第七章 固体废物的热解

固体废物处理与处置第七章固体废物的热解固体废物处理与处置固体废物处理与处置几种固体废物的热解工艺流程2热解的基本原理和方式1第七章固体废物的热解固体废物处理与处置7.1热解的基本原理和方式7.1.1概述7.1.2热解原理7.1.3热解方式7.1.4影响热解的主要因素固体废物处理与处置7.1.1概述热解（pyrolysis）是将有机物在无氧或缺氧的状态下加热，并由此产生热作用引起化学分解使之成为气态、液态或固态可燃物质的化学分解反应。热解是一种传统的生产工艺，大量应用于木材、煤炭、重油、油母页岩等燃料的加工处理，已经有了非常悠久的历史。热解过程是很复杂的，它与诸多因素有关，例如固体废物种类、固体废物颗粒尺寸、加热速率、终温、压力、加热时间、热解气氛等。固体废物处理与处置7.1.1概述废物热解与其它方法如焚烧相比具有一些优点：①热解可将固体废物的有机物转化为以燃料气、燃料油和炭黑为主的贮存性能源；②热解产生的NOx，SOx，HCl等较少，生成的气体或油能在低空气比下燃烧，排气量也少，对大气污染较小；③热解时废物中的S、金属等有害成分大部分被固定在炭黑中；固体废物处理与处置7.1.1概述④因为热解为还原气氛，Cr3+等不会被转化为Cr6+；⑤热分解残渣中无腐败性的有机物，能防止填埋场的公害，排出物致密，废物被大大减容，而且灰渣熔融能防止金属类物质溶出；⑥能处理不适合焚烧和填埋的难处理物。固体废物处理与处置7.1.2热解原理⒈热解过程固体废物的热解是一个复杂连续的化学反应过程，它包含了大分子键的的断裂，异构化和小分子的聚合等反应，最后生成较小的分子。纤维素分子为例，其热解产物如下：CHCHCOCOOHCOHOHC722832428625106）（固体废物处理与处置7.1.2热解原理表7.1各种固体燃料及废物的C6HxOy组成固体燃料C6HxOyH/CH2+1/2O2→H2O完全反应后的H/C固体燃料C6HxOyH/CH2+1/2O2→H2O完全反应后的H/C纤维素C6H10O51.670.0/6=0.00城市垃圾C6H9.64O3.751.612.14/6=0.36木材C6H8.6O41.430.6/6=0.1新闻纸C6H9.12O3.751.521.2/6=0.20泥炭C6H7.2O2.61.202.0/6=0.33塑料薄膜C6H10.4O1.061.738.28/6=1.38褐煤C6H6.7O21.122.7/6=0.45厨余物C6H9.93O2.971.664.0/6=0.67烟煤C6H4O0.530.672.94/6=0.49无烟煤C6H1.5O0.070.251.4/6=0.23固体废物处理与处置7.1.2热解原理表7.2热解气体产物成分分析有机物CO2COO2H2CH4+CnHmN2高位热值/kJ·kg-1橡胶白松香香枞木新闻纸板纸杂志草蔬菜25.920.335.022.928.930.032.736.745.129.423.930.129.32720.720.90.20.901.31.60.901.02.821.79.415.915.217.818.41420.925.528.221.517.716.920.8215.12.23.58.37.37.47.46.432603760351032602870281030002900固体废物处理与处置7.1.2热解原理⒉热解产物热解过程主要生成的产物有可燃性气体、有机液体和固体残渣。⑴可燃性气体，可燃性气体主要有CH4、H2、H2O、CO、CO2、NH3、H2S、HCN等。⑵有机液体，它是一种复杂的化学混合物。⑶固体残渣，主要是炭黑.固体废物处理与处置7.1.3热解方式⑴按加热方式分类①直接加热法②间接加热法⑵按热解温度分类可分为高温热解、中温热解和低温热解。①高温热解②中温热解③低温热解固体废物处理与处置7.1.3热解方式⑶按热解反应系统压力分为：常压热解法和真空热解法。⑷按热解炉的结构可分为：固定床、移动床、流动床和旋转炉等。