【教学课件】第八章固体废物热解处理技术.ppt
第八章 固体废物热解处理技术,本章主要内容为:固体废物热解定义,以及与焚烧的区别,热解原理,热解适用对象、国内外发展趋势。了解固体废物热解定义,以及与焚烧的区别,流态化热解及国外热解发展趋势。理解热解原理,热解适用对象。掌握典型的热解工艺。,8.1 概述1、定义:有机物在无氧或缺氧状态下加热,使之分解的过程称为热解。2、热解法与焚烧的区别(1)产物也不同。焚烧的产物主要是二氧化碳和水,而热解的产物主要是可燃的低分子化合物:气态的有氢气、甲烷、一氧化碳;液态的有甲醇、丙烔、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等;固态的主要是焦炭或炭黑。(2)反应性质不同。焚烧是一个放热过程,而热解需要吸收大量的热量。(3)利用方式不同。焚烧产生的热能量大的可用于发电,量小的只可供加热水或产生蒸汽,适于就近利用,而热解的产物是燃料油及燃料气,便于贮藏和远距离输送。,3、热解技术与焚烧发相比的明显优点:(1)它可以将固体废物中的有机物转化为以燃料气、燃料油、碳黑等储存性能源。(2)热解是一种缺氧分解,产生的废气少,相应地其排放的废气也少,这有利于减轻对环境空气的污染。(3)废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在碳黑中。(4)由于保持在还原性条件,因此三价铬不会转化为六价铬。(5)氮氧化物的产生量少。,8.2 热解原理1、垃圾的焚烧特性热解在工业上也称干馏。它是将有机物在无氧或缺氧状态下加热,使之分解为:(1)以氢气、一氧化碳、甲烷等低分子碳氢化合物为主的可燃性气体;(2)在常温下为液态的包括乙酸、丙酮、甲醇等化合物在内的燃料油;(3)纯碳与玻璃、金属、土砂等混合形成的碳黑的化学分解过程。,2、热解过程及产物有机固体废物的热解是一个复杂、连续的化学反应过程,在反应中包含着复杂的有机物断键、异构化等化学反应。热解过程可用如下总反应方程式表示:有机固体废物H2、CH4、CO、CO2等有机酸、芳烃、焦油等炭黑与炉渣,3、影响热解的因素热解温度、加热速率、保温时间、物料性质、反应器类型以及供气供氧等。每个参数都会对热解反应过程和热解产物产生影响。,(1)热解温度温度变化对产品产量、成分比例有较大的影响。1)在较低温度下,有机废物大分子裂解成较多的中小分子,油类含量相对较多。2)随着温度的升高,除大分子裂解外,许多中间产物也发生二次裂解,C5 以下分子及H2成分增多,气体产量成正比增长,而各种酸、焦油、炭渣产量相对减少。城市生活垃圾热分解产物比例与温度的关系(如下图)。,城市生活垃圾热分解产物比例与温度的关系,(2)加热速率通过加热温度和加热速率的结合,可控制热解产物中各组分的生成比例。1)在低温-低速加热条件下,有机物分子有足够的时间在其最薄弱的接点处分解,重新结合为热稳定性固体,而难以进一步分解,反而产物中固体含量增加;2)而在高温-高速加热条件下,有机物分子结构发生全面裂解,产生大范围的低分子有机物,热解产物中气体的组分增加。,相同热解温度下:1)加热速率高 固相有机物残留率低 2)极高和极低的加热速率 有利于气相热解产物比例的增加 3)中间的加热速率 有利于油性热解产物比例的增加,(3)保温时间1)物料在反应器中的保温时间决定了物料分解转化率。为了充分利用原料中的有机质,尽量脱出其中的挥发分,应延长物料在反应器中的保温时间。2)物料的保温时间与热解过程的处理量成反比例关系。3)保温时间长,热解充分,但处理量少;4)保温时间短,则热解不完全,但处理量大。