造紙廢料與油漆廢渣的共熱解特性研究

常永鋒

(中節(jié)能環(huán)保裝備股份有限公司， 陜西 西安 710018)

0 引言

造紙廢料和油漆廢渣同屬固體廢棄物，其中造紙廢料為一般廢棄物，油漆廢渣則屬危險(xiǎn)廢棄物。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，造紙廢料和油漆廢渣的產(chǎn)生量日劇加大，如何妥善、高效、科學(xué)的處理二者已經(jīng)成為一項(xiàng)迫在眉睫的環(huán)保課題。

焚燒工藝會帶來二次污染，如焚燒煙氣、飛灰、爐渣等，特別是焚燒后煙氣中含有大量的顆粒物、重金屬以及二噁英等[1]。熱解氣化技術(shù)作為焚燒法之后又一新的垃圾處理技術(shù)，對于熱值高、有機(jī)質(zhì)含量高、粉塵及重金屬含量高的垃圾來說，有其自身特有的優(yōu)勢。Chao-Hsiung Wu[2]進(jìn)行了廢紙的熱重-紅外分析，對廢紙的熱解氣化溫度及熱解所產(chǎn)生的氣體成分進(jìn)行了分析。肖剛[3]對城市生活垃圾中的廢紙組分進(jìn)行了流化床熱解氣化試驗(yàn)，研究了不同熱解溫度及空氣過量系數(shù)條件下的廢紙熱解氣體產(chǎn)率。

油漆廢渣的相關(guān)熱解報(bào)道并不多見，于亮亮[4]和錢原吉[5]等有過相關(guān)方面的報(bào)道，但都提出了一個(gè)共同的問題：油漆廢渣由于熱值較高，給物料的進(jìn)爐造成極大困難，極易在進(jìn)料時(shí)產(chǎn)生粉塵、有害氣體等二次污染。

為解決油漆廢料直接熱解進(jìn)爐難的問題，本文將造紙廢料和油漆廢渣摻雜后進(jìn)行熱解氣化，使造紙廢料和油漆廢渣在無氧或缺氧條件下，利用復(fù)雜的吸熱與放熱反應(yīng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的熱裂解[6]。摻雜熱解既可以利用油漆廢渣對造紙廢料的熱值進(jìn)行補(bǔ)充，又可以解決油漆廢渣進(jìn)料難的問題。同時(shí)，減少了二噁英等有害物質(zhì)的排放，大大降低了環(huán)境污染[7]，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用造紙廢料選自浙江某造紙廠產(chǎn)生的造紙邊角料，物料是打漿后的剩余物，呈絮狀，具體形貌如圖1所示。依據(jù)《CJ/T 313-2009生活垃圾采樣和分析方法》對造紙廢料的熱值及重金屬含量等進(jìn)行了檢測，具體測試結(jié)果見表1。從測試結(jié)果可以看出，該造紙廢料的含水率為34.1%，灰分為5.18%，其濕基高位熱值和干基高位熱值分別為12548kJ/kg和21626kJ/kg。重金屬測試結(jié)果顯示：濕基含鉛量和含砷量分別為7.31mg/kg和1.55mg/kg。從造紙廢料的濕基檢測結(jié)果可以看出，其含有0.57%和0.353%的硫、氯元素?？傮w而言，該造紙廢料成分相對單一，熱值可以滿足試驗(yàn)要求。

表1 造紙廢料熱值及重金屬檢測結(jié)果

試驗(yàn)所用油漆廢渣為某設(shè)備制造公司噴漆車間產(chǎn)生的廢料，從圖1b可以看出，油漆廢渣為水泥灰色的塊狀或粉末狀，并夾雜有少量的塑料。相關(guān)文獻(xiàn)對油漆廢渣的熱值及化學(xué)成分進(jìn)行了檢測[5]，具體檢測結(jié)果見表2和表3。

