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Keywords:
MSW,pyrolysis,gasification,catalyst
目录
摘要1
Abstract2
1.引言4
2.热解气化技术5
2.1生活垃圾热解气化技术的原理5
2.1.1热解过程5
2.1.2气化过程5
2.2垃圾热解气化技术的前景6
2.3生活中的垃圾气化器7
3.气化装置简介10
3.1垃圾气化流程10
3.1.1原料的准备10
3.2垃圾气化原理10
3.2.1进料系统10
3.2.2垃圾气化炉10
3.2.3冷却装置11
4.送料装置的设计12
4.1螺旋体设计12
4.1.1螺旋叶片12
4.1.2螺旋轴12
4.2轴承13
4.3机槽13
4.4驱动装置设计13
5.传动装置设计14
5.1电动机的选择14
5.2减速器设计14
6.气化系统设计15
6.1燃烧室设计15
6.2气化室设计15
7.净化冷却系统16
7.1冷凝器设计16
总结18
参考文献19
致谢20
1.引言
目前,全世界都面临着边圾泛滥成灾的难题,大量的垃圾不仅占用了大量
宝贵的土地资源,还造成了潜在的环境污染问题。
生活垃圾的处理不当,小则
影响居住环境、生态环境和人们的身体健康,大则影响到一个城市和国家的形
象以及经济社会的可持续发展。
而生活垃圾其实也具有回收再利用和资源再利
用的特点。
因此生活垃圾的减量化,资源化和无害化的处理十分重要。
生活坟圾的处置方式有很多种,填埋和焚烧是其中两种最主要的无害化处
理方式。
而能达到减量化,资源化和无害化的处理方式主要还是垃圾的热处理
方法。
焚烧技术作为热处理方式之一,发展很早,而且近年来发展很快。
目前
新型的焚烧技术可以通过优化燃烧工艺路线等方式,例如采用提高温度和停留
时间,采用添加剂等等多种方法,有效地脱除了汞、镉及重头合成二恶英等污
染物。
逐步解决或减轻了二恶英等污染物排放带来的问题,各种机构数据表明
没有发现:
垃圾焚烧对人体健康产生了有害的影响,因此对垃圾进行焚烧处理
的方式也是目前对城市生活垃圾进行减量化,资源化和无害化热处理方法中发
展最好,应用最广的一种方式。
尽管如此,相比于焚烧的处理方式,垃圾的热解气化技术在二恶英和氮、
疏氧化物的排放上更具优势,在实现污染物近零排放的前提下,还能实现渔溶
融以及净气化气的产生并更利于二氧化碳减排,而气化气与焚烧一样,可以用
于发电产热行业,此外还可以广泛地应用于化工行业,而且利于运输和储存,
被认为是未来很有发展前途的可再生能源之一。
在目前提倡保护生态环境,倡
导低碳生活大环境下,热解气化技术会因为它在环境上的显著优点而极具发展
前景。
2.热解气化技术
2.1生活垃圾热解气化技术的原理
热解气化一般指的是含碳的物质,如煤、生物质以及垃圾等,在一定的温
度和压力（加压或常压）下,与气化介质,如无氧、空气、纯氧、氢气以及水
蒸汽等,发生化学反应后转化为简单的分子如C0,C02,H2和CH4等气体组
成的合成气的技术。
垃圾的热解气化技术作为边圾热处理技术之一,与焚烧一样具有减量化,
资源化和无害化的特点。
垃圾焚烧技术发展较早较成熟,具有占有率高,可靠
性好等优点。
2.1.1热解过程
热解法是利用垃圾中的有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧的条件下进行加热，使有机物产生热裂解，改变原有分子结构形态，由大分子的有机物转变为小分子的可燃气体、液体燃料和固体燃料。
具体而言，垃圾吸收外界提供的热量后，温度逐渐升高，当升高到100℃以上，便挥发出游离态的水，然后发生有机物分子内的脱水反应，如羟基断裂生成水。
