（热能工程专业论文）城市生活垃圾和污泥低温热解研究.pdf

中文摘要 随着城市化的发展，城市生活垃圾大量排出，且污泥也以每年1 5 以上的速 度增加。由于上述固体废弃物中大部分是可燃性有机废物，蕴藏着大量热能，如 能回收利用则可作为替代能源使其资源化。在多年的探索中，低温热解作为具有 多方面优势的处理方法更显示出其广阔的应用前景。 本研究用自行设计的外热式固定床反应器，分别以城市生活垃圾中9 种典型 组分的混合物及污泥为实验物料，在3 0 0 一7 0 0 之间对其进行低温热解的实 验研究。由于热解的终温对于热解反应程度具有很大的影响，因此本文着重就不 同的热解终温下的热解规律从多方面进行了探讨。结果表明： 城市生活垃圾热解的固体燃料化过程中，随着热解温度的提高，固体燃料挥 发分含量减少，固定炭和灰分增加，在3 0 0 到5 5 0 温度段，挥发分随热解温 度变化较快：固体燃料热值随热解温度的升高而缓慢降低。另外，着火点随热解 温度的提高面增大，在4 0 0 。c 以下时变化幅度较大。与垃圾物料相比，低温热解 所得固体燃料的堆密度提高2 1 倍，体积热值提高约6 倍。可见，通过对城市生 活垃圾低温热解取得固体燃料过程的分析，可知低温热解不仅改善了固体废弃物 作为固体燃料的特性，而且使体积减少，提高了体积热值和着火点，为固体燃料 储存运输和燃烧过程降低成本和安全方面提供了有利条件。 污泥的热解表明：在3 0 0 一5 0 0 温度范围内，污泥热解所得固体产率随温 度升高而下降，得到的固体产率占污泥干重8 9 - - 7 3 5 。同时，热解温度提高， 完成热解反应所需的时间缩短，热解气的总产率、最大瞬时产率增加，4 0 04 c 最 大瞬时产气率为3 4 l ( g m i n ) ，5 0 0 。c 时最大的瞬时产气速率是4 8 1 4 9 m i n ) ， 约为3 0 0 时的3 倍。不同热解温度瞬时产率总的变化趋势基本一致，即热解反应 开始后很短的时间内( 1 0 2 5 m i n ) 瞬时产气率达到最大值，随后变缓，直至反 应结束。可见，这些规律为城市污泥低温热解的实际工程应用提供了可靠的基础 性资料。 关键词：城市生活垃圾，城市污水厂污泥，热解终温，固定床 a b s t r a c t i nu r b a nc h i n a ，t h ew a s t eg e n e r a t i o nr a t e si nm a j o rc h i n e s ec i t ya r ei n c r e a s i n g 1 1 1 em a i nc o m p o n e n to fw h i c hi so r g a n i cm a t t e r , t h u sm a k i n gt h e map r e d o m i n a n t l y r e n e w a b l ee n e r g ys o a r c e d u r i n gt h ee x p l o r a t i o nf o rm a n yy e a r s ，l o wt e m p e r a t u r e p y r o l y s i si sc o n s i d e r e da sm o r ea d v a n t a g e sa n dah u g ep o t e n t i a l p y r o l y s i se x p e r i m e n t so ft h em i x t u r e sf r o mn i n ed i f f e r e n tc o m b u s t i b l e si nm s w ( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ) a n ds l u d g eh a v eb e e np e r f o r m e di n t h el a b o r a t o r ys c a l e r e a c t o ru n d e rn i t r o g e na t m o s p h e r e s a l lr u n sw e r ec a 玎i e do u ta t3 0 0 。c - 7 0 04 c i nt h e p a p e r ，d i f f e r e n tb e h a v i o r so ft h ep y r o l y s i sa l s oh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t si n d i c a t e ： i nt h ep r o c e s so fm s wv o l a t i l ec o n t e n t sd e c r e a s ea n df i x e dc a r b o na n da s h c o n t e n t si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gp y r o l y s i st e m p e r a t u r e i nt h ei n i t i a lt e m p e r a t u r e s t a g e ，v o l a t i l e sv a r yq u i c k l yf r o m5 3 0 6 a t3 0 0 。