圖1 試驗(yàn)所用樣品形貌(a：造紙廢料；b：油漆廢渣)

表2 油漆廢渣的元素分析結(jié)果

表3 油漆廢渣的工業(yè)分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)裝置和工藝路線

試驗(yàn)所用熱解氣化裝置為本公司自主開發(fā)的成套裝備，該裝備可分為四大系統(tǒng)，即熱解氣化系統(tǒng)、二次燃燒系統(tǒng)、急冷系統(tǒng)和煙氣處理系統(tǒng)。其中，熱解氣化系統(tǒng)和二次燃燒系統(tǒng)是整套裝置的核心部件，熱解氣化室設(shè)有正反轉(zhuǎn)爐排結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)方向和速率，可以實(shí)現(xiàn)物料的均質(zhì)化，同時(shí)具有卸灰的功能。二次燃燒系統(tǒng)通過獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了燃燒的雙湍流效果，有效提高了可燃熱解氣的充分燃燒，并且延長了煙氣在二次燃燒系統(tǒng)的停留時(shí)間。整套裝置的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，對造紙廢料而言，熱解氣化系統(tǒng)的單次裝爐量可達(dá)4t/爐，因此，和小型試驗(yàn)裝置相比，該試驗(yàn)裝備所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加接近實(shí)際生產(chǎn)，具有比較高的參考價(jià)值。

圖2 試驗(yàn)裝備結(jié)構(gòu)圖

本試驗(yàn)的工藝流程如圖3所示，造紙廢料或造紙廢料與油漆廢渣的混合物在熱解氣化系統(tǒng)進(jìn)行低溫?zé)峤猓瑹峤猱a(chǎn)生的包括一氧化碳、甲烷、非甲烷氣態(tài)烴類等可燃熱解氣進(jìn)入二次燃燒系統(tǒng)。利用二次燃燒系統(tǒng)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)可燃熱解氣的充分燃燒，有效破壞二噁英等有害物質(zhì)。燃燒后的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱利用系統(tǒng)，850℃以上的高溫?zé)煔庠谟酂崂孟到y(tǒng)迅速降溫至250℃以下，交換的熱能被用于發(fā)電或產(chǎn)生熱蒸汽。降溫后的煙氣則進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行煙氣處理，該煙氣凈化系統(tǒng)主要包括活性炭吸附裝置、脫酸塔、布袋除塵器等，處理合格的煙氣最終從煙囪排出，排出煙囪的煙氣滿足GB 18485-2014要求。

圖3 工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 造紙廢料熱解氣化結(jié)果分析

本試驗(yàn)中，造紙廢料的裝爐量約為1.25t，為節(jié)省燃油消耗，同時(shí)啟動熱解氣化室和二燃室，并對試驗(yàn)過程中熱解氣化室和二燃室的溫度變化情況進(jìn)行記錄，每15min記錄一次。

圖4為熱解氣化室上、中、下部溫度和二燃室的溫度變化情況，從圖中可以看出：1.25t造紙廢料從點(diǎn)火到熱解結(jié)束總共耗時(shí)約440min，440min后造紙廢料基本熱解完全，后為降溫階段。試驗(yàn)過程中二燃室溫度不高并且波動較大，二燃室在650℃以上總共維持300min左右，且其最高溫度845℃出現(xiàn)在第150min，此時(shí)熱解氣化室的上部、中部溫度均比較低，分別為265℃和255℃，這一定程度說明造紙廢料的熱解溫度較低，適合低溫?zé)峤?。?0min時(shí)，熱解氣化室溫度上升，二燃室的溫度反而下降，這主要是由于造紙廢料34.1%的較高含水率所致，此時(shí)熱解氣化室大量的熱能被用于水分蒸發(fā)，而被用于有機(jī)質(zhì)熱解的能量則受到限制。該結(jié)論從點(diǎn)火初期煙囪中大量的白色蒸汽也可以得到驗(yàn)證，隨著熱解氣化室底部溫度的持續(xù)升高，造紙廢料中的大部分水分已經(jīng)從煙囪排出，當(dāng)含水率降低時(shí)，煙囪中的白色蒸氣也漸漸消失。正是由于造紙廢料的含水率相對較高，使得熱解氣化反應(yīng)初期二燃室的溫度不易提高，因此，有必要對造紙廢料進(jìn)行干燥預(yù)處理。