经过脱水反应后，垃圾继续吸热，当温度升高到200～400℃时，有机物分子中的甲基、乙基等侧链开始断裂，生成甲烷、氢气以及其他的碳氢化合物。
随着温度的进一步升高，脱掉侧链的有机物的主链发生断裂，生成许多小分子物质。
热解反应后的气态产物经过冷却后，被分离成可燃气体（含有CH4、H2、CO、CO2）、有机液体（有机酸、芳烃、焦油），热解反应后的固态产物为垃圾炭（焦炭和无机成分）。
2.1.2气化过程
气化过程是对热解反应的固态产物——垃圾炭进行二次处理，将其转变为可燃气体的过程。
具体而言，将热解产生的可燃气体引入燃烧室内进行高温燃烧，为热解反应提供能量。
同时，将燃烧产生的一部分烟气（利用其中的CO2）和干燥垃圾过程中逸出的水分通人垃圾炭层内，使之发生气化反应，进一步获得可燃气体（CO、H2）。
反应方程式如下：
C+H20=CO+H2
（1）
C+C02=2CO
（2）
这种处理方式，一方面大大减少了烟气的排放量，同时又产生了H2和CO等可燃气体，增加了可燃气体的产量。
2.2垃圾热解气化技术的发展前景
热解气化技术的应用至今已经有200多年的历史,文献记载该技术最早运用于转化为合成气,其中含50%的氢气以及3%-6%的一氧化碳,其余大部分为二氧化碟和甲院。
在1800年代前期,正处在工业化时代的美国和欧洲运用这种技术产生合成气,点火照明或者取暖;
1807年1月28曰,在伦敦首次使用这种合成气点火,做为路灯照明。
随后,由于其他技术的发展,热解气化技术的应用逐渐减少。
而直到第二次世界大战,热解气化技术再次被大量应用,它的主要目的是通过费托合成将煤转化为运输装置可以使用的燃料。
在过去的五六十年时间,热解气化开始广泛的应用于将煤、重油、生物质和垃圾等转化为以含氧气为主的气化气,用于生产尿素即化肥行业.而化工行业和精炼行业也分别从1960年代和1980年代开始运用热解气化技术。
在过去的近二十年时间里,热解气化技术开始用于发电产热\行业,并开始越来越多的应用于小规模的生物质和泣圾的处理。
垃圾的热解气化技术作为垃圾热处理技术之一,与焚烧一样具有减量化,资源化和无害化的特点。
垃圾焚烧技术发展较早较成熟,具有占有率高,可靠性好等优点。
目前我国垃圾焚烧技术主要以炉排炉和流化床炉为主。
其中炉排炉也是发达国家焚烧泣圾的主流技术,但是由于其技术较复杂以及技术含量高等特点,使得我国多数大型炉排炉焚烧厂建设主要依靠国外进口引进,例如曰本三菱重工株式会社生产的三菱-马丁逆推炉排等,造成建设投资的成本较高;
而流化床炉主要以国化技术为主,因此建设投资成本较低,目前流化床垃圾焚烧技术在我国的应用规模达到了40%左右,其中尤其以浙江大学热能工程研究所严建华课题组提出的城市生活垃圾循环流化床焚烧技术为主,得到了广泛的应用和认可,例如已经运行的杭州锦江乔司垃圾发电厂以及郑州荥锦垃圾焚烧厂等。
但是传统的垃圾焚烧技术因会造成环境污染如二恶英排放等缺点而被话病,然而随着研究的深入和技术的不断完善,新型的垃圾焚烧技术污染也极少,例如通过高温850°
C下停留2秒破坏二恶英;
炉算移动技术提高热值适应性;
活性炭的加入脱除汞、镉及重头合成二恶英等;
气体冲洗及除尘等设施的应用等等多种技术的应用降低焚烧的污染排放。
但是相比于垃圾的焚烧技术,垃圾的热解气化技术在二恶英和氮、硫氧化物的排放上更具优势,而且热解气化过程中产生的气化气可以在使用之前将污染物去除,而不像焚烧需要在产生污染物后进行后续处理。
此外,通过气化还可以促进垃圾中可回收物品的回收,因为在垃圾气化前,诸如玻璃、金属等不可气化的物料需要被分拣出来。
此外,垃圾焚烧技术一般只能用以发电或供热,而热解气化技术除了能像焚烧一样产热或发电,热解气化产气（合成气）还可以用来发电或者用来生产药品、化肥、运输燃料（如乙醇）和替代天然气等。
