浙江大学热解（精选4篇）
篇1：浙江大学热解
1.固废管理的原则
减量化：减量化是指在生产、流通和消费等过程中减少资源消耗和废物产生，以及采用适当措施使废物量减少（含体积和重量）的过程。
资源化：将废物直接作为原料进行利用或着对废物进行再生利用，也就是采用适当措施实现废物的资源利用过程，其中再利用是指将废物直接作为产品或者经修复、翻新、再制造后继续作为产品使用，或者将废物的全部或者部分作为其他产品的部件予以使用。分为三种类型：①保持原有功能和性质，直接回收利用；②不再保持其原有的形态和使用性能，但还保持利用其材料的基本性能，如废金属回收利用、废纸再生、玻璃再生等；③不再保持其原有的形态、使用性能和材料的基本性能，但还保持利用其部分分子特性等如生物质有机垃圾的好氧堆肥、厌氧发酵等。
无害化：在垃圾的收集、运输、储存、处理、处置的全过程中减少以至避免对环境和人体健康造成不利影响。
2.固废处理方法
垃圾焚烧，或称垃圾焚化，是一种废物处理的方法，通过焚烧废物中有机物质，以缩减废物体积。焚烧与其他高温垃圾处理系统，皆被称为“热处理”。焚化垃圾时会将垃圾转化为灰烬、废气和热力。灰烬大多由废物中的无机物质组成，通常以固体和废气中的微粒等形式呈现。废气在排放到大气中之前，需要去除其中污染气体和微粒。其余残余物则用于堆填。在某些情况，焚化垃圾所产生的热能可用于发电。
焚化是其中一种将垃圾转换成能源的技术，其他如气化、等离子弧气化、热解和厌氧消化。垃圾焚化会减少原来垃圾80%～85%的质量和95%～96%的体积（垃圾在垃圾车里已经过压缩），减少程度取决于可回收材料的成分和其回收的程度，如灰烬中有可回收的金属。这意味着，尽管焚化不能完全取代堆填，但它却可以大大减少垃圾量。垃圾车一般在运送垃圾至焚化炉前，会以内置压缩机内压缩以减少垃圾的体积。或者，未经压缩运输的垃圾可以在填埋场进行压缩，减少体积近70%。很多国家常在堆填区作简单的垃圾压缩。另外，垃圾焚烧在处理某些类型的垃圾，如医疗垃圾和一些有害废物时有很大的优势，因为焚烧过程的高温能销毁垃圾中的病原体和毒素。综合而言，垃圾焚烧处理的减量化效果最好，但存在燃烧产生污染物的环境风险。
卫生填埋法是指采取防渗、铺平、压实、覆盖等措施对城市生活垃圾进行处理和对气体、渗滤液、蝇虫等进行治理的垃圾处理方法。该方法采用底层防渗、垃圾分层填埋、压实后顶层覆盖土层等措施，使垃圾在厌氧条件下发酵，以达到无害化处理。
卫生填埋处理是垃圾处理必不可少的最终处理手段，也是现阶段我国垃圾处理的主要方式。科学合理地选择卫生填埋场场址，可以有利于减少卫生填埋对环境的影响。
场址的自然条件符合标准要求的，可采用天然防渗方式。不具备天然防渗条件的，应采用人工防渗技术措施。场内实行雨水与污水分流，减少运行过程中的渗沥水产生量，并设置渗沥水收集系统，将经过处理的垃圾渗沥水排入城市污水处理系统。不具备排水条件的，应单独建设处理设施，达到排放标准后方可排入水体。渗沥水也可以进行回流处理，以减少处理量，降低处理负荷，加快卫生填埋场稳定化。设置填埋气体导排系统，采取工程措施，防止填埋气体侧向迁移引发的安全事故。尽可能对填埋气体进行回收和利用，对难以回收和无利用价值的，可将其导出处理后排放。填埋时应实行单元分层作业，做好压实和覆盖。填埋
终止后，要进行封场处理和生态环境恢复，继续引导和处理渗沥水、填埋气体。
卫生填埋技术开始于20世纪60年代，它是在传统的堆放、填坑基础上，处于保护环境的目的而发展起来的一项工程技术。卫生填埋的处理能力大，成本较低，但是占用土地，选址困难，直接产生的填埋气主要成分为甲烷，容易发生爆炸等危险。目前大多填埋厂将填埋气排空，不仅提高了温室气体的排放，而且浪费了能源。
固体废弃物热解是指在无氧或缺氧条件下，使可燃性固体废物在高温下分解，最终成为可燃气体、油、固形碳的化学分解过程，是将含有有机可燃质的固体废弃物置于完全无氧的环境中加热，使固体废弃物中有机物的化合键断裂，产生小分子物质（气态和液态）以及固态残渣的过程。
固体废物热解利用了有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下使得固体废物受热分解。热解法与焚烧法相比是完全不同的两个过程，焚烧是放热的，热解是吸热的；焚烧的产物主要是二氧化碳和水，而热解的产物主要是可燃的低分子化合物：气态的有氢、甲烷、一氧化碳，液态的有甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等，固态的主要是焦炭或碳黑。焚烧产生的热能量大的可用于发电，量小的只可供加热水或产生蒸汽，就近利用。而热解产物是燃料油及燃料气，便于贮藏及远距离输送。
热分解过程由于供热方式、产品状态、热解炉结构等方面的不同，热解方式各异： 1.按供热方式可分成内部加热和外部加热。外部加热是从外部供给热解所需要的能量。内部加热是供给适量空气使可燃物部分燃烧，提供热解所需要的热能。外部供热效率低，不及内部加热好，故采用内部加热的方式较多。
2.按热分解与燃烧反应是否在同一设备中进行，热分解过程可分成单塔式和双塔式。3.按热解过程是否生成炉渣可分成造渣型和非造渣型。
4.按热解产物的状态可分成气化方式、液化方式和碳化方式。5.按热解炉的结构将热解分成固定层式、移动层式或回转式。由于选择方式的不同，构成了诸多不同的热解流程及热解产物。
综合而言，热解方法适用于城市固体废弃物、污泥、工业废物如塑料、橡胶等。热解法其优点为产生的废气量较少，能处理不适于焚烧和填埋的难处理物，能转换成有价值的能源，减少焚烧造成的二次污染和需要填埋处置的废物量。热解处理缺点是技术复杂，投资巨大。
