垃圾-热解.doc

作者马润田 致 项友谦先生城市垃圾资源化-移动床和循环流化床热解工艺-清华大学 热能工程系 马润田 丁艳军摘要：本文叙述了城市垃圾资源化的意义,以及可行性。并介绍了城市垃圾热解的特点;垃圾热解的两种工艺/移动床和循环流化床热解工艺;热解原理和有关的技术参数;产生的可燃气体的成分;以及反应器结构的特点。并简单介绍了垃圾热解的辅助系统/ 气体净化; 原料预处理及控制系统的要点。所产生的可燃气体可作为居民生活燃气和工业窑炉的燃料。关键词：垃圾 热解 1. 前言 城市垃圾主要来自住宅，商店，医院，学校，企业单位及一些公共场所。其主要成分为：厨余、纸张、布屑、树木枝叶、少量金属、玻璃、塑料、陶瓷、废旧家具等。城市垃圾具有产量大、成分不稳定、分布地区广且有臭味等特点，对环境有严重影响。及时清除和妥善处理城市垃圾是建设优美、整洁和文明的现代化城市必不可少的手段;也是减轻城市污染，保障城市居民生活、工作条件和身体健康的重要措施。城市垃圾处理的目的是要达到减量化，无害化和资源化。通常经过分选（手选或技术设备分选），回收部分资源后，主要的处理方法是填埋，堆肥，焚烧和热解。以上处理方法各有优缺点,见表1。对于含有高热值可燃物（如废纸，塑料及其他有机物）的垃圾可采用热解方法进行处理，以减少二次污染并达到再生资源的充分利用,再生能源不但可以储存还可以输送.二十世纪90年代后期,国内一些大城市的垃圾成分见表2。只有垃圾中的有机物和塑料重量成分达到 70%以上,经过分选破碎等预处理后,才有可能采用热解方法进行处理。在二十世纪80年代,北京和上海垃圾中的有机物分别只有56.2%和45.2%，而到90年代后期则分别达到71.09%和93.69%（见表2注）,可见城市垃圾成分越来越趋于适于采用热解方法进行处理。表1 垃圾不同处理方法的比较处 理 方 法优 缺 点堆肥化处理成本低; 发酵过程易产生恶臭填埋处理成本低; 处理垃圾的范围广; 不易找到适于填埋的场地; 需要作特殊设计以防产生新的公害,必要时还需作填埋后的维护焚烧处理垃圾的范围广;可产生再生能源; 可达到减量化; 处理成本高; 需设置防止二次污染系统热解可产生再生能源; 可达到减量化; 处理成本高; 处理垃圾的范围窄;需设置防止二次污染系统; 再生能源不但可以储存还可以输送表 2 国内一些大城市的垃圾成分 (wt %)有 机 物无 机 物城市厨余纸张塑料橡胶纤维合计玻璃陶瓷金属砖瓦灰渣土其他合计北京39.0018.1810.353.5671.0913.022.9610.932.029.09上海70.008.0012.003.6993.694.000.122.196.31南京52.004.9011.22.2670.364.091.2820.643.0029.01重庆38.761.049.102.5551.459.030.5337.991.0048.55广州63.004.8014.106.4088.34.003.903.8011.7深圳58.007.9113.77.9987.63.201.208.0012.4摘自: 城市垃圾处理与管理对策研究 一文.（环境科学研究 Vol. 13. No. 2）注: 原表出处只说明是%, 实际应该为 wt %。且有些数值偏高。 作者 垃圾资源化过程中的二次污染物 除与通常燃料燃烧和热解时产生类似的有害气体外,还有可能产生有害气体二恶英。二恶英的生成主要有以下原因： 拉圾中原有的痕量二恶英；垃圾中含有聚氯乙烯（PCB）、氯代苯、五氯苯酚等带有氯元素的物质，当燃烧时经过分子的重新排列则生成二恶英； 燃烧时C 、H 、O 、Cl等在飞灰表面通过基元反应可以生成二恶英。