,(4)物料性质1)物料的性质如有机物成分、含水率(如下图)和尺寸大小等对热解过程有重要影响。2)有机物成分比例大、热值高的物料,其可热解性相对就好、产品热值高、可回收性好、残渣也少。3)物料的含水率低,加热到工作温度所需时间短,干燥和热解过程的能耗就少。热解生成物与残渣占原有固体之比不受含水率的影响。4)较小的颗粒尺寸有利于促进热量传递、保证热解过程的顺利进行,尺寸过大时,情况则相反。,(5)反应器类型1)反应器是热解反应进行的场所,是整个热解过程的关键。不同反应器有不同的燃烧床条件和物流方式。2)一般来说,固定燃烧床处理量大,而流态化燃烧床温度可控制性好。3)气体与物料逆流行进有利于延长物料在反应器内滞留时间,从而可提高有机物的转化率;气体与物料顺流行进可促进热传导,加快热解过程。,(6)供气供氧空气或氧作为热解反应中的氧化剂,使物料发生部分燃烧,提供热能以保证热解反应的进行(如下图)。因此,供给适量的空气或氧是非常重要的,也是需要严格控制的供给的可以是空气,也可以是纯氧。由于空气中含有较多的N2,供给空气时产生的可燃气体的热值较低。供给纯氧可提高可燃气体的热值,但生产成本也会相应增加。,8.3 典型固体废物的热解,1、城市垃圾的热解根据处理的方法,热解类型分为以下几种:(1)干馏(2)固定床(3)流化床 垃圾热解按装备的设置可有单器移动床、双器循环流化床之分,沈阳市垃圾热解设计经济效益分析,2、废橡胶的热解(以废旧轮胎为例),(1)废旧轮胎预处理废旧轮胎都不同程度地粘有污垢,所以必须加以清洗,才不影响产品质量,采用清水冲洗干净,将其晾干,然后用切割机切割为30cm45cm 的块状胶块。(2)热解温度将预处理的废轮胎计量、装釜、加热,温度控制在300 600 之间,如果温度低,胶块反应不彻底,部分胶块呈糊状;如果温度高,胶块结胶,炭黑失去活性。(3)热解工艺废旧轮胎热解工艺主要包括预处理、切片、热解、冷凝、磁选等,经上述工艺可得到炭黑、溶剂油。,原材料种类及产物回收率,(4)原料种类及产物回收率废轮胎经热解得炭黑、钢丝、燃料油、燃料气等。,(5)燃料气废旧轮胎热解过程中产生不凝气体(燃料气),为防止燃料气产生二次污染,工艺中将燃料气通过管线由喷枪送入釜底再次燃烧,作为燃料,节省能源。这样不凝气体不外排,避免了二次污染。,(6)效益分析根据现已投产的伍兴岐集团的炭黑厂生产实践得知,年回收废旧轮胎5200t,减轻了废旧轮胎堆放时对环境的污染。废轮胎生产炭黑的收率为38、油的收率为44、钢丝的收率为9%,燃料气收率为10。其吨处理成本为:废轮胎、电、水、人工、包装、设备折旧、劳动保护、其它费用等合计2054元左右。以每吨炭黑按2500元保守价格计算,销售收入250万元。溶剂油3000元t、燃料气2000元t、钢丝2000元/t,年净利润212.4万元人民币。取得较好的环境效益和经济效益。,思考题:,生活垃圾的热解的原理?热解的主要影响因素是什么?国内外主要的热解技术与适用条件?,回转炉,循环流化床,干馏是固体或有机物在隔绝空气条件下加热分解的反应过程。干馏的结果是生成各种气体、蒸气以及固体残渣。气体与蒸气的混合物经冷却后被分成气体和液体。一般可分为三个阶段:脱水分解。干馏操作初期,温度相对较低,有机物首先脱水,随着温度升高,逐渐分解产生低分子挥发物。热解。随着干馏温度的继续升高,有机物中的大分子发生键的断裂,即发生热解,得到液体有机物(包括焦油)。这些干馏产物随干馏物质而异,如干馏糠壳可得糠醛,干馏油页岩可得页岩油和一些杂环化合物。,缩合和碳化。当温度进一步提高时,随着水和有机物蒸气的析出,剩余物质受热缩合成胶体。