固廢處置中熱裂解技術的運用研究進展分析

金楠洋，傅江英，吾湘蓉

（浙江工信合能源信息技術中心有限公司，浙江 杭州 310023）

引言

不管是經濟發達或是城市化擴張，社會的進步均離不開對各種資源的使用，煤炭、油氣、化石能源等都是應用領域極廣的資源。從蒸汽時期至高技術時代，自然為人類社會的進程作出了許多積極貢獻，而現如今人們卻對各種資源的采掘利用造成了十分嚴峻的后果，而物資耗費嚴重、垃圾遍地均是人類社會發展進程中消極的另一方面，在這些物資已經幾乎耗盡的今天，如果不能及時認清狀況，人們將很難實現長久的賴以生存和開發。而固體污染物則是最普遍的生活垃圾之一，包括汽車輪胎、含油污水等在內的垃圾都和人們的生產、生活息息相關，因此這種垃圾具有再使用的可行性。我國應當根據自己的現實情況，立足于具體發展實際國情，選擇最適合經濟建設需要的資金循環使用模式，并采用最有效、科學的技術手段加以固體廢棄物管理，盡量減少對資金的耗費，以維護好當地的自然環境和城市環境安全，從而真正地達到人與自然的和諧共贏。

1 固體廢棄物概述

1.1 固體廢棄物的產生

固體廢棄物產生于人們的生產和生活，而這種垃圾又往往無法在短期內達到可循環使用，因此對人類產生了一定的危害性，亟需加以人為限制和解決[1]。在一定的情況下，固體污染物也能夠進行循環使用，但是人們目前的技術還不可以實現固體污染物的高效使用，可以預測到未來的某一日，在人們的技術能夠成熟之際，固體污染物將可以進行自身的再使用。但是，如今學術界所說的固體污染只是一種中性詞，固體污染的未來具有無限的可能性。

2017 年，我國所產生的固體污染數量突破百億噸，表明這種垃圾已經成為廢棄物中無法忽略的一種。固體污染對我國的危害是多方面的，首先固體污染大多是固態，所以必須占用巨大的空間，嚴重耗費了我國的土地資源；其次，固態污染還會污染土地，植物在堆存過程中，所帶來的油渣等污染易滲入土層中，不利于土地的循環使用；最后，由于固態污染的搬運必須動用其他交通工具，搬運過程中會對動植物生長產生相應的不良影響，并嚴重危害大氣環境[2]。

1.2 固體廢棄物的處理

目前，國內已有幾種處置固體廢棄物的技術，熱裂解工藝就是其中一個。熱裂解技術是老式環境保護技術，可以減少固態物質對自然環境造成的影響，防止固態物質在過程中對海洋、農田產生破壞，而且這種技術具有良好的使用發展前景。

1.3 熱裂解技術在固廢處理中的優勢

國家將根據實際情況，釆用資源重復使用的模式，選用科學、有效的固廢處理技術，從而有效降低資源浪費，達到人與自然界和諧共存。當前，在中國處理固廢的方式一般有填埋法、燃燒法等。填埋法不僅對選址要求嚴格，占地面積大，而且長期穩定性也不好，防滲體系的老化后滲篩液還會對垃圾回填地的周邊土壊和地下水形成巨大污染。而且垃圾焚燒也無法完全燃燒固廢，尤其是危廢，會形成高毒二噁英，嚴重影響人類身體，而且垃圾焚燒還必須隨時加注燃油，從而提高了運營費用，與環保原則不符[3]。

熱裂解工藝技術的使用，可以很好地解答以上提問。因為相比于傳統燃燒法，熱裂解工藝技術可以使固廢中的有機物轉化為以碳灰、燃料氣體等為首的高貯存性能量；NOx生產較少’且處于缺氧分解，故排放較低，因此能減少二次污染；而固廢中的有害成份則會固化在碳灰里。

