（环境工程专业论文）固体废弃物的热解技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文应用可持续发展的观点，通过对固体废弃物产生的环境污染的现状分析 阐明了固体废弃物污染是困扰我国可持续发展的主要原因的观点。针对我国的实 际情况，借鉴国外先进经验，通过对各种固体废弃物处理方式的技术经济分析， 提出了采用热解技术处理固体废弃物的新思路。 本文首先对有机固体废弃物热处理机理进行了探索和研究。利用落下床辐射 炉及转炉两种不同的炉型，对污泥、药渣、纸屑、木屑及塑料开展了热解小型科 学试验。通过对炉温、停留时间、物料及能量平衡等重要技术参数对热解产生的 各类气、液、固体物的影响分析，探索出固体废弃物热解处理技术的最佳工艺流 程、技术参数，从而为工业性试验提供科学的依据。 同时，参照类似工程对一定规模的废弃物热解厂的工程投资及经济效益进行 了初步分析，为今后推广应用该项技术提供参考。 关键词：固体废弃物，热解处理，研究 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h i st e x ti s a p p l i e dt ok e e po nt h ed e v e l o p m e n t ss t a n d p o i n t e x p r e s s e dt h es o l i d w a s t i n gt op o l l u t e t op e r p l e xo u re o t m t r y i n gc a n k e e po n t h em a i na n dc a u s a ls t a n d p o i n t t h a td e v e l o pf r o mt h ep r e s e n tc o n d i t i o na n a l y s i so ft h ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n tt o p r o d u c et os o l i dw a s t e a i ma tt h eo u l - c o u n t r y + sa c t u a lc i r c u m s t a n c ea n dd r a wl e s s o n s f r o mt h ea b r o a da d v a n c e de x p e t i e n c e ，b r i n gu p p e dt h eh o ts o l u t i o nt e c h n i q u eo f a d o p t i o n t oh a n d l et h es o l i dw a s t e sn e w w a y o f t h i n k i n gp a s st h et e c h n i q u ee c o n o m y t o h a n d l ew a y t oe v e r yk i n do f s o l i dw a s t et h ea n a l y s i s t h i st e x ti n v e s t i g a t e sw i t hs t u d i e dt h ep r i n c i p l eo ft h ep y r o l y s i so ft h eo r g a n i s m s o l i dw a s t e u s e dt w od i f f e r e n tt y p e so fk i l n 、 ，i t ht h ed o w n f a l lt or a d i a t ek i l na n dt u r n k i l n w ep r o c e e d i n gs m a l lp y r o l y s i se x p e r i m e mt os l u d g e ，m e d i c i n ed r e g s ，p a p e rc h i p s ， w o o d c h i p sa n d w a s t e p l a s t i c s p a s st ot h e i n f l u e n c ea n a l y s i so f t h e t h i n go f v a r i o u sg a s ， l i q u i d ，s o l i d t h a t i m p o r t a n tt e c h n i q u ep a r a m e t e r o fb o i l e r t e m p e r a t u r e ，r e s i d e n c e t i m e ，m a t e r i a lb a l a n c ea n dt h ee n e r g ye q u i l i b r i u m f o rp y r o l y s i sp r o d u c e i n v e s t i g a t e o u t i n gh o