c t o1 1 9 6 a t5 5 0 。c ，h e a t i n gv a l u e d e c r e a s e ss l o w l yw i t ht h er i s i n gf p t ( f i n a lp y r o l y s i st e m p e r a t u r e ) i na d d i t i o n ， i g n i t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sw i t ht h er i s i n gt e m p e r a t u r ea n dq u i c k l yv a r i e sa t t e m p e r a t u r e sb e l o w4 0 0 * c c o m p a r e dt om s w , b u l kd e n s i t yf o rs o l i dr e s i d u ei s 2 1 t i m e sm o r et h a nt h a to fm s w h e a t i n gv a l u eo f p e rv o l u m ei sa b o u t6 t i m e sm o r et h a n t h a to fm s w i ti sa l s os h o w nt h a tc h a r a c t e r i s t i co fs o l i df u e lo b t a i n e df r o mm s w p y r o l y s i si si m p r o v e d ，a n dv o l u m eo fm s w i sg r e a t l yl e s s e n e da n dh e a t i n gv a l u ei n v o l u m ea sw e l la si g n i t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，w h i c hi sp r o f i t a b l et or e d u c i n gc o s t s i nc o m b u s t i n ga n dt os t o r a g ea n d s a f e t y i nt h ep r o c e s so fs l u d g e ：w i t ht h er i s i n go ff p t ，s o l i dr e s i d u e sg r a d u a l l yl o w d o w n ，a c c o u n t i n gf o r8 9 一7 3 5 o fn e ts l u d g e ，w h i c he a s i l ya r es t o r e dl o n g e r ，t o t a l g a sv o l u m ea n dm a xg a sr a t er i s e t h em a xg a sr a t ef o rs l u d g er a n g ef r o m l 5 l ( gm a i n ) t o4 8t e ( g m i n ) a tt h et e m p e r a t u r e r a n g e s3 0 0 c - 5 0 0 。c ，o c c u r r i n gw i t h i n1 0 2 5 r a i n a tt h eb e g i n n i n go fp y r o l y s i s n l et e n d e n c yo fm a xg a sr a t ei sb a s i c l ys a m ei n d i f f e r e n tf p t w h i c hs h o w st h a tt h eg a sr a t eq u i c k l yr e a c h e sm a xv a l u ei ns h o r tt i m e ， t h e nd r o p p i n gs l o w l y , u pt ot h ee n do fr e a c t i o n ，t h e r e f o r e ，w h i c hp r o v i d eb a s i ca n d t r u ed a t ef o rr e a l a p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n ga b o u tl o w - t e m p e r a t u r ep y r o l y s i so f s l u d g e k e yw o r d s ：m m u n i c i p a ls o l i dw a s t e s ，s l u d g e ，f i n a lp y r o l y s i st e m p e r a t u r e f i x e db e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：己谐般 签字日期：如巧年? 