生活垃圾低温热解实验研究

徐 鹏，王启民

（沈阳工程学院a 研究生部；b 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

城市生活垃圾无害化处理是现代社会的重大挑战之一。目前，生活垃圾的主要处理方法有填埋法、堆肥法、焚烧法、高温热解法和低温热解法。其中，填埋法在处理生活垃圾时，具有土地资源占用量大，污染水土资源等缺点；堆肥法在处理生活垃圾时，具有垃圾堆肥处理周期长，占土地面积较大等缺点；焚烧法在处理生活垃圾时，垃圾直接焚烧后产生二噁英等有害气体，对空气造成了污染，垃圾的渗滤液也会严重污染水资源[1]；高温热解法在处理生活垃圾时，整个工艺过程在低氧或无氧条件下进行，减少了二噁英前驱体的生成，并且将热解烟气通入温度高达850 ℃以上的燃室内停留2 s 以上，去除了热解烟气内的二噁英类物质[2-4]。

低温热解技术在少氧的环境下对生活垃圾进行热分解处理，在缺氧的条件下抑制了二噁英的生成，降低了处理生活垃圾时对环境的污染[5]。本文选择上吸式热解炉，通过实验对生活垃圾低温热解进行研究，分析了热解炉内的温度与炉内产生的炉渣、焦油及热解气之间的关系。

1 生活垃圾低温热解原理及热解产物

1.1 原理及产物分析

垃圾低温热解是指生活垃圾在200 ℃～500 ℃间发生热解反应，包括内在水分的析出、脱氧、脱硫、二氧化碳的析出等，热解物料中的纤维素、蛋白、脂肪等大分子有机物裂解为小分子气体、液体和固态含碳化合物[2-6]。低温热解阶段的基本方程式可表示为

可燃性气体中含有甲烷（CH4）、氢气（H2）、水蒸气（H2O）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氨气（NH3）、氯化氢（HCl）、硫化氢（H2S）、氰化氢（HCN）等，这些气体混合在一起是一种很好的燃料；反应过程中产生的液体物质含有油类、焦油、焦木酸、芳烃和水，其中油类和焦油也是有价值的燃料，而焦木酸是化学成分复杂的混合物；而固体碳黑和残留物是轻质碳素物质，其含硫量很低，也可制成燃料[7]。

1.2 热解过程分析

生活垃圾在低温热解时，生成水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、烃类、氮化物及焦油等有机物。对其所生成产物的分析如下：

1）水蒸气源于燃料中的外在水分和氢与氧化合的热解水；

2）CO2由垃圾原料中的氧与碳转变生成；

3）烃类由原料中的一部氢和碳生成CH4和C2H6；

4）除少数进入焦油外，80%的硫以气体H2S 的形式进入气化气，20%留在炉渣中；

5）垃圾中的氢除生成水蒸气、CH4、C2H6、H2S、焦油外，其余转变为H2进入气化气中；

6）垃圾中的氧除生成水蒸气、CO2、焦油外，剩余的氧生成CO进入气化气中；

7）灰渣含碳量是灰渣重量的5%～15%；

8）由经验公式可知，燃料转入焦油中的碳量约等于燃料中的氢量；

9）在计算时应考虑热解炉中被热解气带走的小颗粒燃料。

燃料中的碳除了生成 CO2、CH4、C2H4、CO、焦油、热解气带出物损失及灰渣外，其余的都参加气化反应。

2 热解炉及配风

2.1 热解炉的选择

热解炉选用上吸式热解炉，上吸式热解炉中的气体与固体呈逆向流动。在运行过程中，热解气在经过热分解层和干燥层时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身的温度，使炉子热效率大大提高[8]。此外，对燃气有一定的过滤作用，出炉的燃气中只含有少量灰分，且炉内阻力小[9]。

