熱裂解技術(shù)在固廢處置中的應(yīng)用

楊 健

(海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津 300457)

1 固體廢棄物

1.1 固體廢棄物的產(chǎn)生

固體廢棄物是指人類生產(chǎn)、生活過(guò)程中產(chǎn)生的固態(tài)廢物質(zhì)，俗稱“垃圾”。通常包括城市生活廢棄物、工業(yè)廢棄物和農(nóng)業(yè)廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2017年全年產(chǎn)生固體廢棄物已經(jīng)超過(guò)100億t，歷年堆存的工業(yè)固廢已近700億t。固體廢棄物的危害極大，首先是浪費(fèi)資源。固體廢棄物的存放需要大量土地，造成土地資源浪費(fèi)，同時(shí)，在存放的過(guò)程中對(duì)土地造成嚴(yán)重污染。其次是破壞生態(tài)環(huán)境。在固廢倒運(yùn)、存放及排放過(guò)程中，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，甚至影響到動(dòng)植物的生存。

1.2 固廢的處理方法

目前，固體廢棄物有多種處理方式，如焚燒法、熱裂解法、填埋法等。上述方法中，焚燒法和填埋法是處理固廢的常用方法，但危害較大，在處理過(guò)程中對(duì)空氣、土壤均可造成嚴(yán)重破壞。熱裂解法是比較環(huán)保的方法，在不污染環(huán)境的前提下，可將殘?jiān)行Ю谩?/p>

2 熱裂解

2.1 熱裂解工藝

熱裂解是指物質(zhì)在加熱過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成可燃?xì)怏w、可燃油等物質(zhì)。

熱裂解的反應(yīng)過(guò)程主要分為3個(gè)階段，分別是干燥階段、干餾階段和氣體生成階段。在干燥階段，溫度通常在200℃左右，在溫度升高的過(guò)程中，對(duì)物料進(jìn)行烘干，使其水分揮發(fā)。在干餾階段，溫度通常為200～500℃。在此過(guò)程中，物料發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，大分子裂變成為小分子，生成了含碳化合物。在氣體生成階段，上述產(chǎn)物經(jīng)過(guò)高溫發(fā)生二次裂變，生成了氫氣、一氧化碳、甲烷等氣體。

2.2 熱裂解設(shè)備

熱裂解需要在專業(yè)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備主要分為進(jìn)料系統(tǒng)、一次燃燒室、二次燃燒室、除塵系統(tǒng)及預(yù)熱回收系統(tǒng)等。進(jìn)料系統(tǒng)是將物料進(jìn)行處理后，送入一次燃燒室，進(jìn)料系統(tǒng)屬于機(jī)械外配套設(shè)備，起到物料擠壓傳輸作用。一次燃燒室是熱裂解設(shè)備的核心工藝區(qū)域，物料在高溫、缺氧的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)生成有機(jī)氣體，這些氣體將轉(zhuǎn)入二次燃燒室，在此過(guò)程中，氣體經(jīng)過(guò)干燥處理。留存在一次燃燒室內(nèi)的固體物質(zhì)經(jīng)過(guò)工藝處理，與輸送入內(nèi)的氧氣進(jìn)行燃燒，生成殘留物。二次燃燒室的溫度、時(shí)間可以調(diào)整，經(jīng)過(guò)合理的生產(chǎn)工藝，得到所需產(chǎn)物。

2.3 熱裂解影響因素

在熱裂解過(guò)程中，溫度、時(shí)間及壓強(qiáng)會(huì)對(duì)其結(jié)果造成一定影響。溫度是熱裂解的關(guān)鍵參數(shù)，溫度不同將會(huì)使熱裂解的產(chǎn)物不同。研究表明，溫度在800～900℃時(shí)，有利于熱解進(jìn)行，更易產(chǎn)生碳?xì)錃饣?，并減少殘?jiān)俊３郎囟韧?，物料停留時(shí)間對(duì)物料分解產(chǎn)生影響。反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，有機(jī)物分解越充分。相反，反應(yīng)時(shí)間越短，分解不充分。在廢舊輪胎的熱裂解處理過(guò)程中，如果載氣流速一定，反應(yīng)時(shí)間縮短的話，將使物料殘?jiān)龆唷?/p>

2.4 熱裂解研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究熱裂解技術(shù)起步較早。如美國(guó)城市化進(jìn)程快，在二十世紀(jì)初就面臨著生活垃圾的困擾。為了有效解決城市垃圾問(wèn)題，美國(guó)于1929年做了熱裂解的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，美國(guó)的熱裂解技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，并運(yùn)用于生活。近年來(lái)，由于環(huán)境及能源問(wèn)題，美國(guó)對(duì)熱裂解進(jìn)行深層次的研究，努力提高熱裂解后可再生資源的利用率。

我國(guó)對(duì)于熱裂解的研究起步晚，最初以秸稈作為研究對(duì)象進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)。隨著國(guó)家科技的發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)逐步開始研究固體廢棄物的處理技術(shù)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的發(fā)展，我國(guó)一些企業(yè)已經(jīng)能夠利用熱裂解技術(shù)對(duì)固體廢棄物進(jìn)行有效處理。如對(duì)廢舊輪胎、含油污泥、城市生活垃圾等。但大部分的熱裂解固廢處理技術(shù)仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段，并未達(dá)到成果轉(zhuǎn)化。隨著國(guó)家技術(shù)的進(jìn)步及國(guó)內(nèi)外技術(shù)交流的增加，在未來(lái)的研究中，熱裂解固廢處理將會(huì)取得突破性進(jìn)展。

