有机固体废弃物物理特性的的主要参数，是确定有机固体废弃物处理过程中必不可少的测点项目。有机固体废弃物的含水率随废弃物种类、成分、季节、气候等条件而变化。餐厨垃圾含水率较高，一般为70%90%；污泥含有大量的水分，含水率为75%99%；城市垃圾和农业废弃物中含水率相对较低。有机固体废弃物水分的测定一般采用烘干法，温度通常控制在105±1，烘干时间应以达到质量恒定为准，一般烘烤4h5h。(3)容重有机固体废弃物在自然状态下单位体积的质量称为有机固体废弃物的容重，以kg/l，kg/m3或t/m3表示。容重是有机固体废弃物的重要特性之一，它为有机固体废弃物储存空间大小、运输机具大小、处置构筑物和设施规模的选择和设计提供重要依据。1.1.2 有机固体废弃物的化学特性有机固体废弃物化学特性参数主要有元素组成、挥发份、发热值。(1)元素组成元素组成主要指C、H、O、P、S及灰分的质量分数。有机固体废弃物中化学元素组成是很重要的特性参数，对有机固体废弃物处理工艺的选择和资源化利用程度的评估是非常重要的。化学元素组成的测定可以为有机固体废弃物是否适宜堆肥化处置生产有机肥料和饲料提供判断依据；也可以估算出有机固体废弃物的发热值，确定有机固体废弃物焚烧处置回收能源的适用性；并可以判断提取其有机化合物及化学元素的可能性。(2)挥发分挥发分是指有机固体废弃物中挥发性固体的含量，它是反映废弃物中有机物含量近似值的指标参数。挥发分以废弃物在600下的灼烧来量作为指标，它的测定方向简单、快速。挥发分为分析有机固体废弃物可生化性，判断能否选用堆肥处理工艺提供依据。(3)发热值单位质量有机固体废弃物完全燃烧，并使反应产物回到参加反应物质的起始温度时能放出的热量，称为有机固体废弃物的发热值根据燃烧产物中水分存在状态的不同又分为高位发热值和低位发热值。高位发热值是指单位质量有机固体废弃物完全燃烧产物中的水分冷凝为0的液态水所放出的热量；低位发热值是指单位质量有机固体废弃物完全燃烧后，燃烧产物中的水分冷却为20的水蒸气所放出的热量。有机固体废弃物的发热值对分析燃烧性能，判断能否选用焚烧处理工艺提供重要依据。例如，当城市生活垃圾的低热值大于3350kJ/kg时，垃圾焚烧过程基本不用加入助燃剂，可以实现自然燃烧。1.1.3 有机固体废弃物的生物特性有机固体废弃物的生物特性可从两个方面分析。(1)有机固体废弃物本身所具有的生物性质及对环境的影响有机固体废弃物来源广泛、种类繁多，包括城乡生活垃圾、畜禽粪便、生活污水和工业有机废水处理产生污泥、作物秸秆、木屑、果皮、蔬菜废弃物等，这些有机固体废弃物本身含有的有机生物体很复杂，其中有不少生物性污染物。城市生活垃圾中含有多种有害病原菌和寄生虫卵，还含有植物虫害、草籽、昆虫及昆虫卵，造成生物性污染，威胁人体健康。畜禽粪便和污泥中常会发现更多病原细菌、病毒、原生动物及后生动物，尤其是肠道病原生物体，典型的寄生虫有阿米巴溶组织、各种线虫（如蛔虫、血吸虫、钩虫等），尤其是蛔虫卵，在污水和污泥中广泛存在。畜禽粪便中的病原微生物和寄生虫卵及其孳生的大量蚊蝇，使畜禽粪便排入环境中病原种类增多，出现病原菌和寄生虫的大量繁殖，造成传染病的爆发流行并传播多种疾病。据分析畜牧场所在地排放的每毫升污水中平均含33万个大肠杆菌和69万个肠球菌。有机固体废弃物如管理不善，在自然堆放过程中易于腐败分解，污染环境，尤其是粪便、生活污水污泥，若不进行无害化处理易造成水体的生物性污染，总之有机固体废弃物生物性污染对环境及人体健康带来有害影响，有机固体废弃物资源化、无害化处理对处置对并消灭上述致病性生物体具有十分重要的意义。