⑸按热解产物的物理形态可分为：气化方式、液化方式和炭化方式。⑹按热解过程是否生成炉渣可分为：造渣型和非造渣型。固体废物处理与处置7.1.4影响热解的主要因素⒈反应温度温度是影响热解的关键因素，热解产物的产量和成分都可通过控制反应器的温度来有效地改变。⒉反应湿度热解过程中湿度会影响产气的量和成分、热解内部化学过程以及整个系统的能量平衡。热解过程中的水分主要来自两方面，一来自物料自身的含水量，二来自外加的高温水蒸汽。固体废物处理与处置7.1.4影响热解的主要因素⒊加热速率加热速率对热解过程有比较大的影响，从而影响热解的产物的生成。通过加热温度和加热速度的结合，可控制热解产物中各组分的生成比例。⒋反应时间是指反应物料完成反应在炉内停留的时间。它与许多因素有关，如物料尺寸、物料分子结构、反应器内的温度水平、热解方式等，而且反应时间还影响热解产物的成分和总量。⒌废物组成固体废物处理与处置7.1.4影响热解的主要因素⒌废物组成物料的组成包括有机物成分，含水率，尺寸大小等，这些性质对热解过程有重要影响不同的物料成分不同，可热解性也不一样。有机物成分比例大，热值高的物料，其可热解性相对就好，产品热值高，可回收性好，残渣也少。此外影响热解的因素还有物料的预处理、反应器类型、供气供氧等。固体废物处理与处置7.2几种固体废物的热解工艺流程7.2.1污泥的热解7.2.2废塑料的热解7.2.3废橡胶的热解7.2.4城市垃圾的的热解7.2.5生物质的热解固体废物处理与处置7.2.1污泥的热解⒈污泥热解的特点与污泥焚烧工艺相比，污泥热解的主要优点是操作系统封闭，污泥减容率高，无污染气体排放，几乎所有的重金属颗粒都残留在固体剩余物中，在热解的同时还可实现能量的自给和资源的回收，因而是一种非常有前途的污泥处理方法和资源化技术。固体废物处理与处置7.2.1污泥的热解图7.1污泥热解温度与产物生成率的关系1－气体；2－气体、液体；3－焦油；4－残渣0400500600700800热解温度℃各产物组分生成率%123410020806040固体废物处理与处置7.2.1污泥的热解⒉污泥热解工艺污泥热解的主要工艺包括：污泥脱水—干燥—热解—炭灰分离—油气冷凝—热量回收—二次污染防治等过程。11098765432空气脱水泥饼蒸汽水排水空气油空气油干燥泥饼干馏灰空气循环气空气防白烟空气水排水碱排水水排水131211图7.2污泥干燥-热解系统示意图1-定量进料器；2-蒸汽干燥器；3-1号水洗塔；4-热解炉；5-热风炉；6-二燃室；7-余热锅炉；8-2号水洗塔；9-吸水塔；10-湿式电除尘器；11-碱循环槽；12-灰槽；13-烟囱固体废物处理与处置7.2.1污泥的热解⒊污泥的低温降解现在正在发展的一种新的热能利用技术—低温热解。即在小于500℃、常压和缺氧的条件下，借助污泥中所含的硅酸铝和重金属（尤其是铜）的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转化成碳氢化合物，最终产物为燃料油、气和炭。图7.3污泥低温热解工艺干燥热解反应流化床反应冷凝分液脱水浓缩污泥尾气净化排放废热锅炉高温烟气炭NCG油反应水油回收T=20℃T=90℃T=270℃蒸气相固体废物处理与处置7.2.1污泥的热解⒋污泥和垃圾联合热解将污泥与城市和工业废物混合起来进行热解，充分利用其热能，是固体废物热处理的另外一个发展方向。20世纪70年代以来，西欧各国相继建成了一些联合处理装置。在德国建设的两套工业规模的综合废水处理厂联合热解处理设施，器处理规模已分别达到了3170t/d和1680t/d。该系统采用水墙式焚烧炉，脱水污泥用焚烧炉烟道气吹入焚烧炉进行焚烧。产生的蒸汽除用于污泥处理外，还可供局部加热使用。固体废物处理与处置7.2.2废塑料的热解⒈塑料热解的特点塑料通常分为两大类，热固性塑料和热塑性塑料，前者如酚醛树脂，脲醛树脂等，在日常生活中的应用相对要少些，此类塑料在使用后产生的废物也不适宜作为热解原料。