2 熱裂解技術分析

2.1 含義概述

熱裂解技術有著相當久遠的發展歷史，這種技術最常見于美國、德國等發達國家，其前身是煤炭干餾術。而隨著產業化進程的不斷提高，熱裂解技術也被廣泛應用于各個產品應用領域中，當全球能源危機來臨以后，長期受到低迷經濟影響的人類意識到可持續發展才是經濟社會長久發展的關鍵，因此將大量固體廢棄物變廢為寶的熱裂解技術也被廣泛運用于固態污染處理中，目前已經達到了不錯的成效[4]。從技術層面上來看，熱裂解技術能夠在環境缺氧的條件下將高分子轉化為低分子，從而對環境有害物質進行有效分解，從而最大限度地降低了固態污染對自然環境的損害，從而達到資源的有效回收和使用，推動社會可持續發展。所以，熱裂解技術的核心內容就是對垃圾的無害化處置。

熱裂解的第一階段就是干燥過程，該過程的處理水溫約是200 ℃，而固體廢棄物則會在水溫逐漸上升的過程中進行烘干，并蒸發掉剩余的水份。第二步為早干餾階段，此階段的溫度一般維持在200～500 ℃，但固態污染物的化學特性會隨著溫度的增加而改變，彼時高分子已開始溶解，而小分子結構也已開始形成。第三階段為氣態生成階段，固態污染物不斷進行裂解，最后轉變為無毒無害的超臨界二氧化碳等氣態[5]。

2.2 熱裂解設備

進料系統的外部配套裝置，負責對固態垃圾經過高溫預處理，將垃圾粉碎并處理，然后送到一次燃燒室。一次燃燒器也是熱裂解技術的核心工藝部分，固態污染物將在一次燃燒器的高溫、缺氧等條件下發生反應，并產生有機物質。在經過干燥處置之后，固態污染物將會被帶到二次燃燒器，由工作人員向二次燃燒器中注滿氧，從而讓固態污染物完全燃燒，直至得到殘留物。

2.3 影響熱裂解應用的因素

影響高溫裂解法應用效果的因素比較多，時間、溫度、壓力等可對固體廢棄物的處理結果產生一定的影響，其中以高溫是較為重要的影響[6]。二次燃料室通常是使用高溫方式進行固態污染處置，而不同的高溫又對應著不同的生產工序，因此可以認為高溫直接決定了固態污染的降解效率。而研究的結果也表明，最適宜的熱裂解高溫約為800～900 ℃，在這種高溫下，熱裂解工作能夠進行的比較順暢，而固體廢棄物則可以形成更豐富的碳氫氣化產物，從而可以大大地減少了食品殘渣的遺留。

除了高溫以外，時效也是影響高溫裂解效率的主要原因。因為固體廢棄物在設備里的反應時間越長，有機物溶解得也就越充分。反之，當固態污染物在裝置內的反應時間越短，其分解過程越較不完全，所留下的殘渣也就會愈來愈多。因此，當對廢棄的輪胎進行高溫裂解處置時，一旦載氣的速度固定，而反應時間越短，固態污染物所留下的殘渣就會愈來愈多，而反應時間越長，固態污染物所留下的殘渣也就會愈小[7]。

2.4 熱裂解研究現狀

我國與西方發達國家比較，我國的熱裂解技術興起相對較晚，原因或許就是我國產業化進度明顯滯后于西方發達國家。由于20 世紀初期正是美國城鎮化建設的白熱化期，而彼時的美國人民普遍受到城市垃圾、廢棄物等的影響，為了緩解環保難題，并實現對自然資源的循環使用，美國政府便開始探索如何利用熱裂解技術實現城市廢物降解。經過長達幾十年的探索之后，美國政府已經熟練掌握了熱裂解工藝的核心，并把成熟的熱裂解工藝運用實踐。最近數年，由于全球能源局勢越來越嚴重，美國政府開始對熱裂解工藝展開更加深入的探索，試圖利用熱裂解工藝提升燃料的效率，實現自身的長期發展[8]。

我國企業最開始將秸稈視為熱裂解技術的主要使用對象，但隨著社會經濟的進一步發展，我國企業逐漸向更深入的方面鉆研熱裂解技術，把熱裂解處理的主要目標轉變到廢棄輪胎等固體廢棄物上來。在經過長期的探索和鉆研之后，我國企業在熱裂解技術的運用方面也獲得了很大的提高，目前已經部分企業可以熟練地運用熱裂解技術處理固體廢棄物。不過，從宏觀視角來看，目前我國的熱裂解技術還是處在襁褓階段，還難以實現商業應用。因此為了實現經濟可循環發展，我國還需要加強對熱裂解技術的鉆研，力爭在熱裂解技術的實際應用方面獲得更大的進展。

