固體廢物的熱解技術(shù)

關(guān)于固體廢物的熱解技術(shù)第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一、固體廢物的熱解技術(shù)熱解(pyrolysis)是指將有機物在無氧或缺氧狀態(tài)下進行加熱蒸餾，使有機物產(chǎn)生裂解，經(jīng)冷凝后形成各種新的氣體、液體和固體，從中提取燃料油、油脂和燃料氣的過程。(一)熱解原理熱解在工業(yè)上也稱為干餾，是利用有機物的熱不穩(wěn)定性，在無氧或缺氧條件下，使有機物受熱分解成分子量較小的可燃氣、液態(tài)油、固體燃料的過程。即：

無O2或缺O(jiān)2有機固體廢物+熱量可燃氣+液態(tài)油+固體燃料+爐渣第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三1、熱解過程在熱解過程中，其中間產(chǎn)物存在兩種變化趨勢：由大分子變成小分子直至氣體的裂解過程；由小分子聚合成較大分子的聚合過程。分解是從脫水開始的：如兩分子苯酚聚合脫水；其次是脫甲基或脫氫、生成水與架橋部分的分解次甲基鍵進行反應(yīng)生成CO和H2。溫度再高時，生成的芳環(huán)化合物再進行裂解、脫氫、縮合、氫化等反應(yīng)。反應(yīng)沒有明顯的階段性，許多反應(yīng)是交叉進行的，熱解總的反應(yīng)方程式可表示為：有機固體廢物加熱高中分子有機液體（焦油和芳香烴）+低分子有機液體+多種有機酸和芳香烴+炭渣+CH4+H2+H2O+CO+CO2+NH3+H2S+HCN第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三主要化學(xué)反應(yīng)一般認為，有機物的熱解過程首先是從脫水開始的：其次是脫甲基： 第一個反應(yīng)的生成水與第二個反應(yīng)產(chǎn)物的架橋部分的次甲基反應(yīng)：

第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三進一步提高溫度，上述反應(yīng)中生成的芳環(huán)化合物再進行裂解、脫氫、縮合、氫化等反應(yīng)：第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三總的反應(yīng)為：第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

焚燒熱解熱效應(yīng)放熱、氧化吸熱、還原反應(yīng)產(chǎn)物CO2、H2O可燃的低分子化合物釋能方式及應(yīng)用產(chǎn)生的熱能只能就近利用(發(fā)電、加熱水或產(chǎn)生蒸汽)產(chǎn)生燃料油氣，可貯存和遠距離輸送（3）熱解與焚燒的區(qū)別