同时,析出的挥发物逐渐减少,胶体逐渐固化和碳化。随着温度升高、加热时间延长,所生成的固体产物中的碳含量逐渐增多,氢、氧、氮和硫等其他元素含量逐渐减少。主要缺点是能耗高,反应器不能做得很大,焦油易堵塞管道,木醋易腐蚀设备,难以大规模连续作业,且焦炭残留杂质太多,无实际用途。,固定床反应器:凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置。优点:1)垃圾中的裂解产物和水分必须通过氧化层燃烧,再通过还原层变成一氧化碳和氢或三碳以下物质,能较彻底消除各种有机毒物和病原微生物。2)由于不产生固体、液体成分,不存在设备腐蚀和堵塞问题,因而很多部件可用普通材料制造,结构简单、维修易、成本低,占地少。3)能量转换率高,若不出现渗漏,垃圾中的碳几乎可完全转变成有用的一氧化碳,而且垃圾中的水分亦参加产能反应,可额外获得大量水煤气。,4)由于采用的动力装置噪音低,生产过程几乎不发出任何臭味,污水可循环利用,产品一氧化碳、氢燃烧时仅产生二氧化碳和水,对环境的污染较少,炉灰量很少,可加工成建材。流化床燃烧是指小颗粒的有机物料与空气在炉膛内处于沸腾状态下,即高速气流与所携带的稠密悬浮煤颗粒充分接触燃烧。流化床热解工艺属于快速热解工艺,特点是加热速率快、反应迅速、气相停留时间短,因此热利用效率高,同时可以减少二次反应的发生,热解油产率较高。,单器装置实际上是热解和燃烧在一个反应器内进行(如下图)。经适当分选后的垃圾经反应器顶部的锁气阀送入器内,由于垃圾的热值低,为了在反应器内能提供足够的热解和气化所需要的热量需在垃圾内混入适当的辅助燃料(煤炭)。物料缓慢向下移动,与上升的热气体相遇,经过预热、干燥、热解,而逐渐生成半焦,半焦与上升的烟气和水蒸气反应后进入燃烧层,在燃烧层中将剩余的碳基本燃尽,所剩余的灰经过灰层用灰盘通过水封被送出器外。由反应器底部进入的空气和水蒸气经过灰层预热后,逐渐上升,除提供燃烧层所需要的氧气外,与燃烧层的烟气一起也作为气化层的气化剂。气化后的热气体继续上升为物料的热解提供了热源。最终混合的燃气将物料预热并干燥后从出口逸出反应器进入净化系统。,单器热解工艺的特点是:热解、气化和燃烧过程在一个反应器内进行,气化效率和热效率低。由于热解产生的可燃气体中混有大量氮气,其热值不高。垃圾中加入辅助燃料的多少依赖于垃圾的处理量和成分。可燃气体的成分和热值也随垃圾成分有较大的变化。,返回,双器为循环流化床(如下图),热解和燃烧在不同反应器内进行。循环流化床热解装置由热解器和燃烧器组成。热解器以蒸汽作为流化介质,燃烧器以空气作为流化介质并兼作为助燃剂。该装置以河砂为热载体,粒径约为0.11.5 mm,通过输送装置和两器间适当的压差使其在两器之间进行循环。经过预处理,达到一定粒度的垃圾经供料器进入热解器,被来自燃烧器的热载体快速加热到850 并迅速热解,热解气体由器顶逸出,进入后处理系统。剩余的半焦和热载体一起经输送装置进入燃烧器。在燃烧器中,由于所供给辅助燃料的燃烧使热载体的温度提高到1000 左右,烟气由器顶排出进入蒸汽发生器产生蒸汽。,返回,废轮胎的热解有很多方法,如催化热解、真空热解、加氢热解、自热热解、干燥热解、低温热解、过热蒸汽气提热解、煤共热解和等离子体热解等。采用的反应器形式也很多,如移动床、固定床、流化床、烧蚀床、悬浮炉和回转窑等,其中以移动床、固定床、回转窑和流化床为主。目前在废轮胎中试热解研究领域中,有代表性的热解工艺包括真空移动床、两段移动床、流化床、连续烧蚀床(CAR)和回转窑热解工艺等。在大部分热解工艺中,热解炭被粉碎处理后作为炭黑使用,热解油作为燃料油使用,废钢丝则回收再利用。,