ts o l u t i o no fs o l i dw a s t et o h a n d l et e c h n i q u eo ft h eb e s tc r o f tp r o c e s sw i t h t e c h n i q u ep a r a m e t e r t h e b e n c ht e s tc a n p r o f f e r r e f e r e n c ef o rn e x ti n d u s t r i a lt e s t a tt h es a m et i m e ，t h ea r t i c l ea n a l y s i se n g i n e e r i n ge s t i m a t ea n de c o n o m i ce f f e c tf o r p l a n to f w a s t ep y r o l y s i st h a tc a np r o f f e r r e f e r e n c ef o r a p p l yo f t h e t e c h n i c s k e y w o r d s ：s o l i dw a s t e ，p y r o l y s i s ，r e s e a r c h l i 重庆大学硕士学位论文 引言 引言 环境与发展的问题是当今世界各国关注的焦点，环境与发展的矛盾在本质上 就是人与自然的矛盾，对环境与发展关系的理解是解决环境问题的共同起点。我 国政府根据中国的国情，制定了中国2 1 世纪议程等重要文件，构筑了一个综 合性的、长期的、渐进的可持续发展战略框架和相应的对策，明确指出了建立可 持续发展的经济体系、社会体系和保持与之相适应的可持续利用的资源和环境基 础是中国走向2 1 世纪和争取美好未来的必然之路。中国作为一个发展中的大国， 同时存在着经济急需发展，人口不断增长、资源极不均衡、环境污染严重等问题。 在某种意义上，中国的发展目前面临着比任何国家、任何时候都更严峻的考验。 由于观念意识、管理体制、技术水平、经济实力等原因，固体废弃物特别是 城市生活垃圾的处理一直未能得到有效的解决，固体废弃物已逐渐成为环境的主 要污染源。我国传统的固体废弃物消纳倾倒方式是一种不负责任的污染物转移方 式，大部分固体废弃物仍呈露天集中堆放状态，对环境的即时和潜在危害极大。 固体废弃物污染将严重困扰我国的可持续发展。积极探索符合我国国情的固体废 弃物处理技术，最终实现城市固体废弃物无害化、减量化、资源化目标，既消除 固体废弃物的污染危害，又为社会创造财富，在环境、社会、经济三方面的效益 兼而有之，达到化害为利的目的。 重庆大学硕士学位论文 1 概论 1 1 我国城市固体废弃物的特点及发展趋势 城市固体废弃物是人们在生产、生活中产生的综合废弃物，只要人类存在， 就会从其活动中产生废弃物。城市系统是一个经常处于非平衡状态下的复杂有机 体，为了保证和维护城市各项活动的正常开展和人们正常生活，需要不断地向城 市输入食品、原料、商品等。这些物品经过城市生产、流通、消费等活动，除一 部分以商品形式输出外，其余部分或早或迟最终将变成废弃物。城市固体废弃物 与城市规模、人口数量、地理条件、燃料结构、生活方式与水平有较大的关系。 我国城市固体废弃物的特点是： 1 、产量增长速度快。据有关部门统计，我国城市固体废弃物清运量1 9 7 9 年 为2 5 l o 万吨，1 9 8 9 年为6 3 0 万吨，1 9 9 9 年已达到1 3 0 0 0 万吨，二十年闽垃圾产 量增长了近5 倍。年平均增长率为1 0 1 2 ，大大超过了西方国家3 的增长速度。 如按我国城市固体废弃物的清运率8 5 计算，我国城市固体废弃物人均产量为 1 5 2 o 公斤，人日。 2 、固体废弃物成分经济价值低。从总体情况来看，我国城市固体废弃物中无 机成分多于有机成分( 约为2 5 ：1 ) ，不可燃成分多于可燃成分( 约为1 5 ：1 ) ，不 可堆肥成分多于可堆肥成分( 约为4 ：1 ) 。 3 、固体废弃物成分变化较快。城市气候条件、工业发展速度、燃料结构、居 民消费习惯及水平和城市建设情况导致了固体废弃物成分波动变化无常。 4 、固体废弃物的产量和成分随季节变化波动较大。由于我国城市居民生活习 惯及食物结构的特点，一些季节性食物如瓜果、蔬菜、水产品等的消费波动，造 成固体废弃物产量和成分随季节变化较为明显。 5 、工业型的固体废弃物产量日益加大，污泥、酒稽、药渣、木糟等有机固体 废弃物成为治理的难点。 1 2 城市固体废弃物的污染及其危害 城市固体废弃物对于环境的污染比人们想象的要严重的多。城市固体废弃物 的污染物有( 1 ) 有害微生物如：病毒、致病菌、寄生虫卵、害虫等；( 2 ) 无机 污染物如：汞、铅、镉、铬、金属离子等；( 3 ) 有机污染物如：碳氢化合物、洗 涤剂、致癌物及其他形成c o d 、b o d 等耗氧性有机物质；( 4 ) 其他污染物如： 氮、磷等营养成分、放射性物质及产生色、臭的物质。