熱裂解技術在固廢處置中的應用

楊 健

(海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津 300457)

1 固體廢棄物

1.1 固體廢棄物的產生

固體廢棄物是指人類生產、生活過程中產生的固態廢物質，俗稱“垃圾”。通常包括城市生活廢棄物、工業廢棄物和農業廢棄物。據統計，我國2017年全年產生固體廢棄物已經超過100億t，歷年堆存的工業固廢已近700億t。固體廢棄物的危害極大，首先是浪費資源。固體廢棄物的存放需要大量土地，造成土地資源浪費，同時，在存放的過程中對土地造成嚴重污染。其次是破壞生態環境。在固廢倒運、存放及排放過程中，對生態環境造成污染，甚至影響到動植物的生存。

1.2 固廢的處理方法

目前，固體廢棄物有多種處理方式，如焚燒法、熱裂解法、填埋法等。上述方法中，焚燒法和填埋法是處理固廢的常用方法，但危害較大，在處理過程中對空氣、土壤均可造成嚴重破壞。熱裂解法是比較環保的方法，在不污染環境的前提下，可將殘渣有效利用。

2 熱裂解

2.1 熱裂解工藝

熱裂解是指物質在加熱過程中，經過一系列反應生成可燃氣體、可燃油等物質。

熱裂解的反應過程主要分為3個階段，分別是干燥階段、干餾階段和氣體生成階段。在干燥階段，溫度通常在200℃左右，在溫度升高的過程中，對物料進行烘干，使其水分揮發。在干餾階段，溫度通常為200～500℃。在此過程中，物料發生了實質性的變化，大分子裂變成為小分子，生成了含碳化合物。在氣體生成階段，上述產物經過高溫發生二次裂變，生成了氫氣、一氧化碳、甲烷等氣體。

2.2 熱裂解設備

熱裂解需要在專業設備內進行，設備主要分為進料系統、一次燃燒室、二次燃燒室、除塵系統及預熱回收系統等。進料系統是將物料進行處理后，送入一次燃燒室，進料系統屬于機械外配套設備，起到物料擠壓傳輸作用。一次燃燒室是熱裂解設備的核心工藝區域，物料在高溫、缺氧的環境下進行反應生成有機氣體，這些氣體將轉入二次燃燒室，在此過程中，氣體經過干燥處理。留存在一次燃燒室內的固體物質經過工藝處理，與輸送入內的氧氣進行燃燒，生成殘留物。二次燃燒室的溫度、時間可以調整，經過合理的生產工藝，得到所需產物。

2.3 熱裂解影響因素

在熱裂解過程中，溫度、時間及壓強會對其結果造成一定影響。溫度是熱裂解的關鍵參數，溫度不同將會使熱裂解的產物不同。研究表明，溫度在800～900℃時，有利于熱解進行，更易產生碳氫氣化物，并減少殘渣量。除溫度外，物料停留時間對物料分解產生影響。反應時間越長，有機物分解越充分。相反，反應時間越短，分解不充分。在廢舊輪胎的熱裂解處理過程中，如果載氣流速一定，反應時間縮短的話，將使物料殘渣增多。

2.4 熱裂解研究現狀

國外研究熱裂解技術起步較早。如美國城市化進程快，在二十世紀初就面臨著生活垃圾的困擾。為了有效解決城市垃圾問題，美國于1929年做了熱裂解的相關實驗。經過長時間的研究，美國的熱裂解技術已經趨于成熟，并運用于生活。近年來，由于環境及能源問題，美國對熱裂解進行深層次的研究，努力提高熱裂解后可再生資源的利用率。

我國對于熱裂解的研究起步晚，最初以秸稈作為研究對象進行探索實驗。隨著國家科技的發展，國內企業逐步開始研究固體廢棄物的處理技術。經過一定時間的發展，我國一些企業已經能夠利用熱裂解技術對固體廢棄物進行有效處理。如對廢舊輪胎、含油污泥、城市生活垃圾等。但大部分的熱裂解固廢處理技術仍然處于實驗室階段，并未達到成果轉化。隨著國家技術的進步及國內外技術交流的增加，在未來的研究中，熱裂解固廢處理將會取得突破性進展。

