9.固体废物气化技术
9.1概述
9.2气化原理
9.3气化熔融技术
9.4固体废物和生物质气化工艺实例
本章重点和难点
重点：气化原理、气化炉的类型、特点和适用条件；气化熔融技术的工艺流程；常见的固体废物和生物质气化工艺；固体废物和生物质气化的发展趋势与前景。难点：气化原理、气化炉的类型、特点和适用条件；气化熔融技术的工艺流程；常见的固体废物和生物质气化工艺。
9.1概述
气化工艺最早源于煤炭的气化。在20世纪20年代在德国获得商业应用。到20世纪40年代，进入大规模商业发展阶段。20世纪50年石油和天然气的大规模生产，制约了煤炭气化技术的发展。在20世纪50年代到80年代，煤炭气化基本处于停产状态。在20世纪70年代出现能源危机以后，煤炭气化技术重新受到重视，并得以快速发展。20世纪70年代，气化技术开始举行了生物质转化和固态废弃物资源化的研究，并取得了工业化的研发成果。
固体废弃物的气化工艺与直接焚烧相比具有如下两个优点：一是气化过程中废弃物的有机成分转化为可利用的能量形式；二是气化产生的燃气作燃料，气化过程中产生的焦油视其性质可制成燃料或提取化工原料。因此，气化工艺是一种很有发展前途的处理固态废弃物的技术方案。
9.2气化原理
9.2.1气化过程的基本原理
固体废物的气化，空气过量系数＜1时进行的不完全氧化过程。即以符合要求的固体废物为原料，在一定温度、常压或加压条件下，采用气化剂（如空气、O2.水蒸汽、H2等）与固体废物进行接触，进行热化学反应，使固体废物中的有机质转化为含有CO、H2.CH4等成分的可燃气体（也称煤气）。
固体废物气化的条件为：固态废物中含有较高的有机物成分；要有足够数量的气化剂；有引起气化反应所需的充足的热量供给；有发生气化反应的场所即气化设备（气化器），及时引出气态产物和排出灰渣。
气化的基本过程如下：选择符合气化条件的固体物料，进行预处理后送入气化炉，供应气化剂，外加热源和自身产生的热量将气化物料加热到发生气化反应所需的温度，在常压或加压条件下，使物料产生不同的热化学反应，有机质转化为可燃气体，剩下的灰渣以固态或液态的形式排出。可燃气体经过净化，可以得到低热值或中热值可燃气体。气态产物也可以经过变换、净化后制取原料气体，再经过甲烷化过程制得高热值燃料气。
图9.1气固反应示意图
气化过程中的热化学反应是复杂的多相化学反应。化学反应速率受对流传热、导热、对流传质和质扩散等过程的影响，对流传热量、导热量、对流传质量和质扩散量可分别表示为：
对流传热量
Q=hFsΔt（W）(9.1)
导热量
Q=λFs(dt/dx)（W）(9.2)
对流传质量
G=βFsΔc（kg/s）(9.3)
质扩散量
G=－DFs(dc/dx)（kg/s）(9.4)
上述公式中，Q为单位时间的传热量，单位为W；G为单位时间的传质量，单位为kg/h；Fs为物料颗粒的表面积，单位为m2；h为对流传热系数，单位为W/(m2.℃)；Δt为对流传热温差，单位为℃;λ为导热系数，单位为W/(m℃)；(dt/dx)为温度梯度，单位为℃/m；β为对流传质系数，单位为m/s；Δc为浓度差，单位为kg/m3；D为质扩散系数，单位为m2/s。
固体物料气化过程中发生的典型气化反应如下：
（1）空气或氧气为气化剂的反应式
C＋O2→CO2＋406.4kJ/mol（9.5)
C＋CO2→2CO－160.9kJ/mol(9.6)
合并式（11-5）和（11-6）得
2C＋O2→2CO＋246.3kJ/mol(9.7)
以上反应是放热反应，可提供热源。
（2）水蒸汽为气化剂的反应式
C＋H2O→CO＋H2－118.4kJ/mol(9.8)
为提高气化产物中CO和H2的含量，提高气体产物的热值，可采用水蒸汽作为气化剂，所进行的气化反应为吸热反应。
（3）催化反应（生成合成氨原料气常成为变换过程）
CO＋H2O→CO2＋H2＋4