这些污染物对环境带来的 危害是： 重庆大学硕士学位论文 1 、侵占大量土地：据北京市统计，仅十年时间，北京市堆放的固体废弃物 已占用市郊土地约2 万余亩，全国每年被垃圾所占用的土地面积达数十万亩之多。 2 、污染水体：固体废弃物倾到于江河、湖海中直接污染了水体。固体废弃 物露天堆放而随风漂移及垃圾渗滤液和径流也使水体受到污染。由于水体被垃圾 污染，水传染病时有发生。四川境内的岷江、沱江中上游受垃圾污染尤为严重。 3 、污染大气：城市垃圾清扫、收运和和堆放过程中未进行密封处理，使垃 圾微粒、灰尘飘散在空中，直接污染空气。固体废弃物堆放时由于厌氧发酵而产 生大量甲烷、硫化氢、氨、甲硫醇等有害气体更恶化了大气环境。 4 、污染土壤及农作物：未经处理的固体废弃物长期用于农业后，使农田土 壤“渣化”，降低了土壤的保水、保肥能力。同时，土壤中的大肠菌、寄生虫卵及重 金属明显增加，使土壤和农作物受到污染。 5 、影响城乡环境卫生：城市固体废弃物极易发酵腐化，产生恶臭，招引鼠、 虫，孽生蚊、蝇，有害城乡环境卫生，是传染性疾病的主要传播途径。 6 、有碍市容观瞻：城市的清洁文明，很大程度上与固体废弃物的收运、处 理及处置工作相关，尤其对风景名胜及旅游区，固体废弃物未进行妥善处理，其 不良影响更大。 7 、易引起其他灾害：由于城市固体废弃物处理不当，时有火灾及爆炸性灾 害发生。北京、重庆、泸州等地先后发生了垃圾填埋场因沼气处理不当而爆炸起 火，给国家和人民生命财产带来严重损失。 1 3 固体废弃物处理的基本方法及比较 城市固体废弃物处理的实质就是改变原固体废弃物的物理、化学性质及减少 固体废弃物数量的过程。固体废弃物处置则是在环境容量允许的条件下，使固体 废弃物长期置于一定空间位置的过程。实现固体废弃物处理的意义在于使固体废 弃物从产生、收集、运输、处理到回收利用都衔接配套，从而保证城市固体废弃 物迅速清运并得以妥善解决、处置和合理利用。其最终目标是实现城市固体废弃 物无害化、减量化、资源化，既消除固体废弃物的污染危害，又为社会创造财富， 在环境、社会、经济三方面的效益兼而有之，达到化害为利的目的。 固体废弃物处理方法按性质分为物理法、化学法及生物法三大类，对经济和 技术不发达的国家来讲，主要采用卫生填埋、焚烧发电及高温堆肥三种方式。选 择固体废弃物处理工艺主要取决于：技术可靠程度；处理费用承受能力；环境污 染的危险性；资源化价值及国家产业政策。表1 1 是固体废弃物卫生填埋、高温堆 肥、焚烧三种基本处理方法的概括比较。 重庆大学硕士学位论文 表1 1三种固体废弃物处理方法比较 t a b l e l 1t h em e t h o d sc o m p a r i s o no f h a n d l i n go f t h r e ek i n d so f s o l i dw a s t e s e s 处理方法 项目 卫生填埋焚烧高温堆肥 技术可靠性可靠，有一定要求可靠，但技术难度较高可靠，国内有一定经验 操作安全性注意防火好好 较困难，要考虑地理条较易，需避开住宅密集 容易，可靠近市区建 件，防f e 水体污染，一区，气味影响半径小于 选址设，运输距离可小于1 0 般远离市区，运输距离2 0 0 米，运输距离1 0 千米。 大于2 0 千米。2 0 千米。 占地面积大小中等 适用范围广，对垃圾成要求垃圾热值大于垃圾中生物可降解有 适用条件 分无严格要求。4 0 0 0 千焦，公斤机物含量大于4 0 占初始最的1 0 2 0 的占初始量的2 5 3 5 的 最终处置无 残渣需作处置非堆肥物需作处置 同收沼气可作为发电热能或电能易为社会 产品市场需落实肥料市场。 利用。使用 能源化意义部分有较大无 填埋并重新植被后的垃圾分选可回收部分垃圾分选可回收部分 资源利用 土地有利用价值。物质物质 地面水污染有可能有可能无 地下水污染有可能无无 大气污染有一定气味烟气需严格处理有轻微气味 土壤污染有可能无需控制重金属含量 管理水平较高最高较高 单位投资4 1 0 元吨6 0 9 0 元吨l o b l 5 元吨 处理成本4 8 元，吨5 0 6 0 元，吨1 2 1 8 元，吨 注：单位投资额按处理场折旧期限内的垃圾处理量总计 1 4 我国城市固体废弃物的管理和处理中存在的问题 随着我国经济建设的迅速发展，城市固体废弃物对环境的污染也日趋严重， 尽管各有关部门采取了一些措施和办法，但仍存在较多问题，这些问题如在短期 内得不到解决，将直接影响我国国民经济的可持续发展。 4 重庆大学硕士学位论文 1 、管理体制不合理 现有的固体废弃物收运及处理的管理体制不合理。固体废弃物管理一直被作 为社会公益事业由政府一家包揽，环卫部门既是监督机构，又是管理部门和执行 单位，政企合一。市容环境卫生管理队伍庞杂，多层次而不集中，有问题互相扯 皮。这种体制不能形成有效的监督和竞争机制，制约着固体废弃物管理的发展。 2 、法规不健全，全民环卫意识不高 尽管我国已颁布了固体废弃物污染环境防止法、城市市容和环境卫生 管理条例等有关法规，一些地方和部门也制定了相应的政策和规定。但是由于 缺乏相应实施缅则，可操作性差。加之，目前我国公民的环卫意识不高，垃圾乱 堆乱放，环卫设施不断遭到破坏，歧视环卫工人的事件时有发生。 