城鎮(zhèn)生活垃圾熱解反應(yīng)的主要影響因素分析

文_方銀娥 陳宗良 潘鳳開

1 浩藍(lán)環(huán)保股份有限公司 2 廣東省浩藍(lán)環(huán)保水污染治理院士工作站

城鎮(zhèn)生活垃圾是指城鎮(zhèn)居民在日常生活中或者為城鎮(zhèn)日常生活提供服務(wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢棄物，主要包括居民生活垃圾、商業(yè)垃圾、集貿(mào)市場垃圾，機(jī)關(guān)、學(xué)校等單位的垃圾等。我國城鎮(zhèn)生活垃圾組成和特性根據(jù)城鎮(zhèn)居民的生活水平、生活習(xí)慣和地理?xiàng)l件的不同而不同，具有成分復(fù)雜、含水率高、有機(jī)物含量較少、可燃成分偏低的特點(diǎn)。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和居民生活水平的不斷提高，我國城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)生量逐年增加，熱值也不斷提高，引起的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。如果城鎮(zhèn)垃圾通過熱解氣化轉(zhuǎn)化為能源，實(shí)現(xiàn)垃圾處理的同時(shí)還能緩解能源緊張的壓力，無論是對我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)，還是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，都具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 垃圾熱解定義和原理

熱解技術(shù)主要是利用城鎮(zhèn)垃圾中有機(jī)組分的熱不穩(wěn)定性，在無氧或缺氧條件下進(jìn)行升溫加熱，使生活垃圾中有機(jī)組分發(fā)生熱裂解，大分子量的有機(jī)物裂解成小分子量的熱解炭、熱解液和非凝性氣體等。垃圾熱解反應(yīng)可用下列通式表示：

2 影響垃圾熱解反應(yīng)的因素分析

城鎮(zhèn)垃圾熱解是一個(gè)復(fù)雜的、連續(xù)的吸熱和放熱反應(yīng)過程，在不同的溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)和產(chǎn)物組成均不同，影響城鎮(zhèn)垃圾熱解產(chǎn)氣性能主要包括垃圾的性質(zhì)和反應(yīng)條件兩大類，其中垃圾的性質(zhì)包括垃圾組分及各組分的含量、物料粒徑等；反應(yīng)條件包括熱解溫度、升溫速率、停留時(shí)間和催化劑等。

2.1 熱解物料性質(zhì)對垃圾熱解反應(yīng)的影響

2.1.1 垃圾組分及各組分含量的影響

城鎮(zhèn)生活垃圾中各有機(jī)物組成、含量及其特征對熱解產(chǎn)物的組成和產(chǎn)率有較大的影響，如有機(jī)物含量、H/C比、揮發(fā)分含量、氧含量等。垃圾中有機(jī)物含量不僅影響熱解反應(yīng)開始和完成反應(yīng)所需的時(shí)間還影響熱解產(chǎn)物，有機(jī)物含量越多、熱值越高，熱解產(chǎn)物回收性越好，殘?jiān)缴伲焕蠬/C比越高，熱解產(chǎn)氣中越利于生成氣態(tài)烷烴或輕質(zhì)芳烴；垃圾中揮發(fā)分含量與熱解氣產(chǎn)率成正比；同時(shí)由于熱解是在無氧和缺氧條件下進(jìn)行，垃圾中的碳只能與自身含有的氧組合成氣態(tài)碳氧化物，因此氧含量越高越有利于氣態(tài)碳氧化物的生成。

2.1.2 物料粒徑的影響

垃圾經(jīng)預(yù)處理后的物料形狀和粒徑是影響物料間傳熱的重要因素，它主要通過改變物料間的傳熱速率來改變熱裂解進(jìn)程，主要影響物料的升溫速率及產(chǎn)氣率。在一定溫度下，物料粒徑越大，物料間的熱傳遞就越難，熱解爐內(nèi)的溫度就會(huì)分布不均，影響熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率；較小顆粒的物料從表面?zhèn)鳠岬街行牡臅r(shí)間更少，傳熱也更均勻，產(chǎn)生的熱解氣易與熱解區(qū)分離，易發(fā)生二次裂解，產(chǎn)生較多的可燃小分子氣體，產(chǎn)氣率更高。大顆粒物料熱傳遞速率較慢，易產(chǎn)生較多的熱解液，產(chǎn)生的熱解氣也不易分離，產(chǎn)生較多的冷凝性氣體。但是當(dāng)溫度超過900℃時(shí)，傳熱速率的影響明顯減小則物料粒徑的影響也降低。

2.2 熱解反應(yīng)條件對垃圾熱解反應(yīng)的影響

2.2.1 熱解溫度的影響

溫度是熱解反應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)，它對熱解過程傳熱、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)均有較大的影響，直接影響熱解產(chǎn)物三相分布。熱解溫度較低時(shí)，城鎮(zhèn)垃圾中有機(jī)組分的大分子有機(jī)物會(huì)裂解成較多的中小分子，其中大部分為可凝性揮發(fā)分，油類含量相對較多。熱解溫度升高后不僅大分子有機(jī)物發(fā)生裂解，很多中間產(chǎn)物也會(huì)發(fā)生二次裂解，生成C5以下分子及H2等不可凝的小分子氣體，對應(yīng)的熱解氣產(chǎn)量增大，焦油等有機(jī)液體的產(chǎn)量則相對減少。當(dāng)熱解溫度為800～900℃之間時(shí)，垃圾中的有機(jī)組分則發(fā)生快速熱解氣化，揮發(fā)分大量、快速地析出，熱解反應(yīng)的起始時(shí)間和終止時(shí)間提前，底渣含量減少。