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解盘注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弓峭四艾 导师签名： 文雄 i 签字日期：加；年3 月 工日 签字目期：2 时年；月v _ 开 天津人学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 固体废弃物的污染是当今世界各国所面临的一个重大环境问题，目前，全国 累计堆存的工业固体废弃物己达6 0 多亿吨，此外，城市人口垃圾年产量超过亿 吨。据统计，我国城镇生活垃圾日产量人均为0 7 1 o k g ，有些城市已经到了垃 圾围城的地步。据调查，广州近郊地面堆放的各种废物占地达1 6 5 8 h a ( 公顷) ， 其中仅垃圾堆放占有6 9 h a 多i “。城市生活垃圾量大幅增加，使其处理越来越困难， 并为此付出了高昂的代价。由于目前我国城市，尤其是经济实力较弱的城市普遍 采用市郊露天堆放，许多城市的边缘、郊区往往是垃圾遍布、污水横流、有机物 分解产生的恶臭，对大气、土壤、水体环境造成了严重污染。不仅影响城市环境 质量，而且威胁着国民的健康，成为社会公害之一。所以，必须及时处理使其无 害化、减量化。因此，城市垃圾的无害化、减量化处理技术，是关系到保护和改 善国民生活、生态环境、防治污染、改善传统发展模式，使国民经济发展与环境 保护相协调的重要内容之一。 目前，我国垃圾处理方式主要是填埋，占垃圾总处理量的7 9 2 ，此处理方 式，不仅浪费了资源，而且占用大量土地，污染水源和环境，危害人民身体健康， 同时这种处理不能完全适应我国垃圾数量及成分的变化。其次为堆肥法，约占垃 圾处理量的1 8 8 ，堆肥法虽资源化程度高，但堆肥的卫生条件差，生产有机肥 料肥效较低、成本高，目前难以达到实用效果，而垃圾焚烧处理甚微。但城市生 活垃圾中的有机物含量越来越多，特别是近年来，其中废塑料等高热值废物的增 加尤为明显。因此，垃圾焚烧处理在垃圾综合处理中的比重有所增加，但由于城 市垃圾中的废塑料成分不仅会在焚烧过程中造成炉膛局部过热，从而导致炉膛及 耐火衬里的烧损，而且垃圾焚烧设备一次性投资大，垃圾直接燃烧热利用低同 时也是剧毒污染物一二恶英的主要发生源。因此，该法目前在我国应用很少。可 见，城市生活垃圾中大部分是可燃性有机废物，蕴藏着大量热能，如能回收利用 则可作为替代能源使其资源化1 2 】。可见，城市生活垃圾的资源化处理问题已成为 刻不容缓、非解决不可的重大问题。 迄今为止，城市生活垃圾和污泥的处理主要是填埋和焚烧，不仅成本高，且 资源回收难度大。因此寻求低成本无害化，减量化进而能够资源化( “三化”) 的 方法直是本领域努力的方向。城市固体废弃物的无害化，减量化处理也只有与 资源化结合才能做到真正的低成本。随着各国对焚烧过程中二恶英排放限制的严 天津入学硕十学位论文 第一章绪论 格化，热解处理技术又重新成为研究丌发的热点，而低温热解技术山于处理成本 随热解温度的降低而大幅减少，并有效地控制二恶英污染，成为对城市生活垃圾 和污泥进行无害化、减量化处理的有效手段，可实现真正低成本的废物资源化。 1 1 研究意义 以回收能源为目的热解处理系统，对固体废弃物进行热解处理后可以得到燃 气、焦油和固体燃料，由此可见，与直接焚烧法相比，城市生活垃圾和污泥的热 解处理具有如下优点： ( 1 ) 处理不宜焚烧的固体废弃物，减容量大，占地面积小，可燃气体成分 易于控制：由于缺氧分解，排气量少，有利于减轻对大气环境的二次污染。可见， 热解是一种比焚烧技术对环境更加安全的城市垃圾处理方法【3 】，其无害化彻底、 减容量大、二次污染小； ( 2 ) 实现初期投资、废物处理和使用过程的低成本；热解所需的热量可来 自热解可燃气体的燃烧，达到能量自给，降低运行费用；热解气如输送到工厂现 有的锅炉或窑炉中燃用，不必新增热回收设备或对原有锅炉进行投资改造，可节 省大量投资： ( 3 ) 能够做到及时处理，缓时利用，产物稳定，提取容易，便于运输热 解产物更容易综合利用。低温热解后，固体废弃物中的有机物转化为以燃料气、 燃料油和固体燃料为主的储存性能源，可燃气体可以有多种用途，燃气视热值的 高低，可直接燃烧或和其它高热值燃料混合燃烧，反应过程中产生的焦油视其性 质可制成燃料或提取化工原料。 由此可见，热解处理利用技术既解决固体废弃物直接排放带来的环境问题， 又充分利用其能源价值。 1 2 研究现状 热解技术虽然有几千年的历史，但应用于垃圾处理是最近几十年的事。国外 有些国家利用热解法处理城市垃圾已达到了工业规模，虽然存在不少问题，但实 践表明这是一种有前途的垃圾处理方法。