3.热解的减量化、资源化与无害化
固废的减量比是衡量减量化的重要指标，减量比为处理后残余固体量/固废量。固废热解过程中，有机物热解为合成气，无机物成为飞灰和炉渣，因此减量化处理是针对飞灰和炉渣的回收利用，针对飞灰与炉渣的处理方式主要是熔融技术，在高温下使得炉渣熔融液化，金属由于重力较大，沉积在熔融体液体的底部，上部为无害的玻璃体，通过激冷的方式使之冷却后，金属被回收，玻璃体制成建筑材料，从而实现接近100%的回收利用。
资源化是固废热解的推进因素，针对热解，能量利用率是重要的指标，利用效率越高，收益越高，焚烧能量利用率为20~30%，而垃圾热解的能量利用率高达80%。
固废无害化关键点在于烟气与飞灰中二噁英的含量，是工艺处理的难点与重点。二噁英生成的温度区间为200-400℃之间，而当温度高于850℃，将会破坏二噁英结构，将其裂解为小分子有机物与HCl，HCl可以通过碱液吸收除去。实现二噁英的国内排放指标的条件为3T，即温度（temperature）、时间（time）、湍流（turbulence）。同时从炉内释放后，需要快速降低温度至200℃以下。通常，生活垃圾焚烧炉中的烟气冷却速率在100℃/s－200℃/s范围内，对应炉膛出口二恶英的浓度一般为5ng1-TEQ/m3.要达到低于0.1ng1-TEQ/m3标准，烟气冷却速率必须在500℃/s－1000℃/s。
3.固废热解技术
3.1 流化床气化
固体废弃物难以利用传统气化炉，主要原因在于垃圾热值较低，为维持炉内高温，稳定炉内工况，需要掺混大量的煤。而流化床由于炉内存有大量高温底料与循环分离下的高温飞灰，能够燃烧低热值垃圾，同时可以实现炉内脱硫脱酸。
垃圾经过分选、破碎为10mm以下，利用给料装置，加入流化床内，有机物在炉内高温物料与湍流的作用下，快速升温气化，而无机物成为大块炉渣沉在底部，由于底料在高温炉内长时间停留，进行高温无害化处理，大块炉渣从排渣口排出炉内，经冷却成为无害炉渣。飞灰被旋风分离器捕集，通过返料器送回炉内。以此保证炉内物料平衡。
流化床炉内温度一般维持在850~950℃之间，且处于还原性气氛，能够有效抑制二噁英的产生。在炉内物料中加入CaCO3更能够实现炉内脱酸，从源头上降低了有害气体的产生。
目前，垃圾流化床气化系统有日本荏原双塔循环式流动床热解工艺。优点是燃烧的废气不进入产品气体中，因此可得高热值燃料气(1.67×104~1.88×104kJ/m3);在燃烧炉内热媒体向上流动，可防止热媒体结块;因炭燃烧需要的空气量少，向外排出废气少;在硫化床内温度均一，可以避免局部过热;由于燃烧温度低，产生的NOx少，特别适合于处理热塑性塑料含量高的垃圾的热解;可以防止结块。
图1 双塔循环式流动床热解工艺
3.2 等离子体气化
等离子体（Plasma）技术最早是由美国科学家Lang-muir于1929年在研究低气压下汞蒸气中放电现象时提出的。等离子体技术应用于污染治理的研究开始于20世纪70年代。90年代，美国、加拿大、德国等发达国家将该技术应用于废物处理并取得了不俗的业绩。
等离子体是物质的第四态，是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态。等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体，热等离子体温度在103～106 K，接近热力学平衡，电子温度和重粒子温度相同。
等离子气化技术的原理，简而言之，即利用等离子体的高温高能，在气化剂的辅助作用下，将垃圾废物进行高温气化和熔融，垃圾中的有机物被气化形成以CO 和H2为主的合成气，而无机物则被熔融后急冷形成无害的玻璃体渣。
等离子体技术分为直接等离子体气化与气化+等离子体重整技术。直接等离子体气化，纯热解技术，电耗较高，1000℃以上。等离子体直接作用在垃圾上，气化过程中加入少量空气或水蒸气作为氧化剂和气化剂，气体产物以CO和H2为主。
气化+等离子体重整技术，垃圾首先在650℃左右的常规气化炉内热解形成合成气，等离子体（900℃）作用在合成气上，使之重整，可有效降低能耗和气体焦油量
3.3 熔融气化技术
熔融气化技术。垃圾在贫氧条件下气化，生产可燃气体；飞灰或底渣经过高温熔融固化处理后作为水泥、铺路砖等原料，不仅能欧股将重金属稳定在晶相中而不会浸出，彻底分解二噁英，符合固废处理的减量化、资源化、无害化的要求。
分为间接熔融气化技术和两步法气化熔融（热分选技术）、直接气化熔融技术。间接熔融气化技术先在传统炉内气化，而后将灰渣置于1350-1500℃的熔融炉内进行高温熔融处理，以消除灰渣中的二噁英，因此也成为灰渣熔融技术。充分利用了原有的垃圾气化装置，弥补了传统的不足，但二者缺乏有机的联系，紧密性差；两步法气化熔融技术先将固废在500至600℃下气化，形成可燃气体和金属残留物，然后再进行可燃气焚烧的高温熔融技术；直接气化熔融是指固废的干燥、气化、燃烧和灰渣的熔融等过程均在同一炉内进行，工艺简单，工程投资和运行费用低。
4.公司工艺分析
（1）Bellwether
Bellwether公司利用（Integrated Multifuel Gasification）IMG技术进行垃圾气化发电，工艺流程图如图1所示，其核心技术为等离子体气化技术。
图1 IMG流程图
图2 主要设备示意图
