第7章 城市生活垃圾的热解处理.ppt

1、1,固体废物的热转化技术,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、焚烧等技术，特别适合有机固体废物的资源化。,2,第7章 城市生活垃圾的热解处理,热解概念、原理与影响因素 热解反应器 典型固体废物的热解工艺,3,第一节 热解概念与原理,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。,4,热解概念,热解(pyrolys

2、is)也称作热分解、碳化，在工业上也称为干馏。 关于热解的最经典的定义是斯坦福研究所（Stanford Research Institute, SRI）提出的“在不向反应器内通入氧、水蒸气或加热的一氧化碳条件下，通过间接加热使含碳有机物发生热化学分解，生成燃料的过程”。 气化：通过部分燃烧热解产物来直接提供热解所需热量的情况，严格地讲不应该称为热解，而是部分燃烧（Partial-combustion）或缺氧燃烧（starved-air-combustion）。,5,广义概念：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、油、固形碳的热化学过程。 热解是吸热

3、的，产物是可燃的低分子化合物。,6,热解和焚烧有本质上的不同：,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。 焚烧是放热反应; 热解是吸热反应。 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。 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。,7,固体废物的热解与焚烧相比有下列优点:,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； 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； 废物中的硫、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+； NOx的产生量少。,8,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。 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。,9,有机物,加热,无氧或缺氧,G（H2、CH4、CO、CO2） +L（有机酸、芳烃、焦油） +S （碳黑、炉渣）,10,热解工艺及成分,11,影响固体废物热解的因素,影响有机固体废弃物热解产物的因素有

5、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，而且这些因素都是互相耦合的，形成非线性的关系。 各种影响因素的关联度大小为：热解温度物料特性加热速率物料的填实度物料粒径。热解终温的关联度数值最大，这说明热解终温是一个最重要的参数之一。,12,影响固体废物热解的因素,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。,13,14,加热速率 对热解产物的生成比有较大的

6、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。,15,保温时间 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。 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。,16,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，

7、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。 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。,17,热解方式,18,热解反应器,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

8、。 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 可分为 分段炉 流向 交叉流,19,热解反应器,固定床反应器 流化床反应器 旋转窑反应器 双塔循环式反应器,20,1、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，减少了对空气污染的潜在影响。 但存在一些技术难题，如有 粘性的燃料需要进行预处理； 使其燃烧时不结成饼状。 由于反应器内气流为上行式， 温度低，含焦油等成分多， 易堵塞气化部分管道。,典型的固定燃烧床反应器,21,1 Fu

9、el In-Feed SystemThe metering bin is designed to provide short term fuel storage and to deliver a steady rate of fuel to the 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

10、vertical auger pushes fuel into the base of the fuel pile inside the gasifier. A constant fuel pile height is maintained in the gasifier over the entire operating range.,22,2 GasifierAs fuel enters the gasifier, it moves through progressive stages of drying, pyrolysis, gasification and reduction to

11、ash. Combustion air (20 - 30% of stoichiometric), steam and/or oxygen are introduced through the inner and outer cone into 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 controlle

12、d and kept below the ash melting temperatures to ensure that there is no formation of “clinker” and that the ash flows freely.,23,3 Automatic Ash Removal SystemAs 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

13、 gasifier where it is removed intermittently through a set of openings. The openings are normally covered by a rotating 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

14、. Each ash hopper has two parallel augers to convey the ash to a collection conveyor and an enclosed ash bin.,24,4 SyngasSyngas 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, the

15、rmal oil heaters, air-to-air heat exchangers and turbines. Nexterra is also developing systems to directly fire syngas into industrial boilers, kilns, dryers and other equipment.,25,2、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，使得固体废物颗粒分散，反应性能更好，速度快。 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熔化的范围内，以防灰渣融熔

16、结块。 适应于含水量高或波动较大的废物燃料，且设备尺寸比固定床小，但热损失大，气体中带走大量的热量和较多地未反应的固体燃料粉末。,26,3、旋转窑,旋转窑是一种间接加热的高温分解反应器。 其主要设备为一个稍微倾斜的圆筒，在它缓慢旋转的过程中使废料移动通过蒸馏容器到卸料口。蒸馏容器由金属制成，而燃烧室则是由耐火材料砌,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。此类装置要求废物必须破碎较细，尺寸一般要小于5cm，以保证反应进行完全。,27,28,4、双塔循环式热解反应器,包括固体废物热分解塔和固形炭燃烧塔。特点：将热解与燃烧反应分开在两个塔中进行

17、。 热解所需的热量，由热解生成的固体炭或燃料气在燃烧塔内燃烧供给。 惰性的热媒体 (砂)在燃烧炉内吸 收热量并被流化气 鼓动成流化态，经 联络管送到热解炉 内，热量被利用后 再返回燃烧炉被加 热。,29,聚乙烯(PE) 聚丙烯(PP) 聚苯乙烯(PS):300500时，大部分分解成低分子碳氢化合物 聚氯乙烯(PVC)：200左右开始发生脱氯反应。 酚醛树脂 脲醛树脂 PET ABS树脂,典型固体废物的热解,一、废塑料,塑料分类,30,典型固体废物的热解,废塑料的热解产物及流程 1.热解产物 主要产物为C1C44的燃料油和燃料气以及固体残渣。在通常情况下，产生的燃料气基本上在系统内全部消耗掉，燃