许多研究学者成功的将热解技术应用于 废塑料低温制油、废橡胶造油等工艺，由此可见，关于垃圾的热解特性方面的研 究【“，国外已提出一些有价值的结论和见解，有些国外学者还研究了生物质与劣 质煤组成的混合燃料的热解特性【5 】。而国内在垃圾热解方面的研究| 6 。“，大都集中 在单1 物料的中、高温度热解，有关，氐温热解基础性研究却很少，且大多是月j 热 天津人学硕十学位论文 第一章绪论 格化，热解处理技术又重新成为研究开发的热点，而低温热解技术出于处理成本 随热解温度的降低而大幅减少，并有效地控制二恶英污染，成为对城市生活垃圾 和污泥进行无害化、减量化处理的有效手段，可实现真正低成本的废物资源化。 1 1 研究意义 以回收能源为目的热解处理系统，对固体废弃物进行热解处理后可以得到燃 气、焦油和固体燃料，由此可见，与直接焚烧法相比，城市生活垃圾和污泥的热 解处理具有如下优点： ( 1 ) 处理不宜焚烧的固体废弃物，减容量大，占地面积小，可燃气体成分 易于控制；由于缺氧分解，排气量少，有利于减轻对大气环境的二次污染。可见， 热解是一种比焚烧技术对环境更加安全的城市垃圾处理方法| s l ，其无害化彻底、 减容量大、二次污染小； 2 ) 实现初期投资、废物处理和使用过程的低成本；热解所需的热量可来 自热解可燃气体的燃烧，达到能量自给，降低运行费用；热解气如输送到工厂现 有的锅炉或窑炉中燃用，不必新增热回收设备或对原有锅炉进行投资改造，可节 省大量投资： ( 3 ) 能够做到及时处理，缓时利用，产物稳定，提取容易，便于运输，热 解产物更容易综合利用。低温热解后，同体废弃物中的有机物转化为以燃料气、 燃料油和固体燃料为主的储存性能源，可燃气体可以有多种用途，燃气视热值的 高低，可直接燃烧或和其它高热佰燃料混合燃烧，反应过程中产牛的焦油视其性 质可制成燃料或提取化工原料。 由此可见，热解处理利用技术既解决固体废弃物直接排放带米的环境问题， 又充分利用其能源价值。 1 2 研究现状 热解技术虽然有几千年的历史，但应用于垃圾处理是最近几十年的事。国外 有些国家利用热解法处理城市垃圾己达到了工业规模，虽然存在不少问题，但实 践表明这是一种有自h 途的垃圾处理方法。许多研究学者成功的将热解技术应用于 废塑料低温制油、废橡胶造油等工艺，山此可见，关于垃城的热解特性方面的研 究| 4 】，国外己提出一些有价值的结论和见解，有些国外学者还研究了生物质与劣 质煤组成的混台燃料的热解特性pj 。而国内在垃圾热解方由的研究1 6 。1 ，大都集中 在单1 物料的中、高温度热解有关，氐温热解基础性研究l 、口很少，且大多是用热 在单1 物料的中、高温度热解有关，氐温热解基础性研究l 、口很少，且大多是用热 天津人学硕士学位论文第一章绪论 分析仪以极微少的物料进行动力学研究f 8 _ 16 1 。普通的热分析仪实验物料少，物料 的温度场均匀，而实际应用中物料及其物料内部都会产生很大的温度梯度，由于 温升和热解过程不同，所得固体燃料的特性也不同。所以研究接近实际应用条件、 具有较大温度梯度的多成分混合物料的热解特性对于实际应用是十分重要的。 1 3 研究方法和内容 根据文献查阅的结果，可以看到有关的研究和应用已取得一定的成果。但深 入细致的有关具有较大温度梯度的多成分混合物料的低温热解研究还未展开，热 解产物的特性还有许多不明确的地方，因此十分有必要进行这方面的研究。 针对上述存在的问题，本课题以城市生活垃圾和城市污水处理厂污泥为研究 对象，并结合实际情况，利用自行设计制造的、旨在模拟工业化实际设备中热解 特性的小型外热式固定床实验装置，将以下几个方面的研究作为本人硕士论文工 作，目的是通过研究，取得固体废弃物资源化研究成果，为垃圾低温热解的实际 应用提供理论和实验基础。 本课题的研究工作主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 城市生活垃圾热解的实验研究。采用先进的测试方法进行详细的研究， 探求在不同热解温度下典型组分混合垃圾热解固体残留物特性，主要考察温度对 热解固体残留物产率及其特性( 工业分析、热值、着火点、堆密度) 的影响情况， 以探索其作为燃料或在工业上的可行性，并为相关的其它研究提供参考。 ( 2 ) 城市污水处理厂污泥热解的实验研究。探求不同热解温度对热解产物产 率及产气量和最大瞬时产气率的影响。通过以上基础性研究，为适用于城市垃圾 和污泥的热解炉设计及实际工程应用提供基本参数和参考。 犬津人学硕士学位论文 第二章固体废弃物及其能源化利用一热解技术 第二章固体废弃物及其能源化利用一热解技术 2 1 固体废弃物的定义与分类 固体废弃物是指在生产建设、日常生活和其它活动中产生的污染环境的固 态、半固态废弃物质。 从广义上根据物质的形态划分，废物包括固态、液态和气态废弃物质。在液 态和气态废弃物中，大部分是废弃的污染物质混掺在水和空气中，直接或经处理 后排入水体或大气。在我国，它们被习惯地称为废水和废气，而纳入水环境或大 气环境管理体系管理。其中不能排入水体的液态废物和不能排入大气的置于容器 中的气态废物，由于大多具有较大的危害性，在我国被纳入固体废弃物管理体系。 固体废弃物问题较之大气污染、水污染、噪音污染的环境问题有独特之处， 简单概括为四最一晟难得到处理、最具综合性、最晚得到重视、最贴近生活的环 境问题。 ( 1 ) 最难得到处置：固体废弃物由于含有的成分相当复杂，其物理性质也 千变万化，因此是“三废”中最难处置的一种。 ( 2 ) 最具综合性的环境问题：固体废弃物的污染，不是单一环境污染，它 同时伴随着土壤污染、水污染及大气污染等问题。 ( 3 ) 最晚得到重视：固体废弃物的污染较之大气、水污染是最后引起人们 重视的污染问题。 ( 4 ) 最贴近生活的环境问题：西方环保教育往往从治理垃圾入手，这是因 为固体废物问题，尤其是城市生活垃圾最贴近人们的日常生活，是与人类生活最 息息相关的环境问题。 固体废弃物分类方法很多，按组成可分为有机废物和无机废物；按其危害状 况可分为有害废物( 指腐蚀、腐败、剧毒、自燃、锋刺、爆炸、放射性等废物) 和一般废物；按其形状可分为固体废弃物( 粉状、粒状、块状) 和半固态( 污泥) 废弃物；通常按其来源分为工业固体废弃物、矿业废物、农业固体废弃物、有害 固体废弃物和城市垃圾五类。以下是按废物来源进行分类。 天津大学硕十位论文第二章同体废弃物及其能源化利用一热解技术 t f 工业固体b 渤f 矿山磨眈污 派残渣等 _ _ _ _ _ _ f ； 周体斑物j l i i ，。_ j l 一 城耙鼬勘叛i 辩劬蔓物|i 放射嘞 i 一 l 垃圾、粪便、 农 赳k 医疗 园林燃1i 等嚷物 图2 1固体废弃物的分类 i l 污泥、残渣、 l 糟尘等 国外固体废弃物的分类，在美国大致同于我国，而日本通常可分为产业废物 和一般废物两大类。 我国的固体废弃物污染环境防治法将固体废弃物分为城市生活垃圾、工 业固体废弃物和危险废物三类进行管理。本论文主要研究的固体废弃物是城市生 活垃圾和污泥。 2 2 固体废弃物污染环境的途径 固体废弃物是各种污染物的最终形态，特别是从污染控制设施排出的固体废 弃物，浓集了许多污染物成分。其次，在自然条件的影响f ，其中的化学有害成 分会通过环境介质一大气、水体和土壤，参与生态系统的物质循环，具有潜在的， 长期的危害性。因此，固体废弃物，尤其是有害固体废弃物处理处置不当时，能 通过各种途径危害人体健康。例如，工矿业废物所含化学成分能形成化学物质型 污染，生活垃圾是多种病源微生物的孽生地，能形成病源体型污染。其传播疾病 途径如图2 2 所示1 1 7 1 。 大津大学硕士学位论文 第一章j 刮体废弃物及其能源化利用一热解技术 图2 2固体废弃物中化学物质致人疾病的途径 2 3 固体废弃物污染的危害性 2 3 1 侵占土地 我国许多城市利用市郊堆存固体废弃物，此任意露天堆放，不仅侵占了大量 农田，导致可利用土地资源减少，而且如果填埋处置不当，不进行严密的场地工 程处理和填埋后的科学管理，容易污染土壤环境。由于垃圾产生量的增长速度很 快，城市废物占地的矛盾也日益突出，日前我国有许多城市陷入垃圾的包围中。 同时，大量废物的堆积，也严重破坏了地貌、植被和自然景观。随着生产的发展 和消费的增长，废物占地的矛盾日益尖锐。 2 3 2 污染土壤 固体废弃物废物还会破坏土壤内的生态平衡，其中的有害物质进入土壤后， 还可能在土壤中发生积累；废物堆放和没有适当的防渗措施的垃圾填埋，其中的 有害成分很容易经过风化、雨淋、地表径流的侵蚀渗入土壤之中，使土壤毒化、 酸化、碱化，从而改变了土壤的性质和土壤结构，影响土壤微生物的活动，妨碍 植物根系的生长，甚至导致寸草不生，而且其污染面积往往超过所占上地的数倍。 例如【1 ，2 0 世纪7 0 年代，美国在密苏早州为了控制道路粉! 垒，曾把混有2 、3 、 天津人学硕士学位论文 第一二章同体废弃物及其能源化利_ j 一热解技术 7 、8 - t c d d 的淤泥废渣当作沥青铺洒路面，造成土壤污染，土壤q b t c d d ( 四氯代 二苯并恶英1 含量高达3 0 0 n g g ，污染深度：迭6 0 c m ，致使牲畜大批死亡，人们备受 各种疾病折磨。据报道，我国受工业废渣污染的农田已达2 5 万亩。 2 3 3 污染水体 生活废物随天然降水和地表径流进入江河湖泊，或随风飘迁落入水体使地面 水污染；随渗沥液进入土壤则使地下水污染；废渣直接排入河流、湖泊或海洋， 又会造成更大的水体污染。 即使无害的固体废弃物排入河流、湖泊，也会造成河床的淤塞，水面减少， 水体污染，甚至导致水利工程设施的效益减少或废弃。 据有关资料表明，由于固体废弃物排入江河，2 0 世纪8 0 年代我国的水面比5 0 年代减少了2 0 0 0 多万亩，可见，其所产生的严重后果是不言而喻的。 目前，一些国家把大量的固体废弃物投入海洋，海洋也正面临着固体废弃物 潜在的污染威胁。1 9 9 0 年1 2 月在伦敦召开的消除核工业废料国际会议上公布的数 字表明【1 7 1 ，近4 0 年来，主要由英美两国在大西洋和太平洋北部的5 0 多个“墓地” 大约投弃过4 6 x1 0 1 5 b q ( 国际单位制的活度单位，相当于1 s ) 的放射性废料，尤 其是美国倾倒最多。 2 3 4 污染空气，影响环境卫生 一些有机固体废弃物在适宜的温度和湿度下被微生物分解，释放出有害气 体，以细粒状存在的废渣和垃圾，在大风吹动下会随风飘逸，扩散到远处；固体 废弃物在运输和处理过程中，也能产生有害气体和粉尘；废物填埋场中逸出的沼 气也会对大气环境造成影响，它在一定程度上会消耗其上层空间的氧。