3 熱裂解技術在固廢處置中的應用

3.1 廢輪胎

隨著我國城鎮居民購車數量的增加，廢棄輪胎在固體廢棄物地位迅速上升[9]。熱裂解技術已成為利用、處置廢棄輪胎的最主要方法，目前已經不少發達國家把熱裂解技術運用于對廢棄輪胎的回收再使用等領域。輪胎被進行熱裂解處置后將生成大量儲氫材料、石油、煤炭等化學物質，當中氫、碳氫復合烴類為生成熱解氣的最主要元素。熱解氣是一個能量，可實現循環使用，以達到對廢棄物的無害化，是具有價值的熱分解產品。另外，輪胎中還可分解成細胞焦亡油，熱解汽油的熱度大、黏度小，也可以當做生物燃油利用。當熱裂解高溫超過500 ℃時，輪胎中就會形成大量的固體細胞焦亡炭，而細胞焦亡炭中也存在危險元素，且使用程度相當限制[10]。

3.2 含油污泥

在熱裂解技術的支持下，含油淤泥對人類的影響能夠減至最低點，因此工人們只需對含油淤泥先經過風干處理過程，而后再經過熱解，以使設備工作的溫度維持在500～600 ℃左右。在過程中，工人還必須添加氮氣，以將含油淤泥在缺少空氣的情況下，加以再次合成。經過熱裂解處置之后，廢水的殘渣已能滿足可利用的要求，并完成了無害化改造。從總體來看，熱裂解技術已經是一項比較成熟的含油污水處置工藝技術，目前我國的部分油田也已開始使用熱裂解技術對含油污水加以處置，并取得了良好的經濟效益，說明這種工藝技術已具有了大面積應用的可行性[11]。

3.3 城市垃圾

當前，城市內垃圾處理的方式稍多，但處置結果均會對生態環境產生影響。此時，采用熱解氣體焚燒的方式對垃圾進行處理，其是多種方法結合后產生的全新技術。城市內垃圾經過熱解之后，可以將諸多有害物質分離出，并將有害金屬改善，隨后對殘留物進行燃燒（無氧狀態下也可以操作），以此減少有害物質出現氧化以及殘留的情況[2]。當其在無氧狀態下燃燒時，并不會出現CuCl2，也不會生成二氧化碳。熱解過程可以在反應器內完成，且反應器多為回轉窯反應器、流化床反應器、固定床反應器。這些反應器均具備一定的優勢以及不足，如回轉窯其實際操作比較簡單，但熱解反應不夠徹底。流化床反應器的工作效率稍高，但其所用物料比較少，對于設備的要求稍高，顯著提升建設成本。固定床反應器的效果稍高一些，其可以用于多種原料內，但單次處理的數量較小。因此，處理人員選擇設備的時候，需根據實際情況分析，選擇最適合的設備。借助熱裂解技術對城市垃圾進行處理的過程中，可以借助垃圾產生的熱量發電，以此節約更多的電能，滿足環保節能的需求，并減少環境污染[13]。

3.4 舉例分析

如當前某省市內存在垃圾填埋場、污水處理廠、垃圾焚燒電站，其多是用于處理固體危險廢棄物以及醫療垃圾。根據固廢的實際情況以及特征，合理采用熱裂解技術對其實施處理，且滿足廢棄排放要求：首先，進料系統。自動進料，前端可以搭配真空收集系統、傾倒機、輸送帶裝置，以此實現自動化的工作目的。其次，一次、二次燃燒室。采用缺氧熱裂解技術燃燒，可以將其分為不同階段。最后，第二次燃燒的時候，需注意煙氣停滯進間可以根據相關需求設計出合理的間隔，間隔為1 s 或更久，控制溫度，滿足相關需求[14]。

4 結語

熱裂解技術首次誕生于西方人國度，而我國熱裂解技術的興起相對較晚。熱裂解技術還能夠進行對固態污染物的循環再利用，使廢棄輪胎、含油污水等生活垃圾迅速降解為可使用的物品，從而進行對固態污染的安全無害化處置。因此我國還必須加強對這種工藝技術的研發，以達到本國資源的有效循環使用。