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废塑料流化床焚烧特性及试验研究

文档作者：金余其周江奇严建华池涌刘讯倪明江岑可法文档来源： 1．浙江大学能源清洁利用与环境教育部重点买验室 2．杭州汽轮机厂			点击数：
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第22卷第2期
·1 724·2002年4月
动 力 工程
POW ER ENGINEERING
Vo1 22 No 2
Apr． 2002
· 环保技术·
文章编号：1 000—6761(2002)02 1 724 05
废塑料流化床焚烧及排放特性的试验研究
金余其 ． 周江奇。， 严建华 ， 池 涌 ， 刘 讯 ， 倪明江 ， 岑可法
(1．浙江大学能源ai洁利用与环境教育部重点买验室，抗州310027；2．杭州汽轮机厂，杭州310000)
摘要：在一内径40mm、高500ram小型电加热流化床焚烧护上时废塑料的燃烧特性．包括燃烧效率
、挥发
份析出特性厦烟黑酌生成进行了试验，分析了主要气体污袭特(SO 、NO、HC1)的排放特性应运行条件(过剩
空气率、床温厦水份等参数)对虚塑料燃烧和排放的彰响 囤1 0表1毒7
关键词：废塑料；流化床；焚烧；排放
中图分类号：TK 229．66 文献标识码：A
O 刖再
随着石油化工的迅速发展及塑料制品的大量
使用．废1日塑料的废弃量也越来越大，就我国而
言，塑料总产量由1 975年1．4万t增至1 988年
的360万t，增加157倍，预计每年还将以8 ～
10／0／ 的速度增长。0。1 990年，我国的废塑料就达
到了90万t。l坐中等城市年平均废塑料量达
2000万t以上。 。废塑料成为垃圾．造成严重的环
境污染 因此．研究废塑料的处理和利用已势在必
行。
目前．废塑料的处理和利用主要有：再生法、
焚烧法、热分解法等 。再生法具有很高的环境和
资源价值，但由于回收过程中分离、清洗成本太
高，暂时很难在我国发展。而热分解法同样存在工
艺流程过于复杂的问题。而焚烧法具有处理速度
快、减容、减量显著等优点，废塑料热值高回收能
源较为有利，实施也相对简单 当然，它带来的二
次污染问题不容忽视 尤其是含氯废弃物焚烧时
会产生HC[和其它有机污染物(如 英等)，
HCI不仅影响人类健康．而且会腐蚀锅炉设备- l。
因此，在焚烧废塑料等废弃物时，不仅需研究其燃
烧特性．还需研究其排放特性。
流化床燃烧具有燃料适应性广、燃烧效率高．
污染低等特殊的优点，因而研究采用流化床技术
收稿日期：2o00 08 1】
基金项目：同家Iq然科学基盎(59836210j
作者筒彳r：金余其(197l一)．男．浙江』=学博士生．主要从事
固体废弃物的洁净利用技木的研究
焚烧废弃物已在日车等发达国家得到广泛的应
用
笔者在流化床焚烧试验炉上对废塑料的燃烧
特性及HCI、SO NO等污染物的排放进行了试
验研究，为废塑料流化床焚烧利用提供参考；同时
由于废塑料是城市生活垃圾的重要组分．本研究
也有助于了解城市生活垃圾的焚烧特性及排放特
性
1 试验系统与试验方法
废塑料焚烧在流化床焚烧试验炉上进行，焚
烧及测试系统见图1 本系统主要由下列几部分
组成；流化床本体，送风系统，给料系统，烟气取样
系统。流化床为电加热，内部为l根内径40ram、
高度500mm 的罗纹陶瓷管，功率2kw 的电热丝
缠绕在陶瓷管上(主要集中于密相区)；布风板为
孔径约5O m 的不锈钢网；陶瓷管外设置石棉保
温层． 减少散热损失并保证试验的安全；床层内
装有K 型热电偶测量床温，超温时通过温控仪
XCT 可使电源自动跳闸；加热功率由变压器调
节 送风系统由l台离心风机和转子流量计组成，
气体流量由调节阀1控制。本文针对废塑料的特
点，对给料装置进行了专门的设计，可实现连续给
料。烟气取样系统分两部分：一是通过MSI2000
烟气分析仪测试烟气中O 、CO、CO 、NO 、SO
等的浓度；二是通过0．1N NaOH 溶液吸收以测
试烟气中HCI浓度．溶液中的Cl浓度采用阴离
子色谱分析法测试。试验中的2个测量系统分开
独立进行。
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第2期 动力 工程
图1 流化康赞烧系统简图
试验中床料采用平均粒径为0 NTmm 的石
萸砂．静止床高为约?0mm．流化风速为0．1～0．2
m／s．床温650～1 O00℃ ；通过滴节球阀2使给料
r】处为零压或徽正压 运行中照床温波动较小 测
试中CO、CO!、NO 、SO!等浓度每1Os记录1次．
