固体废物的热解的基本原理和处理技术
固体废物的热解处理技术页课件 (一)
固体废物的热解处理技术页课件 (一)随着经济的快速发展和人口的增加，固体废物逐渐增多，尤其是城市垃圾。
固体废物的处理已经成为全球性难题，传统的填埋和焚烧处理方式已经无法满足现代化的需求，因此，热解处理技术逐渐成为固体废物处理的新方向。
热解处理技术是一种将固体废物在高温无氧条件下分解成各种气体，液体和固体的方法。
其中，最为关键的是高温无氧条件，这种条件下可以有效的杀死有害细菌，分解固体有机物，消减固体废物体积，降低对环境的污染。
以下为固体废物的热解处理技术的具体内容：1. 热解反应器热解反应器是热解处理的核心，它的作用是将固体废物加热至高温无氧状态，反应过程中产生的有机化合物经过分解产生燃气和其他的反应产物。
热解反应器分为固定式和流动式两种，主要考虑生产能力和废物性质等因素选用不同的反应器。
2. 热解产物的分离热解产物一般分为燃气，液体和固体三种形态，需要对其进行分离。
燃气可以用于热能回收和发电，而液体和固体需要进一步处理才能得到可再利用的资源。
随着技术的进步，液体和固体的分离变得更精准，可回收的资源也更加丰富。
3. 热解处理设备的优化热解处理设备的优化主要是考虑如何提高热效率，减少二次污染。
常用的优化方式有，采用高效的换热器，防止反应过程中的废气泄漏和废水排放等。
总的来看，固体废物热解处理技术是一项长期的发展任务，需要不断的技术升级和改进。
随着能源紧缺问题的加剧，热解处理技术将成为不可替代的处理方式。
同时，我们也需要加强对热解处理技术的研究和应用，以此促进环境保护和可持续发展。
固体废物的热解的技术
（3）废料在反应器中的保温时间决定了物料分解转化率。 保温时间长，分解转化率高，热解充分，但处理量少； 保温时间短，则热解不完全，但处理量高。 （4）废物成分：有机物成分比例大，热值高，可热解性较好，
产品热值高，可回收性好，残渣少；含水率低，干燥耗热 少，升温到工作温度时间短；较小的颗粒尺寸促进热量传 递，保证热解过程的顺利进行。
（5）反应器类型：一般固定燃烧床处理量大，而流态燃烧床 温度可控性好。气体与物料逆流行进，转化率高，顺流行 进可促进热传导，加快热解过程。
（二）热解工艺分类
一个完整的热解工艺包括进料系统、反应器、回收净化
系统、控制系统几个部分。其中，反应器部分是整个工艺的
核心，热解过程在其中发生，其类型决定了整个热解反应的
轮，成倾斜排列，相邻圆 桶间旋转方向相反，有独 立的一次空气导管，由圆 桶底部经滚筒表面的送气 孔到达废物层。
2、炉床型焚烧炉
采用炉床盛料，燃烧在 炉床上物料表面进行， 适于处理颗粒小或粉末 状固体废物以及泥浆状 废物，分为固定炉床和 活动炉床两大类。 （1）固定炉床－多段炉 又叫多膛炉或机械炉， 是一种有机械传动装置 的多膛焚烧炉，可以长 期连续运行、可靠性相 当高的焚烧装置，广泛 应用于污泥的焚烧处理。 缺点：机械设备较多， 需要较多维修与保养； 需要二次燃烧除臭。 固定床。
（2）活动炉床－旋转窑焚烧炉 活动炉床：转盘式、隧道式、回转式。
旋转窑焚烧炉：应用最多的活动炉床焚烧炉。它是一个略微 倾斜而内衬耐火砖的钢制空心圆筒，窑体通常很长，通 过炉体整体转动达到固体废物均匀混合并沿倾斜角度向 出料端移动。
根据燃烧气体和固体废物前进方向是否一致，旋转窑焚烧炉 分为顺流和逆流两种。前者常用于处理高挥发性固废； 后者常用于处理高
工艺方法——热解技术处理固体废物
工艺方法——热解技术处理固体废物工艺简介固体废弃物热解是指在无氧或缺氧条件下，使可燃性固体废物在高温下分解，最终成为可燃气体、油、固形碳的化学分解过程，是将含有有机可燃质的固体废弃物置于完全无氧的环境中加热，使固体废弃物中有机物的化合键断裂，产生小分子物质（气态和液态）以及固态残渣的过程。
固体废物热解利用了有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下使得固体废物受热分解。
