第7章 城市生活垃圾的热解处理

1、第7章 城市生活垃圾的热解气化 1 固体废物热转化就是在高温条件下使固体废物中 可回收利用的物质转化为能源的过程，主要包括 热解、气化、焚烧等技术，特别适合有机固体废 物的资源化。 2 第一节 热解气化概念与原理 3 一、热解气化的概念 1、热解(pyrolysis)也称作热分解、碳化，在工业 上也称为干馏。 是指在无氧条件下，通过间接加热使含碳有机物 发生热化学分解，生成可燃气、有机液体和固体 残渣的热化学过程。 4 2、气化：在反应器中通入部分空气、氧或蒸汽， 使有机物发生部分燃烧，产生的热量用于加热自 身并使之发生分解，生成可燃气、有机液体和固 体残渣的热化学过程。 气化严格地讲不应该称

2、为热解，而是部分燃烧 （Partial-combustion）或缺氧燃烧（starved-air- combustion）。 5 热化学技术处理垃圾是在高温下对有机固体废弃 物进行分解破坏，实现快速、显著减容的同时， 对废物中的有机成分加以利用， 近年来，有机固 体废弃物的热解(或干馏技术)受到国内外的普遍关 注。 热解是一种古老的工业化生产技术，该技术最早 应用于煤的干馏，所得到的焦炭产品主要作为冶 炼钢铁的燃料。 6 3、热解气化：固体废物热解是无氧或缺氧条件下， 使固体物料中有机成份在高温下分解，最终转化 为可燃气、有机液体和固体残渣的热化学过程。 4、热解与气化的区别： （1）外热与自

3、热 （2）反应和产物 7 5、热解和焚烧有的不同： （1）焚烧需要充分供氧，物料完全燃烧。 热解无需供氧或只需少量的氧，物料不燃烧或部 分燃烧。 （2）焚烧是放热反应; 热解是吸热反应。 （3）焚烧产生大量的废气，其处理难度大，环保 问题严重。热解产生可燃低分子化合物,可燃气， 油等。 8 （4）焚烧产生的热量大的可以发电,小的可就近 利用。 热解产生的是燃料油和燃料气，便于贮藏和远距 离输送。 9 6、热解与焚烧相比有下列优点: （1）可以将固体废物中的有机物转化为以燃料气、 燃料油和炭黑为主的贮存性能源； （2）由于是缺氧分解，排气量少，有利于减轻对 大气环境的二次污染； （3）废物中的硫

4、、重金属的有害成分大部分被固 定在炭黑中； （4）由于保持还原条件，Cr3+不会转化为Cr6+； （5）NOx的产生量少。 10 二、热解原理 1、基本原理 固体废物热解过程是一个复杂的化学反应过程。 包括大分子的键断裂，异构化和小分子的聚合等 化学反应，最后生成各种较小的分子。裂解和聚 合等很多反应是交叉进行的。 总反应式如下： 11 12 有机物有机物 加热加热 无氧或缺氧无氧或缺氧 G（H2、CH4、CO、CO2） +L（有机酸、芳烃、焦油）（有机酸、芳烃、焦油） +S （碳黑、炉渣）（碳黑、炉渣） 典型热反应： C + O2= CO2 + 408840kJ/kmol C + 1/2O2

5、 = CO + 123217 kJ/kmol CO2 + C = CO - 162405 kJ/kmol C + H2O = CO + H2 - 118821 kJ/kmol C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 75237 kJ/kmol 13 2、产物： 以氢气、碳氧化物、甲烷等低分子碳氢化合物 为主的可燃气体。 以常温下为液态的包括乙酸、丙酮、甲醇等化 合物在内的燃料油。 纯碳和玻璃、金属、土沙混合形成的碳黑。 14 15 第二节 热解气化影响因素 16 影响有机固体废弃物热解产物的因素有很多，如 物料特性、热解温度、炉型、堆积特性、加热方 式、各组分的停留时间等，而且这些因素都

6、是互 相耦合的，形成非线性的关系。 17 一、热解温度 温度是热解过程最重要的控制参数。温度变化对 产品产量，成分比例有较大的影响。 在较低温度下有机废物分裂成较多的中小分子， 油类含量相对较多。 随着温度的升高，除大分子裂解外，许多中间产 物也发生二次裂解，气体产量成正比增加，而各 种酸、焦油、炭渣产量相对减少。 18 19 二、加热速率 对热解产物的生成比有较大的影响。通过加热速 率和加热温度的结合，可控制热解产物中各组分 的生成比例。 低温低速：固体含量增加。 高温高速：气体组分增加。 20 三、加热时间 物料在反应器中的保温时间决定了物料转化率。 物料的保温时间与处理量成反比例。保温时

7、间长， 热解充分，但处理量小；保温时间短，则热解不 完全，但处理量大。 21 四、物料性质 物料性质如有机成分、含水率和尺寸大小等对热 解过程有重要影响。 有机物成分比例大，热值高，可热解性较好，产 品热值高，可回收性好，残渣少； 含水率低，干燥耗热少，升温到工作温度时间短； 较小的颗粒尺寸促进热量传递，保证热解过程的 顺利进行。 22 23 五、反应器类型 不同反应器有不同的燃烧床条件和物流方式。 一般来说，固定燃料床处理量大，而流化态燃烧 床温度可控性好。 气体与物料逆流进行有利于延长物料在反应器内 滞留时间，从而可提高有机物的转化效率；气体 与物料顺流进行可促进热传导，加快热解过程。 2