熱解與焚燒的區(qū)別可以歸納于下表第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2、熱解產(chǎn)物可燃氣主要包括C1-5的烴類、氫和CO氣體；液態(tài)油主要包括甲醇、丙酮、乙酸、C25的烴類等液態(tài)燃料。固體燃料主要含純碳和聚合高分子的含碳物。廢物類型不同，熱解反應(yīng)條件不同，熱解產(chǎn)物有差異。但產(chǎn)生可燃氣量大，特別是溫度較高情況下，廢物有機成分的50%以上都轉(zhuǎn)化成氣態(tài)產(chǎn)物。熱解后，減容量大，殘余碳渣較少。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3、熱解過程控制（1）溫度變化對產(chǎn)品產(chǎn)量、成分比例有較大的影響。是最重要的控制參數(shù)。在較低溫度下，油類含量相對較多。隨著溫度升高，許多中間產(chǎn)物也發(fā)生二次裂解，C5以下分子及H2成分增多，氣體產(chǎn)量與溫度成正比增長，各種有機酸、焦油、碳渣相對減少。氣體成分：溫度升高，脫氫反應(yīng)加劇，H2含量增加，C2H4、C2H6減少；低溫時，CO2、CH4等增加，CO減少。高溫階段，CO逐漸增加。（2）加熱速率對產(chǎn)品成分比例影響較大。一般，在較低和較高的加熱速率下熱解產(chǎn)品氣體含量高。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（3）廢料在反應(yīng)器中的保溫時間決定了物料分解轉(zhuǎn)化率。保溫時間長，分解轉(zhuǎn)化率高，熱解充分，但處理量少；保溫時間短，則熱解不完全，但處理量高。（4）廢物成分：有機物成分比例大，熱值高，可熱解性較好，產(chǎn)品熱值高，可回收性好，殘渣少；含水率低，干燥耗熱少，升溫到工作溫度時間短；較小的顆粒尺寸促進熱量傳遞，保證熱解過程的順利進行。（5）反應(yīng)器類型：一般固定燃燒床處理量大，而流態(tài)燃燒床溫度可控性好。氣體與物料逆流行進，轉(zhuǎn)化率高，順流行進可促進熱傳導(dǎo)，加快熱解過程。第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（二）熱解工藝分類一個完整的熱解工藝包括進料系統(tǒng)、反應(yīng)器、回收凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)幾個部分。其中，反應(yīng)器部分是整個工藝的核心，熱解過程在其中發(fā)生，其類型決定了整個熱解反應(yīng)的方式以及熱解產(chǎn)物的成分。1、按反應(yīng)器的類型可分為：固定床反應(yīng)器、流化態(tài)燃燒床反應(yīng)器、反向物流可移動床反應(yīng)器等。2、按供熱方式的分類：(1)直接加熱法：供給被熱解物的熱量是被熱解物部分直接燃燒或者向熱解反應(yīng)器提供補充燃料時所產(chǎn)生的熱。(2)間接加熱法：是將被熱解的物料與直接供熱介質(zhì)在熱解反應(yīng)器（或熱解爐）中分離開來的一種方法?？衫酶蓧κ綄?dǎo)熱或一種中間介質(zhì)來傳熱（熱砂料或熔化的某種金屬床層）。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3、在實際生產(chǎn)中的分類方法（1）按照生產(chǎn)燃料的目的分：①熱解造油：一般采用500℃以下的溫度，在隔氧條件下使有機物裂解，生成燃油。②熱解造氣：將有機物在較高溫度下轉(zhuǎn)變成氣體燃料，通過對反應(yīng)溫度、加熱時間及氣化劑的控制，產(chǎn)生大量的可燃氣，經(jīng)凈化回收裝置加以利用或貯存于罐內(nèi)。（2）按熱解過程控制條件分①高溫分解：固體有機廢物在絕氧的條件下加熱分解的過程，是一種嚴格意義上的熱解過程。②氣化：指供給一定量空氣、氧、水蒸氣進入反應(yīng)器，使有機廢物部分燃燒，整個熱解過程可以自動連續(xù)進行，而無需外熱供應(yīng)。氣化過程產(chǎn)物中氣體成分比例大，但熱值相對較低。第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（三）熱解反應(yīng)器1、固定床反應(yīng)器（固定燃燒床反應(yīng)器）熱量由廢物燃燒部分燃燒所提供；逆流式物流方向，停留時間長，保證了廢物最大程度地轉(zhuǎn)換成燃料；因氣體流速相應(yīng)較低，產(chǎn)生氣體中夾帶的顆粒物質(zhì)也比較少，減少了對空氣污染的潛在影響。但存在一些技術(shù)難題，如有粘性的燃料需要進行預(yù)處理；使其燃燒時不結(jié)成餅狀。由于反應(yīng)器內(nèi)氣流為上行式，溫度低，含焦油等成分多，易堵塞氣化部分管道。典型的固定燃燒床反應(yīng)器第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2、流化床反應(yīng)器（流態(tài)化燃燒床反應(yīng)器）在流化床中，氣體與燃料同流向相接觸；反應(yīng)器中氣體流速高到可以使顆粒懸浮，使得固體廢物顆粒分散，反應(yīng)性能更好，速度快。此工藝要求廢物顆粒本身可燃性好；溫度應(yīng)控制在避免灰渣熔化的范圍內(nèi)，以防灰渣融熔結(jié)塊。

適應(yīng)于含水量高或波動較大的廢物燃料，且設(shè)備尺寸比固定床小，但熱損失大，氣體中帶走大量的熱量和較多地未反應(yīng)的固體燃料粉末。第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3、旋轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)窯是一種間接加熱的高溫分解反應(yīng)器。其主要設(shè)備為一個稍微傾斜的圓筒，在它緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中使廢料移動通過蒸餾容器到卸料口。蒸餾容器由金屬制成，而燃燒室則是由耐火材料砌成。分解反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體一部分在蒸餾器外壁與燃燒室內(nèi)壁之間的空間燃燒，這部分熱量用來加熱廢料。此類裝置要求廢物必須破碎較細，尺寸一般要小于5cm，以保證反應(yīng)進行完全。第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三4、雙塔循環(huán)式熱解反應(yīng)器包括固體廢物熱分解塔和固形炭燃燒塔。特點：將熱解與燃燒反應(yīng)分開在兩個塔中進行。熱解所需的熱量，由熱解生成的固體炭或燃料氣在燃燒塔內(nèi)燃燒供給。惰性的熱媒體(砂)在燃燒爐內(nèi)吸收熱量并被流化氣鼓動成流化態(tài)，經(jīng)聯(lián)絡(luò)管返回燃燒爐內(nèi)，再被加熱返回熱解爐。第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三(3)廢舊塑料的熱解工藝··

