城市生活垃圾制备烧结矿燃料的实验研究

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目前,我国城市生活垃圾年清运量已达2亿吨,大量垃圾堆积会危及生态安全。同时,城市生活垃圾富含有机物,通过热解技术可回收城市生活垃圾中的能量,获得高热值的垃圾衍生碳。烧结工序是钢铁工业最重要的工序之一,其能耗75-80%源于固体燃料如煤或焦粉。应用城市生活垃圾制备烧结矿燃料,对城市生活垃圾资源化利用及钢铁工业节能减排具有重大意义。本文通过固定床装置研究热解终温、升温速率、保温时间对城市生活垃圾热解产物分布的影响,同时获得垃圾衍生碳固定碳、灰分、挥发分含量与热值的变化规律,以此确定制备烧结矿燃料的最优参数;基于烧结杯实验,研究垃圾衍生碳替代部分焦粉对烧结矿质量如转鼓指数、落下指数、成品率、利用系数和垂直烧结速度的影响,并掌握其对主要烧结烟气污染物排放的影响;通过检测分析烧结过程燃烧效率、料层温度及烧结矿微观结构,初步揭示垃圾衍生碳影响烧结矿质量的机理,为生活垃圾制备烧结矿燃料提供实验及理论支撑,具体工作与成果如下:(1)热解参数对垃圾衍生碳及副产物的影响规律。提升热解终温会降低垃圾衍生碳的产率,增加热解气产率,降低了垃圾衍生碳的热值;提升升温速率会促进热解液和垃圾衍生碳分解,利于形成更多气相产物;提升保温时间会延长热解反应时间,保证了挥发分充分析出,垃圾衍生碳产率略有降低。基于烧结用固体燃料标准,最优的制备参数为热解终温500°C、升温速率10°C/min、保温时间1 h,该条件下获得的垃圾衍生碳热值为25.47 MJ/kg,热解液、热解气、垃圾衍生碳的产率分别为50.01%、20.29%、29.70%。(2)烧结原料中掺入部分垃圾衍生碳燃料替代焦粉对铁矿烧结质量的影响规律。垃圾衍生碳的掺入会提高垂直烧结速度和利用系数,降低烧结矿冷态强度和成品率。但掺入适宜比例的垃圾衍生碳不会恶化烧结矿质量,当掺混比为20%时,成品矿的转鼓指数和落下指数分别为62.58%和60.93%,成品率为75.38%,利用系数为1.536 t/(m2·h),其满足烧结矿质量要求。另外,掺入垃圾衍生碳可有效降低CO2、SO2排放,但增加了CO和NOx排放,其可通过烟气再循环解决。(3)垃圾衍生碳影响烧结矿质量的机理。基于烧结过程温度监测和烧结矿微观分析发现,垃圾衍生碳相较于焦粉比表面积更大、孔隙率更高、挥发分含量更高。烧结原料中掺入垃圾衍生碳会降低燃烧效率、提高燃烧速率,进而降低烧结料层最高温度与熔化温度保持时间,烧结矿铁酸钙生成量减少,最终导致烧结矿质量下降。当垃圾衍生碳掺混比由0%增至20%,铁酸钙总量由44.59%降至35.65%;尤其是针状铁酸钙含量降低显著,由23.14%降至16.31%。
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