主题:【分享】固体废物的热解

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太白金星
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固体废物中有机物可分为天然的和人工合成的两类。天然的有橡胶、木材、纸张、蛋白质、淀粉、纤维素、麦杆、废油脂和污泥等。人工合成的有塑料、合成橡胶、合成纤维等。随着现代工业发展和人民生活水平的提高,人们的衣、食、住、行中应用到有机高分子材料的机会增多,因此,在固体废物中有机物质的组分不断增加。这些废物都具有可燃性,能通过焚烧回收能量。本章主要介绍从有机物的热解中回收燃料气和油品。
第一节 概述
一、热解概念
固体废物热解是利用有机物的热不稳定性,在无氧或缺氧条件下受热分解的过程。热解法与焚烧法相比是完全不同的二个过程,焚烧是放热的,热解是吸热的;焚烧的产物主要是二氧化碳和水,而热解的产物主要是可燃的低分子化合物:气态的有氢、甲烷、一氧化碳,液态的有甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等,固态的主要是焦炭或碳黑。焚烧产生的热能量大的可用于发电,量小的只可供加热水或产生蒸汽,就近利用。而热解产物是燃料油及燃料气,便于贮藏及远距离输送。
热解原理应用于工业生产已有很长的历史,木材和煤的干馏、重油裂解生产各种燃料油等早已为人们所知。但将热解原理应用到固体废物制造燃料,还是近几十年的事。国外利用热解法处理固体废物已达到工业规模,虽然还存在一些问题,但实践表明这是一种有前途的固体废物处理方法。
1927年美国矿业局进行过一些固体废物的热解研究。60年代,人们开始以城市垃圾为原料的资源化研究,证明热解过程产生的各种气体可作为锅炉燃料。1970年Sanner等进行实验证明,城市垃圾热解不需要加辅助燃料,能够满足热解过程中所需热量的要求。1973年Battle研究使用垃圾热解过程所产生的能量超过固体废物含能量的80%获得成功。原联邦德国于1983年在巴伐利亚的Ebenhausen建设了第一座废轮胎、废塑料、废电缆的热解厂,年处理能力为600-800吨废物。而后,又在巴伐利亚州的昆斯堡建立了处理城市垃圾的热解工厂,年处理能力为35000吨废物,成为原联邦德国热解新工艺的实验工厂。美国纽约市也建立了采用纯氧高温热解法日处理能力达3000吨的热解工厂。
1981年我国农机科学研究院,利用低热解的农村废物进行了热解燃气装置的试验取得成功。小型农用气化炉已定点生产,为解决农用动力和生活能源,找到了方便可行的代用途径。
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二、热解原理
固体废物热解过程是一个复杂的化学反应过程。包含大分子的键断裂,异构化和小分子的聚合等反应,最后生成各种较小的分子。热解过程可以用通式表示如下:
有机固体废物 (H2、CH4、CO、CO2)气体+(有机酸、芳烃、焦油)有机液体+炭黑+炉渣
例如,纤维素热解3(C6H10O5)→8H2O+C6H8O+2CO+2CO2+CH4+H2+7C
其中:C6H8O代表液态的油品。
三、热解方式
热分解过程由于供热方式、产品状态、热解炉结构等方面的不同,热解方式各异。按供热方式可分成内部加热和外部加热。外部加热是从外部供给热解所需要的能量。内部加热是供给适量空气使可燃物部分燃烧,提供热解所需要的热能。外部供热效率低,不及内部加热好,故采用内部加热的方式较多。按热分解与燃烧反应是否在同一设备中进行,热分解过程可分成单塔式和双塔式。按热解过程是否生成炉渣可分成造渣型和非造渣型。按热解产物的状态可分成气化方式、液化方式和碳化方式。还有的按热解炉的结构将热解分成固定层式、移动层式或回转式,由于选择方式的不同,构成了诸多不同的热解流程及热解产物。

第二节 典型固体废物的热解
高分子固体废物的热解产物,随高分子的种类及热解条件而有所不同,现讨论如下:
一、塑料的热解产物及工艺流程
(一)热解产物
塑料的品种除前面提到过的热塑性及热固性二大类外,由其受热分解后的产物又可分成解聚反应型塑料和随机分解型塑料,以及二者兼而有之的中间分解型塑料。
解聚反应型塑料受热分解时聚合物解离、分解成单体,主要是切断了单体分子之间的结合键。这类塑料有聚氧化甲烯、聚a-甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、四氟乙烯塑料等,它们几乎100%的分解成单体。
随机分解型塑料受热分解时链的断裂是随机的,因此产生无一定数目的碳原子和氢原子结合的低分子化合物。这类塑料有聚乙烯、聚氯乙烯等。
大多数塑料的受热分解,二者兼而有之。各种分解产物的比例,随塑料的种类、分解的温度而不同,一般温度越高,气态的(低级的)碳氢化合物的比例越高。由于产物组分复杂要分解出各种单个组分比较困难,一般只以气态、液态和固态三类组分回收利用,此外,还有利用塑料的不完全燃烧回收炭黑的热解类型。
塑料中含氯、氰基团的,热分解产品中一般含HCl和HCN,而塑料制品中含硫较少,热分解得到的油品含硫分也相应较低下,是一种优质的低硫燃料油,为此,日本开发了废塑料与高硫重油混合热解以制得低硫燃料油的工艺。
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