3 、环卫资金严重缺乏 由于管理体制的关系，城市固体废弃物处理的经费来源于国家和地方的财政 拨款。随着固体废弃物产生量的增加和环境保护要求的提高，政府财政的包袱越 来越重，资金缺口越来越大。目前几乎绝大部分城市的环卫资金仅够维持环卫部 门的正常工资开销。而公众和社会则袖手旁观，甚至指责政府没有解决好固体废 弃物问题。其根本原因在于缺乏相应的经济手段和固体废弃物收费制度，没有使 社会和公众认识到固体废弃物问题与自己息息相关。 4 、固体废弃物处理技术落后，与国外水平差距较大 目前，我国在城市固体废弃物处理技术方面还处于起步阶段。从“七五”开始有 关部门才把固体废弃物处理技术正式列入国家科技攻关项目，近十年来，陆续建 成了杭州天子岭垃圾填埋场、无锡垃圾堆肥厂、广州大田山垃圾填埋场、上海老 港垃圾填埋场、深圳垃圾焚烧发电厂、深圳大坪垃圾填埋场等一批示范性工程。 由于科研经费不足、科技人员缺乏、所以在一些垃圾处理关键技术上还未取得重 大突破，如：城市垃圾收运系统、垃圾填埋渗滤液的处理、垃圾分类筛选技术、 机械化快速堆肥技术、高水分低热值垃圾的焚烧技术等。从总体水平上看，我国 在垃圾处理方面的技术水平至少落后国外先进水平2 0 年以上。 5 、固体废弃物的收运和处理系统缺乏与城市总体规划同步的专业规划 固体废弃物是城市的产物，而目前固体废弃物的收运和处理系统恰恰缺乏与 城市总体规划同步的专业规划，在真正实施固体废弃物收运或处理工程时，既缺 乏科学合理的技术路线和系统布局，有缺乏工程建设的选址条件和相关对策。有 些城市甚至连垃圾箱的位置都找不到，只好沿街摆放，严重影响市容市貌。 1 5 解决我国城市固体废弃物处理问题的对策 环境与经济发展的关系是相互依赖的，要消除目前的障碍解决环境与发展的 重庆大学硕士学位论文1 概论 矛盾，必须协调对环境与发展关系的认识。环境对于经济发展具有推动和约束的 双重作用，它为经济发展提供资源和废弃物承受和消化的场所。而环境对经济的 制约作用主要表现在由于资源的不合理利用产生生态破坏和环境污染，使社会遭 受重大经济损失。经济的发展既可破坏环境又能保护和改善环境，只顾限前利益 的经济发展往往忽视环境保护，造成环境污染，反过来又限制经济的发展，只有 可持续的经济发展，合理利用自然资源，减少破坏程度，创造良性循环的人工环 境。经济的发展又为治理环境提供必要的资金和技术条件。 国务院环境保护委员会第四次会议指出：“从发展趋势看，城市垃圾将是我们 面临的一个重要问题，要对城市垃圾和粪便的出路问题进行认真调查研究，寻找 一些符合我国具体情况的处理新途径。”如何有效地控制、利用和处理垃圾，不仅 关系到我国经济的可持续发展，而且是人类在2 1 世纪共同面临的挑战。根据发达 国家的垃圾治理经验和我国的垃圾治理现状，用系统工程的思路、可持续发展的 观点，提出解决我国城市生活垃圾问题的有效途径。 l 、全社会应高度重视城市垃圾问题 解决好城市固体废弃物问题，是建设清洁、优美、文明的现代化城市，保护 人民基本生活环境的重要条件，对于促进经济、社会发展，保证健康都具有重要 意义。社会和公众应该认识到：我们既是固体废弃物的直接“制造者”，又是固体废 弃物污染的直接受害者，因此，垃圾问题是个社会化的问题。它不仅与物质利 用和生产活动有关，也与社会组织、生活习惯咀及消费行为等密切相关。全社会 应高度重视城市固体废弃物闯题，把控制固体废弃物污染作为自己的义不容辞责 任。 2 、城市固体废弃物管理的唯一出路一产业化 在市场经济的条件下，现行的环境卫生管理体制根本无法改变城市固体废弃 物管理的困境。城市固体废弃物治理绝非“公益、福利”性质的政府行为。城市固体 废弃物管理产业化是彻底解决固体废弃物问题唯一出路。 实现城市固体废弃物管理产业化实际上就是把固体废弃物管理从政府行为变 为企业行为。政府部门根据实际情况制定行业法规、政策，对固体废弃物产业的 行为实施监督，而专业的固体废弃物管理公司则负责固体废弃物的清扫、收集、 储运、处理等工程建设和运营管理。固体废弃物管理公司通过合理的社会收费、 资源回收、相关产品销售等市场行为取得经济效益。 3 、固体废弃物管理政策化、法制化是解决固体废弃物问题的重要保证 固体废弃物资源化利用，虽然具有极其重要的环境生态效益，但如果完全由 企业判断是否利用固体废弃物资源，必须是当利用固体废弃物资源比利用新资源 能给企业带来更多利润时才能实现。然而由于技术、经济和社会等方面因素的影 6 重庆大学硕十学位论文1 概论 响，使再生资源利用受到原生资源丌采利用的竞争，常常使企业难以作出利用再 生资源的选择。因此要实现固体废弃物管理产业化，保证固体废弃物资源化的利 用，一方面必须制定相关法规，运用法律的强制手段，规范人们对资源的开发、 节省、回收与利用。另一方面出台相关的产业政策，扶持固体废弃物管理产业， 如合理的收费标准、减免税、低息贷款、电能优先上网、设立专项研究基金等。 通过这些措施，使固体废弃物管理产业逐步走向良性循环的轨道。 4 、制定科学、合理的城市环境卫生专业规划 城市环境卫生规划是城市建设总体规划的重要组成部分，各地应在调查研究、 科学论证的基础上，因地制宜地对城市固体废弃物的收运、处理、消纳等环节全 面规划，并纳入城市总体规划，以便分期逐步实施。