城鎮生活垃圾熱解反應的主要影響因素分析

文_方銀娥 陳宗良 潘鳳開

1 浩藍環保股份有限公司 2 廣東省浩藍環保水污染治理院士工作站

城鎮生活垃圾是指城鎮居民在日常生活中或者為城鎮日常生活提供服務的活動中產生的固體廢棄物，主要包括居民生活垃圾、商業垃圾、集貿市場垃圾，機關、學校等單位的垃圾等。我國城鎮生活垃圾組成和特性根據城鎮居民的生活水平、生活習慣和地理條件的不同而不同，具有成分復雜、含水率高、有機物含量較少、可燃成分偏低的特點。隨著城鎮化進程加快和居民生活水平的不斷提高，我國城鎮生活垃圾產生量逐年增加，熱值也不斷提高，引起的環境污染問題也越來越嚴重。如果城鎮垃圾通過熱解氣化轉化為能源，實現垃圾處理的同時還能緩解能源緊張的壓力，無論是對我國生態環境保護，還是國民經濟發展和能源結構調整，都具有十分重大的現實意義。

1 垃圾熱解定義和原理

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

2 影響垃圾熱解反應的因素分析

城鎮垃圾熱解是一個復雜的、連續的吸熱和放熱反應過程，在不同的溫度區間內發生的反應和產物組成均不同，影響城鎮垃圾熱解產氣性能主要包括垃圾的性質和反應條件兩大類，其中垃圾的性質包括垃圾組分及各組分的含量、物料粒徑等；反應條件包括熱解溫度、升溫速率、停留時間和催化劑等。

2.1 熱解物料性質對垃圾熱解反應的影響

2.1.1 垃圾組分及各組分含量的影響

城鎮生活垃圾中各有機物組成、含量及其特征對熱解產物的組成和產率有較大的影響，如有機物含量、H/C比、揮發分含量、氧含量等。垃圾中有機物含量不僅影響熱解反應開始和完成反應所需的時間還影響熱解產物，有機物含量越多、熱值越高，熱解產物回收性越好，殘渣越少；垃圾中H/C比越高，熱解產氣中越利于生成氣態烷烴或輕質芳烴；垃圾中揮發分含量與熱解氣產率成正比；同時由于熱解是在無氧和缺氧條件下進行，垃圾中的碳只能與自身含有的氧組合成氣態碳氧化物，因此氧含量越高越有利于氣態碳氧化物的生成。

2.1.2 物料粒徑的影響

垃圾經預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程，主要影響物料的升溫速率及產氣率。在一定溫度下，物料粒徑越大，物料間的熱傳遞就越難，熱解爐內的溫度就會分布不均，影響熱解產物的產率；較小顆粒的物料從表面傳熱到中心的時間更少，傳熱也更均勻，產生的熱解氣易與熱解區分離，易發生二次裂解，產生較多的可燃小分子氣體，產氣率更高。大顆粒物料熱傳遞速率較慢，易產生較多的熱解液，產生的熱解氣也不易分離，產生較多的冷凝性氣體。但是當溫度超過900℃時，傳熱速率的影響明顯減小則物料粒徑的影響也降低。

2.2 熱解反應條件對垃圾熱解反應的影響

2.2.1 熱解溫度的影響

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

2.2.2 升溫速率的影響

熱解根據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直接影響熱解氣產率及產物組成。

慢速升溫因加熱時間長使物料在低溫區充分蓄熱、物料間的傳熱也相對均勻，在低溫段緩慢加熱使得有機分子在薄弱節點易發生斷裂，熱解起始溫度向低溫區移動。熱解溫度越低，熱解氣產率越低，同時慢速熱解還會因有機物中的纖維素易發生縮聚反應而生成較多的熱解焦。

快速升溫很容易造成物料內外受熱不均，只有部分物料能夠在短時間內迅速達到裂解溫度，造成該狀態下起始熱解溫度向高溫區移動，溫度升高易發生二次裂解致使熱解氣和熱解液體的產率也相應提高。

城鎮垃圾中有機組分的熱解溫度區間集中在200～500°C，該區間隨著熱解升溫速率的升高而向高溫區拓寬，熱解產氣峰也向高溫區移動。熱解產氣組分主要為CO、CH4、H2O及一些有機物。氣體產物產量和最大產氣速率會隨著升溫速率的提高而增加，CO、CH4等可燃氣的組分含量也會提高。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，殘渣率也相應增加。

2.2.3 停留時間的影響

垃圾原料在熱解爐中的停留時間主要影響的是裂解產物的分解率，足夠的停留時間有利于物料間熱量傳遞。通常氣態生成物產率隨著停留時間延長呈顯著增長趨勢。這是由于隨著停留時間的延長，更多的中間產物發生了二次裂解生成了氣體。但系統處理規模與停留時間呈反比關系，物料在焚燒爐內的停留時間越長，系統的處理規模則越??；停留時間過短很可能造成熱解反應不徹底。這就要求在設計過程中合理優化參數，在滿足停留時間的前提下設置系統規模。

2.2.4 催化劑的影響

城鎮生活垃圾是多種物質混合的低品質燃料，存在資源化利用效率低、熱解產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。因此在實際使用過程中多采用催化熱解，主要通過選擇和優化催化劑，降低反應活化能，提高熱解氣品質與產率。

目前城鎮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）、負載型催化劑和廢棄物催化劑等。熱解催化劑通常具有較強的抗熱抗腐蝕的能力、足夠的強度、良好的抗失活的能力、價格低廉以及易就地再生等特點。主要通過有效降低熱解反應活化能來完成熱解催化過程，經過催化可有效提高產氣量、降低焦油和焦炭產量，提高熱解氣中CO和H2等可燃組分的含量，進一步提升熱解產氣品質。

3 結語

熱解產氣品質及產率指標在一定程度上影響項目的經濟收益，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及熱解氣產率，但是工程投資和運營成本也會相應增加，這就要求在項目實施的全過程進行綜合分析與評估，優化各項指標。