而热塑性塑料种类多，应用广泛，产生废塑料的量也较多。此类废塑料主要有聚乙烯PE，聚氯乙烯PVC，聚苯乙烯PS，聚苯乙烯泡沫PSF，聚丙烯PP及聚四氟乙烯PTEF等。固体废物处理与处置7.2.2废塑料的热解⒉热解温度和催化剂塑料种类繁多，不同塑料的热解过程和生成物因塑料的种类不同而有较大差异。100806040202003004005000温度℃质量减少率%123456798图7.4不同塑料的热解图1－聚氯乙烯；2－尿素树脂；3－聚氨酯；4－酚醛树脂；5－聚甲基丙烯酸甲脂；6－聚苯乙烯；7－ABS树脂；8－聚丙烯；9－聚乙烯固体废物处理与处置7.2.2废塑料的热解表7.3各种沸石催化剂催化剂名称Al2O3Si02SiO4ZHYSK500ZREYSK500SASASASA种类氧化铝，色层分离作用二氧化硅凝胶H-Y沸石，碱性氧化物，0.2%贵金属氧化物-Y沸石，R2O3，10.7%二氧化硅-氧化铝，Al2O3，24.2%二氧化硅-氧化铝，Al2O3，13.2%固体废物处理与处置7.2.2废塑料的热解⒊热解设备目前国内外废塑料热解反应器种类较多，主要有槽式（聚合浴、分解槽）、管式（管式蒸馏、螺旋式）、流化床式等。槽式反应器的特点是在槽内的分解过程中进行混合搅拌，物料混合均匀，采用外部加热，靠温度来控制成油形状。该法物料的停留时间较长，加热管表面析出炭后会造成传热不良，须定期清理排出。固体废物处理与处置7.2.2废塑料的热解⒋废塑料热解工艺⑴管式蒸馏法热解技术图7.5管式蒸馏法热解工艺流程图1－溶解槽；2－管式分解炉；3－分解槽；4－油品回收系统；5－补燃器4废塑料料斗125废气生成油3燃料重质液压油固体废物处理与处置7.2.2废塑料的热解⑵螺旋式热解系统图7.6螺旋式热解系统工艺流程图1－传送机；2－破碎机；3－筒仓；4－气流干燥机；5－料斗；6－袋虑机；7－熔融炉；8－热风机；9－微波电源；10－贮液槽；11－螺旋式反应器；12－残渣排出机；13－蒸馏塔；14－煤气洗涤器；15－废气燃烧炉；16－重油贮槽；17－轻重油贮槽；18－盐酸回收塔；19－盐酸槽；20－中和槽；21－碱槽；22－中和废液槽123456789101181614131517122120192218固体废物处理与处置7.2.2废塑料的热解该系统存在的主要问题有：①由于抽料泵会造成减压，物料在分解管内停留时间不稳定。②高温分解时汽化率高。③分解速率低的聚合物不能完全实现轻质化。④由于是外部加热，所以耗能比较大。固体废物处理与处置7.2.2废塑料的热解⑶流化床热解系统（a）流化床热分解炉（b）流化床热分解工艺流程图7.7流化床热分解装置及工艺流程（a）1－分解产品；2－溢流管；3－搅拌浆液；4－流态化用空气入口；5－流动的热媒体管；6－进料器；（b）1－废塑料；2－料斗及进料器；3－流化床热分解炉；4－空气进口；5－流动的热媒体管；6－预热炉；7－冷却塔；8－分离槽；9－后燃室；10－排气；11－生成油品1123456789101453261固体废物处理与处置7.2.3废橡胶的热解⒈热解基本情况废橡胶的热解依靠外部加热打开化学键，使有机物分解、气化和液化。⒉废橡胶的热解产物废橡胶的热解产物非常复杂，根据德国汉堡大学的研究，轮胎热解得到的产物中，气体占22%（质量分数）、液体占27%、炭灰占39%、钢丝占12%。固体废物处理与处置7.2.3废橡胶的热解⒊废橡胶的热解工艺⑴流化床热解炉热解废轮胎工艺图7.8流化床热解废轮胎工艺流程图1－加料斗；2－螺旋输送器；3－旋分器；4－气体取样器；5－流量计；6－压气机；7－节气阀；8－深度冷却器；9－静电除尘器；10－冷却器；11－流化床；12－加热器176543332121110988热电偶O2N2固体废物处理与处置7.2.3废橡胶的热解⑵Beven废橡胶热解工艺图7.9Beven热解工艺示意图粉碎轮胎热解反应器（N2净化）钢铁炭黑冷凝器冷凝器冷凝器燃烧多余合成气净气生物油出流废气裂解气固体废物处理与处置7.2