规划的关键城市固体废弃物 清运系统的优化及环卫用地的选择。目前，我国城市固体废弃物的清运环节还非 常的原始和落后，机械化程度低、作业环境恶劣、中转条件差、从某种程度上讲， 目前的清运系统实际上是把分散污染变成了集中污染。而且清运环节耗资巨大， 由政府下拨的环卫经费大约3 5 被消耗到了清运环节上。因此，通过改变城市能源 结构、加大城市绿化面积、发展蔬菜加工业，实行净菜入城、提倡居民分类倾倒 垃圾、加大废旧物质的回收，从源头减少城市固体废弃物的产量。利用系统工程 原理，结合城市建设发展，本着经济、方便、安全、卫生的原则，对城市固体废 弃物的清扫技术、分类收集方式、垃圾收集点的分布、固体废弃物中转站的选址、 无机固体废弃物的压缩、运输线路的安排进行优化和布置，为固体废弃物的最终 处置创造条件。 5 、实施固体废弃物综合处理的系统工程是解决我国城市固体废弃物问题的最 佳选择 城市固体废弃物的收运和处理技术是解决城市固体废弃物污染的关键，我国 城市固体废弃物的产量波动性、成分多元性决定了我国城市固体废弃物处理必须 走综合处理的技术路线。即通过各种处理技术的合理组合，完成对城市固体废弃 物的无害化、资源化、减量化处理。 ( 1 ) 系统的技术关键是固体废弃物的分选。由于城市固体废弃物的复杂性， 真正实现固体废弃物的分类筛选是比较困难的，我国从“七五”开始研s j j n 体废弃物 分选技术和设备，先后开发出重力式、磁力式、水力式、滚筒式、破碎组合式等 分选设备。从使用效果看，都存在一定的技术问题，大部分设备需人工辅助再次 手选。因此，在 继续研制分选设备的同时，应加强固体废弃物源头的分类收集工作。 ( 2 ) 固体废弃物焚烧处理是所有处理方式中资源化、无害化及减量化较好的 方式，但这种方式投资大、技术要求高、特别是有发电功能的焚烧工艺，要求固 重庆大学硕士学位论文 体废弃物的低位热值大于4 0 0 0 千焦千克，经济处理规模4 0 0 吨日。因此，这种 方式一般适用于大城市。中小城市及医院、宾馆、外国驻华机构、机场、车站等 产生的特种垃圾可采用固定床非热能回收的焚烧方式处理。固体废弃物焚烧处理 过程中尤其要注意烟气的净化，以免造成空气污染。 ( 3 ) 固体废弃物堆肥处理是发展中国家，特别是以农业为主的地区普遍采用 的种较好的方式。堆肥处理分好氧堆肥和厌氧堆肥，好氧堆肥周期短，占地少， 高温杀菌效果好，但能耗高或处理费用稍高；而厌氧堆肥分解彻底、能耗低、产 生的沼气可再利用，但处理周期较长，占地较大。目前，我国普遍采用好氧堆肥 技术，其中立仓式高温三阶段好氧堆肥技术和滚筒式二阶段高温机械堆肥技术已 基本成熟。固体废弃物堆肥处理在较长时期是我国中小城市垃圾处理的重要方式。 ( 4 ) 卫生填埋是固体废弃物处理的最终手段。与其他处理方式比较，卫生填 埋能够以较低的费用处理大量的固体废弃物。就是采用其他处理技术，也还留有 大量不可燃烧、不可堆肥的无机固体废弃物和灰渣需要采用卫生填埋来作最终处 置。然而，卫生填埋也面临选址困难、沼气回收、蚊蝇控制、植被恢复、垃圾渗 滤液污染等问题，必须引起高度重视。特别是垃圾渗滤液的处理，虽经多年研究， 目前还没有最为有效、经济的处理手段。最新的研究表明，对新填埋场产生的渗 滤液采用厌氧生物处理效果较好，而对老填埋场产生的渗滤液则宜用物理化学法 处理。 研究和总结发达国家以及我国在处理固体废弃物问题过程中的经验，可以看 出固体废弃物问题是一个社会化的问题，它不仅与物质利用和生产活动有关，也 与社会组织、生活习惯以及消费行为等密切相关，因此，固体废弃物问题的解决 不可能只靠一项技术或某凡项工程，也不是单纯由环卫部门进行清扫、收集和消 纳就可以实现的。必须实施由社会各方面参与的系统工程，运用法律、政策、教 育、信息、企业活动和工程技术等多种手段，实现城市固体废弃物管理的“八化”， 即“责任社会化、管理产业化、制度法制化、源头减量化、收运分类化、处理资源 化、方式综合化、最终无害化”。 重庆火学硕士学位论文2 有机崮体废弃物热解处理的现状和发展 2 有机固体废弃物热解处理的现状和发展 尽管在上世纪二十年代，煤的热解机理已经比较成熟，工业实施已获得成功， 但将热解技术应用到固体废弃物的处置上，还是上世纪六十年代的事情。当时， 欧洲各国都在研究焚烧法对垃圾进行最终的处理，而美国的有关科学工作者却在 探索一种比焚烧过程对环境更为安全，并能回收能源的垃圾处理方式一热解法， 并且在6 0 7 0 年代使用得到大大发展，如美国联合碳化物公司、东方石油公司、 m o n s a n t o 公司、t o r r a x 公司等都各自研究发展了一套各有特色得热解系统，并相 继在美国各地投入使用。但是有些系统由于一些技术实施得失误，如分选系统不 完善，耗用在无机物脱水上的热能过大等原因，使得能源回收率大大下降，有些 热解厂，如巴尔第摩( b o l t i m o r e ) 热解示范厂，由于达不到设计指标而转向焚烧， 全美垃圾处置的重点也转向焚烧。与此同时，欧洲一些国家和日本的有识之士却 意识到焚烧法处理垃圾的不利因素，转而加强了对热解技术的研究。