熱裂解技術在固廢處置中的應用研究進展

文_羅書亮 安徽華夢檢測科技有限公司

1 熱裂解技術的固廢處置中的優勢

我國應結合國情，采用資源重復利用的模式，選擇科學、高效的固廢處理技術，以便減少資源浪費，實現人和自然和諧共處。當前，我國處理固廢的方法主要有填埋法、焚燒法等。填埋法不僅選址條件嚴苛，占地面積大，且長期穩定性差，防滲系統老化后滲濾液會對填埋場周邊土壤和地下水產生嚴重污染。焚燒無法充分燃燒固廢，特別是危廢，會產生劇毒二噁英，危害人體健康，且焚燒需要隨時添加燃料，增加運行費用，和節能原則相悖。

熱裂解技術的應用，能更好地解決上述問題。相較于焚燒法，熱裂解技術可將固廢中的有機物轉變為以炭黑、燃料氣等為主的貯存性能源； NOx產量少；屬于缺氧分解，排氣少，可避免二次污染；固廢中的有害成分會固定在炭黑內。

2 熱裂解技術介紹

2.1 熱裂解工藝

熱裂解是指在加熱物質時，經過系列反應生成可燃油、可燃氣體等物質。反應過程，第一階段（干燥階段），溫度為200℃，固廢會在溫度升高時烘干，揮發多余的水分；第二階段（干餾階段），溫度200～500℃，固廢性質隨著溫度升高發生變化，大分子被裂變成小分子，隨后生成含碳化合物；第三階段（氣體生成階段），固廢持續裂解，最終生成甲烷、氫氣等氣體。

2.2 熱裂解設備

熱裂解需要諸多專業的設備，主要包括進料系統，該系統為外配套設備，主要對固廢處理，對其進行擠壓和傳輸，送至一次燃燒室；一次燃燒室是熱裂解的核心區域，固廢在缺氧、高溫環境下生成有機氣體，干燥處理后送至二次燃燒室。在一次燃燒室殘留的固廢經工藝處理后，和輸送的氧氣燃燒生成殘留物。一般來講，二次燃燒室的時間、溫度可調整，經過科學的生產工藝，生成所需產物。

2.3 影響因素

熱裂解過程中，壓強、溫度、時間等都會影響固廢的處理效果，尤其是溫度。作為熱裂解的主要參數，不同溫度下的熱裂解產物不同。報告顯示，當溫度處于800～900℃時，熱裂解可順利進行，并產生大量碳氫氣化物，減少殘渣。此外，時間也是一個重要的影響因素。固廢在熱裂解設備中的反應時間越長，有機物分解得就越徹底。反之，時間越短，分解得越不徹底，殘渣也就越多。如，廢舊輪胎熱裂解時，載氣流速處于固定狀態，反應時間短，固廢殘渣多；反應時間長，固廢殘渣少。

3 熱裂解技術在固廢處置中的具體應用

相較于美國等西方國家，我國的熱裂解技術起步晚。我國在應用熱裂解技術時，將秸稈作為首要的研究對象。隨著科學技術的發展，各個企業開始研究固廢處理技術。一段時間后，已能夠用熱裂解技術處理生活垃圾、廢舊輪胎等固廢。但是，熱裂解對固廢的處置尚處于試驗階段，并未達到應用階段。相信隨著國內外技術的交流，我國的熱裂解技術應用會獲得更大進展。

3.1 城市垃圾

現階段，城市垃圾的處置方法比較多，但是處置結果均影響著生態環境。基于此，開始利用熱解氣體焚燒法進行處置，此方法是各種方法結合后形成的。城市垃圾經過熱解后分離有害金屬，殘留物再進行燃燒（在無氧環境下操作），減少有害物質的氧化和殘留。同時，無氧環境下進行燃燒，不會生成CuCl2，更不會生成二噁英。熱解過程在反應器內進行，常用反應器為回轉窯反應器、流化床反應器、固定床反應器，這些反應器各有優點和缺點，其中回轉窯反應器操作簡單，熱解反應不徹底；流化床反應器效率高，物料用量少，但對設備的要求較高，增加成本；固定床反應器效率高，適用于多種原料，但單次處理量較小。因此，在選擇處置設備時，應結合實際情況。而借助熱裂解技術處置城市垃圾過程中，可直接借助垃圾處理產生的熱量發電，有助于節約電能，避免環境污染。

