生活垃圾热解技术参照材料.docx

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生活垃圾热解技术参照材料

生活垃圾热解技术

本期目录

综述

政策、标准

新闻动态

院内信息

综述

定义

热解（Pyrolysis）是指生活垃圾在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。

通式

有机固体废物（H2、CH4、CO、CO2等）气体＋（有机酸、焦油等）有机液体＋碳黑＋炉渣

产物

热解的产物主要有可燃气、生物油和固体黑炭。

可燃气（合成气）可用于民用炊事和取暖，烘干谷物、木材、果品、炒茶，发电，区域供热，工业企业用蒸汽等。

在生物质能开发水平较高的国家，还用气化燃气作化工原料，如合成甲醇、氨等，甚至考虑作燃料电池的燃料。

生物油是高能量载体，基本上不含硫、氮和金属成分，是一种绿色燃料。

固体黑炭可用作工业燃料，制作碳基肥，改善土壤性能等。

优势

1、由于是缺氧分解，排气量少，有利于减轻对大气环境的二次污染；

2、废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在固体炭黑中；

3、由于保持还原条件，Cr3+不会转化为Cr6+；（4）NOx的产生量少。

原理

从化学反应的角度对热解进行分析，生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。

木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。

热重分析结果表明，纤维素在52℃时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，到350~370℃时，分解为低分子产物，其热解过程为：

（C6H10O5）n→nC6H10O5

C6H10O5→H2O+2CH3-CO-CHO

CH3-CO-CHO+H2→CH3-CO-CH2OH

CH3-CO-CH2OH+H2→CH3-CHOH-CH2+H2O

半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在225～325℃分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似。

从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中，热量首先传递到颗粒表面，再由表面传到颗粒内部。

热解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。

其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。

一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。

在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。

同时，当挥发分气体离开生物颗粒时，还将穿越周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。

分类

根据反应条件和控制参数的不同，生物质热解工艺基本上可以分为慢速热解（炭化，carbonization）、快速热解（液化fastpyrolysis）、气化（gasification）、烘培（torrefaction）等。

类别

简介

操作参数

产物

液体

固体

气体

慢速热解

有几千年的历史，是一种以生成木炭为目的的炭化过程。

将木材等生物质放在窑内，在隔绝空气的情况下加热，可以得到占原料质量30%~35%的木炭产量。

约400℃左右，较长蒸气停留时间，可达数天

30%

35%

35%

快速热解

将磨细的生物质原料放在快速热解装置中，严格控制加热速率（一般约为10~200℃/s）和反应温度（控制在500℃左右），生物质原料在缺氧情况下，被快速加热到较高温度，从而引发大分子的分解，产生小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。

可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，成为生物油或焦油，其比例一般可达原料质量的40%～60%。

当完成反应时间甚短（<0.5s）时，又称为闪速热解。

与慢速热解相比，快速热解的传热反应过程发生在极短的时间内，强烈的热效应直接产生热解产物，再迅速淬冷，通常在0.5s内急冷至350℃以下，最大限度地增加了液态产物（油）。

约500℃左右，蒸气停留时间短，约1s

75%

12%

13%

气化

在高温（750~900℃）下的热解过程，以气体产物为主。

750~900℃

5%

10%

85%

烘培

一般低于290℃，固体停留时间在10~60min，主要获得固体产物，一般用于预处理，改善原料的性能。

200~290℃，反应时间10~60min

在冷凝的情况下低于5%，否则无

80%

20%

工艺

城市垃圾常见的热解工艺包括：

（1）新日铁系统

该系统是将热解和熔融一体化的设备，通过控制炉温和供氧条件，使垃圾在同一炉体内完成干燥、热解、燃烧和熔融。

干燥段温度约为300℃，热解段温度为300～1000℃，熔融段温度为1700～1800℃，可燃烧性气体热值6276-10460kJ/m3。

投料口采用双重密封阀结构，可燃性气体导入二燃室进一步燃烧．并利用尾气的余热发电。

灰渣中残存的热解固相产物——炭黑与从炉下部通入的空气在燃烧区发生燃烧反应，通过添加焦炭来补充碳源。

图1新日铁系统工艺流程图

（2）Purox系统

又称为U.C.C.纯氧高温热分解法，采用竖式热解炉，破碎后的垃圾从塔顶投料口进入．依靠垃圾的自重在由上向下移动的过程中，完成垃圾的干燥和热解。

底部燃烧温度：

1650℃。

该系统主要的能量消耗是垃圾破碎过程和1t垃圾热解需要的0.2t氧气的制造过程。

该系统每处理1kg垃圾可以产生热值为11168kJ/m3的可燃性气体0.712m3，该气体以90％的效率在锅炉中燃烧回收热量，系统总体的热效率为58％。

图2Purox系统工艺流程图

（3）Torrax系统

由气化炉、二燃室、一次空气预热器、热回收系统和尾气净化系统构成。

垃圾不经预处理直接投入竖式气化炉中。

垃圾干燥和热解所需的热量由炉底部通入的预热至1000℃的空气和炭黑燃烧提供。

二次燃烧室温度1400℃，出口气体温度1150～1250℃。

垃圾热值的大约35％用于助燃空气的加热和设施所需电力的供应，提供给余热锅炉的热量达57％，即相当于垃圾热值的大约37％作为蒸汽得到回收。

图3Torrax系统工艺流程图

（4）Occidental系统

采用不锈钢制筒式反应器，炭黑加热到760℃返回热解反应器供热，80℃急冷得到燃料油，热解油平均热值24401kJ/kg。

图4Occidental系统工艺流程图

国外技术进展

生物质能转换技术可高效地利用生物质能源，生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖，减轻化石能源消费给环境造成的污染。