8、4 六、供气供氧 空气或氧气作为热解反应中的氧化剂，使物料发 生部分燃烧，提供热能以保证热解反应的进行。 因此，供给适量的空气是非常重要的，也需要严 格控制。 由于空气中含有较多的氮气，供给纯氧能提高可 燃气体的热值，也增加生产成本。 25 第三节 热解气化工艺与设备 26 一、热解气化工艺分类 27 二、热解气化设备 一个完整的热解工艺包括进料系统、反应器、回 收净化系统和控制系统等几个部分。热解过程发 生在反应器中，因此热解反应器是非常重要的。 不同的反应器类型往往决定了整个热解反应的方 式以及热解产物的成分。 固定床 同向流 按燃烧 流化床 根据物料 逆向流 床条件 旋转炉 与气体相对

9、可分为 分段炉 流向 交叉流 28 几种热解反应器 固定床反应器固定床反应器 流化床反应器流化床反应器 旋转窑反应器旋转窑反应器 双塔循环式反应器双塔循环式反应器 29 1 1、固定床反应器（固定燃烧床反应器）、固定床反应器（固定燃烧床反应器） 热量由废物燃烧部分燃烧所提供；逆流式物流方向，停热量由废物燃烧部分燃烧所提供；逆流式物流方向，停 留时间长，保证了废物最大程度地转换成燃料；因气体留时间长，保证了废物最大程度地转换成燃料；因气体 流速相应较低，产生气体中夹带的颗粒物质也比较少，流速相应较低，产生气体中夹带的颗粒物质也比较少， 减少了对空气污染的潜在影响。减少了对空气污染的潜在影响。 但

10、存在一些技术难题，如有但存在一些技术难题，如有 粘性的燃料需要进行预处理；粘性的燃料需要进行预处理； 使其燃烧时不结成饼状。使其燃烧时不结成饼状。 由于反应器内气流为上行式，由于反应器内气流为上行式， 温度低，含焦油等成分多，温度低，含焦油等成分多， 易堵塞气化部分管道。易堵塞气化部分管道。 30 典型的固定燃烧床反应器典型的固定燃烧床反应器 1 Fuel In-Feed System The metering bin is designed to provide short term fuel storage and to deliver a steady rate of fuel to t

11、he gasifier. The metering bin out-feed augers have a variable speed drive that deposits fuel into a horizontal auger conveyor where it is transferred to a vertical conveyor. The vertical auger pushes fuel into the base of the fuel pile inside the gasifier. A constant fuel pile height is maintained i

12、n the gasifier over the entire operating range. 31 2 Gasifier As fuel enters the gasifier, it moves through progressive stages of drying, pyrolysis, gasification and reduction to ash. Combustion air (20 - 30% of stoichiometric), steam and/or oxygen are introduced through the inner and outer cone int

13、o the base of the fuel pile. The process is maintained by simultaneous control of combustion air and fuel feed rate. Combustion temperatures in the fuel pile are tightly controlled and kept below the ash melting temperatures to ensure that there is no formation of “clinker” and that the ash flows fr

14、eely. 32 3 Automatic Ash Removal System As partially processed fuel passes to the outer cone, it is reduced to non-combustible ash. The ash migrates to the grate at the base of the gasifier where it is removed intermittently through a set of openings. The openings are normally covered by a rotating

15、plate fabricated with the same pattern of openings. When hydraulically activated, the rotating plate aligns its openings with the fixed plate and the ash drops into two ash hoppers. Each ash hopper has two parallel augers to convey the ash to a collection conveyor and an enclosed ash bin. 33 4 Synga

16、s Syngas exits the gasifier at 500 700 . The syngas can be combusted in a close coupled oxidizer with the resulting flue gas directed to heat recovery equipment such as boilers, thermal oil heaters, air-to-air heat exchangers and turbines. Nexterra is also developing systems to directly fire syngas

17、into industrial boilers, kilns, dryers and other equipment. 34 2、流化床反应器（流态化燃烧床反应器） 在流化床中，气体与燃料同在流化床中，气体与燃料同 流向相接触；反应器中气体流速流向相接触；反应器中气体流速 高到可以使颗粒悬浮，使得固体高到可以使颗粒悬浮，使得固体 废物颗粒分散，反应性能更好，废物颗粒分散，反应性能更好， 速度快。速度快。 此工艺要求废物颗粒本身可此工艺要求废物颗粒本身可 燃性好；温度应控制在避免灰渣燃性好；温度应控制在避免灰渣 熔化的范围内，以防灰渣融熔结熔化的范围内，以防灰渣融熔结 块。块。 适应于适应于含水

18、量高或波动较大含水量高或波动较大 的废物燃料，且设备尺寸比固定的废物燃料，且设备尺寸比固定 床小，但热损失大，气体中带走床小，但热损失大，气体中带走 大量的热量和较多地未反应的固大量的热量和较多地未反应的固 体燃料粉末。体燃料粉末。 35 旋转窑是一种间接加旋转窑是一种间接加 热的高温分解反应器。热的高温分解反应器。 其主要设备为一个稍其主要设备为一个稍 微倾斜的圆筒，在它缓慢微倾斜的圆筒，在它缓慢 旋转的过程中使废料移动旋转的过程中使废料移动 通过蒸馏容器到卸料口。通过蒸馏容器到卸料口。 蒸馏容器由金属制成，而蒸馏容器由金属制成，而 燃烧室则是由耐火材料砌燃烧室则是由耐火材料砌 36 成。分解反应所产生的气体一部分在蒸馏器外壁与燃烧成。分解反应所产生的气体一部分在蒸馏器外壁与燃烧 室内壁之间的空间燃烧，这部分热量用来加热废料。此室内壁之间的空间燃烧，这部分热量用来加热废料。此 类装置要求废物必须破碎较细，尺寸一般要小于类装置要求废物必须破碎较细，尺寸一般要小于5cm5cm，以，以 保证反应进行完