3 熱裂解技術(shù)在固廢處置中的應(yīng)用

3.1 熱裂解技術(shù)處理廢舊輪胎

隨著我國(guó)汽車業(yè)的發(fā)展，汽車保有量已居世界之首。在人們出行便利的同時(shí)，廢舊輪胎的數(shù)量已達(dá)到上億條。廢舊輪胎可通過(guò)翻新、制膠、熱裂解進(jìn)行處理。熱裂解是廢舊輪胎處理的新方法，得到了多數(shù)國(guó)家的認(rèn)可。輪胎主要成分是橡膠，在熱裂解時(shí)會(huì)生成氣、油、炭。熱解氣主要含氫氣和碳?xì)浣M合烴類，氧氣極少，熱解氣可以作為熱能再利用。熱解油中芳香烴含量較高，在一次反應(yīng)和二次反應(yīng)過(guò)程中受溫度和事件影響較大。熱解油優(yōu)點(diǎn)較為明顯，熱之高、粘度低，已經(jīng)作為燃料廣泛運(yùn)用。廢舊輪胎熱解固態(tài)產(chǎn)物為熱解炭，當(dāng)熱解溫度到500℃時(shí)其產(chǎn)量較高。熱解炭可以通過(guò)不同的工藝進(jìn)行回收再利用，但因有害元素含量高，導(dǎo)致使用受限。廢舊輪胎熱裂解技術(shù)使資源得到有效回收利用，但此工藝在使用過(guò)程中較為復(fù)雜，影響因素較多，目前尚未大面積推廣。在未來(lái)的廢舊輪胎熱裂解技術(shù)研究過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)廢氣體、廢液的回收率及熱解炭質(zhì)量的提高。

3.2 熱裂解技術(shù)處理含油污泥

國(guó)家在石油開采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的含油污泥，其危害性極大。如果得不到有效處理，將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。在含油污泥的處理方法中，熱裂解法已完成了試驗(yàn)階段，轉(zhuǎn)入生產(chǎn)。熱裂解方法是一種無(wú)害化技術(shù)，與傳統(tǒng)的焚燒相比投資高、專業(yè)性強(qiáng)，但處理效果好。熱裂解法首先需要對(duì)含油污泥脫水干燥，然后轉(zhuǎn)入爐窯進(jìn)行熱解，溫度需達(dá)到500～600℃，含油污泥在無(wú)氧情況下烴類分析重組，在此過(guò)程中需要加入氮?dú)?。熱裂解后，殘?jiān)?jīng)檢測(cè)完全符合排放標(biāo)準(zhǔn)要求。目前，我國(guó)一些大型油田已經(jīng)開始使用熱裂解技術(shù)處理含油污泥。

3.3 熱裂解技術(shù)處理城市垃圾

城市垃圾處理方法較多，但處理結(jié)果對(duì)環(huán)境影響較大。我國(guó)目前使用的技術(shù)是將多種方法有效結(jié)合，提出熱解氣體焚燒法。生活垃圾經(jīng)過(guò)熱解后可以將有害金屬分離，殘留熱解炭再進(jìn)過(guò)燃燒。熱解燃燒環(huán)境為無(wú)氧環(huán)境，避免了有害元素的氧化殘留。在此環(huán)境下，Cu元素未氧化，無(wú)法生成CuCl2，缺少了合成二噁英的成分。生活垃圾的熱解過(guò)程在反應(yīng)器中完成，反應(yīng)器是熱解的核心設(shè)備。目前，主要分為固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器及回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器。這三種反應(yīng)器各有優(yōu)缺點(diǎn)，固定床反應(yīng)器效率高，可用于多種原料，但單次物料處理量小。流化床反應(yīng)器效率、原料處理及物料量均具有優(yōu)勢(shì)，但設(shè)備板材要求較高，成本增加?；剞D(zhuǎn)窯反應(yīng)器易操作，但熱解反應(yīng)不充分。在設(shè)備選擇過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

熱解氣體焚燒法可以利用生活垃圾處理過(guò)程中產(chǎn)生的熱量發(fā)電，有效利用資源，同時(shí)避免了環(huán)境污染。

4 熱裂解技術(shù)存在的問(wèn)題

現(xiàn)階段我國(guó)熱裂解技術(shù)在固廢處理中仍然存在問(wèn)題。

(1)我國(guó)的熱解技術(shù)在個(gè)別固體類廢棄物實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化，其余均處于實(shí)驗(yàn)階段，有待進(jìn)一步的研究。同時(shí)，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家研究相比，我國(guó)的主要研究方向較為單一、研究投入相對(duì)較少。

(2)我國(guó)對(duì)催化熱裂解技術(shù)進(jìn)行了研究，但研究深度不夠，對(duì)于催化劑的選擇應(yīng)開展更深層次的研究。

5 結(jié)論

我國(guó)熱裂解技術(shù)已經(jīng)取得一定進(jìn)展，從實(shí)驗(yàn)階段走向了實(shí)際運(yùn)用階段，且應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，如大型油田含油固廢的處理、汽車廢舊輪胎的處理及城市生活垃圾的處理。但在熱裂解的使用過(guò)程中，依然存在不少問(wèn)題，這將成為科研的方向，努力實(shí)現(xiàn)熱裂解技術(shù)在固廢處理領(lǐng)域的突破。