(2)有机固体废弃物可生化性有机固体废弃物通过生物转化使有害污染物的毒性随之改变。对于有机固体废弃物在环境中的生物转化，微生物起关键作用，有机物质通过微生物氧化以及其他生物转化，可以变成更小更简单的分子，这一过程称为有机物质的生物降解有机固体废弃物中有机物质含量、有机物质的可生物降解性能、生物处理过程中微生物的环境条件都关系到有机固体废弃物生物处理的可行性。有机固体废弃物含有大量有机物，给生物体提供丰富的碳源及能量，有机固体废弃物中各类不同物质的生化速率和生化分解产物也不同，可溶性有机成分可被微生物直接吸收，生化速率较快，而固体和胶体状的有机污染物首先附着在微生物体外，由微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞就分解速率而言，碳水化合物最快，其次是脂肪、蛋白质，有机固体废弃物中碳水化合物含量较多，其中单糖、二糖类和淀粉极易生物降解，纤维素较难降解，木质素更难降解有研究表明，城市生活垃圾中淀粉含量低，它在生物处理过程中分解速度快，降解完全；而纤维素、木质素是城市有机垃圾和污泥中的主要成分，但它被微生物降解利用的速度相当缓慢。分析有机固体废弃物可生化性，是选择合适处理工艺的重要依据，但目前还没有适宜的固体废弃物生物处理可行性的定量评价指标和技术方法。借鉴工业废水生物处理可行性的分析方法，通过BOD5/CODcr值近似反映可降解有机物占全部有机物质的比例，尽管这一方法比较粗糙，但在实际工程中经常用做工业废水生物处理可行性的评定方法。有机固体废弃物生物转化的过程主要分为两类：化学转化，包括热分解、水解、加氢等；生物化学转化，主要有堆肥化、沼气发酵化，也包括废纤维糖化、蛋白化等生物处理技术。1.2 有机固体废弃物处理的传统方法由于有机固体废弃物的严重污染，世界各国都在积极探讨处理技术和方法。有机固体废弃物的处理方法很多，目前有机固体废弃物处理处置技术主要有焚烧、填埋、堆肥与垃圾综合处理技术2。1.2.1 焚烧许多固体废物含有潜在的能量。可通过焚烧回收利用。固体废物经过焚烧体积可减少80%到90%，一些有害的固体废物可通过焚烧破坏其组成结构或杀灭细菌，达到解毒、除害的目的。在我国经济较发达的东部沿海地区，由于人口密度高，土地资源宝贵，越来越多地使用焚烧法处理生活垃圾。但由于我国垃圾焚烧处理技术不成熟，真正建一座好的垃圾焚烧处理场，关键部分的焚烧设备还需从国外引进，单位投资成本高，资金问题没处解决，只有少数有条件的大城市可采用。直接焚烧系高温和深度氧化的综合过程，存在问题有：垃圾成分复杂，各可燃物具有不同的理化性质和燃烧特性，较难控制其燃烧过程，也难保证充分燃烧；二次污染，产生的酸性气体、剧毒的含氯高分子化合物、飞灰等对环境造成污染；炉内金属腐蚀，含氯化合物在炉内形成HCI等腐蚀性气体，损伤炉内金属部件。1.2.2 卫生填埋所谓卫生填埋就是能对垃圾渗滤液和填埋气体进行控制的填埋方式，通常首先要进行防渗处理在填埋场底采用人工衬层，四周采用垂直防渗幕培并使之与天然隔水层相连接，使填埋场场底下形成一个独立的水系，使之不会污染地下水。渗滤液一般通过管道收集后直接处理或送城市污水处理厂处理。垃圾填埋场气体中含有大量甲烷、二氧化碳、及其他微量成分，若不采取适当的收排系统进行处理，则会在填埋场累积，通过填埋覆盖层或侧壁向场外释放，对周围环境和人类健康造成很大危害。这些气体一般需通过石笼等收集后燃烧排放或收集后经过净化处理作为能源回收。1.2.3 堆肥垃圾堆肥技术按生物发酵方式分为厌氧堆肥和好氧堆肥；按垃圾所处的状态分，可分为静态堆肥和动态堆肥；按发酵设备形式可分为封闭式堆肥和敞开式堆肥。