IMG系统主要由进料系统、热解气化炉、等离子气化炉、熔融物处理系统、合成气净化系统、热回收装置及燃气轮机发电系统组成。Bellwether适用于高热值的垃圾，利用垃圾不完全燃烧放出的热量，维持气化炉内高温，熔渣与气化的热量来源于垃圾本身。热解气化炉由干燥室和热解室组成，垃圾通过进料系统进入干燥室，经过高温空气干燥后被被推入气化室，有机物在一次风的作用下被高温热解气化，形成合成气，输送至等离子气化炉在等离子体的作用下，合成气被进一步重整成以CO与H2为主的气体，同时二噁英被分解，飞灰被熔融收集。换热器实现了空气与烟气之间的换热，一部分空气进入等离子室被等离子化，大部分空气进入热解气化炉。低温合成气经过进一步净化，被送至发电厂发电。而无机物则被熔化成玻璃体及金属产物，被收集到处理器中被急冷成固态，金属可回收，玻璃体渣可进一步综合利用。
在高温等离子体作用下，焦油被裂解气化，合成气较为纯净且以小分子为主，有毒气
体经过无害化处理，烟气无毒；为还原性缺氧气氛下，NOX产生量小。
经过长时间运行后烟气监测数据如下表所示，从表中可以看出各项污染物的浓度极低，均能达到排放标准。
pollutant Dust HCl HFHF SOX(as SO2)NOX(as NO295% NO)NHNH3 Unit Mg/m³ Mg/m³ Mg/m³ Mg/m³ Mg/m³ Mg/m³ concentration
< 3 < 2 < 0 < 25 < 20 < 0
Fuel Gas Composition
CO CO2 H2 H2O N2 Total
Clean/% 19-23,1 7-8,7 13-17,6 5-8,5 46-49,6 100
工程案例
地点:布拉索夫罗马尼亚 竣工时间：2008.10 建设工期：14月
炉体占地面积：650平米 换热器高度：14m 调试时间：2008.10 处理量：垃圾13t/h；热值11MJ/kg 效率：气化效率80-85%；发电效率40% 垃圾种类：城市垃圾，工业垃圾，混合垃圾 产气量：188亿方/年，热值4,5Mj/m3 热量：234000000度电/年
能耗：等离子体能耗：400KW，总能耗1.4MW 合成气被用于当地的发电厂，替代了28000t/年的煤，大大缓解了当地的能源危机。问题1：等离子体发生器寿命问题；零件更换周期，一般800-1000h，即33-41天 问题2：气化室能量来源。
气化系统由干燥室和气化室组成，辅助设备为风机与液压推进装置。干燥室具有储存、干燥的作用；热风来源于预热器回收的热量，将固废干燥同时将水分携带出干燥室；在干燥室中经过充分干燥的固废垃圾被逐级向下推进，直至进入气化室。气化室中进行垃圾的缺氧气化，生成以CO与H2为主的合成气，同时存在未完全分解的大分子有机物。
等离子体反应器：由等离子体发生装置和炉膛主体构成。气化室中的合成气在等离子体的作用下，大分子进一步裂解，合成气更为纯净，同时高温还原气氛破坏二噁英结构和生成条件。飞灰经过等离子体熔融后，成为无毒的玻璃体，被回收利用。
气化系统和等离子体反应器实现了垃圾的减量化、资源化和无害化，是等离子技术的核心设备。
（2）加拿大Enerkem 该公司主要技术路线如图2所示，利用鼓泡流化床将生活垃圾有机成分，经气化、合成气净化、甲醇羰基化生产燃料乙醇的成套技术，固体无机物质制作建筑材料销售。据2017年Enerkem介绍资料显示，采用该公司设备技术，每吨生活垃圾能够生产燃料乙醇300kg，即产燃料效能为30%，乙醇热值:26780kJ/kg，则每吨垃圾发电2232kwh。系统残渣为 10-15%(无机物（陶瓷、玻璃、泥土等）来自垃圾)，系统热电联效率80%左右。
图3生物乙醇热技术与工艺流程图
1.垃圾通过进料系统加入鼓泡流化床内，在炉内高温、高混合度下发生有机物气化，无机物形成炉渣作为建筑材料。
2、粗合成气中含有HCl、粉尘、CO2等杂质，通过洗气塔去除杂质并进行残渣分离，废水重新利用，残渣回炉熔融。
3.纯净的CO、H2在催化反应器中合成生物燃料。经过提纯分离，最终成为生物燃料和化学品。
问题1：炉膛出口热量回收方法。
问题2：催化合成，需要控制CO、H2比例，怎么控制？催化剂失活，效果变差，寿命问题，且在催化过程中会产生C3、C4甚至C5有机化合物，不能保证乙醇、甲醇的产量。
问题3：洗气塔将会耗费大量水，水回收利用率？
（3）瑞士热分选技术
图4热分选技术流程图
先将垃圾放入密闭、留有液体和空气的压力机（氮气保护），通过高压将垃圾气密压紧形成塞子状，并通过气流将其压入脱气通道。在脱气通道中不断加热，垃圾被干燥，有机成分气化挥发，经过】至少1小时的反应处理后，垃圾被送入气化炉高温反应堆。脱气产生的碳和含炭化合物在水蒸汽丰富、温度高达1600℃～2000℃的环境中与氧气发生部分氧化反应而气化生成以CO和H2为主的合成气。合成气在1200℃以上的温度中停留时间大于2秒，能有效将生成的二噁英和呋喃等大分子有机物分解破坏，此后合成气离开气化炉，进行喷水和水浴急冷，将合成气温度迅速降低到90℃以下，在此过程中，可有效避开二噁英的生成区间，同时合成气以CO和H2为主，为还原性气氛，能遏制和减缓二噁英的生成，从而保证急冷后的合成气中几乎不含二噁英和呋喃。急冷后的合成气进一步进入洗涤塔，充分洗涤除去合成气中携带的粉尘和卤化物。经洗涤除尘后的合成气用引风机送至下游净化工序进一步净化处理后用于发电或生产化工产品。激冷后的水送至水处理装置进行处理，达标后回用或排放。
此外，垃圾中的无机物在高达1600℃～2000℃的环境中被充分熔融，并在1600℃以上的均质通道中流动和分层，渣中的金属以单质状态存在，且由于其密度大，沉在熔融流体的下层，而其他轻质熔渣则浮在上层。熔融态的金属和渣沿着均质通道流动，在均质通道出口，熔渣经水淬冷形成稳定的金属和玻璃体渣后流入渣池。此后，捞渣机将金属和渣从渣池中捞出，并用磁分选设备将渣中的金属单质分离出来回收，玻璃体渣则可作为建筑材料，进一步综合利用。