特别是德国 的斯图加特大学、汉堡大学、柏林工程大学以及法兰克福市清扫局、西柏林市清 扫局等率先投入固体废弃物热解处理的研究。汉堡大学研究的轮胎流化床处理技 术已经商业化。巴高克公司研究的转炉热解系统也已投入工业使用。七十年代初， 表2 1垃圾热解的主要工艺参数及炉型概况表 、解热方法外热式 一啦 落下床单塔流闪式分 转炉法 项目移动床法循环法辐射法化床法解法 入 粒度( 毫米) 1 5 0 o 3 0 0 1 5 0 1 0 5 0 0f o 5 炉 含水率( ) 5 0 02 0 o3 0 o 2 0 0 0 工 处理量( 吨，、时) 8 oo 68 5 1 5 艺 滞留时间( 小时) 1 5 00 0 7o 7 o 3o 0 3 参 数 分解温度( 度) 9 0 0 07 5 08 0 0 08 0 06 0 0 0 7 0 0 炉热解炉长( 米)9 01 1 02 5 0 4 03 5 型 南径( 米) 6 5 x 4 512 5o 5 参 燃烧炉长( 米) 1 71 0 数 直径( 米)13 9 重庆大学硕士学位论文2 有机固体废弃物热解处理的现状和发展 日本引进西德、丹麦、美国的热解技术，以传统的思想、新的姿态积极投入热解 研究，在吸取了国际上成功与失败的经验基础上，日本工技院荏原制作所、日立 制作所、月岛制作所、新日铁、日立造船、山崎重工业等大公司，也都研制出了 别具一格的固体废弃物热解气化装置、低温转炉热解装置。我国仅从叫二、五”开始， 才对固体有机废弃物热解技术进行系统研究，除我院外，还有同济大学、重庆大 学在进行类似的热解气化研究，但还无工业性装置投入运行。可以认为国际上， 固体有机废弃物热解处理技术已进入工业化阶段并逐步更新换代，而我国还停留 地探试与小试等技术贮备阶段。目前国际上固体废弃物热解的主要工艺参数及炉 型概况如表2 ，1 所示。 重庆入学硕士学位论文3 热解机理探讨 3 热解机理探讨 对于城市有机固体废弃物除橡胶，塑料为高分子聚合化物外，其它成分主碳 水化合物和粗纤维。相对于煤炭来说，它是一种非常杂乱的松散结构，具有比煤 炭更多的长侧链易断键，因而其热解的反应活性在较低温度时就可显示出来。 热解过程是一个复杂的同时发生的、连续的化学反应过程。在反应中包含着 复杂的有机物断键、异构化等化学反应。在热解中，其中间产物存在二种变化趋 向。它们一方面由大分子变成小分子直至气体的裂解过程，而另一方面又由小分 子聚合成较大分子的聚合过程。 可以认为：分解是从脱水开始的，其次是脱甲基。生成水和架桥部分的分解 次甲基链进行反应： a 一+ w o 生 。 + h 2 0 + 0 - + c h 2 一+ h 2 0 垒c 口+ 2 h2 c h 4 c h 2 一+ 一口一l c 口+ h2 温度再高时，前述生成的芳环化合物再进行裂解、脱氢、缩合、氢化等反应 重庆大学硕士学位论文3 热解机理探讨 私。 2 ! 3 + h ， v 。 j 十“ nn 阶 妙“+ 。= 。+ 。”。v v + 2 “2 “+ 一。一+ c “。 “一0 + 呲 ”一 + h e r 1 ( 4 ) 上述反应，没有十分明显的阶段性，许多反应是交叉进行的，这与煤的热解， 有许多相似之处，所不同的是：城市固体废弃物中，橡胶、塑料中氢元素相对较 多，氧元素较少，因而其热解产品中，油类较多，气体热值较高，而其它废弃物 则氧化素较多，氢元素相对较少，气体热值也就相应的低。 1 2 重庆大学硕士学位论文4 有机固体废弃物热解探试工作 4 有机固体废弃物热解探试工作 在广泛收集、消化国内外有关技术资料的基础上，经过认真分析、比较，我 们选择了落下床快速热解炉和转炉作为试验的基本炉型，并在大连理工大学进行 了落下床快速热解炉的探试。 4 1 试验工艺流程及试验装置概况 试验的工艺流程简图如图4 1 所示： 图4 1 探试工艺流程简图 c h a r t4 1p r o c e s sf l o wd i a g r a mo ft e n t a t i v e e x p e r i m e n t 辐射热解炉炉管由不锈钢制成，长1 4 7 米( 其中加热段1 3 0 米) ，管径为西3 0 2 毫米炉管下接稳定反应器，反应器与半焦夹套水冷器之间，用放料阀连接，可以 控制热半焦在反应器内的停留时间。 产生的可燃气体经常规的尘除，脱焦油、h 2 s 、n h 3 及干燥装置，进入一7 0 。c 的 冷却井，回收轻油及粗苯，最后由真空泵抽出，计量并输出。 茎窭奎堂望堂丝笙苎 ! 壹塑旦堡鏖查望垫堡塑堡工堡 4 2 实验条件 1 、实验的物料为天津纪庄子污水处理厂二沉污泥和四川维尼纶厂二沉污泥 ( 污泥成分见后表5 0 1 ) ，经机械脱水、自然晒干至含水量为5 ，用粉碎机粉碎 成1 毫米左右，最后加入炉内。 2 、实验温度为5 5 。c 8 5 0 。c ，每隔5 0 。c 为一个试验温度点。 3 、炉内压力基本控制在微负压。 4 3 探试结果及结论 4 3 1 探试结果及相互关系 如表4 1 、4 2 ，图4 2 、4 3 所示 表4 1 主要热解产品重要产率( 可燃基) 燃气产量 温度半焦焦油 粗苯热解水燃气 ( n r n 。