造紙廢料與油漆廢渣的共熱解特性研究

常永鋒

(中節能環保裝備股份有限公司， 陜西 西安 710018)

0 引言

造紙廢料和油漆廢渣同屬固體廢棄物，其中造紙廢料為一般廢棄物，油漆廢渣則屬危險廢棄物。隨著工業的不斷發展，造紙廢料和油漆廢渣的產生量日劇加大，如何妥善、高效、科學的處理二者已經成為一項迫在眉睫的環保課題。

焚燒工藝會帶來二次污染，如焚燒煙氣、飛灰、爐渣等，特別是焚燒后煙氣中含有大量的顆粒物、重金屬以及二噁英等[1]。熱解氣化技術作為焚燒法之后又一新的垃圾處理技術，對于熱值高、有機質含量高、粉塵及重金屬含量高的垃圾來說，有其自身特有的優勢。Chao-Hsiung Wu[2]進行了廢紙的熱重-紅外分析，對廢紙的熱解氣化溫度及熱解所產生的氣體成分進行了分析。肖剛[3]對城市生活垃圾中的廢紙組分進行了流化床熱解氣化試驗，研究了不同熱解溫度及空氣過量系數條件下的廢紙熱解氣體產率。

油漆廢渣的相關熱解報道并不多見，于亮亮[4]和錢原吉[5]等有過相關方面的報道，但都提出了一個共同的問題：油漆廢渣由于熱值較高，給物料的進爐造成極大困難，極易在進料時產生粉塵、有害氣體等二次污染。

為解決油漆廢料直接熱解進爐難的問題，本文將造紙廢料和油漆廢渣摻雜后進行熱解氣化，使造紙廢料和油漆廢渣在無氧或缺氧條件下，利用復雜的吸熱與放熱反應實現有機物的熱裂解[6]。摻雜熱解既可以利用油漆廢渣對造紙廢料的熱值進行補充，又可以解決油漆廢渣進料難的問題。同時，減少了二噁英等有害物質的排放，大大降低了環境污染[7]，提高了經濟效益。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用造紙廢料選自浙江某造紙廠產生的造紙邊角料，物料是打漿后的剩余物，呈絮狀，具體形貌如圖1所示。依據《CJ/T 313-2009生活垃圾采樣和分析方法》對造紙廢料的熱值及重金屬含量等進行了檢測，具體測試結果見表1。從測試結果可以看出，該造紙廢料的含水率為34.1%，灰分為5.18%，其濕基高位熱值和干基高位熱值分別為12548kJ/kg和21626kJ/kg。重金屬測試結果顯示：濕基含鉛量和含砷量分別為7.31mg/kg和1.55mg/kg。從造紙廢料的濕基檢測結果可以看出，其含有0.57%和0.353%的硫、氯元素?？傮w而言，該造紙廢料成分相對單一，熱值可以滿足試驗要求。

表1 造紙廢料熱值及重金屬檢測結果

試驗所用油漆廢渣為某設備制造公司噴漆車間產生的廢料，從圖1b可以看出，油漆廢渣為水泥灰色的塊狀或粉末狀，并夾雜有少量的塑料。相關文獻對油漆廢渣的熱值及化學成分進行了檢測[5]，具體檢測結果見表2和表3。

圖1 試驗所用樣品形貌(a：造紙廢料；b：油漆廢渣)

表2 油漆廢渣的元素分析結果

表3 油漆廢渣的工業分析結果

1.2 試驗裝置和工藝路線

試驗所用熱解氣化裝置為本公司自主開發的成套裝備，該裝備可分為四大系統，即熱解氣化系統、二次燃燒系統、急冷系統和煙氣處理系統。其中，熱解氣化系統和二次燃燒系統是整套裝置的核心部件，熱解氣化室設有正反轉爐排結構，通過調整旋轉方向和速率，可以實現物料的均質化，同時具有卸灰的功能。二次燃燒系統通過獨特的內部結構設計，實現了燃燒的雙湍流效果，有效提高了可燃熱解氣的充分燃燒，并且延長了煙氣在二次燃燒系統的停留時間。整套裝置的具體結構形式如圖2所示，對造紙廢料而言，熱解氣化系統的單次裝爐量可達4t/爐，因此，和小型試驗裝置相比，該試驗裝備所獲得的試驗數據更加接近實際生產，具有比較高的參考價值。

