固體廢物處理與資源化課件 第六章 第二節(jié)熱解

第六章固體廢物的熱處理6.2固體廢物的熱解處理6.2.1概述6.2.2熱解原理6.2.3熱解工藝6.2.4熱解反應(yīng)器6.2.5典型固體廢物的熱解6.2.1概述熱解是一種傳統(tǒng)的工藝，具有悠久的歷史。隨著生活水平的提高，固體廢物中的有機組分比例也越來越高，可以采用焚燒的方法回收熱能，也可以采用熱解的方法獲得油品和燃料氣。6.2.2熱解原理6.2.2.1熱解的定義和特點6.2.2.2熱解的過程及產(chǎn)物6.2.2.3熱解的主要影響因素6.2.2.4有機固體廢物熱解機理6.2.2.1熱解的定義和特點什么是熱解？熱解是將有機物在無氧或缺氧狀態(tài)下加熱，使之成為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)可燃物質(zhì)的化學(xué)分解過程。熱解是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，是有機物的分解與縮合共同作用的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，不僅包括大分子的化學(xué)鍵斷裂、異構(gòu)化，也包括小分子的聚合反應(yīng)。6.2.2.1熱解的定義和特點熱解與燃燒的區(qū)別項目焚燒熱解熱效應(yīng)需氧、放熱無氧或缺氧、吸熱產(chǎn)物CO2、H2O可燃的低分子化合物(可燃氣、油、炭黑)釋能的利用一般就近直接利用（發(fā)電、加熱水、產(chǎn)生蒸汽）可遠距離輸送6.2.2.1熱解的定義和特點熱解的主要特點：①可將固體廢物中的有機物轉(zhuǎn)化為以燃料氣、燃料油和炭黑為主的儲存性能源；②由于是無氧或缺氧分解，排氣量少，因此采用熱解工藝有利于減輕對大氣的二次污染；③廢物中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在炭黑中；④由于保持還原性條件，Cr3+不會轉(zhuǎn)化為Cr6+；⑤NOX的生成量少。有機固體廢物的熱解是一個復(fù)雜、連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過程，在反應(yīng)中包含著復(fù)雜的有機物斷鍵、異構(gòu)化等化學(xué)反應(yīng)。熱解過程可用如下總反應(yīng)方程式表示：有機固體廢物→氣體（H2、CH4、CO、CO2）＋有機液體（有機酸、芳烴、焦油）＋固體（炭黑與爐渣）。6.2.2.2熱解的過程及產(chǎn)物熱解溫度、加熱速率、保溫時間、物料性質(zhì)、反應(yīng)器類型以及供氣供氧等。每個參數(shù)都會對熱解反應(yīng)過程和熱解產(chǎn)物產(chǎn)生影響。6.2.2.3熱解的主要影響因素（1）熱解溫度

溫度變化對產(chǎn)品產(chǎn)量、成分比例有較大的影響。 1）在較低溫度下，有機廢物大分子裂解成較多的中小分子，油類含量相對較多。 2）隨著溫度的升高，除大分子裂解外，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)量成正比增長，而各種酸、焦油、炭渣產(chǎn)量相對減少。城市生活垃圾熱分解產(chǎn)物比例與溫度的關(guān)系城市生活垃圾熱分解產(chǎn)物比例與溫度的關(guān)系（如下圖）（2）加熱速率通過加熱溫度和加熱速率的結(jié)合，可控制熱解產(chǎn)物中各組分的生成比例。 1）在低溫-低速加熱條件下，有機物分子有足夠的時間在其最薄弱的接點處分解，重新結(jié)合為熱穩(wěn)定性固體，而難以進一步分解，反而產(chǎn)物中固體含量增加； 2）在高溫-高速加熱條件下，有機物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生全面裂解，產(chǎn)生大范圍的低分子有機物，熱解產(chǎn)物中氣體的組分增加。相同熱解溫度下:

1）加熱速率高固相有機物殘留率低。2）極高和極低的加熱速率有利于氣相熱解產(chǎn) 物比例的增加。3）中間的加熱速率有利于油性熱解產(chǎn)物比例 的增加。（3）保溫時間

1）物料在反應(yīng)器中的保溫時間決定了物料分解轉(zhuǎn)化率。為了充分利用原料中的有機質(zhì)，盡量脫出其中的揮發(fā)分，應(yīng)延長物料在反應(yīng)器中的保溫時間。 2）物料的保溫時間與熱解過程的處理量成反比例關(guān)系。 3）保溫時間長，熱解充分，但處理量少； 4）保溫時間短，則熱解不完全，但處理量大。（4）物料性質(zhì)

1）物料的性質(zhì)如有機物成分、含水率和尺寸大小等對熱解過程有重要影響。 2）有機物成分比例大、熱值高的物料，其可熱解性相對就好、產(chǎn)品熱值高、可回收性好、殘渣也少。 3）物料的含水率低，加熱到工作溫度所需時間短，干燥和熱解過程的能耗就少。熱解生成物與殘渣占原有固體之比不受含水率的影響。 4）較小的顆粒尺寸有利于促進熱量傳遞、保證熱解過程的順利進行，尺寸過大時，情況則相反。（5）反應(yīng)器類型

1）反應(yīng)器是熱解反應(yīng)進行的場所，是整個熱解過程的關(guān)鍵。不同反應(yīng)器有不同的燃燒床條件和物流方式。 2）一般來說，固定燃燒床處理量大，而流態(tài)化燃燒床溫度可控制性好。 3）氣體與物料逆流行進有利于延長物料在反應(yīng)器內(nèi)滯留時間，從而可提高有機物的轉(zhuǎn)化率；氣體與物料順流行進可促進熱傳導(dǎo)，加快熱解過程。（6）供氣供氧空氣或氧作為熱解反應(yīng)中的氧化劑，使物料發(fā)生部分燃燒，提供熱能以保證熱解反應(yīng)的進行。因此，供給適量的空氣或氧是非常重要的，也是需要嚴格控制的。供給空氣。由于空氣中含有較多的N2，供給空氣時產(chǎn)生的可燃氣體的熱值較低。供給純氧可提高可燃氣體的熱值，但生產(chǎn)成本也會相應(yīng)增加。6.2.2.4有機固體廢物熱解機理1、可燃物熱解的基本過程在初始階段（383K)，失重較小(水分蒸發(fā)）；在升溫至1173K，經(jīng)歷二次失重峰，第一個失重峰（纖維類物質(zhì)分解），第二個失重峰（含鈣物質(zhì)分解）。6.2.2.4有機固體廢物熱解機理2、熱解動力學(xué)規(guī)律6.2.3熱解工藝熱解方式因熱解過程的供熱方式、產(chǎn)品狀態(tài)、熱解爐結(jié)構(gòu)等方面的不同而不同。按供熱方式直接加熱：熱解反應(yīng)所需熱量是被熱解物直接燃燒或向熱解反應(yīng)器提供的補充燃料燃燒產(chǎn)生的熱。間接加熱：被熱解物料與直接供熱介質(zhì)在熱解反應(yīng)器中分離開的一種熱解反應(yīng)。6.2.3熱解工藝按熱解的溫度不同高溫?zé)峤猓?000℃以上（直接加熱）中溫?zé)峤猓?00-700℃，單一物料（能源和資源回收）：廢橡膠、塑料。低溫?zé)峤猓憨?00℃，農(nóng)林產(chǎn)品加工后的廢物生產(chǎn)低硫低灰炭。6.2.3熱解工藝按燃燒與熱解過程是否在同一反應(yīng)器中進行單塔式、雙塔式按爐渣的可生成性造渣型、非造渣型按熱解產(chǎn)物的狀態(tài)氣化方式；液化方式；炭化方式按熱解爐的結(jié)構(gòu)固定床；移動床；流化床、旋轉(zhuǎn)爐6.2.5典型固體廢物的熱解6.2.5.1城市垃圾的熱解6.2.5.2廢塑料的熱解6.2.5.3污泥的熱解6.2.5.4廢橡膠的高溫?zé)峤?.2.5.5農(nóng)林廢棄物的熱解6.2.5.1城市垃圾的熱解城市垃圾主要熱解技術(shù)簡介（1）新日鐵系統(tǒng)（2）Purox系統(tǒng)（3）Landgard系統(tǒng)（4）Occidental系統(tǒng)（5）流化床系統(tǒng)（6）Garret系統(tǒng)（1）新日鐵系統(tǒng)新日鐵系統(tǒng)采用豎式熱解熔爐，其實際上是一種熱解和熔融為一體的復(fù)合處理工藝，通過控制爐溫及供氧條件，使垃圾在同一爐內(nèi)完成干燥、熱解、燃燒和熔融。（1）新日鐵系統(tǒng)（2）Purox系統(tǒng)Purox系統(tǒng)又稱U.C.C純氧高溫分解法其工作原理與新日鐵方式類似Purox系統(tǒng)的能量主要消耗在垃圾的破碎和垃圾熱解所需助燃氧氣的制造上。（2）Purox系統(tǒng)（3）Landgard系統(tǒng)Landgard系統(tǒng)采用的是回轉(zhuǎn)窯處理方式（3）Landgard系統(tǒng)（4）Occidental系統(tǒng)Occidental系統(tǒng)是由美國Occidental