2.2.2 升溫速率的影響

熱解根據(jù)升溫速率的不同可分為慢速熱解和快速熱解，不同的熱解升溫速率會(huì)直接影響熱解氣產(chǎn)率及產(chǎn)物組成。

慢速升溫因加熱時(shí)間長使物料在低溫區(qū)充分蓄熱、物料間的傳熱也相對均勻，在低溫段緩慢加熱使得有機(jī)分子在薄弱節(jié)點(diǎn)易發(fā)生斷裂，熱解起始溫度向低溫區(qū)移動(dòng)。熱解溫度越低，熱解氣產(chǎn)率越低，同時(shí)慢速熱解還會(huì)因有機(jī)物中的纖維素易發(fā)生縮聚反應(yīng)而生成較多的熱解焦。

快速升溫很容易造成物料內(nèi)外受熱不均，只有部分物料能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到裂解溫度，造成該狀態(tài)下起始熱解溫度向高溫區(qū)移動(dòng)，溫度升高易發(fā)生二次裂解致使熱解氣和熱解液體的產(chǎn)率也相應(yīng)提高。

城鎮(zhèn)垃圾中有機(jī)組分的熱解溫度區(qū)間集中在200～500°C，該區(qū)間隨著熱解升溫速率的升高而向高溫區(qū)拓寬，熱解產(chǎn)氣峰也向高溫區(qū)移動(dòng)。熱解產(chǎn)氣組分主要為CO、CH4、H2O及一些有機(jī)物。氣體產(chǎn)物產(chǎn)量和最大產(chǎn)氣速率會(huì)隨著升溫速率的提高而增加，CO、CH4等可燃?xì)獾慕M分含量也會(huì)提高。但在熱解過程中，垃圾失重溫度隨著升溫速率的提高而升高，殘?jiān)室蚕鄳?yīng)增加。

2.2.3 停留時(shí)間的影響

垃圾原料在熱解爐中的停留時(shí)間主要影響的是裂解產(chǎn)物的分解率，足夠的停留時(shí)間有利于物料間熱量傳遞。通常氣態(tài)生成物產(chǎn)率隨著停留時(shí)間延長呈顯著增長趨勢。這是由于隨著停留時(shí)間的延長，更多的中間產(chǎn)物發(fā)生了二次裂解生成了氣體。但系統(tǒng)處理規(guī)模與停留時(shí)間呈反比關(guān)系，物料在焚燒爐內(nèi)的停留時(shí)間越長，系統(tǒng)的處理規(guī)模則越小；停留時(shí)間過短很可能造成熱解反應(yīng)不徹底。這就要求在設(shè)計(jì)過程中合理優(yōu)化參數(shù)，在滿足停留時(shí)間的前提下設(shè)置系統(tǒng)規(guī)模。

2.2.4 催化劑的影響

城鎮(zhèn)生活垃圾是多種物質(zhì)混合的低品質(zhì)燃料，存在資源化利用效率低、熱解產(chǎn)氣中可燃組分含量不高，以及酸性氣體污染等多方面的問題。因此在實(shí)際使用過程中多采用催化熱解，主要通過選擇和優(yōu)化催化劑，降低反應(yīng)活化能，提高熱解氣品質(zhì)與產(chǎn)率。

目前城鎮(zhèn)生活垃圾熱解催化劑主要有：天然礦石催化劑（白云石、石灰石等）、堿金屬化合物催化劑（Na2CO3、K2CO3等）、負(fù)載型催化劑和廢棄物催化劑等。熱解催化劑通常具有較強(qiáng)的抗熱抗腐蝕的能力、足夠的強(qiáng)度、良好的抗失活的能力、價(jià)格低廉以及易就地再生等特點(diǎn)。主要通過有效降低熱解反應(yīng)活化能來完成熱解催化過程，經(jīng)過催化可有效提高產(chǎn)氣量、降低焦油和焦炭產(chǎn)量，提高熱解氣中CO和H2等可燃組分的含量，進(jìn)一步提升熱解產(chǎn)氣品質(zhì)。

3 結(jié)語

熱解產(chǎn)氣品質(zhì)及產(chǎn)率指標(biāo)在一定程度上影響項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收益，隨著垃圾粒徑的減小、熱解溫度的提高以及催化劑的使用等在一定程度上可有效提升熱解氣品質(zhì)及熱解氣產(chǎn)率，但是工程投資和運(yùn)營成本也會(huì)相應(yīng)增加，這就要求在項(xiàng)目實(shí)施的全過程進(jìn)行綜合分析與評估，優(yōu)化各項(xiàng)指標(biāo)。