圖2 試驗裝備結構圖

本試驗的工藝流程如圖3所示，造紙廢料或造紙廢料與油漆廢渣的混合物在熱解氣化系統進行低溫熱解，熱解產生的包括一氧化碳、甲烷、非甲烷氣態烴類等可燃熱解氣進入二次燃燒系統。利用二次燃燒系統特殊的結構設計，可以實現可燃熱解氣的充分燃燒，有效破壞二噁英等有害物質。燃燒后的高溫煙氣進入余熱利用系統，850℃以上的高溫煙氣在余熱利用系統迅速降溫至250℃以下，交換的熱能被用于發電或產生熱蒸汽。降溫后的煙氣則進入煙氣凈化系統進行煙氣處理，該煙氣凈化系統主要包括活性炭吸附裝置、脫酸塔、布袋除塵器等，處理合格的煙氣最終從煙囪排出，排出煙囪的煙氣滿足GB 18485-2014要求。

圖3 工藝流程圖

2 結果與討論

2.1 造紙廢料熱解氣化結果分析

本試驗中，造紙廢料的裝爐量約為1.25t，為節省燃油消耗，同時啟動熱解氣化室和二燃室，并對試驗過程中熱解氣化室和二燃室的溫度變化情況進行記錄，每15min記錄一次。

圖4為熱解氣化室上、中、下部溫度和二燃室的溫度變化情況，從圖中可以看出：1.25t造紙廢料從點火到熱解結束總共耗時約440min，440min后造紙廢料基本熱解完全，后為降溫階段。試驗過程中二燃室溫度不高并且波動較大，二燃室在650℃以上總共維持300min左右，且其最高溫度845℃出現在第150min，此時熱解氣化室的上部、中部溫度均比較低，分別為265℃和255℃，這一定程度說明造紙廢料的熱解溫度較低，適合低溫熱解。前50min時，熱解氣化室溫度上升，二燃室的溫度反而下降，這主要是由于造紙廢料34.1%的較高含水率所致，此時熱解氣化室大量的熱能被用于水分蒸發，而被用于有機質熱解的能量則受到限制。該結論從點火初期煙囪中大量的白色蒸汽也可以得到驗證，隨著熱解氣化室底部溫度的持續升高，造紙廢料中的大部分水分已經從煙囪排出，當含水率降低時，煙囪中的白色蒸氣也漸漸消失。正是由于造紙廢料的含水率相對較高，使得熱解氣化反應初期二燃室的溫度不易提高，因此，有必要對造紙廢料進行干燥預處理。

(T1～T3為熱解氣化室上、中、下部溫度，T4為二燃室溫度)圖4 不同時刻熱解氣化室和二燃室的溫度變化情況

圖4顯示，熱解氣化室下部溫度在240min后才開始迅速上升，分析認為：爐內造紙廢料、特別是下部物料被壓實，不利于熱量傳遞和物料的大面積同時熱解，而僅僅是一層一層逐層進行，這也是導致二燃室溫度持續偏低并且波動較大的主要原因。因此，在熱解氣化過程中，應盡可能使造紙廢料等有機質處于較為松散的狀態，盡量避免物料的結塊或聚團，以提高熱量的傳遞效率，加速有機質的熱解。

熱解完成后的爐渣為水泥灰色的粉末狀物質，無團聚物或其他夾雜，具體形態見圖5。造紙廢料的熱值相對較高，其灰分檢測結果為5.18%，可見造紙廢料熱解的相對比較徹底，整個試驗過程中并無焦油等副產物產生。

圖5 造紙廢料熱解后的爐渣形貌

2.2 造紙廢料與油漆廢渣共熱解氣化結果分析

為了更好地對造紙廢料的熱值進行補充，并有效解決油漆廢渣不易裝爐的問題，本試驗將0.85t造紙廢料和0.4t油漆廢渣均勻混合后進行裝爐，總的裝爐量按1.25t執行。從油漆廢渣的熱值檢測結果可以看出，其具有相對較高的揮發分和熱值，工業分析得到油漆廢渣收到基的低位發熱量為18.84mJ/kg，相當于阜新煙煤的熱值，并且高于試驗所用造紙廢料的濕基高位熱值，說明油漆廢渣具有良好的熱利用價值[5]，這也是我們將二者摻雜共熱解處理的主要原因。