5.后续处理
5.1能量回收利用
余热锅炉，顾名思义是指利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量把水加热到一定温度的锅炉。具有烟箱、烟道余热回收利用的燃油锅炉、燃气锅炉、燃煤锅炉也称为余热锅炉，余热锅炉通过余热回收可以生产热水或蒸汽来供给其
它工业使用，可以有效提高整体效率。
换热器，垃圾气化中的换热器主要是空气预热器，利用高温烟气加热一次风和二次风，达到降低能耗的目的。
存在问题：垃圾气化烟气中含有大量酸性气体，烟气中所含的灰分性质也比较粘，很容易粘附在受热面管子表面，降低换热效果，造成烟气温度偏高。烟气中含有浓度较高的Cl，对铁及铁化合物等均有腐蚀作用。已有多篇文献指出氯化氢气体对焚烧炉的焚烧设备本体有着很强的腐蚀作用。余热利用锅炉与传统的燃煤、燃油锅炉相比较，其金属受热面因腐蚀导致事故频率要高很多，占其汽水系统事故频率第一位。
5.2烟气
烟气中含有大量酸性气体(HCl、SO2、HF、HBr、NOx等)、有机类污染物(PCDDs、PCDFs等)、颗粒物及重金属等。酸性气体主要由SOX、NOX、HCl、HF组成,均来源于相应垃圾组分的燃烧。SOX主要由SO2构成,产生于含硫化合物焚烧氧化所致。NOX包括NO、NO2、N2O3等,主要由垃圾中含氮化合物分解转换或由空气中的氮在燃烧过程中高温氧化生成。HCl来源于氯化物,如PVC、像胶、皮革,厨余中的NaCl以及KCl等。烟气中HCl气体的浓度相对较高,往往在400~1200 ppm。SOX与NOx的浓度相对较低。所以HCl是烟气中主要的污染气体。
气体对人体有较强的伤害性。据全球污染排放评估组织(GEIA)测算,全世界每年由生活垃圾焚烧向环境排放的HCl气体达218 kg之多,相当于每人每年仅通过垃圾焚烧向大气排放了0.42 kg HCl。HCl气体会对余热锅炉受热面和监测仪表产生高低温腐蚀,影响余热锅炉安全并限制了过热蒸汽参数的提高;HCl气体的存在升高了烟气露点,导致排烟温度升高,降低锅炉热效率;氯源在一定条件下与重金属反应生成低沸点的金属氯化物,从而加剧了重金属的挥发,导致重金属在飞灰上的富集,增加飞灰毒性;HCl气体能促进氯酚、氯苯、氯苯并呋喃等“三致”有机物的生成,而且PVC裂解后生成的HCl被认为能促进多环芳烃(PAHs)的生成。因此,有效去除HCl气体直接关系到焚烧系统的安全和环保运行。
酸性气体HCl、SOx、HF主要通过湿法、干法或半干法中Ca(OH)
2、NaOH等碱性物质中和吸收来去除。其中,湿法技术效率高,可达97%以上,但有大量污水排出,容易造成二次污染。干法技术无污水排放,但脱除效率仅达60%~70%。半干法技术有较高的脱除效率(可达90%左右),药品用量少,且无污水排放,因此为烟气脱酸的主要适用技术。
半干法脱酸装置一般设置在除尘器之前,主要包括给料系统、混合系统和反应系统。脱酸剂CaO在给料系统生成粉状Ca(OH)2,再进入混合系统与烟气及少量的水充分混合,最后以喷雾状进入反应系统。HCl、SOx、HF等酸性成分被吸收,生成中性、干燥的细小固体颗粒,随烟气进入下一步净化系统。主要反应有：
2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O(1)
SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O(2)除尘器是烟气净化系统的末端设备,国标GB18485-2001中规定生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用袋式除尘器。袋式除尘器不仅收捕一般颗粒物,而且能收捕挥发性重金属或其氯化物、硫酸盐或氧化物所凝结成直径≤0.5 μm的气溶胶,还能收捕吸附在灰分或活性炭颗粒上的二恶英等有机类污染物。
袋式除尘系统中的布袋是由不同材料的纤维制成滤布,对尾气进行过滤,达到除尘及吸附二恶英的目的。烟尘颗粒在滤布表面堆积形成致密的薄层,因此布袋式除尘器对粉尘去除率一般都很高。受布袋材料的耐热强度限制,尾气温度一般须控制在250 ℃左右,低于二恶英的
再合成温度。
有机类污染物主要是指在环境中浓度虽然很低,但毒性很大,直接危害人类健康的二恶英类化合物,其主要成分为多氯二苯并二恶英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃(PCDFs)。烟气处理中,对二恶英的处理主要采用活性炭吸附。活性炭不仅可以吸附二恶英还能有效去除重金属等物质。由于飞灰的比表面积很大,对二恶英有很强的吸附作用,导致飞灰中二恶英浓度很高,通常占焚烧过程二恶英总排放量的70%左右。而大部分的重金属(>70%)都仍留存于炉渣中,仅Hg和Cd在高温下挥发,进入飞灰随焚烧烟气排放。为提高烟气中二恶英类和重金属污染物的去除率,可以采取以下方法:(1)减少烟气在200~350 ℃温度域的停留时间,有利于减少二恶英类污染物再次生成,控制除尘器入口烟气温度低于200 ℃,有利于有机类及重金属污染物的脱除,即在设计和运行中采用“温度控制”;(2)在反应塔和除尘器之间,通过混粉器在烟气中喷入活性炭或多孔性吸附剂,可吸附二恶英类和重金属污染物,再用布袋除尘器捕集。
6.适用性分析