相比于目前国内占生活垃圾处理量最大的处理方式填埋,热解气化的优点也更加明显:
热解气化技术可以减少填埋用地;
减少填埋产生的甲院（也是一种温室气体）的排放;
降低了因填埋而污染地下水的风险;
可从垃圾中回收能源用以生产高价值的产品;
加强现有的再循环生态系统;
减少使用化石燃料;
减少运输垃圾产生的费用。
从二氧化碳排放的角度,看热解气化技术的优点:
热解气化系统中,可以利用水煤气变换反应,在燃烧之前将CO转化为CO2,这个过程比燃烧后再去除CO2的过程经济。
在生产氨,氢气,燃料或化学品过程中,本来就需要将其中的CO2捕获。
2.3生活中的垃圾气化器
热解气化器根据床型分类一般主要分为固定床（移动床）,流化床和
气流床。
传统的固定床的热解气化反应器中气固两相对流,使得物料自身产生
的热气化气可以为上部的湿物料的干燥提供能量,能量利用率较高并具有很高
的冷气化气效率（常温下收集的单位质量原料产生的气化气的热值与单位质量
原料的热值之比）,但同时也由于气固两相对流,可能造成流动不均一以及反应
颗粒局部堆积搭桥,从而导致内部混合效果差,碳反应不完全,局部高温以及
低转化率。
此外,固定床还主要分为上吸式和下吸式固定床,适用于生物质
的典型气化器的效率一般分别为30%和15%,输出功率一般为1-l0MWe和0.1
-0.5MWe。
流化床一般物料混合效果较好,但是在流体动力学特性上,流
化床比固定床复杂很多。
由于流化床中气固两相混合得好,使得燃料之间传热
传质好并且转化率高。
此外,流化床中固体颗粒之间的机械运动摩擦能使灰脱
落。
流化床主要分为鼓泡流化床和循环流化床,它们的效率分别可以达到35%
和40%,适用于生物质热解气化的输出功率一般是3-20MWe左右和l0MWe
-250MWe。
气流床一般温度极高,颗粒高度分散,燃烧到很高的温度以达
到液态排查和快速气化,反应器的效率和功率也很高,可以分别达到45%和
1000MWe，同时要求给料均一,需要氧气量高。
从流体动力学特性上比较,
气流床相对简单,气固同向流动,但是不均一的流动将会导致局部堆积和高温,
以及碳反应不完全等问题。
此外,气流床需要使用干物料,使用湿物料时需
要耗费很多能量在干燥上。
热解气化器根据气氛和压力,一般可以分为空气不完全燃烧气化,纯氧
不完全燃烧气化,水蒸汽热解气化和加压气化。
空气不完全燃烧气化主要气化
产物为CO、CO2、H2、CH4、N2和焦油。
气化气质量品位较低,应用上的主要
问题是气化气不利于燃烧,尤其是不适合在燃气祸轮机中使用。
纯氧不完全燃
烧气化主要气化产物为CO、CO2、H2、CH4和焦油（无N2）。
使用纯氧费用虽
然要高,但是会产生更高质量的气化气,可以补偿使用纯氧多出的费用。
水蒸
汽热解气化主要气化产物是CO、CO2、H2、CH4和焦油。
由于有较高的甲燒
和碳氧化合物气体浓度,气体热值会很高,一般应用过程中还会通过添加催化
刻重整气体,得到热值更高、污染物更少以及更纯净的气化气。
加压气化炉一
般主要在15-50bar的压力下进行,加压后可以减小反应室和管路尺寸大小而
不需使用气化气压缩器,效率高。
但是由于要保证反应在加压下运行,投资成
本和运行成本都还是会显著提高。
从操作和经济角度上看,加压反应中使用液
态物料如生物油或者污泥要优于固体生物质。
加压气化一般使用纯氧,使用纯
氧可以得到较高的反应温度,因此焦油量较低;
由于没有氮气,设备尺寸可以
更小（投资成本更低）;
高质量的气化气可以用于发电或者液态燃料合成。
但是
使用和供应纯氧需要额外的可观的资金和能量投入,以保证安全的操作和使用。
3.气化装置简介
3.1垃圾气化流程
如图所示
为垃圾气化的一般流程：