较好的方式为动态高温堆肥。但处理成本高，我国大多数城市采用的是静态敞开式堆肥。虽处理成本低，但堆肥过程无法控制，对周围环境污染较大。厌氧堆肥因有机物分解慢且堆肥周期长，容易产生臭味。占地面积大不适合大面积推广应用。1.3 热解工艺热分解过程由于供热方式、产品状态、热解炉结构等方面的不同，热解方式也各异。按热解的温度不同，分为高温热解、中温热解和低温热解；按供热方式可分为直接加热和间接加热；按热解炉的结构可分为固定床、移动床、流化床和旋转炉等；按热解产物的聚集状态可分成气化方式、液化方式和炭化方式；按热分解与燃烧反应是否在同一设备中进行，热分解过程可分成单塔式和双塔式；还可按热解过程是否生成炉渣分为造渣型和非造渣型。下面简单叙连一下按按供热方式和热解温度的分类3。1.3.1 按供热方式分类(1)直接加热法 供给被热解物的热量是被热解物（所处理的废物）部分直接燃烧或者向热解反应器提供补充燃料时所产生的热。由于燃烧需提供氧气，因而就会产生CO2、H2O等气体混在热解可燃气中，稀释了可燃气，降低了热解产气的热值。如果采用空气作氧化剂，热解气体中不仅有CO2、H2O，而且含有大量的N2，更稀释了可燃气，使热解气的热值大大降低。因此，采用的氧化剂是纯氧、富氧或空气，其热解可燃气的热质是不同的。如用空气作氧化剂，热解美国城市混合有机废弃物所得的可燃气，其热值一般只在5500kJ/m3（标准状态下）左右。采用纯氧作氧化剂热解，其热解气热值可达11000kJ/m3（标准状态下）。(2)间接加热法将被热解的物料下直接供热介质在热解反应器（或热解炉）中分离开来的一种方法。可利用干墙式导热或一种中间介质来作传热（热砂料或熔化的某种金属床层）。墙式导热方式由于热阻大，熔渣可能会出现包覆传热壁面或者腐蚀等问题，以及不能采用更高的热解温度等而受限；采用中间介质传热，虽然可能出现固体传热或物料下中间介质的分离等问题，但二者综合比较起来后者较墙式导热方式要好一些。直接加热法的设备简单，可采用高温，其处理量和产气率也较高，但所产气的热值不高，作为单一燃料直接利用还不行，而且采用高温热解，在NOx产生的控制上，还需认真考虑。间接加热法的主要优点在于其产品的品位较高，如前所述的用同样美国的城市有机混合垃圾作物料，其产气热值可达18630kJ/m3(标准状态下)，相当于用空气作氧化剂的直接加热法产气热值的3倍多。完全可当成燃气直接燃烧利用。但间接加热法每千克物料所产生的燃气量-产气率大大低于直接法。除流化床技术外。间接加热一般而言，其物料被加热的性能较直接加热差，从而增长了物料在反应器的停留时问，即间接加热法的生产率是低于直接加热法的，间接加热法不可能采用高温热解方式，这可减轻对N0x产生的顾虑。对于不同的反应器型式，在加热方法、运行繁简和加热速度大小方面的一般性能，可以由表1.1反映出来。表1.1 不同反应器的性能项目炉型直接加热法间接加热法墙式中间介质运行简易加热速度运行简易加热速度运行简易加热速度竖式炉+0+-+卧式炉/-+旋转炉+0+-+流化床-+/-+注：“+”表示性能好；“-”表示不好；“0”表示不好不坏；“/”表示尚无发展。1.3.2 按热解温度分类(1)高温热解热解温度一般都在1000以上，高温热解方案采用的加热方式几乎都是直接加热法，如果采用高温纯氧热解工艺，反应器中的氧化-熔渣区段的温度可高达1500，从而将热解残留的情性固体（金属盐类及其氧化物和氧化硅等）熔化，以液态渣形式排出反应器，清水淬冷后粒化。这样可大大减少固态残余物的处理困难，而且这种粒化的玻璃态渣可作建筑材料的骨料。