(T1～T3為熱解氣化室上、中、下部溫度，T4為二燃室溫度)圖4 不同時(shí)刻熱解氣化室和二燃室的溫度變化情況

圖4顯示，熱解氣化室下部溫度在240min后才開始迅速上升，分析認(rèn)為：爐內(nèi)造紙廢料、特別是下部物料被壓實(shí)，不利于熱量傳遞和物料的大面積同時(shí)熱解，而僅僅是一層一層逐層進(jìn)行，這也是導(dǎo)致二燃室溫度持續(xù)偏低并且波動較大的主要原因。因此，在熱解氣化過程中，應(yīng)盡可能使造紙廢料等有機(jī)質(zhì)處于較為松散的狀態(tài)，盡量避免物料的結(jié)塊或聚團(tuán)，以提高熱量的傳遞效率，加速有機(jī)質(zhì)的熱解。

熱解完成后的爐渣為水泥灰色的粉末狀物質(zhì)，無團(tuán)聚物或其他夾雜，具體形態(tài)見圖5。造紙廢料的熱值相對較高，其灰分檢測結(jié)果為5.18%，可見造紙廢料熱解的相對比較徹底，整個(gè)試驗(yàn)過程中并無焦油等副產(chǎn)物產(chǎn)生。

圖5 造紙廢料熱解后的爐渣形貌

2.2 造紙廢料與油漆廢渣共熱解氣化結(jié)果分析

為了更好地對造紙廢料的熱值進(jìn)行補(bǔ)充，并有效解決油漆廢渣不易裝爐的問題，本試驗(yàn)將0.85t造紙廢料和0.4t油漆廢渣均勻混合后進(jìn)行裝爐，總的裝爐量按1.25t執(zhí)行。從油漆廢渣的熱值檢測結(jié)果可以看出，其具有相對較高的揮發(fā)分和熱值，工業(yè)分析得到油漆廢渣收到基的低位發(fā)熱量為18.84mJ/kg，相當(dāng)于阜新煙煤的熱值，并且高于試驗(yàn)所用造紙廢料的濕基高位熱值，說明油漆廢渣具有良好的熱利用價(jià)值[5]，這也是我們將二者摻雜共熱解處理的主要原因。

為節(jié)省燃油消耗，同時(shí)啟動熱解氣化室和二燃室，并對試驗(yàn)過程中熱解氣化室和二燃室的溫度變化情況進(jìn)行記錄，每15min記錄一次。圖6為造紙廢料和油漆廢渣共熱解時(shí)熱解氣化室上、中、下部溫度和二燃室的溫度變化情況，可以看出：在總質(zhì)量不變的情況下，摻入0.4t油漆廢渣后，二燃室的溫度能夠很好地維持在650℃以上，并且波動較小，這主要是由于油漆廢渣具有相對較高的熱值，能夠?qū)υ旒垙U料的熱解提供能量補(bǔ)充。同時(shí)，由于油漆廢渣和造紙廢料的最佳熱解溫度不同，使得不同熱解溫度條件下，二者能夠?qū)崿F(xiàn)可燃熱解氣的相互補(bǔ)充，油漆廢渣的熱解溫度相對較低，使得熱解氣化室中部溫度在148℃時(shí)，二燃室的溫度就已經(jīng)達(dá)到653℃。當(dāng)熱解氣化室中部溫度到達(dá)538℃時(shí)，二燃室的溫度急劇下降，此時(shí)，油漆廢渣和造紙廢料已經(jīng)基本熱解完全，剩余物料相對較少并且高溫極不利于二者的熱解氣化，產(chǎn)生的可燃熱解氣含量也急劇減少。試驗(yàn)過程中，1.25t的造紙廢料和油漆廢渣混合物，可以使二燃室的溫度在800℃以上維持4.5h，并且階段性地達(dá)到850℃以上。試驗(yàn)過程中并未出現(xiàn)爆燃曝氣現(xiàn)象，說明按照0.4∶0.85的油漆廢渣和造紙廢料配比可以實(shí)現(xiàn)二者的穩(wěn)定熱解。但不可否認(rèn)的是，造紙廢料與油漆廢渣的配比及混合均勻度對是否產(chǎn)生爆燃曝氣至關(guān)重要。

