热裂解技术在固废处置中的应用

杨 健

(海洋石油工程股份有限公司建造公司，天津 300457)

1 固体废弃物

1.1 固体废弃物的产生

固体废弃物是指人类生产、生活过程中产生的固态废物质，俗称“垃圾”。通常包括城市生活废弃物、工业废弃物和农业废弃物。据统计，我国2017年全年产生固体废弃物已经超过100亿t，历年堆存的工业固废已近700亿t。固体废弃物的危害极大，首先是浪费资源。固体废弃物的存放需要大量土地，造成土地资源浪费，同时，在存放的过程中对土地造成严重污染。其次是破坏生态环境。在固废倒运、存放及排放过程中，对生态环境造成污染，甚至影响到动植物的生存。

1.2 固废的处理方法

目前，固体废弃物有多种处理方式，如焚烧法、热裂解法、填埋法等。上述方法中，焚烧法和填埋法是处理固废的常用方法，但危害较大，在处理过程中对空气、土壤均可造成严重破坏。热裂解法是比较环保的方法，在不污染环境的前提下，可将残渣有效利用。

2 热裂解

2.1 热裂解工艺

热裂解是指物质在加热过程中，经过一系列反应生成可燃气体、可燃油等物质。

热裂解的反应过程主要分为3个阶段，分别是干燥阶段、干馏阶段和气体生成阶段。在干燥阶段，温度通常在200℃左右，在温度升高的过程中，对物料进行烘干，使其水分挥发。在干馏阶段，温度通常为200～500℃。在此过程中，物料发生了实质性的变化，大分子裂变成为小分子，生成了含碳化合物。在气体生成阶段，上述产物经过高温发生二次裂变，生成了氢气、一氧化碳、甲烷等气体。

2.2 热裂解设备

热裂解需要在专业设备内进行，设备主要分为进料系统、一次燃烧室、二次燃烧室、除尘系统及预热回收系统等。进料系统是将物料进行处理后，送入一次燃烧室，进料系统属于机械外配套设备，起到物料挤压传输作用。一次燃烧室是热裂解设备的核心工艺区域，物料在高温、缺氧的环境下进行反应生成有机气体，这些气体将转入二次燃烧室，在此过程中，气体经过干燥处理。留存在一次燃烧室内的固体物质经过工艺处理，与输送入内的氧气进行燃烧，生成残留物。二次燃烧室的温度、时间可以调整，经过合理的生产工艺，得到所需产物。

2.3 热裂解影响因素

在热裂解过程中，温度、时间及压强会对其结果造成一定影响。温度是热裂解的关键参数，温度不同将会使热裂解的产物不同。研究表明，温度在800～900℃时，有利于热解进行，更易产生碳氢气化物，并减少残渣量。除温度外，物料停留时间对物料分解产生影响。反应时间越长，有机物分解越充分。相反，反应时间越短，分解不充分。在废旧轮胎的热裂解处理过程中，如果载气流速一定，反应时间缩短的话，将使物料残渣增多。

2.4 热裂解研究现状

国外研究热裂解技术起步较早。如美国城市化进程快，在二十世纪初就面临着生活垃圾的困扰。为了有效解决城市垃圾问题，美国于1929年做了热裂解的相关实验。经过长时间的研究，美国的热裂解技术已经趋于成熟，并运用于生活。近年来，由于环境及能源问题，美国对热裂解进行深层次的研究，努力提高热裂解后可再生资源的利用率。

我国对于热裂解的研究起步晚，最初以秸秆作为研究对象进行探索实验。随着国家科技的发展，国内企业逐步开始研究固体废弃物的处理技术。经过一定时间的发展，我国一些企业已经能够利用热裂解技术对固体废弃物进行有效处理。如对废旧轮胎、含油污泥、城市生活垃圾等。但大部分的热裂解固废处理技术仍然处于实验室阶段，并未达到成果转化。随着国家技术的进步及国内外技术交流的增加，在未来的研究中，热裂解固废处理将会取得突破性进展。

3 热裂解技术在固废处置中的应用

3.1 热裂解技术处理废旧轮胎

随着我国汽车业的发展，汽车保有量已居世界之首。在人们出行便利的同时，废旧轮胎的数量已达到上亿条。废旧轮胎可通过翻新、制胶、热裂解进行处理。热裂解是废旧轮胎处理的新方法，得到了多数国家的认可。轮胎主要成分是橡胶，在热裂解时会生成气、油、炭。热解气主要含氢气和碳氢组合烃类，氧气极少，热解气可以作为热能再利用。热解油中芳香烃含量较高，在一次反应和二次反应过程中受温度和事件影响较大。热解油优点较为明显，热之高、粘度低，已经作为燃料广泛运用。废旧轮胎热解固态产物为热解炭，当热解温度到500℃时其产量较高。热解炭可以通过不同的工艺进行回收再利用，但因有害元素含量高，导致使用受限。废旧轮胎热裂解技术使资源得到有效回收利用，但此工艺在使用过程中较为复杂，影响因素较多，目前尚未大面积推广。在未来的废旧轮胎热裂解技术研究过程中，应重点对废气体、废液的回收率及热解炭质量的提高。

3.2 热裂解技术处理含油污泥

国家在石油开采过程中会产生大量的含油污泥，其危害性极大。如果得不到有效处理，将对环境造成严重破坏。在含油污泥的处理方法中，热裂解法已完成了试验阶段，转入生产。热裂解方法是一种无害化技术，与传统的焚烧相比投资高、专业性强，但处理效果好。热裂解法首先需要对含油污泥脱水干燥，然后转入炉窑进行热解，温度需达到500～600℃，含油污泥在无氧情况下烃类分析重组，在此过程中需要加入氮气。热裂解后，残渣经检测完全符合排放标准要求。目前，我国一些大型油田已经开始使用热裂解技术处理含油污泥。

3.3 热裂解技术处理城市垃圾

城市垃圾处理方法较多，但处理结果对环境影响较大。我国目前使用的技术是将多种方法有效结合，提出热解气体焚烧法。生活垃圾经过热解后可以将有害金属分离，残留热解炭再进过燃烧。热解燃烧环境为无氧环境，避免了有害元素的氧化残留。在此环境下，Cu元素未氧化，无法生成CuCl2，缺少了合成二噁英的成分。生活垃圾的热解过程在反应器中完成，反应器是热解的核心设备。目前，主要分为固定床反应器、流化床反应器及回转窑反应器。这三种反应器各有优缺点，固定床反应器效率高，可用于多种原料，但单次物料处理量小。流化床反应器效率、原料处理及物料量均具有优势，但设备板材要求较高，成本增加。回转窑反应器易操作，但热解反应不充分。在设备选择过程中，可以根据实际情况进行选择。

热解气体焚烧法可以利用生活垃圾处理过程中产生的热量发电，有效利用资源，同时避免了环境污染。

4 热裂解技术存在的问题

现阶段我国热裂解技术在固废处理中仍然存在问题。

(1)我国的热解技术在个别固体类废弃物实现了成果转化，其余均处于实验阶段，有待进一步的研究。同时，与国外发达国家研究相比，我国的主要研究方向较为单一、研究投入相对较少。

(2)我国对催化热裂解技术进行了研究，但研究深度不够，对于催化剂的选择应开展更深层次的研究。

5 结论

我国热裂解技术已经取得一定进展，从实验阶段走向了实际运用阶段，且应用范围逐步扩大，如大型油田含油固废的处理、汽车废旧轮胎的处理及城市生活垃圾的处理。但在热裂解的使用过程中，依然存在不少问题，这将成为科研的方向，努力实现热裂解技术在固废处理领域的突破。