随着我国经济的发展和居民生活水平的提高,“垃圾围城”现象日益严重,生活垃圾的有效处置已经关系到我国社会、经济的可持续发展,开发适合我国国情的高效垃圾处理技术迫在眉睫。气化熔融焚烧技术是在直接焚烧基础上发展起来的新一代废物处理技术,该技术可以实现彻底的无害化、显著的减容性、广泛的物料适应性和高效的能源与物资回收,被认为是21世纪最具发展潜力的垃圾处理综合利用技术。 为了促进气化熔融焚烧技术在我国的应用,本文结合我国城市生活垃圾特点,提出了两步法气化熔融焚烧工艺——流化床低温气化-旋风炉高温熔融焚烧系统,并建立了系统试验装置,在研究并掌握我国城市生活垃圾组分低温气化特性基础上,分别在该试验装置上进行城市生活垃圾流化床低温气化单元试验研究和气化熔融联动试验研究,检验该工艺系统运行稳定性的同时,对我国城市生活垃圾的低温气化特性、熔融特性和气化熔融后污染物生成特性进行了研究和分析。 在热重-差热分析仪和固定床试验装置上,研究了我国城市生活垃圾典型组分及其混合物的低温气化失重规律和气化气体生成特性,并采用分布活化能模型(Distributed ActivationEnergy Model,简称DAEM)分析TG-DTG曲线,获得了各组分反应活化能分布函数。研究表明：典型组分及其混合物气化过程中,失重速率峰随升温速率增大逐渐向高温侧移动,失重率随反应终温升高而增大,失重主要发生在200℃～550℃温度区间；纸类和聚乙烯的气化反应活化能均随反应深入而不断增大,厨余的气化反应活化能变化曲线呈先增大后减小的趋势,三者混合物的反应活化能随气化反应的进行,在经过三次小幅波动后持续增大；气化反应过程中,H2O的参与能明显促进H2的生成,CO2的参与有助于生成更多的CO,气化气体中H2、CH4和C2H4的生成量均随反应温度升高而增大；混合物气化反应过程不是组分的简单迭加,存在各组分之间的相互作用。 在常压循环流化床单元试验装置上,研究了城市生活垃圾组分在不同温度和过量空气系数(Equivalence Ratio,简称ER)下的低温气化规律。研究表明：气化产气率随ER的增大而显著增大,随温度变化不明显；生成气化气体低位热值随ER增大而减小,随温度的升高而增大；化学能转化率的变化范围：聚乙烯为57％～97％,木块为23％～45％,聚乙烯和木块混合物(混合物a)为40.6％～86.1％,厨余类混合物(混合物b)为23％～57.4％；聚乙烯的碳转化率和能量转化率均为100％,炉渣不完全反应热损失率为0;其余三种物料的碳转化率分别高于90％、93％和87％,能量转化率分别高于92％、95％和92％,炉渣不完全反应热损失率分别低于0.4％、0.3％和0.5％；与固定床相比,流化床作为低温气化反应器可提高反应物的转化率和气化强度。 在流化床气化-旋风炉熔融焚烧试验装置上,进行系统联动试验,研究了我国城市生活垃圾的气化熔融特性和污染物生成特性。研究表明：随气化温度的升高,气化气体中可燃组分含量均增大,气化气体低位热值增高,气化产气率变化不显著,能量转化率和碳转化率呈现增大的趋势；随ER的增大,气化气体中可燃组分含量减小,气化气体低位热值减小,产气率增大,能量转化率和碳转化率呈现增大的趋势；垃圾中适当保持一定水分含量,有利于提高其气化气体的热值；熔融炉温度在1200℃时,生成的飞灰融渣表面基本熔融,但内部仍有少量未熔融转变成玻璃相；与低温气化段生成的多环芳烃(PAHs)的含量和毒性相比,气化熔融后生成的PAHs的含量和毒性均明显降低,且其分布具有从固相向气相迁移的趋势；生成的融渣中难挥发性重金属Cr和Ni的固熔率均大于90％。通过流化床气化-旋风炉熔融焚烧装置系统运行试验表明,两步法气化熔融焚烧工艺--流化床气化-旋风炉熔融工艺系统设计基本合理,整个系统能够协调稳定运行,城市生活垃圾流化床气化生成气体燃烧可为后部熔融系统提供所需热源,使熔融炉达到飞灰熔融温度,固融飞灰中的重金属,有效降低尾气中PAHs的生成量,因此,该工艺能够实现城市生活垃圾的减量化、无害化和资源化处理。 在试验研究的基础上,本文采用gibbs自由能最小化方法建立了城市生活垃圾两步法气化熔融焚烧系统预测模型,模拟结果与已有文献和本文的试验结果吻合良好,证明其具有较高的可靠性。计算表明,采用两步法气化熔融焚烧技术处理我国城市生活原生垃圾,垃圾低位热值高于7800kJ/kg,气化时ER为0.4即可获得低位热值为2250kJ/Nm3的气化气体,在无辅助热源的条件下,该气化气体与200℃的预热空气在过量空气系数为1.1条件下燃烧放热,燃烧绝热火焰温度可达到1200℃。