熱解技術(shù)下城市固廢資源化利用研究

李果果，黃小衛(wèi)，郎麗媚

（1.浙江東天虹環(huán)保工程有限公司；2.溫州瑞林環(huán)?？萍加邢薰竞贾莘止?，杭州 310012；3.杭州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)有限公司，杭州 310014）

近年來(lái)，我國(guó)城市固體廢物的產(chǎn)生量持續(xù)增加，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。廢物是由人類活動(dòng)產(chǎn)生的，而廢物的收集、儲(chǔ)存、加工和處置方式可能對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。隨著現(xiàn)代化和工業(yè)化的日益推進(jìn)，世界對(duì)能源的需求正以迅猛的速度增長(zhǎng)，目前，全球正面臨著人口增長(zhǎng)、能源需求上升和化石燃料逐漸枯竭所引發(fā)的能源危機(jī)。環(huán)境退化、氣候變化等問(wèn)題與化石燃料的使用有關(guān)，這促使人們尋找替代能源，如可再生能源。當(dāng)前，利用城市固體廢物等可再生資源生產(chǎn)能源或許是一個(gè)可行的應(yīng)對(duì)方法[4-7]。

1 城市固體廢物的處置與利用

研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多廢物轉(zhuǎn)化能源（WTE）技術(shù)，這些技術(shù)正在世界各地廣泛使用，以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)能源。盡管如此，仍要進(jìn)一步改進(jìn)WTE技術(shù)，使其更可靠、更穩(wěn)定、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保。熱解被認(rèn)為是一種革命性的替代方法，與其他WTE技術(shù)相比，它是一種簡(jiǎn)單、清潔的垃圾處理技術(shù)[8-10]。熱解技術(shù)可以產(chǎn)生多種形式的化學(xué)物質(zhì)和燃料。熱解通常是在沒有氧氣（或氧氣供應(yīng)受限）的情況下對(duì)廢棄物進(jìn)行熱降解，生成生物油、生物炭和合成氣等能源產(chǎn)品。

城市固體廢物的處置方式多種多樣，如填埋、堆肥、回收、焚燒、熱解和氣化[11-13]。要結(jié)合廢物來(lái)源、廢物類型和廢物處理能力等因素，選擇適當(dāng)?shù)某鞘泄腆w廢物處置方法。制備能源是城市固體廢物循環(huán)利用的一種有效方法。研究表明，從城市固體廢物中回收能源是經(jīng)濟(jì)可行和可持續(xù)的。各種形式的能量都可以回收，如熱、電或燃料?；厥占夹g(shù)可分為兩大類。一是生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，這種技術(shù)可以生產(chǎn)氫氣、甲烷和其他氣體燃料。二是熱轉(zhuǎn)換技術(shù)，包括焚燒、氣化和熱解。

2 熱解技術(shù)

熱解是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過(guò)程，熱解材料類型多樣。受熱解作用影響，材料物理相和化學(xué)組成不斷發(fā)生變化。與其他能源回收技術(shù)相比，熱解技術(shù)應(yīng)用廣泛，原料來(lái)源多樣，處理速度快，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)低。

2.1 熱解類型

熱解可分為3種類型，即慢熱解、快速熱解和閃速熱解。

2.1.1 慢熱解

慢熱解是一種間歇過(guò)程，通常，熱解溫度為300 ℃左右，加熱速率為0.1～0.8 ℃/s。其間，固體和氣體的停留時(shí)間一般較長(zhǎng)。目前，慢熱解工藝大多應(yīng)用在生物炭生產(chǎn)中。

2.1.2 快速熱解

快速熱解是一種先進(jìn)技術(shù)，相比其他工藝，它具有更高的生物油生產(chǎn)能力，受到廣泛的關(guān)注。熱解溫度控制在400～700 ℃，防止熱解產(chǎn)物進(jìn)一步分解為不凝化合物。為了獲得較高的生物油收率，要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，提高傳熱速率。一般來(lái)說(shuō)，升溫速率為10～100 ℃/s。原料被磨成非常細(xì)的顆粒，使得加熱速率較高。

2.1.3 閃速熱解

閃速熱解是目前最先進(jìn)的熱解技術(shù)，原料顆粒尺寸很小，它可以回收大量的合成氣和含水量極低的生物油。熱解溫度一般控制在700 ℃以上，升溫速率非?？欤^(guò)1 000 ℃/s。