3 熱裂解技術在固廢處置中的應用

3.1 熱裂解技術處理廢舊輪胎

隨著我國汽車業的發展，汽車保有量已居世界之首。在人們出行便利的同時，廢舊輪胎的數量已達到上億條。廢舊輪胎可通過翻新、制膠、熱裂解進行處理。熱裂解是廢舊輪胎處理的新方法，得到了多數國家的認可。輪胎主要成分是橡膠，在熱裂解時會生成氣、油、炭。熱解氣主要含氫氣和碳氫組合烴類，氧氣極少，熱解氣可以作為熱能再利用。熱解油中芳香烴含量較高，在一次反應和二次反應過程中受溫度和事件影響較大。熱解油優點較為明顯，熱之高、粘度低，已經作為燃料廣泛運用。廢舊輪胎熱解固態產物為熱解炭，當熱解溫度到500℃時其產量較高。熱解炭可以通過不同的工藝進行回收再利用，但因有害元素含量高，導致使用受限。廢舊輪胎熱裂解技術使資源得到有效回收利用，但此工藝在使用過程中較為復雜，影響因素較多，目前尚未大面積推廣。在未來的廢舊輪胎熱裂解技術研究過程中，應重點對廢氣體、廢液的回收率及熱解炭質量的提高。

3.2 熱裂解技術處理含油污泥

國家在石油開采過程中會產生大量的含油污泥，其危害性極大。如果得不到有效處理，將對環境造成嚴重破壞。在含油污泥的處理方法中，熱裂解法已完成了試驗階段，轉入生產。熱裂解方法是一種無害化技術，與傳統的焚燒相比投資高、專業性強，但處理效果好。熱裂解法首先需要對含油污泥脫水干燥，然后轉入爐窯進行熱解，溫度需達到500～600℃，含油污泥在無氧情況下烴類分析重組，在此過程中需要加入氮氣。熱裂解后，殘渣經檢測完全符合排放標準要求。目前，我國一些大型油田已經開始使用熱裂解技術處理含油污泥。

3.3 熱裂解技術處理城市垃圾

城市垃圾處理方法較多，但處理結果對環境影響較大。我國目前使用的技術是將多種方法有效結合，提出熱解氣體焚燒法。生活垃圾經過熱解后可以將有害金屬分離，殘留熱解炭再進過燃燒。熱解燃燒環境為無氧環境，避免了有害元素的氧化殘留。在此環境下，Cu元素未氧化，無法生成CuCl2，缺少了合成二噁英的成分。生活垃圾的熱解過程在反應器中完成，反應器是熱解的核心設備。目前，主要分為固定床反應器、流化床反應器及回轉窯反應器。這三種反應器各有優缺點，固定床反應器效率高，可用于多種原料，但單次物料處理量小。流化床反應器效率、原料處理及物料量均具有優勢，但設備板材要求較高，成本增加。回轉窯反應器易操作，但熱解反應不充分。在設備選擇過程中，可以根據實際情況進行選擇。

熱解氣體焚燒法可以利用生活垃圾處理過程中產生的熱量發電，有效利用資源，同時避免了環境污染。

4 熱裂解技術存在的問題

現階段我國熱裂解技術在固廢處理中仍然存在問題。

(1)我國的熱解技術在個別固體類廢棄物實現了成果轉化，其余均處于實驗階段，有待進一步的研究。同時，與國外發達國家研究相比，我國的主要研究方向較為單一、研究投入相對較少。

(2)我國對催化熱裂解技術進行了研究，但研究深度不夠，對于催化劑的選擇應開展更深層次的研究。

5 結論

我國熱裂解技術已經取得一定進展，從實驗階段走向了實際運用階段，且應用范圍逐步擴大，如大型油田含油固廢的處理、汽車廢舊輪胎的處理及城市生活垃圾的處理。但在熱裂解的使用過程中，依然存在不少問題，這將成為科研的方向，努力實現熱裂解技術在固廢處理領域的突破。