(2)中温热解热解温度一般为600790，主要用在比较单一的物料作能源和资源回收的工艺上，像废轮胎、废塑料转换成类重油物质的工艺。所得到的类重油物质既可作能源，亦可做化工初级原料。(3)低温热解热解温度一般在600以下。农业、林业和农业产品加工后的废物用来生产低硫低灰的炭就可采用这种方法，生产出的炭视其原料和加工的深度不同，可作不同等级的活性炭和水煤气原料。1.3.3 影响热解的主要参数(1)温度 反应器的关键控制变量是热解温度。热解产品的产量和成分可由控制反应器的温度来有效地改变。为了说明这点，下面以柏林理工大学所作的一系列实验数据进行说明。实验用的是合成废物，以便每次实验输入物科条件基本不变。具体输入物料特性见表1.2。表1.2 热解的物料特性及热解温度/%项目惰性物有机物水分干基的含碳800Bln43.435.421.217.5900Bln45.434.819.817.31000Bln42.439.817.819.7900SA4%41.754.14.226.4900SA30%30.239.130.719.1900SA50%21.728.250.113.8表中Bln代表原西柏林的家庭废物，SA是合成家庭废物，其后的百分数表示物料不同的含水量百分数。实验的加热方式为竖井炉间接加热方式，准确地控制热解炉温在条件下，得到的相应热解产物特性见表13。表1.3 热解产物特性项目热解气体容积/%焦炭成分的重量/%H2COCO2CH4CnHmH2SPCHNS100ppm-(GR+C)800Bln2.5339.5214701.616.10.20.180.162.3900Bln3.50.58.570.513004.5140.20.10.121.51000Bln5.5923.50.0512006.2130.20.10.110.8900SA4%9442160027.50.20.130.132.5900SA30%2.51.516.590.528078.519.50.10.090.132900SA50%5421186.50.525086130.10.070.111碳氢化合物C2H4、C2H6、C3H6、C4H10以及C4H6等合并在一起记为CnHm。从上表可以看出，温度在800以上范围内变化的条件下，H2含量基本不变，而CO/CO2的含量分配明显改变，即t=800、900、1000时，CO/CO2=13/23、20.5/18.5、29/12。这就说明，在该条件下，进行着发生炉煤气的重要反应。根据物质平衡测定结果发现，随着温度提高，气体的产量也增加。对应于从800升到900、1000，气体产量分别增加了30和80。 CH4的减少不是绝对产量的降低，而是由于总产气量的增加而被“稀释”了。同样，CnHm降低主要是由于温度升高，它进一步降解，另外也有稀释原因。干的纯热解气含有6580的H2和CO。由于H2和CO燃烧时的热值（kJ/m3，标准状态下）实际相差无几，所以尽管热解温度发生了200的变化，其热解气的热值变化并不明显。如果热解温度不变，只增加热解的含湿量，则每千克废物的热解产气量明显增加。尤其是CH4和CnHm的减少，更证明了是CH4被氧化的结果，即CH4+2H2O=CO2+4H2上式左边为三个分子，而右边则成为5个分子。若温度上升，则气体量还将增加。此时H2和CO2的比例也将升高。但此为吸热反应，要维持反应温度不变，必须提供更多的外热源。在每次试验中，H、C、N的含量对温度和湿度都无显著的依从关系，NH3不稳定，随着温度升高，NH3含量降低。焦炭的碳成分分析表明，提高温度和湿度，C含量均会降低。所列差值100-(GR+C)在完全热解时，它将为零。