采用焚烧 法处理固体废弃物已成为有些国家大气污染的主要污染源之一。美国废物焚烧炉 约有2 3 由于缺少空气净化装置而污染大气，有的露天焚烧炉排出的粉尘在接近 地面处的浓度i 2 i n 0 5 6 9 m 3 。特别是最近发现焚烧垃圾可以产生致癌物质二恶 英，造成二次污染。 另外，未经无害化处理的垃圾进入环境，严重影响人们的居住环境和卫生状 况，导致传染病菌繁殖，对人们的健康构成潜在的威胁。 2 4 固体废弃物的污染控制 固体废弃物的污染控制需从两方面着手，一方面是防治固体废弃物的污染， 天津火学硕十学位论文 第一章固体废弃物及其能源化利用一热解技术 二是综合利用废物资源。主要控制措施有： ( 1 ) 改革生产工艺 1 ) 采用清洁生产 生产工艺落后是产生固体废弃物的主要原因，因而首先应当结合技术改 造，从工艺入手，采用无废或少废的清洁技术，从发生源消除或减少污染物的产 生。 2 ) 采用精料 原料品味低、质量差，也是造成固体废弃物大量产生的主要原因，因此， 应当进行原料精选，采用精料，以减少固体废弃物的产量。 3 ) 提高产品质量和使用寿命，已使其不过快的变成废物。 ( 2 ) 发展物质循环利用工艺 其宗旨是使第一种产品的废物成为第二种产品的原料，使第二种产品的废物 成为第三种产品的原料等等，最后只剩下少量废物进入环境，以取得经济的、环 境的和社会的综合效益。 ( 3 ) 进行综合利用 有些固体废弃物含有很大的一部分未起变化的原料或副产品，可以回收利 用。如硫铁矿烧渣( 含f e 2 0 3 3 3 5 7 ，s i 0 2 1 0 1 8 ，a 1 2 0 3 2 6 6 ) 等可 用来制砖和水泥。 ( 4 ) 进行无害化处理和处置 有害固体废弃物，用焚烧、热解等方式，改变废物中有害物质的性质，可使 之转化为无害物质或使有害物质含量达到国家规定的排放标准。 2 5 热解技术的发展 固体废弃物能源化利用技术，是通过化学或生物转换，将垃圾中所含有的能 量释放出并加以利用的技术。目前开发、使用的城市固体废弃物能源化利用主要 是垃圾的热处理技术( 焚烧、热解、气化) 和生物转换技术( 主要是填埋气的利 用) 。由于热解法有利于资源的回收利用，它的研究和应用得到快速发展。 热解法在化工炼油等行业的应用已有相当长的历史，在固体废弃物的处理 上，最早于1 9 2 9 年美国政府矿务局主持开展了一些典型固体废弃物的热解研究， 而城市垃圾的热解处理还是最近几十年才发展起来的。目前，垃圾热解工艺已有 多种形式，热解技术近年来有了很快的发展，特别是一些发达国家垃圾的热值愈 来愈高，热解技术已由小试、中试向实用化方向发展。 我国在垃圾热解处理方面主要集中在对秸秆类农业固体废弃物进行热解燃 大津人学硕士学位论文第二章固体废弃物及其能源化利用一热解技术 气的应用，中国农机科学院在1 9 8 1 年即开展低热值农村残余废弃物的热解燃气 装置实验，并取得成功，小型农用气化炉已投入生产【1 9 1 。 下面将从热解机理方面论述热解的特点以及控制热解反应的因素，介绍国内 夕 常用的热解炉型。 2 6 热解基本原理 热解( p y r o l y s i s ) 法是利用固体废弃物中有机物的热不稳定性，在无氧或缺 氧条件下对之进行加热蒸馏，使有机物产生热裂解，改变原有分子结构形态，经 冷凝后由大分子量的有机物转化成小分子量的可燃气体、液体燃料和固体燃料的 过程。因此，固体废弃物中所蕴藏的热量以上述物质的形式贮留起来。而低温热 解是在适合的温度条件( 3 0 0 一7 0 0 ) 和无氧的条件下，利用热能使城市生活 垃圾中的有机质的化合键断裂。热解反应可以用通式表示如下： 固体废弃物二- 卜气体( h 2 、c h 4 、c o 、c 0 2 ) + 有机液体( 有机酸、芳 烃和焦油) + 固体( 碳黑、炉渣) 固体废弃物热解是一个复杂、连续的化学反应过程，在反应中包含着复杂的 有机物的断键、异构化等化学反应。在热解过程中，其中间产物存在二种变化趋 势，它们一方面由大分子变成小分子直至气体的裂解的过程，而另一方面又由小 分子聚合成大分子的聚合过程。许多反应是交叉进行的，热解产物的产率取决于 原料的化学结构、物理形态和热解的温度和速度。 实际上，影响热解特性的因素很多，其中物理因素主要指过程中的传热、传 质以及原料的特性，化学因素包括一系列复杂的一、二次反应，但具体表现为热 解温度、压力、升温速率、气固相停留时间及垃圾原料尺寸、形状等的影响。其 中温度参数是热解反应过程最关键的参数。热解产品的产量和成分可由控制反应 器的温度来有效的改变。和高温热解相比，在低温加热条件下，有机物分子有足 够时间在其最薄弱的接点处分解，重新结合为热稳定性固体，而难以进一步分解， 因此固体燃料产率增加；而挥发分产率相对减少，这是由于在较低的温度范围内， 其热解反应程度也较低，挥发分在逸出过程中有裂解，凝聚或聚合现象出现，使 表面上出现炭的沉积物导致反应减缓。 2 7 热解工艺 一个完整的热解工艺包括进料系统、反应器、回收净化系统、控制系统几个 天津大学硕士学位论文第一：章固体废弃物及其能源化利用一热解技术 部分。