无机物含量较大，不可燃成分高于可燃成分，但不同类别城市之间差别较大，中小城市垃圾的有机质含量多为20％左右，一些大城市如北京、上海、深圳等的垃圾有机质含量可高达40%-60%以上。有机成分中，厨余垃圾所占比例较大，纸张较少。无机成分中，以灰土、砖石为主，玻璃、金属等含量很低，在发热值方面，我国大中城市垃圾中除局部地区热值可达到6500kJ/kg外，大部分城市垃圾的热值仅有5000kJ/kg；我国垃圾没有分拣，成分远比国外的生活垃圾复杂。
鉴于前面分析的我国垃圾高水份、低热值和未有效分类的特点，针对我国不同的地区应当采取不同的方法，对于北京、上海、深圳等大型城市，垃圾热值较高，可采用等离子体技术或者流化床气化，一方面可以降低无机物的熔融消耗的的能量，另一方面又提高了产气率；对于垃圾热值低，无机物含量较高的城市建议采用热分选技术，如果采用等离子体或者流化床气化工艺，无机物等不可燃成分含量很高，必然造成熔融处理量过大，辅助燃料消耗过多，使系统运行不稳定。此外，由于我国垃圾没有实行生活垃圾的分类收集，因此垃圾中的有用金属和玻璃直接气化在气化炉高温下，将和其他不可燃物熔融混合，无法分离和收集，资源浪费严重。
我国城市与国外垃圾成分对比
篇2：煤热解工艺现状分析
1 煤炭热解过程
煤炭热解, 在工业上也称为干馏, 是指在隔绝空气的条件下将煤炭加热到较高温度, 煤的有机质会随着温度的升高发生一系列物理化学变化, 最终生成固体半焦、热解焦油和热解气等产物。
煤的热解过程大致可以分为三个阶段。
第一阶段, 室温~300℃, 干燥脱气阶段。本阶段煤外形基本无变化, 煤于120℃前为脱水阶段, 200℃左右为脱气阶段, CH4、CO2和N2基本脱除。褐煤在200℃以上发生脱羧基反应, 约300℃开始热解反应, 烟煤和无烟煤一般不发生变化。
第二阶段, 300~600℃, 煤炭热解反应主要阶段。本阶段为煤中的分子结构发生解聚和分解反应, 会生成大量的煤气和焦油, 在450℃左右焦油量排出最大, 在450~600℃气体析出量最多。烟煤约350℃开始软化、熔融、流动和膨胀直到固化, 出现一系列特殊现象, 形成气、液、固三相共存的胶质体, 在500~600℃胶质体分解、缩聚, 固化形成半焦。固体产物半焦与原煤相比, 芳香层片的平均尺寸和氦密度等变化不大, 表明半焦生成过程中缩聚反应并不太明显。煤化程度低的褐煤不存在胶质体形成阶段, 仅发生激烈分解, 析出大量气体和焦油, 形成粉状半焦。
第三阶段, 600~1 000℃, 二次脱气阶段。在本阶段继续发生缩聚反应, 半焦变成焦炭, 析出极少量的焦油, 主要生成氢气、烃类气体和碳氧化物。半焦变成焦炭过程中, 一方面本身密度增加, 体积收缩;另一方面, 放出气体产物。最终生成具有一定强度的碎焦块。
2 典型煤热解工艺简介
到目前为止, 国内外研究开发了多种煤炭热解工艺技术。本文根据热载体类型不同, 分别对国内外典型的固体热载体工艺、气体热载体工艺和无热载体工艺技术进行分析和介绍。
2.1 固体热载体工艺
固体热载体热解工艺一般是利用具有较高温度的半焦或其他固体材料, 在反应室中直接与煤混合, 利用热载体的显热将煤炭温度升高至特定温度进行热解反应。典型的固体热载体热解工艺有国外的LR工艺和Toscoal工艺, 国内的DG工艺。
2.1.1 LR工艺
LR工艺由联邦德国Lurgi Gmb H公司和美国Ruhrgas公司联合开发, 工艺流程如图1所示。
1-煤提升管;2-煤仓;3-螺旋进料器;4-导管;5-热解反应器;6-半焦提升管;7-半焦收集器;8-空气预热器;9-旋风分离器;10-焦油捕集器;11-除尘器;12-气体冷却器;13-分离器
LR工艺的热载体为循环热半焦。粒度小于5 mm的煤粉进入螺旋给料机后, 通过导管被干馏煤气吹送至热解反应器中, 煤粉与循环热半焦在热解反应器中经机械搅拌充分混合, 利用循环热半焦的显热加热煤粉, 为热解反应提供热源。产生的煤气和焦油经过气体净化和回收系统进行净化回收, 通过分离系统分离焦油和煤气。LR工艺先后建立了日处理250 t煤的试验装置和日处理800 t煤的工业装置。
LR工艺以热解反应产物半焦作为热载体循环使用, 而且热烟气用于预热干燥煤炭, 因此具有较高的热效率。但是, LR工艺的原料煤粒度要求小于5 mm, 焦渣颗粒极易被带入焦油中, 使得焦油深加工利用困难。同时热载体循环半焦和煤粒的混合是由机械搅拌实现的, 故对设备的磨损和工艺的放大生产存在困难。
2.1.2 Toscoal工艺
Toscoal工艺的热载体为陶瓷球, 由美国油页岩公司 (Oil Shale corp) 和Rocky Flats研究中心开发。其工艺流程见图2。
1-煤仓;2-煤提升管;3-旋风分离器;4-洗涤器;5-热载体加热器;6-热解反应器;7-转鼓;8-分离器;9-气液分离器;10-半焦冷却器;11-热载体提升管
Toscoal工艺使用粒度小于6 mm的煤粉, 在煤提升管中通过热载体加热器产生的热废烟气将煤粉进行预热干燥, 能够将煤粉预热至250℃以上, 在此期间基本完全除去水分。预热干燥后的煤粉与赤热的陶瓷球在热解反应器中相互混合加热, 进行热解反应。反应产物焦渣与陶瓷球在分离器中的转鼓进行分离, 陶瓷球循环进入热载体加热器进行循环利用, 焦渣落入半焦冷却器中冷却。热解气和焦油通过气液分离器相分离。此工艺1976年建成了25 t/d的中试装置, 并与1982年兴建6.6万t/d的工业装置。
Toscoal工艺以陶瓷球为热载体反复加热使用, 因此存在陶瓷球磨损问题。同时由于煤粒需要与赤热的陶瓷球不断接触, 黏结性煤极易粘附在陶瓷球上, 故本工艺仅仅适合于非黏结性煤或弱黏结性煤。
2.1.3 DG工艺