除此之外，还有可能产生HCl 、SO2 等。二恶英在灰渣、飞灰和烟气中均可能存在,根据垃圾的种类不同分布的比例各异。在燃烧过程中,一般采取高温(8500C)和延长烟气的停留时间(2s)来减少二恶英的生成。而在热解过程中对上述条件均可满足，且热解部分无烟尘外排。二恶英的物理化学性质见表3。表3 二恶英的物理化学性质 名称分子量熔点 0C分解温度 0C 溶 解 度 (g/L) 化 学 稳 定 性对二氯苯氯代苯氯仿甲醇水酸碱氧化剂四氯二恶英2, 3,7,8-T4 CDD322305700 1.40.720.370.017.2/109稳定稳定强氧化剂分解八氯二恶英 O8 CDD456130700 1.831.730.56稳定有条件分解稳定 热解工艺过程原理热解技术是在无氧或缺氧条件下，高温加热有机物使其分解,其间使有机物的大分子裂解成为小分子直到变为气体（同时也可能有小分子经聚合变为大分子），从而获得可燃气体以及少量油品的技术。其过程为吸热过程。单纯热解有机物的方法一般是不被采用的。但由于垃圾分解后所剩余固体物（半焦；灰分和无机物）中的可燃物质不多，故不适于进一步气化，而作为燃料处理，从而也进一步减少了二次污染物。与煤炭热解不同，煤炭热解后所剩余的焦炭可作为原料供钢铁厂使用或进一步气化。对垃圾热解处理的方法，按装备的设置来分可有单器、双器之分。所谓单器装置实际上是热解和燃烧在一个反应器内进行,如图1所示，一般为移动床（也有流化床）。双器为循环流化床，如图2所示, 热解和燃烧在不同反应器内进行。热解方法较其他处理方法更为复杂，特别是城市垃圾成分的不稳定性，又给热解方法达到稳定生产带来了一定的困难。热解方法目前尚处于开发研究阶段。日本最大的热解反应器日处理垃圾150吨，欧美最大的热解反应器日处理垃圾也在200吨左右。但垃圾热解所回收的能量可以储存和输送。对垃圾成分的适应能力强，热值有波动时也能适应,最重要的是几乎不会造成二次污染。 移动床热解工艺如图1所示，经适当分选后的垃圾经反应器顶部的锁气阀送入器内,由于垃圾的热值低,为了在反应器内能提供足够的热解和气化所需要的热量,需在垃圾内混入适当的煤炭。物料缓慢向下移动，与上升的热气体相遇，经过预热，干燥，热解，而逐渐生成半焦，半焦与上升的烟气和水蒸汽反应后进入燃烧层，在燃烧层中将剩余的碳基本燃尽，所剩余的灰经过灰层用灰盘通过水封被送出器外。由反应器底部进入的空气和水蒸气经过灰层预热后，逐渐上升，除提供燃烧层所需要的氧气外，与燃烧层的烟气一起也作为气化层的气化剂。气化后的热气体继续上升为物料的热解提供了热源。最终混合的燃气将物料预热并干燥后从出口逸出反应器进入净化系统。单器热解工艺的特点是，热解；气化和燃烧过程在一个反应器内进行,故其气化效率和热效率低,由于在可燃气体中混有大量的氮气，其热值也不高。垃圾中加入辅助煤量的多少依赖于垃圾的处理量和成分而定。可燃气体的成分和热值也依赖垃圾的成分有较大的变动。单器热解反应器生成可燃气体的一般成分：成分N2H2COCO2CH4CnHm 热值kJ/Nm3体积 %4321 21 12 1.8 1.26500所产生的可燃气体含有焦油和其他有害物质，作为冷气体使用时,必须经过冷却净化处理;作为热气体使用时,也可以不经过冷却,直接供工业窑炉作为燃料,这就更进一步减少了造成二次污染的可能性。5. 循环流化床热解工艺见图2，该装置由热解器和燃烧器组成。热解器以蒸汽作为流化介质，燃烧器以空气作为流化介质并兼作为助燃剂。该装置以河砂为热载体，粒径约为0.11.5mm,通过输送装置和两器间适当的压差使其在两器之间进行循环。