ReasearchCorporation開發(fā)的以有機物液化為目標(biāo)的熱解技術(shù)（4）Occidental系統(tǒng)（5）流化床系統(tǒng)（6）Garret系統(tǒng)Garret系統(tǒng)是由美國Garret研究和發(fā)展公司開發(fā)的熱分解系統(tǒng)。（6）Garret系統(tǒng)6.2.5.2廢塑料的熱解1、分類按照塑料的性質(zhì)可分為兩類熱固性塑料：在加熱和化學(xué)固化劑的作用下交聯(lián)生成的不熔狀態(tài)(固態(tài))的塑料。這類塑料在未交聯(lián)前，分子鏈有兩個以上可參加化學(xué)反應(yīng)的基團，交聯(lián)后分子間相互交叉聯(lián)接，成為網(wǎng)狀的或立體的三維結(jié)構(gòu)，一旦成型，只能靠切削等二次加工成型。6.2.5.2廢塑料的熱解熱塑性塑料：由曲線狀大分子組成，加熱時分子鏈上的基團穩(wěn)定,分子間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),但能軟化并發(fā)生粘性流動,冷卻后又凝固硬化；可反復(fù)加熱-流動-冷卻-硬化。6.2.5.2廢塑料的熱解根據(jù)受熱后的分解產(chǎn)物則可分為以下幾種：解聚反應(yīng)型塑料：熱分解時，聚合物解離、分解成單體，主要是切斷了單體分子間的結(jié)合鍵；隨機分解型塑料：熱分解時，鏈的斷裂是隨機的，產(chǎn)物為低分子化合物過渡分解型塑料：熱分解時，產(chǎn)物的比例隨塑料的種類與分解溫度的變化而不同；一般，溫度越高，氣態(tài)的低級C-H化合物的含量越高，分解產(chǎn)物的組分越復(fù)雜。6.2.5.2廢塑料的熱解2、塑料熱解的特點與城市垃圾相比，其具有商業(yè)利用價值的產(chǎn)品主要是低熱值的燃氣，而塑料熱解的主要產(chǎn)物則是燃料油或化工原料等。6.2.5.2廢塑料的熱解3、熱解溫度和催化劑不同種類的塑料，其熱解溫度不同6.2.5.2廢塑料的熱解4、熱解設(shè)備槽式（聚合浴、分解槽）管式（管式蒸餾、螺旋式）流化床式6.2.5.3污泥的熱解1、污泥熱解的特點污泥的燒法可以回收熱能，但焚燒產(chǎn)生二次污染，廢氣中又含有SO2、NOx、HCl及二惡英等，而殘渣中含有重金屬離子，如Cr氧化為Cr+6，毒性更大；此外，對于低熱值的污泥還需要輔助燃料。采用熱解法處理可以避免上述問題。6.2.5.3污泥的熱解6.2.5.3污泥的熱解2、污泥熱解工藝污泥脫水—干燥—熱解—炭灰分離—油氣冷凝—熱量回收—二次污染防治6.2.5.3污泥的熱解6.2.5.3污泥的熱解3、污泥的低溫?zé)峤鉁囟刃∮?00℃、常壓和缺氧條件下，借助污泥中所含的硅酸鋁和重金屬的催化作用，將污泥中的脂類和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化成碳氫化合物，最終產(chǎn)物為燃料油、氣和炭。