每个工况中测试的参数取其甲均值．而HC1的吸
收则经历每个工况的整个燃烧过程。
试验用的废塑料取白富阳市某造纸厂，主要
有包装用的塑料薄膜 塑料袋、塑料绳、编织带 密
封胶带、玻璃纸等．还有微量的纸"。陵塑料主要
成份为聚己烯、聚丙烯、聚丙乙烯．其工业和元素
分析示丁表1 连续焚烧试骑时将废塑料加工成
表观尺寸小于5ram 的片料，以实现顺利给料
表1 废塑料工业及元素分析
名称 (、 H． ()． ． S ． CI 4 1w， F‘ ，r Qn c--
“ ％
废 料 45 8 7 80 2 CI L】 o 2 89 181 84
2 试验结果及讨论
2．1 废塑料的燃烧特性
2．2．1 挥发份的析出覆燃烧
从表1废塑料的工业分析可知：废塑料的可
燃成分中95 以 是挥发份，因此，挥发份的析
出与燃烧是整个废塑料焚烧中的关键过程 测量
燃料颗粒在流化床内挥发份的析出时间通常有2
种方法，即FET(flame extinction time)观察法及
烟气CO 浓度变化法(即认为CO 浓度趋于稳定
时刻作为挥发份析出结束，如图4箭头示意) 。
由于FET 方法更为直观而且不会受系统滞后等
因素的影响．所以本文主要采用该法研究挥发份
析出和燃烧。挥发份的析出燃烧时间为从塑料片
投入到火焰结束．但同时在线分析记录燃烧过程
的烟气成分。在挥发份析出及燃烧试验中．塑料片
统一剪成lOmm×10mm 大小 塑料片投入床层
后，迅速着火燃烧，并发出“扑扑”的爆破声(这可
能是由于塑料挥发份析出迅速，导致局部缺氧燃
烧)。图3示出了塑料挥发份析出燃烧时间与床温
的关系。
由囝2可知，废塑料挥发份析出燃烧时问随
温度增加而减少，为约2～7s．不同塑料之间及同
一塑料软质与硬质之间有 定的差别。同时。本
文也通过烟气分析的方法研究了废塑料投入床层
后CO 的浓度变化，典型工况如图3示。试验发
现．通过CO 浓度变化测试废塑料的挥发份析出
时问与火焰观测法明显偏大．这与参号文献E6]生
物质挥发份析出时间的测试结果是类似的 导致
这一现象的主要原因是废弃物类燃料挥发份含量
高而且析出速度非常迅速．而CO 浓度的积聚和
稀释都需要一定的时间，同时烟气测试系统也有
一定时间的滞后，故挥发份析出与测试的CO 浓
度变化在时间上并不一致 所以．本文认为 对于
废弃物的挥发份析出时问．采用火焰观察法(FET
法)测试较为合适
? 腰塑科j军发份计出时I司 租厦的 糸
2．1．2 燃烧效率厦烟黑的生成
般废弃物类燃料挥发份含量较高．而固定
碳含量较低．因此该类燃料的热损失主要源白于
气体不完全燃烧 所以．废弃物的燃烧效率通常可
采用下式表示：
．
一 ⋯
式中Eco ]、[c0]分别表示烟气中CO 、CO
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726 动力 工程
周3 废 料投^球层后邶j气(’()，浓世的变化( 一
8f” 。【’
毫
g
釜
：
750 8fm 850 90fJ 050
床温， c
l舯
99 羹
蠼
4馨
圉J 燃烧教率与眯温的关系t烟气(J 1l l
的体积浓度。
本试验研究丁废塑料燃烧效率与床温、空气
过剩率(EA)的关系．试验结果见图4、图5
盖
呈
拦
C
5 燃恍效事 过荆空气凹燕糸
从试验研究结果看：废塑料流化床燃烧效率
都非常高，空气过剩率EA 大丁t0 时．燃烧效
率在99．4 以上 在试验温度范围内，床温对燃
烧效率的影响较小 而过剩空气率对燃烧敬率影
响较大．尤其在EA小于4O ．废塑料的燃烧效
率和烟气中CO浓度都有一个大的突变 因此，为
保证燃烧效率及较低的CO排放浓度，焚烧废塑
料时保持较高的过剩空气率是必要的
另外，焚烧废塑料之类废弃物时，不可避免会
产生烟黑，烟黑一旦形成就很难再燃尽．不仅造成
污染，而且会降低受热面传热效率。为此．本文对
烟黑的生成(每个工况烟气过滤装置中烟黑的产
生量)进行了定性的观察和分析。在焚烧试验中．
第22卷
作者发现：烟黑的生成量多少与烟气的CO浓度
大小成正比关系。过剩空气率低十4O 时，烟气
的烟黑和CO浓度都急剧上升。这可能是由于废
塑料挥发份含量高而且析出迅速(其他固体废弃
物也有类似现象)．在其周围形成扩散燃烧．当过
剩空气率较低时，极易导致供氧不足而形成还原
性气氛，从而引起烟黑和CO 浓度上升。
2．1．3 水倚对燃烧的影响
考虑到实验焚烧的废甥料水份可能会更高
(本试验所用的废塑料已经一段时间的自然干
燥)，作者初步研究了提高废塑料水份后对燃烧的
影响，使废塑料含水率从40 上升至70 。为便
于对比，试验中平均过剩空气率控制在约36 ．
即与图6的最定点一致．结果发现加水后．CO浓