2.2 热解炉的配风

垃圾中有机物完全燃烧时所消耗的理论空气量为

式中，ξC为垃圾中碳元素的含量；ξH为氢元素的含量；ξS为硫元素的含量；ξO为氧元素的含量。

垃圾低温热解是在缺氧状态下的一种不完全燃烧，热解过程中实际所需的空气量为完全燃烧时空气量的20%～30%。拟定垃圾热解所需要的空气量为V2[9]，则：

式中，V2为垃圾热解所需的实际空气量；ε为热解所需空气的当量比，通常ε=0.2～0.3。

3 热量平衡计算

由于生活垃圾成分复杂，且含水量随地域的波动较大。垃圾热解系统的热量平衡设计与实际工况会存在一定的差异。通过对整个系统的热量平衡计算将有助于了解垃圾热解气化时热量的分配情况。

能量平衡方程式可表示为

式中，Q1入为垃圾化学热值；Q2入为空气带入的物理热量；Q1出为气化气化学热；Q2出为气化气中水蒸气热量；Q3出为炉体散热损失；Q4出为残碳、焦油热损失。

精确测试和确定气化炉炉体散热是非常复杂的，通常采用测量设备外表面温度的方法来估算单位面积散热损失的热量，然后根据设备的外表面面积计算散热损失。计算公式[10]为

式中，qr为单位面积散热流量；F为设备外表面面积。

由于焦油的产量及成分十分复杂，且没有规律，无法对其进行计算，则以做差式计算出Q4出含量。

4 实验装置与实验方法的建立

4.1 实验台的系统构成

试验台装置由带有温度测点的热解炉、送风机、以氧化铝小球为介质的燃烧器、丙烷、提高热解炉内效率的换热器、对尾气进行去味处理的活性炭吸附箱、对尾气进行除尘处理的布袋除尘器、引风机等部分组成，如图1所示。

以生活垃圾为原料，将其填入热解炉中进行低温热解，基本流程如下：

1）在燃烧器中通入丙烷和空气，并在燃烧器中点燃丙烷，火焰对燃烧器中的氧化铝小球加热，使其温度升高。

2）当氧化铝小球温度高于500 ℃后，启动热解炉，先让热解炉升温，然后在缺氧条件下进行热解。

3）热解炉产生的气化烟气通入燃烧器，可燃气体在丙烷的助燃下燃烧，当燃烧器温度达到1 000 ℃后实现焦油的分解及燃烧。

4）当氧化铝小球温度达到700 ℃时，逐渐地减小丙烷的通入量，直至停止通入丙烷后，只有热解烟气中的可燃气体在燃烧器中燃烧。

图1 实验台系统

热解炉的送风机处配有阀门，以调节配风的大小。风量过小会使热解状态不理想，效率低下；风量过大又会使垃圾燃料燃烧起来破坏热解状态。垃圾在热解炉中的状态为闷燃，通过控制配风的大小来控制其运行状态。同时通过炉体上的测点得到炉内的温度。

4.2 实验操作步骤

先将燃烧器点火预热一段时间后，以生活垃圾为原料，采用快速加热方式并调节送风机的风量，使炉内的生活垃圾进行低温热解反应，热解产生的可燃气体将在燃烧器内直接燃烧掉。所谓快加热方式是指先将炉膛升温至指定温度，再添加物料。

炉子内部设有热电偶，测量炉内及炉子内壁的温度变化。在通入燃烧器的烟气管道上设有烟气测点，在该测点测出烟气的流速，利用烟气分析仪测定烟气成分，通过冷却烟气用气瓶收集烟气焦油。

将焦油收集罐中的焦油全部放入烧杯内，充分混合后装瓶并注明名称、分析项目和编号等。

4.3 生活垃圾低温热解实验结果与分析

4.3.1 热解炉内的温度变化

通过热解炉内的热电偶测点1和4分别测量炉膛内壁和热解炉中心点的温度。热电偶2和3设置在炉内中心点与内壁之间依次靠近炉子内壁。实验时，通过测量热解炉内的4 个热电偶测点，得到热解炉内部及内壁的温度变化，如图2所示。