3.2 含油污泥

石油開采過程中通常會產生很多的含油污泥，若得不到及時、有效的處理，將嚴重破壞環境。目前，熱裂解法針對含油污泥的處置，已從試驗轉變為實踐。熱裂解屬于無害化技術，相較于焚燒法，雖然專業性、投資高，但是處置效果好。具體操作中，先對含油污泥進行脫水干燥處理，然后送至爐窯熱解，此時要求溫度處于500～600℃。在無氧環境下，含油污泥重組，此過程需添加氮氣。經由熱裂解處理后，污泥殘渣可達排放標準。總之，熱裂解技術是一種相對成熟的處置含油污泥的技術，我國多數的油田已開始使用該技術處置含油污泥，并取得一定的效果，說明熱裂解技術大范圍推廣成為可能。

3.3 廢舊輪胎

隨著汽車行業的發展，居民購車量不斷增加，汽車逐漸成為出行必備品。此背景下，廢舊輪胎的數量持續上漲。對于廢舊輪胎的處理，目前也有很多種方法，如制膠、翻新、熱裂解等，其中熱裂解憑借諸多優勢，得到多個國家的認可。輪胎的成分是橡膠，熱裂解過程中會產生炭、油和氣。其中，熱解氣的主要成分是碳氫、氫氣組合烴類，含氧量極少。熱解氣為熱能，可以重復使用，是一種價值極高的分解產物，有助于實現垃圾的無害化處理。熱解油黏度低，熱度高，芳香烴含量高，在一次和二次反應時易受時間和溫度影響。現階段，熱解油已作為燃料廣泛使用。熱解炭是輪胎熱解過程中產生的，溫度達500℃時產量更高。可通過不同工藝回收利用，但是熱解炭有害元素多，利用程度有限。利用熱裂解技術處置廢舊輪胎，可有效回收利用相關資源，但考慮到此工藝復雜，影響因素多，目前尚未大范圍地應用，在未來的研究實驗中，應重點提高對廢液、廢氣體的回收率，提升熱解炭的質量。

3.4 實例分析

以某省市為例，現有垃圾填埋場、污水處理廠、垃圾焚燒發電站，主要用來處理固體危險廢棄物和醫療垃圾。基于固廢的特點和狀況，采用熱裂解技術進行處理，每天處理固廢高達50t，且廢氣排放滿足標準，具體操作如下：

①進料系統。自動進料，前端可以搭配真空收集系統、傾倒機、輸送帶等裝置，實現完全自動化的目標。

②一次、二次燃燒室。使用缺氧熱裂解燃燒，分為三個階段：先在干燥段干燥處理固廢，使水分揮發；分解后的可燃物形成混合煙氣進入二燃燒室燃燒。熱解后的殘留物充分燃燒，熱量用來為熱裂解、干燥處理提供能量。燃燒段所產生的殘渣，在燃燼段繼續燃燒冷卻，由氣化爐一次風冷卻，經過爐排設備擠壓、粉碎后排出。應注意，在二次燃燒室內，煙氣停滯進間可以根據具體需求設計進出間隔，可以為1s，也可以更久，并將溫度控制在1000℃以上，以便符合法規要求。

③出灰系統。根據需求設為手動出灰或自動出灰，搭配輸送帶或灰子車收集灰燼。在出灰口安裝冷卻灑水系統，防止灰燼飛散。

④廢熱回收系統。設立廢熱回收鍋爐，供蒸汽或熱氣回收使用。其中，部分熱源供熱交換器使用，提高煙氣排放量。溫度應控制在110℃左右，防止白煙產生。

⑤廢氣處理系統。具備除塵、除酸功能，符合法規要求。根據具體需求，設置半干式系統、干式系統或濕式系統。

4 結語

綜上所述，我國的熱裂解技術已從實驗階段走向實踐，應用范圍越來越廣，如廢舊輪胎、城市垃圾、含油污泥等，可提高資源利用率，保護生態環境。但是該技術目前尚有諸多不足，需要在日后的研究中重點分析，實現國土資源循環利用的目的。