此时可挥发物均已析出，只剩固定碳。从上例可知，温度参数是热解过程最关键的参数。分析其产物的增减趋势，一定要将它可能发生的化学反应及能量提供结合起来4。(2)湿度热解过程中湿度的影响是多方面的。主要表现为影响产气的产量和成分、热解的内部化学过程以及影响整个系统的能量平衡，热解过程中的水分来自两方面，物料自身的含水量Wy和外加的高温水蒸气。反应过程中生成的水分其作用更接近于外加的高温蒸气。物料中的含水量Wy，对不同物料来讲其变化非常大，对单一物料而言就比较稳定。如制革污泥Wy高达95%，而废轮胎几乎不含水分。城市生活垃圾Wy变化较大，像我国的城市生活垃圾含水量一般均可达40%左右，有时超过60%。这部分水在热解过程前期的干燥阶段（105以前）总是先失去，最后凝结在冷却系统中或随热解气一同排出。如果它以水蒸气的形式与可燃的热解气共存，则会严重降低热解气的热值和可用性。因此，在热解系统中要求将水分凝结下来，以提高热解气的可用性。物料中Wy的含量增高，其可热解的干质比例就减少，以应用基为基础计算的有用热解产物量就减少，同时要求的干燥热量增加。这就会带来两种结果：一是系统的外加热量增多，一是净产出能源减少。所以不是任何物质进行热解处理在技术经济上都是可行性的。在热解进行的内部化学反应过程中，水分对产气量和成分都有明显影响。上面介绍的柏林理工大学试验研究的结果很清楚地表明，在900条件下，物料水分由4%(SA4%)到50%(SA50%)的热解气体产量和成分都发生了较大的变化。气体产生按重量百分比计从70%上升到86%；而热解气成分按去水后的容积百分比分别为：H2 49%54% CO 24%21%CO2 14%18% CH4 12%6.5%如果反应是在500550的条件下，则呈现“甲烷化反应”，反应方向主要向左。因此，水分的影响一定要与反应条件联系在一起考察，不能只看一个参与反应的反应物的条件。其次，水分对热解的影响还与热解的方式甚至具体的反应器结构相关。如直接热解方式在800以上供以水蒸气，则有水与碳的接触反应和“水煤气反应”。从实际反应效果来看，一般喷入水蒸气应在反应器内温度达900以上才好。进一步分析不难看出，即使是直接热解尚与物料和产气导出的流向有关，是逆向或同向流动情况都是有区别的。如果导出气与物料流动方向相同，即含水分的导出气将经过高温区，此时产气的成分组成与逆向流动产气的组成也是不同的。被热解物料的水分高低与整个系统的能量平衡有直接关系。用能量的导出率R指标进行讨论 (1.1)式中 R为能量导出率；hout为热解产气的能量；hin为加入热解系统的能量。能量导出率表明了一个事实，即寻求在输出与输入的能量关系上，找到最大的R，而不是只看系统产出了多少能量。(3)反应时间反应时间是指反应物料完成反应在炉内停留的时间，与物料尺寸、物料分子结构特性、反应器内的温度水平、热解方式等因素有关，并且影响热解产物的成分和总量。一般而言，物料尺寸愈小，反应时间愈短；物料分子结构愈复杂，反应时间愈长；反应温度愈高，反应物颗粒内外温度梯度愈大，这就会加快物料被加热的速度，反应时间缩短。反应物的旅度对反应器的时间也有关系。如采用稀相和密相，就有一个最恰当的浓度问题。热解方式对反应时间的影响就更加明显，直接热解与间接热解相比热解时间要短得多。因为直接热解可理解为在反应器同一断面的物料基本上处于等温状态，而壁式间接加热，在反应器的同一断面上就不是等温状态而存在一个温度梯度。反应器内径（或当量内径）愈大，温度差愈大。所以间接热解的反应器内径尺寸都做得较小。如果采用中间介质的间接热解方式，热解反应时间直接与处理的量有关，处理的量大小与反应器的热平衡直接相关，与设备的尺寸相关。