其中，反应部分是整个工艺的核心，热解过程就是在反应器中发生。热解 过程由于供热方式、产品状态、热解炉结构等方面的不同，热解方式也各异。按 热解的温度不同，分为高温热解、中温热解和低温热解；按供热方式分为直接加 热和间接加热：按热解的结构可分为固定床、移动床、流化床和旋转炉等。 2 7 1 按供热方式的分类 ( 1 ) 直接加热法 供给被热解物的热量是被热解物( 所处理的废物) 部分直接燃烧或者向热解 反应器提供补充燃料时所产生的热。由于燃烧需要提供氧气，因而就会产生c o 、 h 2 0 等惰性气体混在热解可燃气中，稀释了可燃气，结果降低了热解产气的热值。 如果采用空气作氧化剂，热解气体中不仅有c o 、h 2 0 ，而且含有大量的n 2 ，更 稀释了可燃气，使热解气的热值大大降低。 直接加热法的设备简单，可采用高温，其处理量和产气率也较高，但所产气 的热值不高，作为单一燃料还不能直接利用。 ( 2 ) 间接加热法 是将被热解的物料由直接供热介质在热解反应器( 或热解炉) 中分离开来的 一种方法。可利用干墙式导热或一种中间介质来作传热( 热砂料或熔化的某种金 属床层) 。其主要优点在于其产品的品味较高，完全可当成燃气直接燃烧利用。 2 7 2 按热解温度的分类 ( 1 ) 高温热解 热解温度一般都在1 0 0 0 * c 以上，高温热解方案采用的加热方式几乎都是直 接加热法。 ( 2 ) 中温热解 热解温度一般在6 0 0 - - 7 0 0 c 之间，主要用在比较单一的物料作能源和资源 回收的工艺上，象废轮胎、废塑料转换成类重油物质的工艺。 ( 3 ) 低温热解 热解温度一般在6 0 0 以下。 2 7 3 热解过程控制 热解过程的几个关键的参数是温度、加热率、保温时间，每个参数都直接影 响产物的混合和产量。另外，废物的成分、反应器的类型及作为氧化剂的空气供 氧程度等，都对热解反应过程产生影响。 天津人学硕士学位论文第二章周体废弃物及其能源化利用一热解技术 ( 1 ) 热解温度 反应器的关键控制变量是热解温度。热解产品的产量和成分可由控制反应器 的温度来有效地改变。 物料成分一定的条件下，热解温度是影响热解的重要因素。有关的垃圾研究 表明，不同有机质混合在一起，它们的热解过程互不干扰，是相互独立完成的1 2 0 l 。 垃圾中各可燃物的热解反应都服从热解动力学的基本方程表征规律，对不同的物 质可用1 个或多个一级反应来描述热解过程【2 ”。据研究，典型垃圾组分热解反应 是一级反应，根据质量作用定律列出单一组分垃圾热解速率方程：公式( 2 1 ) - 它的解析解为： 冀，二= _ 烈圳p ，矿。 唧一( 熹) ) r 叫 v 一某时刻垃圾热解挥发分的产生量，k g v 。一垃圾热解挥发分最大产生量，k g t 一热解物料的温度，k r 一热解进行时间，s r 一气体常数，8 3 1 4 j m o l k a 0 一频率因子，s 。1 e 一垃圾热解活化能，m o l b 一常数 对于特定的物料，活化能和频率因子是确定的，只有热解温度和热解时间为 变量，提高热解温度和缩短热解时间有利于增大热解反应速度，提高垃圾热解反 应挥发分的转化率 2 2 。在某种意义上说，物料的热解就是挥发分的热解。温度作 为热解反应中最重要的参数之一，改变温度则物料的温升和热解过程不同，从而 决定不同的固体残留物产率和气体产率。 ( 2 ) 热解加热率 热解加热率对生成产品成分比例影响较大。一般来说，在较低和较高的加热 速率下热解产品气体含量不同。而随着加热速率的增加，产品中水分及有机物液 体的含量逐渐减少。研究表明| 2 3 l ，快的加热方式会提高物料的温度，从而提高燃 气的产率，降低固体残留物和焦油的产率。 天津大学硕士学位论文第二章嘲体废弃物及其能源化利婀一热解技术 ( 3 ) 垃圾的含水率 垃圾的含水率和热分解生成量的关系为负相关。垃圾含水率大，加大了热解 的热平衡难度，需大量辅助燃料，所得的燃气量也少。 ( 4 ) 废料的保温时间 废料在反应器中的保温时间决定了物料分解转化率。为了充分利用原料中的 有机质，尽量脱出其中的挥发分，应使废料在反应器中保温时间延长。保温时间 长，热解充分，但处理量少；保温时问短，则热解不完全，但可以有较高的处理 量。 2 7 4 热解工艺实例 城市垃圾的热解技术可以根据其装置的类型分为：( 1 ) 移动床熔融炉方式( 2 ) 回转窑方式( 3 ) 流化床方式( 4 ) 多段炉方式( 5 ) f l u s hp y r o l y s i s 。其中，多段 炉主要用于含水率有机污泥的处理。流化床有单塔式和双塔式两种，其中双塔式 流化床已经达到工业化生产规模。移动床熔融炉是城市垃圾热解技术中最成熟的 方法，代表性的系统有新日铁系统、p u r o x 系统和t o r r a x 系统，下面介绍几种主 要的热解技术。 ( 1 ) 新日铁系统 该系统是将热解和熔融一体化的设备，通过控制炉温和供氧条件，使垃圾在 同一炉体内完成干燥、热解、燃烧和熔融。垃圾由投口进入炉内，为了防止空气 的混入和热解气体的泄漏，投料口采用双重密封阀结构。