18、料油也部分消耗。 聚烯烃在热作用下可以发生裂解，产生低分子量化合物，有气体、液体、固体，其中气体可作燃气，液体作汽油、柴油等，固体作铺路材料。有催化剂存在时会改变裂解机理或裂解速度，使产物组分发生改变。聚烯烃在催化剂存在下分解，其分解速度大大增加，如PE在熔融盐分解炉中有沸石催化剂存在时，在420580分解，其分解速度提高27倍。,31,废旧PE和PP聚合物在高温下可以发生裂解，随温度不同，裂解产物有所变化。在较低温度下裂解产生较多的是高沸点化合物。随温度提高，低分子量物质含量会提高，在常温下为气体。在中等温度400500之间，热分解产物有液体、气体、固体残留物，其中气体占20一40，液体35

19、一70，残留物10一30；裂解温度在800时，热分解产物大部分是乙烯、丙烯和甲烷；,32,热解工艺,1、微波加热减压分解塑料工艺流程 微波炉和热风炉加热，减压蒸馏工艺，3t/d处理量。 （1）破碎：10mm （2）熔化炉：热媒体碳粒，微波炉和热风炉加热到230280，熔融除去金属 。 （3）反应炉：热风加热到400500，绝对压力67kPa （4）气体经冷凝器变成液体作为燃料油回收 （5）如含有聚氯乙烯时产生的氯化氢可在氯化氢回收塔中回收。,33,低温热分解工艺,利用聚氯乙烯（PVC）脱HCI的温度比聚丙烯(pp)聚乙烯(PE)聚苯乙烯(PS)分解的温度低这一特点，将PE、PP、PS在接近40

20、0，形成熔融液浴使PVC受热分解。 聚烯烃浴加热分解塑料工艺流程 热浴媒体：把PVC、 PE、PP、PS加入到 380 400的PE、PP、PS中 ，分解温度低的PVC先脱除HCI，以后PE、PP、PS 熔融形成热媒体。 根据停留时间长短，使PE、PP、PS 逐渐分解。 分解产物：HCI、C1C4是气体，C5C6是液体、C7C30是油脂状的碳氢化合物。 冷凝塔和水洗塔回收油品及HCI。 气体经碱洗后作为燃料气燃烧供给热解需要的热量。,34,流化床工艺,流化床热分解炉：炉内温度均一，改善传热效果。 热媒体：砂0.3,预热炉加热到400500。 塑料粒520经运输机送入分解炉。部分塑料燃烧提供热能

21、，因此正常运行时，预热炉停止使用。 流动层油搅拌浆，保证温度均一，同时防止废塑料与热媒体粘附在一起变成块状物阻止流化的进行。 优点：操作简单，控制容易，适合于负荷波动较大的情况适用。内热式供热，热效率高。但由于部分塑料燃烧，产生的非活性气体N2、H2O和CO2等加在气体中，气体热值不高，回收率也比其它方法低。,35,废橡胶,橡胶分天然与人工合成两类。废橡胶主要是指天然橡胶生成的废轮胎、工业部门的废皮带和废胶管等。 德国汉堡大学研究表明废轮胎热解所得产品中气体占22（重量）、液体占27、碳灰占39、钢丝占12。气体组成主要是甲烷（15.13)、乙烷(2.95)、乙烯(3.99)、丙烯(2.5)、

22、一氧化碳(3.8），其中水、二氧化碳、氢气和丁二烯也占一定比例。液体组成主要是苯（4.75）、甲苯（3.62）和其它芳香族化合物（8.50）。,36,橡胶的热解处理,废轮胎高温热解靠外部加热使化学链打开, 有机物得以分解或液化、汽化。热解温度在250500范围内，当温度高于250时, 破碎的轮胎分解出的液态油和气体随温度升高而增加，400以上时依采用的方法不同, 液态油和固态炭黑的产量随气体产量的增加而减少。 4% NaOH 溶液是最常用的废轮胎热解催化剂, 它能加速高分子链的断裂, 在相同的温度下可以增加液态油的产量, 同时提高产品的质量。,橡胶热解三相产率,38,轮胎橡胶的热稳定性分为: 200, 200 300及300以上3个区域。 在200以下无氧存在时, 橡胶较稳定，橡胶作为一种高聚物, 其物理状态取决于分子的运动形式。 在200 300, 橡胶特性粘数迅速改变, 低分子量的物质被“热馏”出来, 残余物成为不溶性干性物。此时橡胶中的高分子链有些还未断裂, 有些断裂成为较大分子量的化学物质, 因此产生的油黑而且粘, 分子量大, 碳黑生成很不完全。 当温度高于300时, 橡胶分解加快, 断裂出来的化学物质分子量较小, 产生