垃圾热裂解技术（上）

 

一、垃圾热解技术

原理主要是通过热解（pyrolysis）过程，将垃圾中的有机物在缺氧或低氧环境中加热至高温，使其分解为气体、液体和固体产物。该过程的核心可以总结为以下几个关键步骤和反应机制：

1. 热解过程

垃圾裂解过程通常分为几个阶段：

（1）干燥阶段：在初期，垃圾中的水分被蒸发。水分的去除通常发生在低于100°C的温度。

（2）挥发物释放：当温度达到约200°C-300°C时，垃圾中的挥发性有机物（如轻质油和气体）开始释放，形成蒸汽和气体产物。这一阶段也会释放出少量焦炭。

（3）裂解阶段：在300°C-800°C的温度范围内，垃圾中的高分子有机物（如塑料、橡胶和生物质）分解为较小的分子，生成气体（如氢气、甲烷、乙烯等）和液体（热解油）。此阶段是主要的裂解反应阶段。

2. 化学反应机理

垃圾裂解中的反应机制可以分为以下几类：

（1）链式反应：裂解过程中，某些分子会产生自由基，这些自由基会促进后续反应的发生，形成更多的小分子。

（2）重组反应：在裂解过程中，一些小分子可能会重新结合形成新的化合物，影响最终产物的分布。

（3）副反应：在高温下，可能会出现一些副反应，例如焦炭的形成、气体的重组或聚合。

垃圾的热解是一个极其复杂的化学反应过程，它包含大分子的键断裂、异构化和小分子的聚合等反应过程：有机垃圾→气体（H2、CxHy、CO、CO2、H2O、SO2等）+有机液体（焦油、芳烃、煤油、有机酸、醇、醛类等）+炭黑、灰渣。

二、优点

（1）资源化：

能将废物转化为可再利用的能源，如燃料油和气体，减少资源浪费。

（2）减量化：

有效减少垃圾体积和重量，降低填埋需求，减轻环境负担。

（3）环境友好：

在缺氧条件下进行，避免了燃烧过程中产生的大量有害气体和烟尘，减少环境污染。

（4）灵活性：

可处理多种类型的固体废物，包括塑料、橡胶和有机物等，适用范围广。

（5）能量回收：

生成的气体和油可以用于发电、供热等，具有较高的能量利用效率。

（6）减少垃圾填埋：

裂解能够显著减少需要填埋的垃圾量，降低填埋场对环境的负面影响。

（7）降低温室气体排放：

相比传统焚烧，裂解过程能有效降低CO?和其他温室气体的排放。

（8）替代化石燃料：

裂解产品（如裂解油和裂解气）可以作为替代燃料，减少对石油和天然气的依赖。将废物转化为能源和化学原料可实现经济回收，降低废物处理成本。裂解生成的液体和气体产品可以用作化学工业中的原材料，进一步生产塑料、合成纤维等。

三、缺点

（1）原料多样性：

垃圾成分复杂多样，含有不同种类的塑料、金属、纸张和有机物。这种多样性导致裂解过程中产物的成分和性质不稳定。如果垃圾中水分含量比较高，气化工艺就较难实现。

（2）热解过程控制：

裂解温度和反应时间对产物的质量和产率影响重大。温度过低可能导致产物产量低，温度过高则可能产生有害物质（如二恶英）。需要精确控制热解参数，以获得最佳结果。

四、运行过程控制：

1.温度问题：调整裂解温度在最佳范围内（通常为300-600°C），避免过低或过高温度。

2.适当的反应时间问题：根据原料特性，设计合理的反应时间，确保裂解充分而不结焦。

3.催化剂的选择：使用催化剂可以提高裂解效率并改善产物质量，但催化剂的选择和寿命仍然是挑战。催化剂可能会失活，导致反应效率下降。

4.气体和液体产品的分离：在裂解过程中产生的气体和液体产品需要有效分离和纯化，以确保其可利用性和安全性。有效的分离技术尚在研究阶段。

5.物料易结焦：需要裂解处理的物料普遍存在传热性能差、物料受热不均匀等问题。物料在设备导热表面极易形成结焦与积碳，形成“绝热层”，导热效率降低，形成堵塞，需进一步提高供热温度，这将造成设备使用寿命降低、物料裂解不完全等一系列问题，如果处理不当，甚至容易导致重大安全隐患。

五、结焦的主要原因：

1.原料成分：垃圾中含有较多的有机物和杂质，特别是高分子聚合物（如塑料）在裂解过程中容易结焦。

2.裂解温度：较低的裂解温度可能导致不完全裂解，生成更多的焦炭；而温度过高则可能引发副反应，导致焦炭积累。

3.反应时间：裂解反应时间过长也会增加结焦的可能性。

4.气流条件：缺乏足够的气流或反应气氛不适当会导致焦炭在反应器中积聚。

六、进出料难以动态密封：

动态密封是实现工业连续化热裂解的关键技术之一，即保证物料连续进入裂解器及固体产物连续导出裂解器的同时，防止空气进入裂解器及防止裂解器内的油气泄露，以实现物料在无氧或缺氧条件下，安全、稳定、连续裂解。因物料组成的差异、含水率的高低等诸多原因，造成压力随时变化，增加了动态密封的难度。

1.产出物易聚合：

热裂解产生的以烯烃为主的小分子有机物易发生聚合反应，生成大分子链物质如胶质、沥青质等，易造成设备及管道的堵塞，影响生产线的长期稳定运行。

2.设备和材料耐用性：

高温和腐蚀性环境要求设备材料具有良好的耐高温和耐腐蚀性能，这对设备的设计和材料选择提出了较高要求。

3.优化原料预处理：

对原料进行分类和预处理，去除不可裂解物质（如金属、玻璃等），可以提高裂解效率和产物质量。对垃圾进行分类，去除较难裂解的成分（如某些金属、陶瓷等），降低结焦风险。降低原料中的水分，减少水分在裂解过程中的影响，降低焦炭形成。

2.过程控制技术：

使用先进的过程控制系统，如实时监测和反馈控制，可以更好地调节温度、压力和反应时间，以确保裂解过程的稳定性。设置二次裂解反应器：对裂解产物中的焦炭进行二次裂解，进一步转化为气体或液体燃料。

3.催化剂研发：

开发新型高效催化剂和改进催化剂再生技术，可以提高裂解反应的效率，并延长催化剂的使用寿命。研究使用某些催化剂（如ZSM-5、Al2O3等），以降低裂解反应的温度并提高裂解效率，减少焦炭的生成。

4.改进分离技术：

采用膜分离、冷凝和吸附等技术，增强气体和液体产物的分离效率，可以提高产物的纯度和利用价值。???

5.技术集成：

将垃圾裂解与其他废物处理技术（如堆肥化、气化）进行集成，可以实现更高效的资源回收和能量利用。

垃圾裂解是一种将固体废物转化为有价值产品的有效途径，不仅能够为能源和化工行业提供原材料，还能促进环保和可持续发展。随着技术的进步，垃圾裂解的应用潜力仍在不断扩大。