如采用间接加热的沸腾床，它的反应时间短，但单位时间的处理量不大，要加大处理量相应的设备尺寸也很大。反应时间与热解产物间的关系，从本质上讲是与热解温度和物料的分子结构特性相关。反应时间与加热速度大、最终温度高使挥发分（即热解产物）产量正向相关。若其他反应条件都处相同状态，只考虑反应时间因素的话，则反应时间愈长，热解的气态和液态产物愈多；时间短，小分子的气态产物占热解气体积百分比较大。热解通常存在着快分解和慢分解两步，快分解有实用意义，而慢分解实用意义不大。另外，物料尺寸大，挥发分相对减少，这是因为在物料中心析出挥发分之后，在逸出表面的过程中有裂解，凝聚或聚合现象出现，在表面上出现碳的某些沉积物而使反应减缓。1.4 有机固体废弃物在流化床气化炉内反应过程 有机固体废弃物在流化床气化炉内反应的过程很复杂，随着气化装置的类型、工艺流程、反应条件、气化剂种类、原料性质等条件的不同，反应的过程也不相同，不过这些过程的基本反应包括有机固体废弃物的干燥、热分解反应、还原反应和氧化反应四个过程5。(1)有机固体废弃物的干燥有机固体废弃物在进入气化炉后，在热量的作用下，首先被加热析出吸着在有机固体废弃物表面的水分，在100150主要为干燥阶段，大部分水分在低于105条件下释出，这阶段的过程进行比较缓慢，因需要供给大量的热，而且在表面水分完全脱除之前，被加热的有机固体废弃物温度是不上升的。(2)热分解反应当温度达到160以上便开始发生高分子有机物在吸热的不可逆条件下热分解反应，并且随着温度的进一步升高，分解进行得越激烈。由于有机固体废弃物中含有较多的氧，当温度升高到一定程度后，氧将参加反应而使温度迅速提高，从而加速完成热分解。热分解是一个十分复杂的过程，其真实的反应可能包括若干不同路径的一次、二次甚至高次反应，不同的反应路径得到的产物也不同。但总的结果是大分子的碳水化合物的链被打碎，析出有机固体废弃物中的挥发分，留下木炭构成进一步反应的床层。有机固体废弃物的热分解产物是非常复杂的混合气体和固态炭，其中混合气体至少包括数百种碳氧化合物，有些可以在常温下冷凝成焦油，不可冷凝气体则可直接作为气体燃料使用，是相当不错的中热值干馏气。原料种类及加热条件是有机固体废弃物热分解过程的主要影响因素。由于有机固体废弃物中的挥发组分高，在较低的温度下（300400）就可能释放出70%左右的挥发组分，而煤要到800时才释放出约30的挥发组分。热分解速率随着温度的升高和加热速率的加快而加快，只要有足够的温度与加热速率，热分解会以相当快的速率进行。完成热分解反应所需时间随着温度的升高呈线性下降，由试验可知当温度为600时，完成时间约27s左右；当温度达900时，则只需9s左右。而足够的气相滞留期和较高的温度则会使二次反应在很大程度上发生，从而使最终的不可冷凝气体产量随着温度的升高而增加。(3)还原反应有机固体废弃物经热分解后得到的炭与气流中的CO2、H2O、H2发生还原反应生成可燃性气体。主要发生如下反应6。二氧化碳还原的化学反应C+CO2=2CO；H=+162.142kJ/mol (1.2)这个反应向右进行，是强烈的吸热反应，因而温度愈高，CO2的还原将愈彻底，CO的形成将更多；不同温度下二氧化碳还原时的平衡成分(容积分数)及平衡常数见表1.4。