目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。

热解技术是国外研究生物质能转换的热点之一。

气化技术

原料：

主要是城市居民生活垃圾、工业固体废弃物、城市绿化垃圾、原木生产及木材加工的残余物、薪柴、农业副产品等，包括板皮、木屑、枝杈、秸秆、稻壳、玉米芯等，原料来源广泛，价廉易取。

它们挥发分高，灰分少，易裂解，是热化学转换的良好材料。

按照具体转换工艺的不同，在添入反应炉之前，根据需要应进行适当的干燥和机械加工处理。

特点：

IEA煤研究机构对生物质固体废弃物与煤的混合利用进行了研究，经过对各种废弃物的实验发现，与混合液化和混合热解相比，混合气化更有吸引力。

因为气化方式燃料适应性广，从挥发分含量比较高的生物质和大多数废弃物到反应性差的煤，能够同时产生可燃气体。

与传统的燃烧工艺相比，气化技术既有较高的效率同时具有很好的环保性能。

国外已经建成的大型IGCC电厂一般采用气流床煤气化炉，这一多联产技术将通过生产合成气的同时输出电力、热能和其他产品，使得过程更容易优化，同时获得富集的CO2易于减排，适合开展混合气化工业化应用的探索性试验。

荷兰：

关于生物质的单独气流床气化方面的研究，荷兰能源中心（ECN）试图开发生物质气流床气化技术，从生物质灰的熔融特性、生物质给料装置、加压方法以及气化路线选择方面进行了一些研究，发现最大的困难在加料系统，尤其是干粉气化方式并不能适应生物质等有机废弃物。

德国：

科林公司（CHOREN）提出整套生物质热解与气流床气化相结合的路线分为三个阶段，第一步热解得到气体、焦油和固体产物，第二步进一步分解液体焦油，第三步在气流床气化生物质炭。

而气流床气化炉在处理化石燃料方面技术成熟，如果在煤气化过程添加一定比例的生物质，则可以灵活调整混合气化的燃料比例，使得气化炉运行成本更低。

瑞典：

世界上第一个生物质气化IGCC（Integratedgasificationcombinedcycle）电站位于瑞典Varnamo，采用正压循环流化床气化炉（950-1000℃,18bar）、高温陶瓷管过滤器、燃气蒸汽联合循环发电系统。

燃料为木材，输入热量18MW，供电6MW，供热9MW。

净发电效率32%，总效率83%。

该厂1991-1993年建设，1993-1999年运行，气化炉运行8500小时，全厂运行3600小时。

因运行成本太高，2000年停运封存。

2003年VaxjoVarnamoBiomassGasificationCenter成立，将该电站作为大型的研究设施，目的为：

1）开发利用垃圾衍生燃料RDF，包括废弃轮胎等；2）生产清洁的富氢合成气，采用催化重整方法；3）改造成生产汽车替代燃料，二甲醚/甲醇/生物柴油。

美国：

PolkPowerStation在DOE资助下，于2001年在其水煤浆气化炉添加桉树进行混合气化试验。

图5所示为混合气化系统组成原理图，桉树被磨制成较细的粉末后与煤混合制取水煤浆，在气化炉混合气化。

试验中生物质添加量达1.2%，混合气化过程没有任何技术障碍。

但是生物质收集和粉碎磨粉成本非常高，由于磨粉过程大尺寸木材片卡住煤浆泵造成给料困难。

因此，木材类生物质直接制粉用于混合气化的燃料制备成本太高。

图5混合气化系统组成原理图

西班牙：

ElcogasIGCC电厂（Puertollano）采用的PRENFLO（pressurisedentrainedflowgasifier）加压气流床气化炉，是一种加压、干式给料工艺。

气化炉结构独特，气化炉本体与合成气冷却器结合。

燃料、O2和蒸汽一起从装在气化炉下部的燃烧器给入。

在气化炉出口，合成气借助再循环的洁净合成气淬冷，熔渣在水槽内淬冷。

气化原料为高灰煤和高硫石油焦，采用85%纯度的氧气气化。

进行了小麦秸秆与煤焦的混合气化，添加比例10%（基于总能量），结果表明添加生物质后，合成气中CO2和H2O的浓度增加而CO减少，适当调整氧气和蒸汽流量以达到较高的冷煤气效率。

但是生物质含水量必须控制在15%以下，以免影响制粉过程。

热解炭化技术

美国：

是最早开展城市生活垃圾热解处理的国家，早在1929年就对垃圾进行了高温热解的实验研究。

1967年Kisser和Friedmdii进行了均质有机废物高温热解的试验，随后进一步进行了对非均质废物（如城市生活垃圾）的高温热解的研究，结果显示垃圾热解产生的气体可以用作锅炉燃料。

随后Hoffman和Fitz在实验室中使用一种干馏系统分解典型的城市生活垃圾，研究结果表明，高温分解产物包括气体、焦油及各种形式的固体残渣。

同时还证明了高温分解一旦开始，它就能自动维持下去，因为反应产物可以作为加热热解系统的能源。

欧洲：

建立了一些以垃圾中的纤维素物质（如木材、庭院废物、农业废物等）和合成高分子物质（如废塑料、废橡胶等）热解实验性装罝，其目的是将热解作为焚烧处理的辅助性手段。

在欧洲，主要根据处理对象的祌类、反应器的类型和运行条件对热解处理系统进行分类，研究不同条件下产物的性质和组成，尤其重视各祌系统在运行上的特点和问题。

加拿大：

热解技术研究主要围绕农业废弃物等生物质，特