热解法与焚烧法相比是完全不同的两个过程，焚烧是放热的，热解是吸热的；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、甲烷、一氧化碳，液态的有甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等，固态的主要是焦炭或碳黑。
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，就近利用。
而热解产物是燃料油及燃料气，便于贮藏及远距离输送。
热解原理应用于工业生产已有很长的历史，木材和煤的干馏、重油裂解生产各种燃料油等早已为人们所知。
但将热解原理应用到固体废物制造燃料，还是近几十年的事。
国外利用热解法处理固体废物已达到工业规模，虽然还存在一些问题，但实践表明这是一种有前途的固体废物处理方法。
热分解过程由于供热方式、产品状态、热解炉结构等方面的不同，热解方式各异：1、按供热方式可分成内部加热和外部加热。
外部加热是从外部供给热解所需要的能量。
内部加热是供给适量空气使可燃物部分燃烧，提供热解所需要的热能。
外部供热效率低，不及内部加热好，故采用内部加热的方式较多。
2、按热分解与燃烧反应是否在同一设备中进行，热分解过程可分成单塔式和双塔式。
3、按热解过程是否生成炉渣可分成造渣型和非造渣型。
4、按热解产物的状态可分成气化方式、液化方式和碳化方式。
5、按热解炉的结构将热解分成固定层式、移动层式或回转式。
由于选择方式的不同，构成了诸多不同的热解流程及热解产物。
综合而言，热解方法适用于城市固体废弃物、污泥、工业废物如塑料、橡胶等。
固体废物的处理与处置(焚烧热解)
一、概述
4、焚烧处理的发展
世界已经有2000多座现代化垃圾焚烧厂， 日本300多座，美国200多座，西欧利用焚 烧热能的工厂200多座，我国深圳、上海 已在建立垃圾焚烧厂。 对土地资源紧张的大城市可以优先考虑焚 烧处理的方法。
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固体废物处理与处置 Treatment and Disposal of Solid Waste
焚烧炉 系统
➢焚烧炉、余热利用系统、焚烧炉选评
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焚烧处理评价指标
A、减量比：指可燃废物经焚烧处理后减少的质量占投加 废物总质量的百分比，即
MRC=（Mb-ma）/（mb-Mc）
B、热灼减量：指焚烧残渣在（600±25）℃条件下灼烧3 小时后减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数，即
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二、焚烧过程的技术原理 1、热值 垃圾的发热量主要受到水分（W）、灰分
（A），和可燃分（R）影响。 垃圾焚烧组分三元图：
可燃区的界限： W<=50% , A<=25%, R>=25%,
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2、燃烧过程
☻干燥加发应
☻燃尽阶段 生成稳定的灰渣2
CxHyOzNuSvClw + (x + v + y/4 – w/4 – z/2) O2→ xCO2 + wHCl + 0.5uN2 + vSO2 + (y-w) /2 H2O
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二、焚烧过程的技术原理
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➢除尘
垃圾焚烧演示
固体废物的热解处理技术
随着各国经济生活的不断改善，城市垃圾中的有机物含量越来越多，其中废塑料等高热值废物的增加尤为明显。
城市垃圾中的废塑料成分不仅会在焚烧过程中产生炉膛局部过热，从而造成炉排及耐火衬里的烧损，同时也是二恶英等的主要发生源。