由于塑料的品種多，分選困難；且導(dǎo)熱系數(shù)低，故塑料內(nèi)部的熱效率低，故有時需要采用專門的廢塑料熱解工藝。書上介紹了三種專用的廢塑料熱解工藝，簡述如下：減壓分解（P213圖8-1）采用回轉(zhuǎn)窯熱解反應(yīng)器，其特點是利用熱風和微波共同加熱，可以克服塑料導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點，并且加入發(fā)熱效率高的熱媒體（如碳粒），進一步提高了熱效率；反應(yīng)爐采用高壓反應(yīng)（溫度400—500℃，壓力6.7×104Pa），并實行減壓蒸餾，故名減壓工藝。聚烯烴浴熱解流程（低溫熱分解流程）利用聚氯乙烯脫HCl的溫度比聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）的分解溫度低的特點，在400℃時PE、PP、PS熔融并形成熔融液，并通過液浴使PVC首先分解，在經(jīng)過一段時間后，PE、PS、PP也逐漸分解，從而可以回收HCl和油品。 優(yōu)點是溫度較低，氣態(tài)產(chǎn)物中沒有固態(tài)物。流化床熱解法第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三6、焚燒灰渣一般，灰渣的主要成分是金屬或非金屬的氧化物，俗稱礦物質(zhì)，其組成約為SiO235~40%、Al2O310~20%、Fe2O35~10%、CaO10~20%、MgO、Na2O、K2O各1~5%及少量的Zn、Cu、Pb、Cr等金屬及鹽類。減量化效果用減量比指標來衡量，并用MRC表示：殘渣中不可燃物質(zhì)量=殘渣燒失量×焚燒殘渣質(zhì)量殘渣（600±25）℃3h灼燒后減少的質(zhì)量占原焚燒殘渣質(zhì)量的百分數(shù)。第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（二）焚燒過程從工程技術(shù)的觀點看，需焚燒的物料從送入焚燒爐起，到形成煙氣和固態(tài)殘渣的整個過程，總稱為焚燒過程。它包括以下三個階段：1、干燥階段利用熱能使固體廢物中水分氣化并排出生成水蒸氣的過程。在此階段，物料的水分是以蒸汽形態(tài)析出的，因此需要吸收大量的熱量——水的汽化熱。廢物含水量越大，干燥階段越長，對爐內(nèi)溫度降低影響越大。水分過高，需投入輔助燃料；也可將干燥段與焚燒段分開。第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2、燃燒階段燃燒階段包括三個同時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：強氧化反應(yīng)、熱解反應(yīng)和原子基團碰撞反應(yīng)。（1）強氧化反應(yīng)固體廢物的直接燃燒反應(yīng)。（2）熱解焚燒過程不能提供足夠的氧而使固體廢物在高溫下發(fā)生的分解反應(yīng)。揮發(fā)分析出的溫度區(qū)間在200～800℃范圍內(nèi)；物料與溫度都會影響析出的成分和數(shù)量。（3）原子基團碰撞形成火焰高溫下氣流富含(單、雙、多)原子基團的電子能量躍遷，以及分子的旋轉(zhuǎn)和振動產(chǎn)生量子輻射，包括紅外熱輻射、可見光以及波長更短的紫外線。

火焰性狀取決于溫度和氣流組成。通常溫度在1000℃左右就能形成火焰。廢物組分上的原子基團碰撞，還易使廢物分解。第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3、燃盡階段生成固體殘渣的階段。特點：可燃物濃度減少，惰性物增加，氧化劑量相對較大，反應(yīng)區(qū)溫度降低。要改善燃盡階段的工況，一般常采用的措施如翻動、撥火等辦法來有效地減少物料外表面的灰層，控制稍多一點的過?？諝饬?，增加物料在爐內(nèi)的停留時間等。燃燒過程的三個階段沒有界限，不同物料可能處于不同階段，同一物料的表面和內(nèi)部也可能處在不同的階段。三個階段僅是焚燒過程的必由之路，實際的過程更為復(fù)雜。第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（三）焚燒爐按燃燒方式分為：爐排型、爐床型、沸騰流化床。1、爐排型焚燒爐

將廢物置于爐排上進行焚燒的爐子，有固定爐排和活動爐排兩種焚燒爐固定爐排：只能手工操作、間歇運行，勞動條件差、效率低，撥料不充分時焚燒不徹底。只適用于焚燒少量的易燃性廢物。實際應(yīng)用較多的是活動式爐排焚燒爐，即機械爐排焚燒爐。第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三活動式爐排有：（1）并列搖動式一系列扇形爐排有規(guī)律地橫排在爐體中。爐排上下運動，使物料向前運動，對固體廢物適應(yīng)性強，可用以含水量較高的垃圾和以表面與分解燃燒形態(tài)為主的固體廢物燃燒。（2）逆動式爐排長度固定、寬度可依爐床所需面積進行調(diào)整，可由數(shù)個爐床橫向組合而成。固定爐條和可動爐條交錯配置，可動爐條逆向移動，廢物因重力而滑落。大型垃圾焚燒。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（3）臺階式為傾斜床面，其中固定和可動爐排縱向交錯配置，有階段落差。第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（4）履帶式爐排由連續(xù)不斷地運動著的履帶組成。較少使用。（5）滾筒式爐排為5~7個圓筒形滾輪，成傾斜排列，相鄰圓桶間旋轉(zhuǎn)方向相反，有獨立的一次空氣導(dǎo)管，由圓桶底部經(jīng)滾筒表面的送氣孔到達廢物層。第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2、爐床型焚燒爐采用爐床盛料，燃燒在爐床上物料表面進行，適于處理顆粒小或粉末狀固體廢物以及泥漿狀廢物，分為固定爐床和