6.2.5.3污泥的熱解6.2.5.3污泥的熱解4、污泥與城市垃圾聯(lián)合熱解近年來，國外將城市垃圾和含可燃組分的工業(yè)垃圾與污泥進行聯(lián)合熱解，可以更有效地回收熱能，這是今后污泥處理的主要方向。聯(lián)合熱解法有以下特點：可以直接回收有用無機物，同時回收利用有機物的熱能，提高污泥作為能源的競爭能力；尾氣和廢水經(jīng)凈化處理均能達到排放標(biāo)準(zhǔn)；殘渣量明顯減少，填埋處理的占地面積約為傳統(tǒng)填埋的20～30％，且不需要預(yù)處理。6.2.5.4廢橡膠的高溫?zé)峤?、廢橡膠熱解的基本過程輪胎破碎—分（磁）選—干燥預(yù)熱—橡膠熱解—油氣冷凝—熱量回收—廢氣凈化6.2.5.4廢橡膠的高溫?zé)峤?、廢橡膠的熱解產(chǎn)物橡膠氣體（22%）：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、一氧化碳、水、二氧化碳、氫氣和丁二烯液體（27%）：苯、甲苯、其它芳香族化合物炭灰（39%）鋼絲（12%）6.2.5.4廢橡膠的高溫?zé)峤?.2.5.4廢橡膠的高溫?zé)峤?、廢橡膠熱解的工藝流程日本NIS公司美國ECO公司流化床熱解爐熱解工藝6.2.5.4廢橡膠的高溫?zé)峤饬骰矡峤鈴U輪胎工藝流程圖6.2.5.5農(nóng)林廢棄物的熱解1、農(nóng)林廢棄物的成分與性質(zhì)農(nóng)林廢料的主要組成是糖類，從化合物組成來看，這類有機物均不同程度地含有纖維素、木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)、戊聚糖等營養(yǎng)成分。6.2.5.5農(nóng)林廢棄物的熱解2、農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)草煤氣（1）熱解原理在空氣供應(yīng)不足的情況下，在較低溫度下燃燒農(nóng)林廢棄物，可生成以一氧化碳和氫氣為主要成分的可燃氣體（草煤氣）。6.2.5.5農(nóng)林廢棄物的熱解6.2.5.5農(nóng)林廢棄物的熱解（2）常用氣化爐的結(jié)構(gòu)和性能特點①上吸式氣化爐②下吸式氣化爐③層式下吸式氣化爐④循環(huán)流化床氣化爐上吸式氣化爐特點：碳轉(zhuǎn)化率高、原料適應(yīng)性強、爐體結(jié)構(gòu)簡單、制造容易。下吸式特點：焦油經(jīng)高溫區(qū)裂解，使氣體中的焦油含量減少，產(chǎn)氣中H2含量高。層吸式氣化爐特點：汽化爐截面溫