出于各国对焚烧过程中二恶英排放限制的严格化，废塑料的焚烧处理越来越成为关注的焦点问题，在此背景下，废塑料的热解处理技术已成为各国研究开发的热点。
固体废物热解的主要设备是热解装置，称之为热解炉或反应床。
城市垃圾的热解处理技术可依据其所使用热解装置的类型分为：固定床型热解、移动床型热解、回转窑热解、流化床式热解、多段竖炉式热解、管型炉瞬间热解和高温熔融炉热解。
其中，回转窑热解和管型炉瞬间热解方式是最早开发的城市垃圾热解处理技术；立式多段竖炉型主要用于含水较高的有机污泥的处理。
流化床方式有单塔式(热解和燃烧在一个塔炉内进行)和双塔式(热解和燃烧分开在两个塔炉内进行)两种，其中双塔式流化床应用较广泛，已达到工业化生产规模。
此外，高温熔融炉方式是城市垃圾热解中最成熟的方法，它的代表性装置有新日铁、purox和torrax等系统。
(1)固定床型热解系统。
此型热解的代表性装置为立式炉偏心炉排法系统。
废物自炉顶投入，经炉排下部送入的重油、焦油等可燃物之燃烧气体干燥后进行热分解。
炉排分为两层，在上层炉排之上为碳化物、未燃物和灰烬等，用螺旋推进器向左边推移落入下层炉排，在此，将未燃物完全燃烧。
这种操作过程称为偏心炉排法。
热解气体和燃烧气送人焦油回收塔、喷雾水冷却除去焦油后，经气体洗涤塔后用做热解助燃性气体，焦油则在油水分离器中回收。
炉排上部的碳化物层温度为500-600℃，热解炉出口温度为300-400℃。
废物加料口设置双重料斗，可以连续投料而又避免炉内气体逸出。
本方法适合于处理废塑料、废轮胎。
由于干馏法处理能力小，用部分燃烧法可以提高处理速度。
但当分解气体中混入燃烧废气时，其热值会降低，另外炭化物质将被烧掉一部分，其回收率也降低。
固体废物处理与处置(热处理)
流化床焚烧炉
流化床焚烧炉
流化床型焚烧炉是利用炉底分布板吹出热风将废 物悬浮呈沸腾状进行燃烧，并用石英砂作载体，加 速传热和燃烧。 适用于粉状或泥状废物焚烧处理。
优点：颗粒的剧烈运动使得颗粒和气体间传热、 传质速度快；采用热载体（石英砂），受热均匀 、加速传热和燃烧；结构简单，造价较低。 缺点：需破碎后才能燃烧，动力消耗大。
呋喃类物质（PCDFs）。
二噁英的来源可能三种，第一种是生活垃圾中可能含有微量二 噁英类物质或其前驱体物质；第二种是在垃圾焚烧过程中，一些 二噁英类物质的前驱体物质等可能会反应生成二噁英类物质，在 焚烧不完全时进入烟气；第三种可能的途径是炉外生成二噁英类
物质；
通过控制二噁英类物质可采用以下三个措施：一是严格控制焚 烧炉燃烧室温度和固体温度、烟气的停留时间，确保固体废物及 烟气中的有机气体，包括二噁英类物质的前驱体的有效焚毁率； 二是减少烟气在200~500℃温度段的停留时间；三是对烟气进行
2、焚烧温度
一般要求生活垃圾焚烧温度在850~950℃，医疗垃圾、危险固体 废物的焚烧温度要达到1150 ℃。
3、停留时间
进行生活垃圾焚烧处理时，通常要求垃圾停留时间能达到1.5~ 2h 以上，烟气停留时间能达到2s以上。
4、供氧量和物料混合程度
焚烧过程的氧气是由空气提供的。空气不仅能够起到助燃的作用， 同时也起到冷却炉排、搅动炉气以及控制焚烧炉气氛的作用。
系
统
废水处理系统
灰渣收集及 处理系统
城市垃圾焚烧厂处理工艺流程图
1-倾卸平台 2-垃圾贮坑 3-抓斗 4-操作室 5-进料口 6-炉排干燥段 7-炉排燃烧段 8-炉排后燃烧段 9-焚烧炉 10-灰渣 11-出灰输送带 12-灰渣贮坑 13-出灰抓斗 14-废气冷却室 15-热交换器 16-空气预热器 17-酸性气体去除设备 18-滤袋集尘器 19-引风机 20-烟囱 21-飞灰输送带 22-抽风机 23-废水处理设备
固体废物热解处理技术
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。
（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。