t ) 5 5 02 2 6 62 6 5 03 6 6l o 6 04 3 0 33 4 1 o 6 0 01 4 1 52 i 5 2 4 3 01 1 5 84 7 6 84 1 0 o 6 5 01 4 9 4 2 1 6 86 1 06 6 15 4 8 06 3 0 0 7 0 01 1 9 51 9 3 65 0 5 6 2 25 9 3 26 5 8 0 7 5 01 1 3 31 2 6 2 7 0 65 8 45 7 6 47 2 2 0 8 0 04 9 3 9 9 94 1 82 4 87 8 9 99 0 1 0 8 5 0 7 2 2| 1 1 4o 81 0 0 4 41 2 2 5 0 注：可燃基就是将物料中的水分，灰分扣出后，其它各组分的重量百分比。 表4 2 气体成分分析表 体积组成( ) 热值 n 2c h 6 c o c 0 2c 2 h 4c 2 h 6c 3 h 6 c 3 h sc n h mh 2 k j ，n m 5 5 0 1 0 21 7 13 3 11 5 28 65 - 8 9o _ 3 l1 2 97 1 41 2 43 1 0 5 7 6 0 09 5 21 7 52 8 81 4 99 3 25 4 0o _ 3 01 0 75 5 33 6 72 9 6 9 1 6 5 08 4 4】5 ，8 2 1 3 1 2 11 0 。23 。5 40 3 31 。9 22 6 42 3 9 6 4 7 0 0 1 1 9 2 1 9 2 7 41 2 48 4 92 ，0 60 4 10 4 70 7 81 4 2 2 2 5 3 8 7 5 04 7 82 0 22 7 71 696 8 41 8 90 2 9o _ 3 00 2 32 6 9 2 1 4 6 8 8 0 05 6 72 0 92 8 71 045 3 90 9 5o 1 6，4 l ，02 1 4 4 0 8 5 0 8 9 89 7 74 1 92 1 9o 5 1，3 6 7 1 4 1 5 8 1 4 重庆大学硕士学位论文 4 有机固体废弃物热解探试工作 图42 主要热解产品重要产率随温度变化图 c h a r t4 2 v a r i 拓t ou n i tp r o d u e t i v oo u t p u to f p y r o l y z a t ew i t ht e m p e r o j m r e 图4 3 气体成分体积比随温度变化图 c h a r t 4 ，3 i r i t ct 0g e o mc o m p o n o n tw i t ht e m p m m t u r e 4 3 2 探试结论 从上述试验结果可以看出： l 、热解可以使污泥大大减容化，并转化成有用的能源和其它化工产品。 2 、污泥热解产品的组成和煤的快速热解产品的组成有着相同的规律，较低 的热解温度可以得到较少的燃气和较多的液体产品，而高温热解时，可以得到较 多燃气和较少的液体产品。 重庆人学硕士学位论文4 有机同体废弃物热解探试工作 3 、根据快速热分解原理而设计的落下床辐射分解炉，对有机固体废弃物具 有分解快，转化深度大，析出产品的碳氢值高等优点，体现了裂解占主要地位， 热解后的固体残渣挥发分含量低，反应活性高，结构新颖，这对于有机固体废弃 物的进一步转化和利用具有经济价值和实用价值。 4 、落下床辐射炉的弱点是：入炉物料要求较高，粒度小于1 毫米，水分小 于1 0 ，这对于绝大多数有机固全废弃物来说是非常困难的，如污泥，药渣等含 水率高达7 0 8 0 ，如要强制烘干脱水，则系统内部能量难以平衡。加上要求将 物业粒径粉碎至1 毫米以下，这就会带来加长工艺流程和提高运行费用的问题。 为克服落下床辐射炉的缺点，在认真总结探试经验的基础上，我们又建成一 套0 _ 2 千克，j 、时的转炉小试装置，并正式进行小试工作。 1 6 重庆大学硕士学位论文 5 有机固体废弃物热解小试 有机固体废弃物热解小试 5 1 试验流程及方法 5 1 1 试验设备 试验设备包括干燥设备、粉碎设备、进料系统、回化净化系统及控制系统。 其中的主体漫各热解转炉炉管氏1 2 米、管径为m 1 0 0 8 毫米，通过硅碳棒进 行加热，温度由可控硅电压调节器控制。进度速度和炉管转速通过一个无级调速 电机进行控制。炉管尾部接反应器，反应器与排渣水夹套之间设有闸门，可以控 制热半焦在反应器内的停留时间。反应器上部有气体出口并与除尘器相连气体经 除尘器后进入净化系统。 其他监测设备还包括真空泵、转子流量计、热值仪、气相色谱仪、实验天平 等。 5 1 2 试验工艺流程 被干燥和粉碎后的物料通过螺旋给料器加入炉内。给料器的最大进料粒度为1 厘米。物料在转炉内被迅速加热，迸一步的干燥脱水、脱甲基。生成水和架桥部分 的分解次甲基链进行反应。在转炉尾部的反应器，物料在高温下将生成的芳环化 合物再进行裂解、脱氢、缩合、氢化等反应。热解后产生的可燃气体从尾部上方 排出，经过脱焦油，脱硫、脱水干燥，最后气体通过计量后由真空泵抽出并燃烧 排放。图5l 为设备及流程简图。 