DG工艺由国内的大连理工大学开发, 其工艺流程如图3所示。
1-煤提升管;2-焦仓;3-混合器;4-热解反应器;5-半焦提升管;6-焦仓;7-流化床锅炉;8-旋风分离器;9-洗涤器;10-气液分离器;11-焦油罐;12-脱硫箱
DG工艺的热载体为产物半焦。热半焦通过半焦提升管到焦仓后, 与小于6 mm的煤粒在混合器中混合均匀, 进入热解反应器中进行热解反应, 由于物料粒度小, 而且热载体与物料能够快速均匀的混合, 故高温半焦极易将热量传递给原煤颗粒, 加热速度快, 发生快速热分解。工艺完成了多次的油页岩和褐煤10 kg/h的实验室研究, 并于1993年在内蒙古平庄煤矿进行了150 t/d的工业性试验。DG工艺主要受限于细焦粒与焦油在旋风分离器中会发生冷凝挂壁等问题。
上述固体热载体工艺开发较早, 但是至今为止均不能够实现良好的商业化运行, 其主要因为: (1) 工艺所使用的原料煤粒度均很小, 导致细小的热解焦粒与焦油极易混合, 分离困难, 不利于焦油的深加工, 并且易堵塞管道; (2) 固体热载体与煤粒之间的热交换是通过物理搅拌使其混合均匀, 不仅消耗大量动力同时不利于工艺规模的放大; (3) 固体热载体不论是循环半焦还是其它, 均需要在与煤粒混合传热前进行加热升温, 消耗大量的额外燃料, 导致整个系统的热效率较低。
2.2 气体热载体工艺
气体热载体工艺一般是以热烟气或热煤气作为热载体, 通过高温气体将原料煤加热到热解温度进行热解反应。典型的工艺有美国的COED工艺, 国内的SJ工艺和MRF工艺。
2.2.1 COED工艺
COED工艺由美国FMC和OCR联合开发, 工艺流程如图4所示。
COED工艺由美国FMC和OCR联合开发。破碎后平均粒度为0.2 mm的煤粉在第一级反应器中进行预热干燥, 最后一级反应器, 通过加入水蒸气和氧气对中间反应器产生的半焦进行气化, 气化产生的热煤气为热载体, 与热解反应器中的煤粉进行逆向对流传热, 加热煤粉进行热解反应。热解气经过油气分离和过滤段后, 气体进行后续的洗涤和加工工序, 焦油可以通过固定床加氢, 制备合成粗油。本工艺已建成日处理能力36 t的中试装置。该工艺使用更细粒度的煤粉, 故依然存在细焦粒与焦油分离困难问题。
2.2.2 SJ工艺
SJ工艺是由陕西神木县三江煤化工有限责任公司对鲁奇三段炉进行改造得来的。其工艺流程如图5所示。
SJ工艺的热载体为热煤气和空气。原料块煤由焦炉上部连续加入, 经过预热干燥段后进入热解段, 热解产生的半焦直接进入水封槽冷却。荒煤气先后通过文氏管塔和旋流板塔洗涤, 煤气在鼓风机的作用下回炉加热, 多余部分直接放散。焦油进入焦油氨水沉降池中沉降, 然后经过焦油产品泵输入焦油池中。该工艺具有物料下落均匀、布料均匀、加热均匀特点。该技术已经被哈萨克斯坦共和国欧亚工业财团引进, 2006年投入生产, 加工能力为30万t/a。由于本工艺的热解气是与废热气一起混合排出的, 因此得到的煤气热值较低, 并且需要庞大的煤气净化系统。
2.2.3 MRF工艺
MRF工艺是针对我国年轻煤资源化利用开发的一种技术。其工艺流程如图6所示。
MRF工艺是由多级串联回转炉组成, 原料煤经破碎后进入内热式的回转炉中进行干燥, 加热炉产生的热烟气为热载体与煤逆向流动。干燥后的煤进入外热式热解炉中, 高温烟气在热解炉外流动, 热解反应产生的焦油和热解气进入分离器中分离, 热半焦在三段熄焦炉中用水冷却排出。本工艺在内蒙古海拉尔市建有5.5万t/a的示范装置。该工艺在热解阶段前就将原料煤干燥脱除了大量的水, 极大的减少了后续酚水的量, 简化污水处理系统, 但是依然存在着热效率低, 粉尘易沉积堵塞等问题。
上述气体热载体工艺也没有真正实现商业化运营, 其主要原因如下:
(1) 内热式气体热载体工艺, 由于热载体与原料煤直接逆流, 所以会在热解气中带有大量的粉尘, 导致焦油品质降低, 同时伴有粉尘的重油极易粘附在管道中, 造成管道堵塞;
(2) 外热式气体热载体工艺存在着热效率低的问题;
(3) 使用热烟气作为热载体的气体热载体工艺, 由于热烟气与热解气相混合, 导致热解气热值较低, 降低其经济价值。
2.3 无热载体工艺
无热载体工艺是由北京神雾环境能源科技集团股份有限公司开发的低阶煤热解新技术。其工艺流程如图7所示。
无热载体工艺由四个单元组成:原煤预处理单元、旋转床热解单元、油气冷却及油水分离单元以及熄焦单元。旋转床热解单元是其核心单元 (见图8) , 集成了辐射管加热、蓄热燃烧、高温旋转床等先进热工技术。该工艺的热解反应所需热量由蓄热式辐射管提供, 其工作影屏显示如图9所示, 利用高温空气燃烧技术, 使辐射管的废气余热达到近乎极限回收, 排烟温度不大于180℃, 大幅度提高热利用率, 实现高效节能, 而且燃料在辐射管内部燃烧, 产生废烟气不会与热解产生的热解气相混合, 保证了热解气高品质。粒度为10~80 mm的原料煤经过预处理后, 进入煤仓, 通过装料装置进入旋转床中并完成布料, 物料依次经过旋转床的各个反应温区, 在目标温度下发生热解反应, 得到热解气、焦油和半焦。高温油气从炉膛顶端或侧面多处出口快速采出, 进入油气冷却系统和油水分离单元, 由于油气在炉膛内停留时间很短, 所以可以保证焦油的高收率。半焦通过出料装置进入熄焦系统。本工艺已经建成70 t/d处理能力的中试装置, 并进行了大量的褐煤、低变质烟煤等煤种的热解试验。
无热载体工艺的特点:
(1) 物料相对炉底静止不动, 原料适应性广;
(2) 热解气不混有燃烧的烟气, 品质好, 有效气体含量高;
(3) 采用蓄热式辐射管加热器, 可利用廉价的低热值煤气做燃料, 排烟温度不大于180℃, 能耗低;