表1.4 二氧化碳还原时的平衡成分(容积分数)及平衡常数温度/CO/%CO2/%平衡常数K4500.799.30.00155010.789.30.01965039.860.20.30980086.213.87.54790097.882.1239.898100099.410.59161.004110099.850.15526.066120099.940.061453.001表1.4表明在气化炉中，有效的CO2的还原温度是在800以上，随着温度的升高，CO2的含量急剧减少，反应平衡常数K值迅速增大，温度增加有利于还原反应。同时正向反应的体积增加，系统的总平衡压力将影响平衡时的组成，图1.1为压力对该反应平衡混合物组成的影响，由图1.1可以看出，压力的增大使CO平衡含量减少。CO2在气化炉内与燃料接触的时间也影响CO2还原反应的彻底程度，由使用焦炭做燃料试验得出，在温度为1300时，彻底还原所需的时间约56s，当温度降低后，则需要的时间就增长了。图1.1 碳与二氧化碳还原反应中平衡混合物与压力的关系显然一般的气化炉中并不以二氧化碳为气化剂，但在燃烧过程中产生大量二氧化碳。而此二氧化碳的还原反应为气化过程中的一个重要反应。(2)水蒸气还原的化学反应C+H2O(g)=CO+H2；H=+118.628kJ/mol (1.3)C+2H2O(g)=CO2+2H2；H=+75.114kJ/mol (1.4)上面的两个反应都是吸热反应，因此温度增加都将都有利于水蒸气还原反应的进行。但生成CO与CO2的反应平衡常数K是不同的，见表1.5。表1.5碳与水蒸气反应的平衡常数与温度的关系温度/K温度/K式(1.3)式(1.4)式(1.3)式(1.4)3000.0000.00010002.1652.6024000.0000.00011009.8627.9725000.0000.000120034.99220.5626000.0000.0011300102.31746.3527000.0020.0161400256.71593.7988000.0340.1301500569.343173.7639000.3410.678由表1.5可知，温度对于红热的碳与水蒸气生成CO和CO2的反应的影响程度不同。在温度较低（<700）时，C+2H2O(g)的反应常数比C+H2O(g)的大，这表明温度较低不利于CO的生成，有利于CO2的生成。在温度较高时情况相反，有利于生成CO的反应进行。由表1.5又可看出，随着温度的增加，KCO的上升速度快，而KCO2的上升速度慢。由此可知，提高温度有利于提高CO含量和降低CO2含量。此外，温度低于700时。水蒸气与碳的反应速率极为缓慢，在400时，几乎没有反应发生，只有当温度高于800时，反应速率才有明显增加。而燃料的种类也与水蒸气还原的程度有密切关系，在常见的固体燃料中，生物质炭的活性最高，木炭在800时水蒸气就已充分分解，而此温度下烟煤焦炭与水蒸气几乎未发生反应。综上所述，温度是影响碳还原反应的主要因素。温度升高有利于CO的生成及水蒸气的分解，确切地说800是木炭与CO2和水蒸气充分反应的温度。(3)甲烷生成反应有机固体废弃物气化可燃气中的甲烷，一部分来源于有机固体废弃物中挥发分的热分解和二次裂解，另一部分则是气化炉中的碳与可燃气中的氢反应以及气体产物的反应结果。C+2H2=CH4；H=752.400 kJ/mol (1.5)CO+3H2=CH4+H2O(g)；H=2035.66 kJ/mol (1.6)CO2+4H2=CH4+2H2O(g)；H=827.514 kJ/mol (1.7)以上生成甲烷的反应都是体积缩小的放热反应。在常压下甲烷生成反应速率很低，高压有利于反应进行。而碳与水蒸气直接生成甲烷的反应也是产生甲烷的重要反应：2C+2 H2O=CH4+ CO2 (g) ；H=677.286 kJ/mol (1.8)碳加氢直接合成甲烷是强烈的放热反应，甲烷是稳