图5 1 转炉设备及流程筒图 c h a r t5 1p l a n ta n dt e e l m o l o g i c a lp r o c e s s 1 7 重庆大学硕士学位论文 5 有机固体废弃物热解小试 5 2 试验物料及试验条件 5 2 1 物料种类 本试验采用了五种固体废弃物： 1 、污泥一天津纪庄子污水处理厂二沉池污泥。 2 、药渣一四川制药厂四环素、青霉素、麦迪霉、洁霉素混合药渣。 3 、木屑一成都木材综合加工厂混合木屑。 4 、纸屑一一般办公、生活废纸。 5 、塑料一聚乙烯塑料。 5 2 2 试验条件 1 、温度：从5 0 0 7 5 0 、每隔5 0 为一个试验温度点。 2 、压力：微正压仕5 m m h 2 0 ) 。 3 、试验操作要点： 每次试验物料均在烘至水分小于1 0 。进料速度约2 0 0 克，j 、时，每次运行小 时1 1 5 小时，操作稳定后开始取气样分析，每个温度点做两次试验每次试验取 样分析2 3 次。各组数误差不得超过5 ，然后取平均值计算。一次试验结束， 将全过程的焦油、水份、焦渣收集分析。 5 2 3 分析方法及分析仪器 原料及半焦的工业分析采用煤质化验国家标准所规定的方法。元素分析 使用河南鹤壁仪表厂生产的碳氢元素分析仪分析。 燃气成分分析采用四川分析仪器厂生产的s c 一4 气相色谱仪。焦油、热解水测定采 用炼焦化学产品检验方法规定的方法。 5 3 试验结果及讨论 5 3 1 物料的特性 借鉴煤的分析方法，对污沉，药渣、木屑、纸屑进了工业分析和元素分析 并用红外光谱方法进行了污泥基团的定性分析。 各种物料的工业分析及元素分析结果如表5 1 所示： 表5 1 工业分析及元素分析 工业分析元素分析 w f a gv g v rq c rh rn r o r 污泥8 5 44 0 3 84 8 9 l8 2 0 41 3 6 4 05 0 4 77 0 17 4 43 5 0 8 药渣2 6 41 2 0 58 0 0 39 1 0 01 9 9 2 05 0 5 57 1 35 8 83 6 6 8 木屑1 8 71 1 2 8 3 1 5 8 4 0 92 0 8 8 25 2 o o6 _ 3o 1 04 0 5 0 纸屑 7 9 41 1 9 67 9 3 89 0 1 6 1 7 4 3 0 4 4 7 05 9 04 9 4 0 重庆大学硕士学位论文5 有机固体废弃物热解小试 利用食品化学分析中常用的溶剂萃取分析法，测定了污泥中蛋白质、乙 醚抽提物( 油脂) 及纤维索含量。等族组成情况如表5 ，2 所示： 表5 2 污泥族组成情况 t a b l e 5 2c o m p o s i t i o no f s l u d g eg r o u p 项目蛋白质 乙醚抽提物( 油脂) 粗纤维台计 数量 1 7 0 6 3 5 0 4 0 2 2 45 8 将污泥粉未与溴化钾粉混合压片，在红外光谱仪上测吸收谱带特征，发现污 泥中的基团结构非常复杂，主要有如下宫能团：一n h z 一、一o h ，五取代苯环。 c o 、c = c 、c h 3 - - v c = o 、c h 3 o 坷等。这个结论与族组分析是一致的。 药渣是制药厂以粮食( 玉米、大小麦) 为原料生产各种种抗生素后的残渣， 它也主要由蛋白质、淀粉质及纤索等组成，在许多方面与生活污水处理厂的污泥 类似。 木屑、纸屑主要是由纤维素和木质素组成。 从以上四种物质的工业分析来看：药渣、木屑、纸屑的挥发份和热值比褐煤 还高。污泥则接近于泥炭。 5 _ 3 2 热解条件对产品的影响： 1 、停留( 保温) 时间： 为了充分利用原料中的有机质，尽量脱出其中的挥发份。物料在反应器内的 停留( 保温) 时间是非常重要的因素。图52 为污泥在6 0 0 c 和8 0 0 时热解焦渣残 留挥发份，有机质转化率随保温时间变化的曲线。 图5 2 污泥半焦挥发份随停留时间变化图 c h a r t5 2 c h a n g eo f c a r b o c o a lv o l a t i l ei n g t g d i e n t sw i t hr e s i d e n c et i m e 1 9 重庆大学硕+ 学位论文5 有机固体废弃物热解小试 从此图可以看出：随着保温时间延长，焦渣中残留挥发份逐渐降低，但6 0 0 和8 0 0 条件下降低情况不同。在6 0 0 时，随保温时间延长，半焦挥发分迅速降 低，大约在3 分钟左右曲线趋于平缓。而8 0 0 时，半焦挥发份随保温时间延长而 较均匀、缓慢的下降，直至8 分钟左右才趋平缓。这个差别是由于在不同温度下， 污泥有机质热解的热力学和动力学性质不同。在低温时，主要是低活化能和高反 应速度常数的反应发生，热解反应速度较快，物料在炉内的移动过程中可以挥发 物的绝大部分已挥发，故在保温期的析出量相对减小。在高温时，热解过程属于 高活化能反应，如脱氢缩聚反应，这些反应的速度相对较低所以，需要较长的反 应保温时间才能达到平衡。根据上述情况，本试验的停留保瘟时间选为1 0 分钟， 以确保高温下热解反应的充分进行。 2 、炉管转速： 在炉温6 0 0 时，对木屑进行三种不同转速的试验，结果如表5 3 所示： 表5 3 炉管转速对热