(4) 油气快速采出设计保证了高的焦油收率, 可达格金的80%~90%以上;
(5) 处理能力大, 可实现单炉年处理煤料100万t。
3 结论
篇3：垃圾热解气化
【关键词】垃圾热解气化；重金属迁移；水蒸气气化
热解气化技术是一种新兴的垃圾处理方法。它将有机物在无氧和缺氧状态下加热，使之分解为可燃气体、可燃油和炭黑。热解气化所产生的气体、固体和水都能经过处理回收，垃圾处理后的排放量大幅度降低。垃圾热解气化是固体废物处理的一个新方向，我国的学者也在这方面展开了大量的研究。
1. 研究进展
1.1二噁英
垃圾直接焚烧易产生二噁英类物质，作为一级致癌物，还具有生殖毒性和遗传毒性。这也是垃圾焚烧调来的负面影响中最为严重的一种。2011年的“北京六里屯垃圾焚烧厂事件”凸显了垃圾焚烧对于人们生活的影响[1]。热解气化技术从二噁英的形成源头解决了这一问题。二噁英的形成需要四个基本条件：氯、氧、较低温度和催化剂存在。热解气化反应过程中的高温和缺氧条件都遏制了二噁英的生成。为避免生产过程中存在的人为操作错误以及设备故障等原因导致问题的发生，对二噁英的研究仍在开展。倪余文等[2]将研发的二噁英连续采样装置与G4型常规烟道气等速采样器同步采样，通过示范运行，考察该连续采样装置的长期采样性能。试验表明，2种采样设备同步采集的样品具有一致性，其二噁英指纹、二噁英浓度和毒性当量相符合。李煜婷等[3]研究表明垃圾烟气从出口到大气环境二噁英类气-固分配存在动态平衡。
1.2 重金属迁移的研究
热解处理对固体废弃物的资源化利用程度更高，污染小，能有效控制二噁英等有毒物质的排放。但是由于固体废弃物组分复杂，废弃物热解后产生的灰渣含有一定量的重金属等污染物，为了使采用热解处理固体废弃物的达到无害化的目的，了解热解过程中重金属的迁移特性十分必要。董隽等[4]的研究结果表明，高温及还原性条件促进了Cd、Pb及Zn的挥发，而氧化性气氛有利于Cu的迁移；大部分以气相形式挥发的重金属易在降温过程中冷凝并富集于飞灰。于洁[5]对武汉市某一流化床垃圾焚烧炉产生的底灰和飞灰的物理化学特性的研究表明，重金属主要富含在较细的底灰以及飞灰中；随着底灰粒径的增加，元素镉、铅和锌的析出率大幅增加，而铜的析出率则小幅降低，铅主要存在于残留态中，从而不易析出到自然环境中，而镉则容易析出到自然环境中；根据飞灰的重金属含量分析得出，底灰可以直接填埋并不会对环境造成大的危害，飞灰在填埋前必须进行预处理。
1.3 水蒸气气化对垃圾热解气化特性的影响
由于我国的垃圾收集政策及人们生活习惯的影响，生活垃圾中的水分含量较高，一般都能达到50%～60%，研究水分对生活垃圾热解气化的影响十分有必要。王晶博等[6]在固定床反应器中对城市生活垃圾进行原位水蒸气气化制氢研究，结果表明，快加热方式有利于提高燃气品质和降低焦油含量；随着反应温度的增加，气体产物含量增加，焦油含量和半焦含量下降，气体组分中H2和CO含量升高，碳转化率从30.49%增加到56.79%；当城市生活垃圾含水率为39.45%时，产气品质最高，气体成分中H2含量达到最高值25.8%，气体的低位热值达到17.02 MJ/m3。冯国珍[7]在医疗垃圾高温热解气化气中CaO脱除复合气源的实验中得出如下结论：实际高温蒸汽气化气成分范围（CO2含量在20%，水蒸汽含量在40～50%范围内，HCl浓度5%）条件下，各因素取值采用优化组合时，脱氯率可达到95%以上，能够满足气化气净化需求。
2.政策引导
目前人们对垃圾热处理行业有抵触心理，主要是由于它所带来的二次污染引起的。在技术上可以克服这些难题，日常的运营管理也是需要关注的。
2.1信息及时公开
对于引起公众恐慌的二噁英污染，穆乃花等[8]对广东省某生活垃圾焚烧厂周围环境空气、土壤、植物等进行二噁英监测的研究结果表明，在该区域垃圾焚烧厂并非唯一污染源；垃圾焚烧厂正常运营期间对周围土壤的二噁英含量影响较小，垃圾焚烧厂周围介质中二噁英是多方面、复杂的。垃圾热解气化工艺在源头遏制了二噁英的生成，所以二噁英不应成为垃圾热处理行业发展的禁锢。但是对于国内情况来看，信息的及时公布应加强，有调查表明国内一些省份对二噁英的监测并没有达到国家要求的至少一年一测的要求，就无法认识到当前的污染状况。不仅仅是二噁英，包括酸性气体、重金属、PM2.5的等都应具备并实施监测，及时公开。
2.2 加强垃圾分类，从源头控制
我国人口众多，垃圾产量大。以洛阳市为例，预计到2020年洛阳市人口将达到285万，日人均生活垃圾产量将达到1千克至1.2千克。照此综合计算，2020年每日将产生生活垃圾2810吨。洛阳市的垃圾分类状况为未分类，这就给后续的垃圾处理造成压力。针对我国国情，可以先实现干湿分类，减少垃圾的含水率，到垃圾综合处理中心再进行详细分类，可以循环利用的要实现循环利用。逐渐引导公众在生活中增加可重复利用物品的利用率，从生成垃圾的源头进行“减负”，每个人都应为保护生存环境做出贡献。
3. 结束语
垃圾热解气化处理有污染物排放少、产生的高热值的气体可以用来发电或者供热等优点，实现了废物处理和能源利用的双赢局面。目前我国的研究学者也展开了对其机理的研究，不断的提高技术水平，对于这一技术的推广应用也要及时开展，逐渐实现信息公开透明，使公众逐渐接受并信任垃圾热解气化。
参考文献：
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[6] 王晶博， 张静等. 城市生活垃圾原位水蒸气气化制氢研究[J]. 可再生能源， 2014， 32（10）： 1544-1546.