经过预处理，达到一定粒度的垃圾经供料器进入热解器，被来自燃烧器的热载体快速加热到850并迅速热解，热解气体由器顶逸出，进入后处理系统。所剩余的半焦和热载体一起经输送装置进入燃烧器。在燃烧器中,由于所供给的辅助燃料的燃烧使热载体的温度提高到1000左右，烟气由器顶逸出进入蒸发器产生蒸汽。由于燃烧器采取了较高的操作速度（一般5m/s）,部分热载体被带至气化器顶部经旋风分离器和输送装置进入热解器。如此，周而复始地热载体在两器之间构成循环。热解器连续进料，两器维持一定的料层高度，当燃烧器料层增高时由器底部放料。正是由于燃烧器需要采取较高的操作速度,如果按照正常流态化燃烧情况设计其结构,势必导致过量的空气系数，对后处理系统不利。因此，在结构设计时要考虑物料输送的因素，提升段的固体物料的重量流量与烟气的重量流量之比不能太小，最好采用密相输送。且两器之间要有足够的料封，以防两器之间蹿气。热解气可进入后续处理系统进行处理，处理后储存备用，或在热态下直接供给工业窑炉作为燃料。 在热解中物料随着停留时间的延长垃圾的转化率增加，产气量上升，而液态产物减少。由于液态产物的二次分解，会有少量的碳析出，碳又会与水蒸气发生反应，所以只要物料在热解器内有足够的停留时间，所产生半焦的量就不有所变化。由于垃圾不具有粘结性，与粘结性煤进行混合热解时，垃圾具有破粘结性作用。垃圾与煤的重量比在1.51以上时，粘结性煤几乎不出现粘结；当达到1/1时会出现少量的粘结。 垃圾可热解的一般成分如下 (wt %): 有机质(厨余、纸张、纤维) 70%； 塑料 5%； 水分 10%； 无机物 15% 原料的工业分析见表 4。循环流化床热解工艺参数和产气成分以及两器的热平衡分别见表5，表6和表7。操作速度和带出速度的选择可参考表8。 表 4 原料的工业分析 (wt %)挥发分固定碳水分灰分31.512.010.046.5 注: 统计数据表 5 循环流化床热解工艺参数和产气成分项目热解器 燃烧器 操作速度 m/s 0.3 5 物料停留时间 s 4 8 气体停留时间 s 5操作温度 850 1050 垃圾热值 kJ/kg4186.0 辅助燃料量(煤) kg/kg(垃圾) 0.088物料循环量kg/kg(垃圾) 1020 1020消耗蒸汽耗量 kg/kg(垃圾) 0.2指标空气耗量 kg/kg（垃圾） 0.484可燃气体成分V%H2COCH4C2H4热值kJ / Nm358.1%10.2%9.0%1.86%13880产气率Nm3/kg(垃圾) 0.23 6. 垃圾热解的辅助系统6.1 原料预处理系统原料预处理可采用半湿式分选系统，它设有分级的滚动筛并装有转速不同的刮板,分别由各自的传动机构带动。经过调湿的垃圾经过刮板冲击由不同的筛网筛出。该分选系统可以将90%左右的玻璃陶土和厨余分离出来，并分离出80%左右的塑料和全部的金属，以及60%左右的纸张，更软的和更硬的纸张分别随厨余和皮革或塑料薄膜分离出来。为垃圾热解创造了提供优质的原料的条件。其系统如图3所示。分选后将可热解物质经剪切和滚压破碎，使其粒度达到3-5mm，送入储槽备用。6.2 热解气体净化系统 其净化系统大体可参照煤的热解气净化系统设置，如水洗，除焦油、轻油，脱除酸性气体等.洗涤 水中可能含有HCl, 应另行处理。