度从原来的2100mg／kg降到了1200mg／kg．烟黑
浓度也有明显改善。原因可能是：r1)废塑科加水
后使燃烧火焰缩短，从而促进了挥发份与空气的
混合；(2)水蒸汽奉身与CO或烟黑反应，从而抑
制r烟黑的生成；(3)加水后．延长了挥发份析出
时间．见图3虚线所示，有利于可燃气体在床层的
均匀分布
6 s，SL)2转换军气障温∞ 蓑系
2．2 废塑料的排放特性
由于率试验中废塑料S、N和CI元素含量较
低(表1)，故焚烧时烟气的SO 、NO、HCI的绝对
浓度都较低．本试验中分别为5～12mg／kg、30～
76m g／'kg、31～ 35mg．／kg(折算为烟气0 211 )
为使结果具有参考性．本文研究焚烧中废塑料S
— SO 、N— NO、C1一Hc1的转化率。其中SO：、
NO 转化率根据烟气分析和元素分析求解如下
(以 O为例．S0 类似)：
K = I'U／．~o · (2)
式(2)中 表示该气体或元素在烟气或燃料
中的摩尔份额。而HC1的转化率则通过阴离子色
㈣ 0
、普 样((1薯
。三丹辩蠼簦
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第2期 动力 工程
谱测试吸收液中的cl_。浓度求得烟气中HC1的
量后计算而得。本文研究了废塑料中C1一HCl转
化率随床温的变化
!．2．】SO 的排放
在研究床温的影响时．保持每个工况烟气含
氧量约为】1 ，即过剩空气率Ea—l10 ；而研
究过剩空气率的影响时则保持床温基本不变，为
800。C 图S表明：床温从750。C升到900。C时．转
化率从21 升到30 可见，床温升高有利于
SO 的析出。试验发现：过剩空气率也明显有利于
SO 的生成，当过剩空气率从40 升到200 时，
转化率从l2 时，转化率从1 2 升到了3O (图7)
图7 s／s(b转燕翠与过 空气翠日g关东
2．2．2 NO 的排放
图8、图9分别显示了废塑料中N— No 的转
化率随床温、空气过剩率的变化关系。床温上升，
N—NO转化率升高(1 6 一2 9 )．据有关参考文
献E73研究认为：温度上升能促使N zO热分解成
中间产物NCO，并向NO转化；同时，温度上升使
燃烧效率提高 CO浓度下降，也有利于NO 的生
成 过剩空气率升高对N—No转化率的影响更
为显著(15 一38 )，这结果与No 的生成机理
有关．01是NO 生成反应中必需的反应剂．提高
O 的分压能促使化学平衡式向产物(NO)方向进
行；而且，随过剩空气率的升高，燃烧效率提高、
CO浓度下降．不利于N0 的还原反应。
图8 N／NO转化享与床温的黄系
2．2．3 HC1的排放
在焚烧含氯废弃物时不可避免地会产生HCI
及其他有机污染物(如二恶英等)。由于在小试验
台上测试二恶英的排放有一定的难度，故本文只
研究了HCI的排放 试验温度750～850。C范围
内．cl HC1的转换率为S7 ～63 ，如图9所示。
由此可见：HCI是cl的主要转化途径。转换率随
温度的变化不是很大．但其趋势是温度升高，转化
率略有增加。
图9 N／NO转化率与空气过剩率的关系
圉l0 燃料C1 HC1转换率 束温的盖系
3 结论
从废塑料焚烧研究表明：
(1)废塑料流化床焚烧具有较高的燃烧效
率，当过剩空气率大于40 时，燃烧效率大于
99．4 ；
(2)过剩空气率对燃烧效率、烟气CO 排放
浓度、烟黑生成影响较大，尤其在过剩空气率较小
时，会有一突变，因此焚烧废塑料时保持较高的过
剩空气率是必要的；
(3)在废塑料焚烧时，S—SO 、N—N0、C1一
HCI的转化率分别为12 ～ 30 、1 S ～ 40 、
57 ～ 63 ；
(4)过剩空气率或床温对s—so 、N—No
的转化率有较大的影响，而床温对cI— HcI的转
化率影响较小。
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· 】728 ·
参考文献
动力 T 程 第22卷
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Nl Ming—jiang ， CEN Ke一}
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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页)
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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