3.2.1原料的准备
生物质（落叶、锯末、刨花、桔梗等）经过破碎机精破碎后，成为80~100mm的细小颗粒粉末。
这些颗粒经过风机吹送入燃烧室中进行焚烧获得气化所需要的热量。
3.3垃圾气化原理
根据垃圾气化流程图中所示，我们科依次设计气化装置的组成部分，具体如下。
3.3.1进料系统
分选出生活垃圾的组成部分，经过干燥破碎等程序变成直径4~5cm的颗粒，
再经由螺旋进料器均匀喂料。
3.3.2垃圾气化炉
燃烧室在燃烧室的下部炉膛中先用木材引火，然后吹送入生物质粉末，在其内部进行粉尘云燃烧。
燃烧过程中所产生的高温烟气由燃烧室上部引出，流经气化室内部的各列管到达气化炉的上部料斗，最后通往烟气处理工序。
在此过程中，各烟气列管内的高温烟不断地向气化室传热，供给气化反应所需的大量热能，并在出口处预热料斗内的垃圾颗粒。
气化室垃圾颗粒首先在上部料斗内经由烟气列管引出的高温烟气预热，再由送料机构送入气化室，在各烟气列管间由上向下移动。
在此过程中垃圾颗粒受热分解，热解产物再与气化室底部通入的水蒸气发生反应，最终气化生成可燃气体。
可燃气体由上部出气口引出，进入后续流程。
灰渣由底部出口落入水浴中冷却结渣。
3.3.3冷却净化装置
由气化炉里出来的气体经由热烟气管道进入冷却装置分离出所含的焦油物质，再经过一系列除杂步骤可分离出所含的飞灰杂质，得到纯净的可燃气体。
4.送料装置的设计
送料装置采用水平螺旋机构。
螺旋机构包括螺旋体，机槽，轴承，驱动装置等。
4.1螺旋体设计
螺旋体是由螺旋轴和螺旋叶片组成
4.1.1螺旋叶片
采用满面式螺旋叶片
4.1.2螺旋轴
螺旋轴采用空心轴。
螺旋轴设计计算
螺旋直径的计算一般是根据输送量来用公式计算，公式为：
Q=47D²
snψγβΚ
式中:
D—螺旋直径
S—螺距
n—螺旋转速
Ψ—机槽的充填系数
γ—物料的容重
β—修正系数
在足输送量的情况下转速不宜过高，更不能超过最大许用转速，螺旋转速应为
n≤nmax=A/（D½
）将此公式代入上式，令b=s/D,得
Q≤47D2.5bAψγβΚ
则D≥（Q/47DbAψγβΚ）1/2.5
假设Q=0.08t/hγ=1.2t/m3s/D=0.8查表得A=45ψ=0.33β=1Κ=1
代入公式得
D=15.56取D=16
n=30
取n=30用公式n≤nmax=A/（D½
）A=45验算
nmax=A/（D½
）=11.25满足条件
具体的数据见CAD图
4.2轴承
根据具体的实际情况，在这里我们选择深沟球轴承。
4.3机槽
采用U型机槽
4.4驱动装置设计
根据以往的经验，在这里我们选择电动机作为驱动装置动力源。
5.传动装置设计
5.1电动机的选择
类型和结构的选择：
选择Y系列全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机。
功率的确定：
1）工作机所需功率
Vm=30×
0.32×
3.14/60=0.1413m/s
Pw=FwVw=30×
0.1413=4.29KW
2）电机至工作间总效率的确定：
取联轴器效率η1＝0.99；
滚动轴承效率η2＝0.99；
锥齿轮传动效率η3＝0.97工作机效率ηw＝0.96；
3）电动机所需功率Pd：
Pd＝Pw/η≈5.5KW
则总效率η＝（η1）2（η2）2（η3）2（η4）2ηw≈0.83
4）电动机额定功率Pm：
因Pm≤Pd，故取Pm＝5.50KW，查《表17－7选择电动机，该电机额定功率Pm＝5.50KW，满载转速nm＝1390r/min
传动比的分配：
1）总传动比：
螺旋轴转速nw=30r/min，则总传动比i＝nm/nw≈46.33
2）确定一级圆锥齿轮传动比i1：
i1＝3.1
3）确定二级圆柱齿轮传动比i2：