為節省燃油消耗，同時啟動熱解氣化室和二燃室，并對試驗過程中熱解氣化室和二燃室的溫度變化情況進行記錄，每15min記錄一次。圖6為造紙廢料和油漆廢渣共熱解時熱解氣化室上、中、下部溫度和二燃室的溫度變化情況，可以看出：在總質量不變的情況下，摻入0.4t油漆廢渣后，二燃室的溫度能夠很好地維持在650℃以上，并且波動較小，這主要是由于油漆廢渣具有相對較高的熱值，能夠對造紙廢料的熱解提供能量補充。同時，由于油漆廢渣和造紙廢料的最佳熱解溫度不同，使得不同熱解溫度條件下，二者能夠實現可燃熱解氣的相互補充，油漆廢渣的熱解溫度相對較低，使得熱解氣化室中部溫度在148℃時，二燃室的溫度就已經達到653℃。當熱解氣化室中部溫度到達538℃時，二燃室的溫度急劇下降，此時，油漆廢渣和造紙廢料已經基本熱解完全，剩余物料相對較少并且高溫極不利于二者的熱解氣化，產生的可燃熱解氣含量也急劇減少。試驗過程中，1.25t的造紙廢料和油漆廢渣混合物，可以使二燃室的溫度在800℃以上維持4.5h，并且階段性地達到850℃以上。試驗過程中并未出現爆燃曝氣現象，說明按照0.4∶0.85的油漆廢渣和造紙廢料配比可以實現二者的穩定熱解。但不可否認的是，造紙廢料與油漆廢渣的配比及混合均勻度對是否產生爆燃曝氣至關重要。

(T1～T3為熱解氣化室上、中、下部溫度，T4為二燃室溫度)圖6 不同時刻熱解氣化室和二燃室的溫度變化情況

表4為二燃室不同溫度情況下，煙囪中部分組分的測試情況。可以看出，當二燃室溫度為845℃時，煙氣中的一氧化碳、氮氧化物的含量均較高，分別為18mg/L(CO)、173mg/L(NO)和179.1mg/L(NOX)。當二燃室溫度為855℃時，CO、NO和NOX的含量均明顯降低。其中，SO2含量主要與脫酸塔的脫酸效果有關?？梢?，二燃室溫度的提高對于煙氣中的氮氧化物影響非常大，研究表明：NOX在600～800℃的范圍內生成量最大，且隨著停留時間的延長、過剩空氣系數的增大而增多[8]。

表4 不同溫度下煙氣檢測結果 (mg/L)

為了更好地比較油漆廢渣的摻入對二燃室溫度的影響，將兩次試驗中二燃室的溫度變化情況做了對比，圖7為不同物料情況下二燃室的溫度變化曲線。可以看出，摻入0.4t油漆廢渣后，二燃室的溫度能夠較好地維持在650℃以上，并且維持時間較長、波動較小。這也說明了油漆廢渣的摻入對于二燃室溫度的提高比較有利。

(a：造紙廢料；b：造紙廢料+油漆廢渣)圖7 二燃室內的溫度變化情況

圖8為造紙廢料和油漆廢渣混合物共熱解后的灰渣形貌，可以看出，其形貌與造紙廢料單獨熱解后的灰渣并無差異，并且兩者均減量明顯，減量率均可達到95%以上，整個試驗過程中并無焦油等副產物產生。

圖8 造紙廢料和油漆廢渣共熱解后的爐渣形貌

3 結論

(1)造紙廢料和油漆廢渣作為熱值較高的固體廢棄物，利用熱解氣化工藝可以實現其無害化、減量化處理，處理過程中產生的熱量加以利用可以實現比較好的經濟收益，具有一定的推廣價值。

(2)油漆廢渣屬于危險廢棄物，如果直接焚燒容易產生爆燃曝氣現象。但是，將油漆廢渣和造紙廢料按照一定的比例混合后進行共熱解，可以有效解決油漆廢渣的爆燃曝氣問題。同時，油漆廢渣可以對造紙廢料提供一定的能量補充，更有利于二燃室溫度的穩定和提高。

(3)造紙廢料和油漆廢渣兩種物質的有機質含量較高，熱解后減量化達到95%以上，減量化明顯。