[7] 冯国珍. 钙基吸收剂脱除医疗垃圾高温蒸汽气化气中HCl的实验研究[D]. 包头： 内蒙古科技大学， 2014.
篇4：废橡胶热解特性研究
研究表明：橡胶热解可产生低分子有机液态物质、气态碳氢化合物和炭残渣，这些产品可进一步加工转化成高附加值的产品，如炭黑可制备成药用炭，液态产品可直接作为替代燃料使用，亦可蒸馏后按不同馏分转化成化工产品, 气态产品可直接作为燃料[1]。我国废橡胶主要利用技术有：再生橡胶、胶粉技术、热化学利用和燃烧热利用等[2,3,4]。
本文针对实验室废弃的防静电台胶，研究了热解温度、保温时间和物料粒度对其热解产物的影响规律，通过正交试验考察了各因素对热解的显著性影响，借助红外光谱分析废橡胶热解油的官能团，为废橡胶的热解油的进一步加工利用提供依据。
1 试验装置与试验方法
实验装置如图1所示，主要由管式电炉、电炉温度控制器、冷凝装置和尾气处理装置组成。试验所用废橡胶来自实验室废弃的防静电台胶。
试验步骤：将原料切割成不同大小的切片后放入石英管中，设定热解温度后进行加热。热解挥发物经冷凝装置后冷凝收集。试验后, 将残留在管中的炭黑和经冷凝收集的热解油分别称重，计算产率，热解气体产率通过减量法计算。
橡胶的热解受到热解温度、热解时间、催化剂、粒度和加热速率等因素的影响[2]。本文主要考察热解温度、保温时间和粒度对废橡胶热解产物产率的影响，并分析了热解油的官能团。
2 试验结果与分析
2.1 温度对热解的影响
改变热解炉的热解温度，考察温度对热解产物产率的影响。废橡胶粒度为20mm，保温时间为20min，试验结果如图2所示。
由图2可以看出：废橡胶在热解过程中，热解炭黑产率随热解温度的升高而下降，在400～450℃炭黑产率降低较快，其后随温度升高，炭黑产率下降缓慢。热解油的产率随热解温度升高而增加，在热解温度为450℃左右达到最大值，随着温度继续上升，热解油的产率有所下降，当温度为600℃开始热解产率又呈上升趋势，温度650℃左右时热解油产率又随温度的增加而降低，这是因为高温情况下热解油和炭黑深度裂解造成的。
可见，当热解温度控制在400～500℃之间，热解油的产率较高，并且能耗相对较少。同时得到最低的废品气体，和比较多的固体炭黑。
2.2 保温时间对热解的影响
物料粒度为20mm，热解温度为500℃，改变热解炉的保温时间，考察保温时间对废橡胶热解的影响。试验结果如图3所示。
从图3可以看出：在相同热解温度下，保温时间从0～40min变化，热解炭黑的产率随温度增加变化不大，基本维持在72%的水平上。而对于热解油，随保温时间增加，热解油产率呈现先增加后减小的趋势，在保温时间为20min达到最大，为20.13%。
2.3 粒度对热解的影响
加热时间500℃，保温时间为20min，改变废橡胶的入料粒度，考察粒度对废橡胶热解产品产率的影响。在加热温度为5 0 0℃，保温时间为20min, 试验结果如表1所示。
从表1可以看出：在其他热解条件相同的条件下，改变废橡胶的粒度 (分别为10mm和20mm) ，热解生成的炭黑和热解油产率变化很小，可以认为较粗粒度条件下，粒度的改变对热解产物的产率影响甚小。
2.4 显著性分析
前述试验表明：橡胶热解的初始温度、保温时间和热解温度对废橡胶热解产物产率有影响，为进一步考察这些因素对废橡胶热解影响，本文采用L9 (34) 正交表设计实验[5]进行分析，正交试验条件及结果如表2所示。
极差分析表明：热解温度对热解油产率的极差最大为18.03%，其次为保温时间和初始温度，极差分别为11.19%和5.49%。方差分析表明：在置信度α=0.1水平下，热解温度对热解油产率影响最为显著，起始温度和保温时间均不显著。综合分析得出：废橡胶最佳的热解条件是，热解温度500℃，保温时间20m i n，起始温度6 0℃。
3 热解油的FT-IR分析
实验室采用N i c o l e t公司生产的Nexus670型傅立叶变换红外光谱仪对保温时间为20min，热解温度分别为400℃、500℃、600℃和700℃条件的废橡胶的热解油进行F T-I R分析，图4为热解油的红外光谱图，表3为热解油红外谱图吸收峰的归属，可以看出，所有热解油的红外谱图基本相似。
光谱分析表明:废橡胶热解油中含有饱和烷烃和一些具有芳香结构的物质, 而且还有含氧含氮的极性官能团, 这些特征表明废橡胶热解油可以用作煤泥浮选捕收剂。
4 结论
(1）加热温度是影响废橡胶热解产率的主要原因，随着温度的升高，橡胶热解油产率增大，600℃时达到最大值。最佳的热解条件是：初始温度为6 0℃，保温时间为20min，加热温度为500℃，热解油产率达到20.13%。
(2) F T-I R分析表明，热解油中含有饱和烷烃、含芳香结构物质和含氧含氮的极性官能团，具备作为煤泥浮选捕收剂的条件。
摘要：本文试验研究了热解温度、保温时间、起始温度和物料粒度对废橡胶热解的影响及其显著性。试验结果表明:热解温度和保温时间对热解固相和液相的产率影响明显, 其中热解温度的影响最为显著。在初始温度60℃, 保温时间20min, 加热温度为500℃条件热解废橡胶, 热解油的产率最高, 达到20.13%。热解油的傅里叶变换红外光谱 (FT-IR) 分析表明:热解油中含有饱和烷烃和芳香结构物质, 并且有含氧、含氮等极性官能团, 还存在碳碳双键。
关键词：废橡胶,热解,热解油,红外分析
参考文献
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