i2＝2.0
4）确定三级圆锥齿轮传动比i3：
i3=7.5
5.2减速器设计
根据电动机参数和传动比选择相应的减速机。
6.气化系统设计
6.1燃烧室设计
燃烧室的截面大小要比生物质颗粒的直径要大，但是不能过大，要保证生物质颗粒能在燃烧室中充分燃烧放出热量，这里我们采用圆柱形的燃烧室，燃烧室内壁有2根圆柱形的电热管，内附有电热丝。
具体数据和图见CAD图纸。
6.2气化室设计
气化室与螺旋送料装置相配合，气化室高度和宽度以及容量大小可根据实际以及螺旋送料装置的送料量来定。
以一定量生物质量为准，空气量按空气比0.2计算，每千克干无灰物料消耗空气0.93
，水分和灰杂质按10%计算，则每小时消耗空气量为235
设定气化室温度650℃，产气中50%为氮气来计算，则产气总量为
V=0.5×
235×
923÷
298+0.5×
（235×
298×
79÷
50）=0.261
选择流化速度为0.6时
则布风板面积为s=0.261÷
0.6=0.4
自由层高度要保证气体的停留时间，根据相关文献资料，由此可以算出自由层高度
H=8×
0.261÷
1=2.088
气化室中挡板的高度要保证生物质停留时间，这里设计为1.5，可以是颗粒停留大约1min左右。
示意图如下
具体数据和参数见CAD图。
7.净化冷却装置
7.1净化冷却装置设计
冷却装置分为上中下3个部分，冷却装置上部是一个圆柱形结构，中间用隔板分为左右两个空间，这2个空间分别和热解气的入口和冷却后热解气的出口连接，彼此不连通。
高温热解气经冷却口进入冷却器的左室，再通过孔板进入冷却器的换热结构部分，冷却后的气体通过热解气的出口排出冷却器。
冷却装置中间部分为换热器和净化器。
考虑实际应用的因素，确定换热器的直径140mm,高100mm圆柱体。
内部均匀安装若干根直径10mm的金属管，这些金属管涨接上下两个金属孔板上。
在换热器的外壳上左右各开设两个管道口，是冷却水的入口和出口。
热解气在若干根细金属管道中流动，冷却水在热气金属管外和热解气冷却器的金属壳内的空间中流动，彼此不连通。
冷却装置下部是高70mm，直径140mm的圆柱体，可以将热解气由输入转到输出端，同时分离热解气中的焦油和水分。
在底部的左边开设直径是6mm的焦油排放口，右面开设直径6mm的凝结水排出口。
在金属板上放有活性炭等吸附剂以除去气体中的有害杂质，达到净化的目的。
具体数据见CAD图纸。
总结
根据机械设计创新方法，以及我们所学过的知识，在这里我们设计了这样一种垃圾气化装置，这种气化装置是一种简易的气化装置，该装置的优点是运行稳定，污染小，充分利用了能源，减少了垃圾污染，并能制取清洁的可燃气体，是一种新型垃圾气化处理方式。
经过这么长的时间完成了毕业设计，查阅了大量的资料，又一次对大学所学知识进行了深刻的学习，总的来说这次又一次学到了好多。
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学报.2009,30（8）:
1118-1123.
致谢
历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。
尤其要强烈感谢我的论文指导老师—XXX老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。
另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。
在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢!
感谢这篇论文所
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