城镇生活垃圾热解反应的主要影响因素分析

2021-08-16方银娥陈宗良潘凤开

节能与环保 2021年7期

文_方银娥陈宗良潘凤开

1 浩蓝环保股份有限公司 2 广东省浩蓝环保水污染治理院士工作站

城镇生活垃圾是指城镇居民在日常生活中或者为城镇日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，主要包括居民生活垃圾、商业垃圾、集贸市场垃圾，机关、学校等单位的垃圾等。我国城镇生活垃圾组成和特性根据城镇居民的生活水平、生活习惯和地理条件的不同而不同，具有成分复杂、含水率高、有机物含量较少、可燃成分偏低的特点。随着城镇化进程加快和居民生活水平的不断提高，我国城镇生活垃圾产生量逐年增加，热值也不断提高，引起的环境污染问题也越来越严重。如果城镇垃圾通过热解气化转化为能源，实现垃圾处理的同时还能缓解能源紧张的压力，无论是对我国生态环境保护，还是国民经济发展和能源结构调整，都具有十分重大的现实意义。

1 垃圾热解定义和原理

热解技术主要是利用城镇垃圾中有机组分的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下进行升温加热，使生活垃圾中有机组分发生热裂解，大分子量的有机物裂解成小分子量的热解炭、热解液和非凝性气体等。垃圾热解反应可用下列通式表示：

2 影响垃圾热解反应的因素分析

城镇垃圾热解是一个复杂的、连续的吸热和放热反应过程，在不同的温度区间内发生的反应和产物组成均不同，影响城镇垃圾热解产气性能主要包括垃圾的性质和反应条件两大类，其中垃圾的性质包括垃圾组分及各组分的含量、物料粒径等；反应条件包括热解温度、升温速率、停留时间和催化剂等。

2.1 热解物料性质对垃圾热解反应的影响

2.1.1 垃圾组分及各组分含量的影响

城镇生活垃圾中各有机物组成、含量及其特征对热解产物的组成和产率有较大的影响，如有机物含量、H/C比、挥发分含量、氧含量等。垃圾中有机物含量不仅影响热解反应开始和完成反应所需的时间还影响热解产物，有机物含量越多、热值越高，热解产物回收性越好，残渣越少；垃圾中H/C比越高，热解产气中越利于生成气态烷烃或轻质芳烃；垃圾中挥发分含量与热解气产率成正比；同时由于热解是在无氧和缺氧条件下进行，垃圾中的碳只能与自身含有的氧组合成气态碳氧化物，因此氧含量越高越有利于气态碳氧化物的生成。

2.1.2 物料粒径的影响

垃圾经预处理后的物料形状和粒径是影响物料间传热的重要因素，它主要通过改变物料间的传热速率来改变热裂解进程，主要影响物料的升温速率及产气率。在一定温度下，物料粒径越大，物料间的热传递就越难，热解炉内的温度就会分布不均，影响热解产物的产率；较小颗粒的物料从表面传热到中心的时间更少，传热也更均匀，产生的热解气易与热解区分离，易发生二次裂解，产生较多的可燃小分子气体，产气率更高。大颗粒物料热传递速率较慢，易产生较多的热解液，产生的热解气也不易分离，产生较多的冷凝性气体。但是当温度超过900℃时，传热速率的影响明显减小则物料粒径的影响也降低。

2.2 热解反应条件对垃圾热解反应的影响

2.2.1 热解温度的影响

温度是热解反应的一个重要参数，它对热解过程传热、传质以及化学反应均有较大的影响，直接影响热解产物三相分布。热解温度较低时，城镇垃圾中有机组分的大分子有机物会裂解成较多的中小分子，其中大部分为可凝性挥发分，油类含量相对较多。热解温度升高后不仅大分子有机物发生裂解，很多中间产物也会发生二次裂解，生成C5以下分子及H2等不可凝的小分子气体，对应的热解气产量增大，焦油等有机液体的产量则相对减少。当热解温度为800～900℃之间时，垃圾中的有机组分则发生快速热解气化，挥发分大量、快速地析出，热解反应的起始时间和终止时间提前，底渣含量减少。

2.2.2 升温速率的影响

热解根据升温速率的不同可分为慢速热解和快速热解，不同的热解升温速率会直接影响热解气产率及产物组成。

慢速升温因加热时间长使物料在低温区充分蓄热、物料间的传热也相对均匀，在低温段缓慢加热使得有机分子在薄弱节点易发生断裂，热解起始温度向低温区移动。热解温度越低，热解气产率越低，同时慢速热解还会因有机物中的纤维素易发生缩聚反应而生成较多的热解焦。

快速升温很容易造成物料内外受热不均，只有部分物料能够在短时间内迅速达到裂解温度，造成该状态下起始热解温度向高温区移动，温度升高易发生二次裂解致使热解气和热解液体的产率也相应提高。

城镇垃圾中有机组分的热解温度区间集中在200～500°C，该区间随着热解升温速率的升高而向高温区拓宽，热解产气峰也向高温区移动。热解产气组分主要为CO、CH4、H2O及一些有机物。气体产物产量和最大产气速率会随着升温速率的提高而增加，CO、CH4等可燃气的组分含量也会提高。但在热解过程中，垃圾失重温度随着升温速率的提高而升高，残渣率也相应增加。

2.2.3 停留时间的影响

垃圾原料在热解炉中的停留时间主要影响的是裂解产物的分解率，足够的停留时间有利于物料间热量传递。通常气态生成物产率随着停留时间延长呈显著增长趋势。这是由于随着停留时间的延长，更多的中间产物发生了二次裂解生成了气体。但系统处理规模与停留时间呈反比关系，物料在焚烧炉内的停留时间越长，系统的处理规模则越小；停留时间过短很可能造成热解反应不彻底。这就要求在设计过程中合理优化参数，在满足停留时间的前提下设置系统规模。

2.2.4 催化剂的影响

城镇生活垃圾是多种物质混合的低品质燃料，存在资源化利用效率低、热解产气中可燃组分含量不高，以及酸性气体污染等多方面的问题。因此在实际使用过程中多采用催化热解，主要通过选择和优化催化剂，降低反应活化能，提高热解气品质与产率。

目前城镇生活垃圾热解催化剂主要有：天然矿石催化剂（白云石、石灰石等）、碱金属化合物催化剂（Na2CO3、K2CO3等）、负载型催化剂和废弃物催化剂等。热解催化剂通常具有较强的抗热抗腐蚀的能力、足够的强度、良好的抗失活的能力、价格低廉以及易就地再生等特点。主要通过有效降低热解反应活化能来完成热解催化过程，经过催化可有效提高产气量、降低焦油和焦炭产量，提高热解气中CO和H2等可燃组分的含量，进一步提升热解产气品质。