熱解技術下城市固廢資源化利用研究

李果果，黃小衛，郎麗媚

（1.浙江東天虹環保工程有限公司；2.溫州瑞林環保科技有限公司杭州分公司，杭州 310012；3.杭州市環境保護科學研究設計有限公司，杭州 310014）

近年來，我國城市固體廢物的產生量持續增加，造成嚴重的環境污染。廢物是由人類活動產生的，而廢物的收集、儲存、加工和處置方式可能對生態環境和人體健康構成風險[1-3]。隨著現代化和工業化的日益推進，世界對能源的需求正以迅猛的速度增長，目前，全球正面臨著人口增長、能源需求上升和化石燃料逐漸枯竭所引發的能源危機。環境退化、氣候變化等問題與化石燃料的使用有關，這促使人們尋找替代能源，如可再生能源。當前，利用城市固體廢物等可再生資源生產能源或許是一個可行的應對方法[4-7]。

1 城市固體廢物的處置與利用

研究人員已經開發了許多廢物轉化能源（WTE）技術，這些技術正在世界各地廣泛使用，以工業規模生產能源。盡管如此，仍要進一步改進WTE技術，使其更可靠、更穩定、更經濟、更環保。熱解被認為是一種革命性的替代方法，與其他WTE技術相比，它是一種簡單、清潔的垃圾處理技術[8-10]。熱解技術可以產生多種形式的化學物質和燃料。熱解通常是在沒有氧氣（或氧氣供應受限）的情況下對廢棄物進行熱降解，生成生物油、生物炭和合成氣等能源產品。

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]。要結合廢物來源、廢物類型和廢物處理能力等因素，選擇適當的城市固體廢物處置方法。制備能源是城市固體廢物循環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濟可行和可持續的。各種形式的能量都可以回收，如熱、電或燃料。回收技術可分為兩大類。一是生物轉化技術，這種技術可以生產氫氣、甲烷和其他氣體燃料。二是熱轉換技術，包括焚燒、氣化和熱解。

2 熱解技術

熱解是一個不可逆轉的過程，熱解材料類型多樣。受熱解作用影響，材料物理相和化學組成不斷發生變化。與其他能源回收技術相比，熱解技術應用廣泛，原料來源多樣，處理速度快，環境污染風險低。

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間一般較長。目前，慢熱解工藝大多應用在生物炭生產中。

2.1.2 快速熱解

快速熱解是一種先進技術，相比其他工藝，它具有更高的生物油生產能力，受到廣泛的關注。熱解溫度控制在400～700 ℃，防止熱解產物進一步分解為不凝化合物。為了獲得較高的生物油收率，要對工藝參數進行嚴格控制，提高傳熱速率。一般來說，升溫速率為10～100 ℃/s。原料被磨成非常細的顆粒，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的熱解技術，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，升溫速率非常快，超過1 000 ℃/s。

2.2 熱解反應器

常見的熱解反應器有固定床、流化床、回轉窯和螺旋反應器。為了提高熱解效率，反應器需要合理控制傳熱速率和原料停留時間。若傳熱速率低，原料停留時間長，則可產生大量生物炭和合成氣。螺旋反應器可以通過熱解城市固體廢物，生產能源產品，如圖1所示。螺旋反應器一般為管狀，有一個螺桿，運行方式為連續式。螺桿旋轉可以將原料輸送到反應器中，熱解所需熱量通過反應器的管壁輸送。螺桿實現了兩個功能，一是混合原料，二是調節原料在反應器中的停留時間。熱解產生的蒸汽被吸入冷凝器并壓縮，以生產生物油。螺旋反應器設計得非常緊湊，這使得反應器可以在原料生產現場使用，降低原料運輸成本。

圖1 典型螺旋反應器

3 城市固體廢物熱解產物

熱解可以將城市固體廢物轉化為能源產品，其熱解產物通常具有與燃料相似的性質。城市固體廢物熱解過程可能對環境產生負面影響，必須采用先進熱解方法，減少和消除環境污染。城市固體廢物通常分類不徹底，多種成分混合在一起。混合生活垃圾先干燥，再粉碎成不同粒徑，利用固定床反應器進行熱解試驗，熱解溫度控制在600～900 ℃，研究原料粒度和熱解溫度對熱解產物的影響[1]。隨著原料粒度的減小和熱解溫度的升高，合成氣的產率增加，生物油和生物炭的產率降低。熱解提取的生物油和生物炭適合作為工業原料,城市固體廢物類型不同，其熱解產物存在一定差異。

3.1 有機廢物

城市固體廢物含有大量有機廢物，主要包括廚余垃圾、廢木材和園林廢物。廚余垃圾分類后進行熱解處理，試驗發現，隨著微波功率的增加，生物炭的產率逐漸降低，合成氣的產率逐漸增加；生物油產率先隨微波功率的增加而增加，微波功率達到400 W時，進一步增加微波功率會降低生物油產率[2]。微波功率為400 W，反應器溫度為600 ℃時，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，其關鍵組分是纖維素，氮和硫含量低。它可以作為WTE技術的良好原料。熱解法可以用于從廢紙中提取能源。紙張熱解過程采用管狀反應器，在不同的溫度和升溫速率下進行熱解，以確定熱解產物的種類和質量。送入反應器之前，將廢紙在烘箱中干燥，以除去水分。溫度的升高會增加合成氣的產量，經分析，生物炭在高溫下發生二次分解。生物油含有4種主要成分，即無水糖、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，要加強研究，有效地處理塑料垃圾，以保護環境。試驗發現，不同工藝參數影響廢塑料熱解的能源產品產率和性能。廢塑料種類為聚丙烯，在裂解式半間歇反應器中，溫度為510 ℃時，生物油、生物炭和合成氣的產率分別為79%、8%和13%。分析發現，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 結論

可再生能源利用符合可持續發展理念，熱解技術可以為其提供巨大助力。城市固體廢物是一種可再生資源，其開發潛力大。作為一種容易實現的能源生產工藝，熱解技術可以將城市固體廢物轉化為生物燃料。螺旋反應器是目前應用最廣的固體垃圾熱解設備，其傳熱能力強，能耗較低。總體來看，城市固體廢物熱解產物中，油約占43%，生物炭約占27%，合成氣約占25%。熱解技術是一種高效的環保技術，可以將城市固體廢物作為原料，生產生物燃料和其他增值產品。