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 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）。
(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。
固体废弃物的热解
1 热解过程与产物 大分子键的断裂，异构化，小分子的聚合
有机固废 气体（H 2 , CH 4 , CO2 , CO） 有机液体
（有机酸，芳烃，焦油 ） 固体（炭黑，灰渣） 例如纤维素的热解： （ 3 C6 H10O5） 8H 2 0 C6 H 8O(可燃油) 2CO 2C2O CH 4 H 2 7C
•热解产物中有C,H,O等，可以用H/C来评价热解效果 •有机物组分不同，热解起始温度不同。
•不同温度区间反应各异，产物不同。大分子裂解小 分子聚合同时存在
2 有机固废热解工艺
• 按照热解温度 高温热解 >1000度 中温热解 600~700度 低温热解 600度以下 • 按照热解炉构造 固定床，移动床，流化床，旋转炉
3 常见热解工艺流程 1城市垃圾热解技术 • 新日铁系统 图6-6 • Puro系统 图6-7 • Landgard系统 图6-8 • Occidental系统 图6-9 • 双塔循环热解 图6-10 • Garret热分解 美 哥伦比亚大学 对以日处理1000t 投资15年偿 还年息7%.经济技术分析结果 表6-7
第二节 炭，重油裂解 一、热解原理 有机物热不稳定，缺氧高温下发生裂解形成可燃物质。 焚烧是高电极电位下氧化放热分解反应，热解是低电 极电位下吸热分解反应。 热解特点： •固废中有机物转化为燃料气，燃料油，炭黑等 •无氧，缺氧分解导致排气量少，减少环境污染 •废物中的硫，重金属多固定在炭黑中 •NOx生成少，Cr3+ 不会转化为Cr6+
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二、热解过程及产物
1. 有机物的热解反应可以用下列通式来表示：
上述反应产物的收率取决于原料的化学结构、 物理形态和热解的温度及速度。
如Shafizadeh等人对纤维素的热解过程进行 了较为详细的研究后．提出了用下图描述纤维 素的热解和燃烧过程。
2. 热解反应所需的能量取决于各种产物的生 成比，而生成比又与加热的速度、温度及原 料的粒度有关。
他认为通过部分燃烧热解产物来直接提供 热解所需热量的情况，应该称为部分燃烧 (Partial-combustion)或缺氧燃烧 (starved-air-combustion)。
他还提倡将二者统称为PTGL(Pyrolysis, Thermal Gasfication or Liquification) 过程。美国化学会为了表示对J．Jones的 尊敬采纳了这一倡议，而将在欧洲和日本 广为流行的不进行破碎、分选，直接焚烧 的方式称为mass burning。
(4)由于保持还原条件，Cr3+不会转化为Cr6+；
(5)NOx的产生量少。
美国：微生物学、热化学两条技术 路线
热化学：
(1)以产生热、蒸汽、电力为目的的燃烧技术；
(2)以制造中低热值燃料气、燃料油和炭黑为目 的的热解技术；
(3)以制造中低热值燃料气或NH3、CH30H等 化学物质为目的的气化热解技术
废塑料 高热值——焚烧——损伤焚烧设备； 焚烧产物——二噁英的主要来源 所以，各国制定……限制大量焚烧废塑料
——塑料热解制油技术的发展
第一节 热解原理及方法
一、热解的定义
热解在英文中使用“pyrolysis”一词．在工 业上也称为干馏。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；
PET、ABS树脂等在其分子构造中含有氮、氯等元素， 热解过程中会产生有害气体或腐蚀性气体，也不适 宜作为热解原料。
塑料裂解过程
以聚烯烃类塑料为例， 直链碳氢化合物——熔融软化为液体——低
分子碳氢化合物 (碳链范围约为1～44)再通 过合成沸石催化剂——分子量更小的碳氢 化合物。