(T1～T3為熱解氣化室上、中、下部溫度，T4為二燃室溫度)圖6 不同時(shí)刻熱解氣化室和二燃室的溫度變化情況

表4為二燃室不同溫度情況下，煙囪中部分組分的測試情況。可以看出，當(dāng)二燃室溫度為845℃時(shí)，煙氣中的一氧化碳、氮氧化物的含量均較高，分別為18mg/L(CO)、173mg/L(NO)和179.1mg/L(NOX)。當(dāng)二燃室溫度為855℃時(shí)，CO、NO和NOX的含量均明顯降低。其中，SO2含量主要與脫酸塔的脫酸效果有關(guān)。可見，二燃室溫度的提高對于煙氣中的氮氧化物影響非常大，研究表明：NOX在600～800℃的范圍內(nèi)生成量最大，且隨著停留時(shí)間的延長、過剩空氣系數(shù)的增大而增多[8]。

表4 不同溫度下煙氣檢測結(jié)果 (mg/L)

為了更好地比較油漆廢渣的摻入對二燃室溫度的影響，將兩次試驗(yàn)中二燃室的溫度變化情況做了對比，圖7為不同物料情況下二燃室的溫度變化曲線。可以看出，摻入0.4t油漆廢渣后，二燃室的溫度能夠較好地維持在650℃以上，并且維持時(shí)間較長、波動較小。這也說明了油漆廢渣的摻入對于二燃室溫度的提高比較有利。

(a：造紙廢料；b：造紙廢料+油漆廢渣)圖7 二燃室內(nèi)的溫度變化情況

圖8為造紙廢料和油漆廢渣混合物共熱解后的灰渣形貌，可以看出，其形貌與造紙廢料單獨(dú)熱解后的灰渣并無差異，并且兩者均減量明顯，減量率均可達(dá)到95%以上，整個(gè)試驗(yàn)過程中并無焦油等副產(chǎn)物產(chǎn)生。

圖8 造紙廢料和油漆廢渣共熱解后的爐渣形貌

3 結(jié)論

(1)造紙廢料和油漆廢渣作為熱值較高的固體廢棄物，利用熱解氣化工藝可以實(shí)現(xiàn)其無害化、減量化處理，處理過程中產(chǎn)生的熱量加以利用可以實(shí)現(xiàn)比較好的經(jīng)濟(jì)收益，具有一定的推廣價(jià)值。

(2)油漆廢渣屬于危險(xiǎn)廢棄物，如果直接焚燒容易產(chǎn)生爆燃曝氣現(xiàn)象。但是，將油漆廢渣和造紙廢料按照一定的比例混合后進(jìn)行共熱解，可以有效解決油漆廢渣的爆燃曝氣問題。同時(shí)，油漆廢渣可以對造紙廢料提供一定的能量補(bǔ)充，更有利于二燃室溫度的穩(wěn)定和提高。

(3)造紙廢料和油漆廢渣兩種物質(zhì)的有機(jī)質(zhì)含量較高，熱解后減量化達(dá)到95%以上，減量化明顯。