表6 热解器热平衡 （以热解1kg 垃圾为准） 收 入 支出项 目数 量项 目数 量垃圾潜热 kJ/kg蒸汽焓 kJ/kg载热体显热 kJ/kg合计5660.81081.712131.018873.5蒸汽焓 kJ/kg载热体显热 kJ/kg半焦显热 kJ/kg半焦潜热 kJ/kg可燃气体潜热 kJ/kg焦油潜热 kJ/kg热损失 kJ/kg合计1713.49820.4704.61201.32988.31506.5605.318539.8 误差 1.8%表7 燃烧器热平衡 （以热解1kg 垃圾为准） 收 入 支出项 目数 量项 目数 量辅助燃料潜热kJ/kg载热体显热 kJ/kg半焦潜热 kJ/kg半焦显热 kJ/kg空气焓 kJ/kg合计2026.49822.21201.6704.612.513767.3载热体显热 kJ/kg烟气焓 kJ/kg热损失 kJ/kg灰渣显热 kJ/kg合计12133.3879.2592.4160.413765.3 误差 0.01% 表8 载热体的临界流化速度和带出速度 (重度 800kg/m3)平均粒径 mm0.20.51.01.52.02.5临界流化速度 m/s 0.01020.05380.1710.2780.6710.50带出速度 m/s0.7211.83.64.685.46.06.3 热解工艺过程的控制(1)移动床热解工艺过程控制:移动床热解工艺过程相对比较简单,可以通过灰盘的转速控制料在热解器内的停留时间,从而使热解气满足外界负荷的变化, 但有一定的调节范围限制;由器内料位探测的信号控制锁气阀的开启频率;通过蒸汽的给入量控制反应器内的温度,鼓风温度则由混入的空气量得到调节。 (2)循环流化床热解工艺过程控制：循环流化床热解工艺过程控制实际是由热解器控制和燃烧器控制两部分组成。热解器的热解速度通过剩余半焦和热载体的输送速度得到调节，从而使热解气满足外界负荷的变化； 热解器通入的蒸汽量用以保证热解器的流化质量。 燃烧器的控制与一般流化床锅炉的控制相似， 通过添加辅助燃料控制燃烧器内的温度；通过送风控制载热体的提升量和烟气的含氧量； 由引风机控制燃烧器内的负压；由料层的高度来控制排渣次数。在实际控制系统的设计中，应充分考虑到热解器和燃烧器在运行中的相互关联性，两者是相互耦合的，比如热解器的热解速度控制必然影响到燃烧器温度的控制和料层高度的控制。7. 垃圾热解的评价 与堆肥, 填埋, 焚烧等方法相比, 热解法具有资源回收率高, 二次污染小, 占地面积少,综合经济效益好等优点。由于所产生的气体热值较高，可燃气体可供工业或民用燃料，副产品焦油和其他有机油可以作为化工产品。所获得的再生能源可以储存和运输。我国垃圾中的纸张，木质纤维，塑料，等有机物日益增多，越来越适于采用热解进行处理。综上所述，可以看到，垃圾热解处理的前景会与日俱增。参考文献1 徐志毅. 环境保护技术和设备. 上海:上海交通大学出版社,1999. 2 李国鼎等. 固体废物处理与资源化 北京:清华大学出版社,1990. 3 周仕学. 煤与生物质热解化学. 江苏:中国矿业大学出版社,20004 马润田等. 循环流化床煤气/蒸汽联产工艺. 煤气与热力. 1996,(3).5 Ma Run-Tian & others. Analogue Calculation & Experimental Result from a Two Stage Fluidized Pyrolyzer/ Gasifier . 5th Pittsburgh Coal Conference, Proceeding, 1988 , P.1106 . 垃圾, 辅助燃料 烟气燃烧器 热解器 热解气 可燃气 预热 干燥 料 腿 热 垃圾 解 （来自预处理） 热载体气化 燃烧 蒸汽 灰层 热载体 蒸汽 蒸汽 空气 空气 图 1 移动床热解装置 图 2 循环流化床热解装置 半 湿式选择性破碎分选玻璃陶瓷分选机 厨余金属分选机木屑 橡胶 皮革塑料薄膜废纸 图 3 半湿式分选系统Exploit Urban Wastes ResourcesThermal En