2.2 熱解反應(yīng)器

常見的熱解反應(yīng)器有固定床、流化床、回轉(zhuǎn)窯和螺旋反應(yīng)器。為了提高熱解效率，反應(yīng)器需要合理控制傳熱速率和原料停留時(shí)間。若傳熱速率低，原料停留時(shí)間長(zhǎng)，則可產(chǎn)生大量生物炭和合成氣。螺旋反應(yīng)器可以通過(guò)熱解城市固體廢物，生產(chǎn)能源產(chǎn)品，如圖1所示。螺旋反應(yīng)器一般為管狀，有一個(gè)螺桿，運(yùn)行方式為連續(xù)式。螺桿旋轉(zhuǎn)可以將原料輸送到反應(yīng)器中，熱解所需熱量通過(guò)反應(yīng)器的管壁輸送。螺桿實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能，一是混合原料，二是調(diào)節(jié)原料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。熱解產(chǎn)生的蒸汽被吸入冷凝器并壓縮，以生產(chǎn)生物油。螺旋反應(yīng)器設(shè)計(jì)得非常緊湊，這使得反應(yīng)器可以在原料生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，降低原料運(yùn)輸成本。

圖1 典型螺旋反應(yīng)器

3 城市固體廢物熱解產(chǎn)物

熱解可以將城市固體廢物轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，其熱解產(chǎn)物通常具有與燃料相似的性質(zhì)。城市固體廢物熱解過(guò)程可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，必須采用先進(jìn)熱解方法，減少和消除環(huán)境污染。城市固體廢物通常分類不徹底，多種成分混合在一起?；旌仙罾雀稍?，再粉碎成不同粒徑，利用固定床反應(yīng)器進(jìn)行熱解試驗(yàn)，熱解溫度控制在600～900 ℃，研究原料粒度和熱解溫度對(duì)熱解產(chǎn)物的影響[1]。隨著原料粒度的減小和熱解溫度的升高，合成氣的產(chǎn)率增加，生物油和生物炭的產(chǎn)率降低。熱解提取的生物油和生物炭適合作為工業(yè)原料,城市固體廢物類型不同，其熱解產(chǎn)物存在一定差異。

3.1 有機(jī)廢物

城市固體廢物含有大量有機(jī)廢物，主要包括廚余垃圾、廢木材和園林廢物。廚余垃圾分類后進(jìn)行熱解處理，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著微波功率的增加，生物炭的產(chǎn)率逐漸降低，合成氣的產(chǎn)率逐漸增加；生物油產(chǎn)率先隨微波功率的增加而增加，微波功率達(dá)到400 W時(shí)，進(jìn)一步增加微波功率會(huì)降低生物油產(chǎn)率[2]。微波功率為400 W，反應(yīng)器溫度為600 ℃時(shí)，廚余垃圾熱解可獲得較多的生物油、生物炭和合成氣。

3.2 廢紙

家庭和企業(yè)大量使用紙張，使廢紙成為城市固體廢物的重要可燃成分。它是一種很好的可燃材料，其關(guān)鍵組分是纖維素，氮和硫含量低。它可以作為WTE技術(shù)的良好原料。熱解法可以用于從廢紙中提取能源。紙張熱解過(guò)程采用管狀反應(yīng)器，在不同的溫度和升溫速率下進(jìn)行熱解，以確定熱解產(chǎn)物的種類和質(zhì)量。送入反應(yīng)器之前，將廢紙?jiān)诤嫦渲懈稍?，以除去水分。溫度的升高?huì)增加合成氣的產(chǎn)量，經(jīng)分析，生物炭在高溫下發(fā)生二次分解。生物油含有4種主要成分，即無(wú)水糖、羧基、羰基和芳香烴。

3.3 塑料垃圾

塑料垃圾是城市固體廢物的重要組成部分，其種類多樣。與其他垃圾成分相比，塑料垃圾具有不同的特性。它一般含有多種成分，不容易被生物降解。因此，要加強(qiáng)研究，有效地處理塑料垃圾，以保護(hù)環(huán)境。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同工藝參數(shù)影響廢塑料熱解的能源產(chǎn)品產(chǎn)率和性能。廢塑料種類為聚丙烯，在裂解式半間歇反應(yīng)器中，溫度為510 ℃時(shí)，生物油、生物炭和合成氣的產(chǎn)率分別為79%、8%和13%。分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，生物油中芳烴和烯烴類化合物的濃度增加，石蠟類化合物的濃度降低[3]。

4 結(jié)論

可再生能源利用符合可持續(xù)發(fā)展理念，熱解技術(shù)可以為其提供巨大助力。城市固體廢物是一種可再生資源，其開發(fā)潛力大。作為一種容易實(shí)現(xiàn)的能源生產(chǎn)工藝，熱解技術(shù)可以將城市固體廢物轉(zhuǎn)化為生物燃料。螺旋反應(yīng)器是目前應(yīng)用最廣的固體垃圾熱解設(shè)備，其傳熱能力強(qiáng)，能耗較低。總體來(lái)看，城市固體廢物熱解產(chǎn)物中，油約占43%，生物炭約占27%，合成氣約占25%。熱解技術(shù)是一種高效的環(huán)保技術(shù)，可以將城市固體廢物作為原料，生產(chǎn)生物燃料和其他增值產(chǎn)品。