图2 炉内及炉内壁温度随时间变化的曲线

在快速加热方式下，炉膛中心点的温度及炉膛内的温度先上升，且炉膛中心点的温度最高。当炉膛中心点的温度达到600 ℃左右时，开始向炉内加入生活垃圾，一般在20 min 左右就可以达到600 ℃。加入实验所用的生活垃圾后，炉膛中心点的温度及炉膛内的温度开始逐渐下降。在整个过程中，热解炉内壁的温度一直上升。因为热量由炉内中心传入炉内壁，所以热电偶2 测得值稍高于热电偶 3 的温度。但在热解时，热电偶 1、2、3 所测温度趋于一致，相差不超过15 ℃，由此可以认为开始热解时，炉内的温度分布均匀。

4.3.2 热解产物随温度的变化

炉内残渣的剩余量随温度变化的关系曲线如图3 所示，热解产生的气化气随温度变化的曲线如图4所示。

图3 炉渣的产量随炉内温度变化曲线

图4 热解气的产量随炉内温度变化曲线

生活垃圾在热解炉内经过脱水、纤维类物质分解、蛋白类物质分解及塑胶类物料含有大分子的聚合物的分解等，造成了生活垃圾的失重。虽然垃圾中含有各种组分的物质，其热失重规律略有不同，但总体趋势大致相同。根据图3 可以将炉渣产生分为 3 个阶段：300 ℃～350 ℃时，生活垃圾失水，部分物质开始分解；350 ℃～500 ℃时，绝大部分物质开始分解，炉内温度每升高1 ℃，炉渣的产率为0.986 7 g/℃，为3 个阶段中最快的部分。500 ℃～600 ℃时，炉内的固体物质剩余量中不易分解的物质占比重较大，炉渣产率下降为3 个阶段中最低的部分，如表1所示，q1代表炉内炉渣的产量。

表1 炉渣产量与炉内温度变化

生活垃圾在炉内热解产生的热解气体根据图4可分为2 个阶段：300 ℃～400 ℃时，炉内垃圾已经开始分解，但温度较低，垃圾的分解速度较慢，气体的产生速率较慢；400 ℃～600 ℃时，炉内的温度升高，物质的分解速率增加，炉内温度每升高1 ℃，热解气的产率为0.41 L/℃，这个阶段热解气产生的速率最快，如表2 所示，q2代表热解产生的气体的量。

表2 热解气与炉内温度变化

4.3.3 焦油的产量随温度的变化

在生活垃圾热解的同时，会有焦油产出。焦油的产率是指固体残留物与原物料总重量之比的百分数。图5 为焦油的产率随着炉内温度变化的曲线，图6 为焦油的产量与炉内温度变化的曲线，表3为焦油产生速率与炉内温度变化，焦油的产量以q3表示。

图5 焦油产生速率与炉内温度变化曲线

图6 焦油的产量与炉内温度变化曲线

表3 焦油产生速率与炉内温度变化

由图5 可知，焦油的产率随热解终温的变化与炉渣的产量曲线的变化相似。随着温度的升高，挥发分的析出越来越多。在300 ℃～600 ℃范围内，产焦率在30%～60%之间。

随着炉内温度的升高，焦油的产量也快速增加，而焦油的产生速率逐渐下降，但下降幅度较小。气相温度高于500 ℃时，焦油发生二次裂解[11]。提高热解温度，焦油产生的速率降低。

5 结 论

垃圾低温热解气化是一种无害化，资源化的一种处理方式[12]。本文通过实验对生活垃圾低温热解过程进行了研究，得出如下结论：

1）生活垃圾热解后的产物包括水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、烃类、氮化物及焦油等有机物。

2）通过热量平衡计算可知，当设备外表面温度等于或低于60 ℃时，取qr=1 650 kJ/(m3·h)；当设备外表面温度高于60 ℃时，每升高10 ℃，热流量提高550 kJ/(m3·h)。焦油含量及成分复杂，无法通过计算得出。

3）通过试验分析可知，炉渣的产率在350 ℃～500 ℃时达到最大值，即0.986 7 g/℃；热解气的产生速率400 ℃～600 ℃时达到最大，即0.41 L/℃。

4）焦油的产率随热解温度的升高，逐渐降低，当温度达到500 ℃时，发生二次裂解。