上图是碳链范围为4000～12000的PE在常 压、450℃条件下热解所得油品的相对分子 质量分布图。
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、土砂等混合形成的炭 黑的化学分解过程。
最经典定义：斯坦福研究所的 J．Jones （Stanford Research Institute，SRI) 提出
的： “在不向反应器内通入氧、水蒸气或加热 的一氧化碳的条件下，通过间接加热使含碳有 机物发生热化学分解，生成燃料(气体、液体和 炭黑)的过程”。
PE、PP、PS、PVC等热塑性塑料当加热到300～ 500℃时，大部分分解成低分子碳氢化合物，特别是 PE、PP、PS其分子构成中只包括碳和氢，热解过程 中不会产生有害气体，是热解油化的主要原料。
PVC在加热到200℃左右时开始发生脱氯反应，进一 步加热发生断链反应。
酚醛树脂、脲醛树脂等热硬性塑料则不适合作为热 解原料。
物的生成反应，不能以此来简单地评价城市垃圾的热 解效果。
Kaiser等人曾对城市垃圾中各种有机物进行 过实验室的间歇实验，得到的气体产物组 成，随热解操作条件的变化而变化
三、废塑料热解原理
废塑料的种类：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯 (Ps)、聚氯乙烯(PVC)、酚醛树脂、脲醛树脂、PET、 ABS树脂等。
(4)以制造重油、煤油、汽油为目的的液化热解 技术
ห้องสมุดไป่ตู้
生物能热化学转换系统
在欧洲．主要根据处理对象的种类、反应 器的类型和运行条件对热解处理系统进行 分类，研究不同条件下反应产物的性质和 组成，尤其重视各种系统在运行上的特点 和问题。
日本有关城市垃圾热解技术的研究是从 1973年实施的star Dust”80计划开始 的．该计划的中心内容是利用双塔式循 环流化床对城市垃圾中的有机物进行气 化。随后．又开展了利用单塔式流化床 对城市垃圾中的有机物液化回收燃料油 的技术研究。
一步热解得到的产物，其相对分子质量均 匀分布在C1~C44之间，冷凝后得到的油品 中含有大量石蜡、重油和焦油成分，常温下 发生固化，难以作为液体燃料使用。
固体废物的热解的 基本原理和处理技
术
基本原理 典型固体废物的热解
资源化的途径之一
固体废物的热解与焚烧相比有以下优点：
(1)可以将固体废物中的有机物转化为以燃料 气、燃料油和炭黑为主的贮存性能源
(2)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；
(3)废物中的硫、重金属等有害成分大部分被 固定在炭黑中；
日本城市垃圾的典型化学组成为 C30H53N0.34S0.02Cl0.09。其H／C值高于纤维 素。
➢一般的固体燃料，剩余H/C值均在0～0.5之间。 ➢美国城市垃圾的该H／c值位于泥煤和褐煤之间； ➢日本城市垃圾的该H/C值则高于所有固体燃料 ——垃圾中塑料含量较高。
➢从氢转换这一点来看．甚至可以说城市垃圾优于普 通的固体燃料。但在实际过程中，还同时发生其他产
低温低速——重新结合成热稳定性固体— —固体产率增加
高温高速——全面裂解——气态产物增加
粒度大物料——均匀需时长——二次反应 多
3. 固体废物热解是否得到高能量产物，取决于 原料中氢转化为可燃气体与水的比例
美国城市垃圾的典型化学组成为 C30H48N0.5S0.05，其H／C值低于纤维索和 木材质．
国际上早期对热解技术的开发：
以美国为代表的，以回收贮存性能源(燃料气、 燃料油和炭黑)为目的；成分复杂需要配套前处 理＋低熔点物质＋有害物质的混入——城市垃圾 直接热解回收燃料实现工业化生产方面并没有取 得太大的进展。
以日本为代表的，减少焚烧造成的二次污染和需 要填埋处置的废物量，以无公害型处理系统的开 发为目的。与此相对，将热解作为焚烧处理的辅 助手段，利用热解产物进一步燃烧废物，在改善 废物燃烧特性、减少尾气对大气环境造成二次污 染等方面、许多工业发达国家已经取得了成功的 经验。