进入炉内的垃圾在竖式 炉内由上向下移动，通过与上升的高温气体换热，垃圾中的水分受热蒸发，逐渐 降至热解段，在控制的缺氧状态下有机物发生热解，生成可燃气和扶渣。有机物 热解产生可燃性气体导入二燃室进一步燃烧，并利用尾气的余热发电。灰渣进一 步下移进入燃烧区，灰渣中残存的热解固相产物、碳黑与从炉下部通入的空气发 生燃烧反应，其产生的热量不足以满足灰渣熔融所需温度，通过添加焦炭来提供 碳源。 天津大学硕士学位论文 第二章固体废弃物及其毹源化利用一热解技术 粉尘 图2 3新日铁方式垃圾热解熔融处理工艺流程 1 一吊车；2 一破碎机；3 一大型垃圾储槽；4 一吊车；5 一垃圾储槽；6 一投入口 7 一熔融炉；8 一热风炉；9 一鼓风机；1 0 一喷水冷却口( 或锅炉燃烧室) 1 1 一烟囱；1 2 一引风机；1 3 一电除尘器；1 4 一燃烧用鼓风机；1 5 一熔融渣槽； ( 2 ) p u r o x 系统 本法是由美国u n i o nc a r b i d ec o r p 开发的，又称u c c 。纯氧高温热分解法。 该系统的工艺流程如图2 - 4 所示。 系统也采用竖式热解炉，破碎后的垃圾从塔顶投料口进入并在炉内缓慢下 移。纯氧由炉底送入首先到达燃烧区，参与垃圾燃烧。垃圾燃烧产生的高温烟气 与向下移动的垃圾在炉体中相互作用，有机物在还原状态下发生分解。热解气向 上运动穿过上部垃圾层并使其干燥。热解残渣在炉的底部与氧气在1 6 5 0 。c 的温 度下反应，生成金属块和其它无机物熔融的玻璃体。熔融渣由炉底部连续排出， 经水冷后形成坚硬的颗粒状物质。底部燃烧产生的高温气体在炉内自下向上运 动，在热解段和干燥段提供热量后，以9 0 。c 的温度从炉顶排出。该系统突出的 优点是对垃圾不需要或只需要简单的破碎和分选加工，即可简化预处理工序。 天津人学硕士学位论文第二章矧体废弃物及其能源化利用一热解技术 气 8 图2 4垃圾热解处理的p u r o x 工艺流程图 1 一破碎机；2 一磁选机；3 一水洗塔；4 一电除尘器；5 一气体冷凝器 6 一热解炉；7 一产生装置；8 一出渣装置； ( 3 ) t o r r a x 系统 该系统的工艺流程如图2 5 所示，由气化炉、二燃室、一次空气预热器、热 回收系统和尾气净化系统构成。垃圾不经过预处理直接投入竖式气化炉中，在其 自重的作用下由上向下移动，与逆向上升的高温气体接触，完成干燥、热解过程。 在塔底部灰渣中的碳黑与从底部通入的空气发生燃烧反应，其产生的热量使无机 物熔融转化为玻璃体。垃圾干燥和热解所需的热量由炉底部通入的预热至1 0 0 0 的空气和碳黑燃烧提供。熔融残渣由炉底连续排出，经水冷后变为黑色颗粒。 热解气体导入二燃室，在1 4 0 0 。c 条件下使可燃组分和颗粒物完全燃烧，二 燃室出口气体的温度为1 1 5 0 一1 2 5 0 ，部分用于助燃空气的预热，其余通过废 热锅炉回收蒸汽。通过废热锅炉和空气预热器的尾气，再由静电除尘器处理后排 放。 天津大学硕士学位论文第一二章固体废弃物及其能源化利用一热解技术 图2 5t o r r a x 系统示意图 1 一吊车；2 一垃圾槽；3 一热解炉；4 一燃烧室：5 一余热锅炉：6 一电除尘器； 国内有关垃圾热解处理研究开展较晚，目前正处于消化吸收国外技术的起步 阶段，一些高校和研究所也作出了一些有益的探索。我们考察了中国的垃圾成分 后，设计了固定床式热解实验台，它采用的是外热式加热方式，模拟的是有温度 梯度的工业化炉热解实验装置。 天津大学硕士学位论文第三章城市生活垃圾热解实验研究 第三章城市生活垃圾热解实验研究 城市固体废弃物又称城市生活垃圾，它是与环境保护密切相关的固体废弃 物，其任意排放会污染环境和破坏环境，其处理与处置一直受到各级政府、科技 界、产业界和环境保护企业界的重视。 3 1 城市生活垃圾的特征 3 1 1 数量巨大且增长迅速，占用土地，成分复杂 随着生产力的发展与生活水平的提高，商品的消费量不断增加，更新速度不 断加快，由此导致废弃物的产生量与排放量随之加速增长。以我国为例，1 9 8 0 年我国城市垃圾的总清运量仅为3 1 3 2 万吨，到1 9 8 5 年即增长了1 倍多，达到6 3 9 5 万吨，2 0 0 0 年已超过1 5 亿吨，2 0 年问平均增长率为9 1 0 。而且受来源、季 节、生产方式、生活习惯、处理程度等多种因素的影响，固体废弃物的成分不仅 复杂，而且多变。 城市垃圾成分复杂，毒性强，危害大，严重影响城市生态环境和人体健康。 作为能量和物质循环过程的中间( 次生) 产物( 资源) ，它和矿产等天然资源不同， 在自然气候条件下，存在潜在的污染因素。化学分析表明，垃圾中含有多种有毒 有害物质、如重金属a s 、p b 、c m 、c d 、c r 、h g 、n i 、m n 等和有机化合物，如 芳香烃类、合氯有机构、聚氯联苯( p c b s ) 等。 城市垃圾中含有的大量芳香有机物和含氯有机物，在焚烧时会形成氯化二苯 并二恶英( p c d d ) 和氯化二苯并呋喃( p c d 酬1 9 1 ，是环境中p c d d 和p c d f 的主要来 源：若废物堆放，由于生物作用会产生影响全球变化的温室气体c 0 2 和c h 。以及 有毒气体h