固廢處置中熱裂解技術(shù)的運用研究進展分析

金楠洋，傅江英，吾湘蓉

（浙江工信合能源信息技術(shù)中心有限公司，浙江 杭州 310023）

引言

不管是經(jīng)濟發(fā)達或是城市化擴張，社會的進步均離不開對各種資源的使用，煤炭、油氣、化石能源等都是應(yīng)用領(lǐng)域極廣的資源。從蒸汽時期至高技術(shù)時代，自然為人類社會的進程作出了許多積極貢獻，而現(xiàn)如今人們卻對各種資源的采掘利用造成了十分嚴峻的后果，而物資耗費嚴重、垃圾遍地均是人類社會發(fā)展進程中消極的另一方面，在這些物資已經(jīng)幾乎耗盡的今天，如果不能及時認清狀況，人們將很難實現(xiàn)長久的賴以生存和開發(fā)。而固體污染物則是最普遍的生活垃圾之一，包括汽車輪胎、含油污水等在內(nèi)的垃圾都和人們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，因此這種垃圾具有再使用的可行性。我國應(yīng)當根據(jù)自己的現(xiàn)實情況，立足于具體發(fā)展實際國情，選擇最適合經(jīng)濟建設(shè)需要的資金循環(huán)使用模式，并采用最有效、科學(xué)的技術(shù)手段加以固體廢棄物管理，盡量減少對資金的耗費，以維護好當?shù)氐淖匀画h(huán)境和城市環(huán)境安全，從而真正地達到人與自然的和諧共贏。

1 固體廢棄物概述

1.1 固體廢棄物的產(chǎn)生

固體廢棄物產(chǎn)生于人們的生產(chǎn)和生活，而這種垃圾又往往無法在短期內(nèi)達到可循環(huán)使用，因此對人類產(chǎn)生了一定的危害性，亟需加以人為限制和解決[1]。在一定的情況下，固體污染物也能夠進行循環(huán)使用，但是人們目前的技術(shù)還不可以實現(xiàn)固體污染物的高效使用，可以預(yù)測到未來的某一日，在人們的技術(shù)能夠成熟之際，固體污染物將可以進行自身的再使用。但是，如今學(xué)術(shù)界所說的固體污染只是一種中性詞，固體污染的未來具有無限的可能性。

2017 年，我國所產(chǎn)生的固體污染數(shù)量突破百億噸，表明這種垃圾已經(jīng)成為廢棄物中無法忽略的一種。固體污染對我國的危害是多方面的，首先固體污染大多是固態(tài)，所以必須占用巨大的空間，嚴重耗費了我國的土地資源；其次，固態(tài)污染還會污染土地，植物在堆存過程中，所帶來的油渣等污染易滲入土層中，不利于土地的循環(huán)使用；最后，由于固態(tài)污染的搬運必須動用其他交通工具，搬運過程中會對動植物生長產(chǎn)生相應(yīng)的不良影響，并嚴重危害大氣環(huán)境[2]。

1.2 固體廢棄物的處理

目前，國內(nèi)已有幾種處置固體廢棄物的技術(shù)，熱裂解工藝就是其中一個。熱裂解技術(shù)是老式環(huán)境保護技術(shù)，可以減少固態(tài)物質(zhì)對自然環(huán)境造成的影響，防止固態(tài)物質(zhì)在過程中對海洋、農(nóng)田產(chǎn)生破壞，而且這種技術(shù)具有良好的使用發(fā)展前景。

1.3 熱裂解技術(shù)在固廢處理中的優(yōu)勢

國家將根據(jù)實際情況，釆用資源重復(fù)使用的模式，選用科學(xué)、有效的固廢處理技術(shù)，從而有效降低資源浪費，達到人與自然界和諧共存。當前，在中國處理固廢的方式一般有填埋法、燃燒法等。填埋法不僅對選址要求嚴格，占地面積大，而且長期穩(wěn)定性也不好，防滲體系的老化后滲篩液還會對垃圾回填地的周邊土壊和地下水形成巨大污染。而且垃圾焚燒也無法完全燃燒固廢，尤其是危廢，會形成高毒二噁英，嚴重影響人類身體，而且垃圾焚燒還必須隨時加注燃油，從而提高了運營費用，與環(huán)保原則不符[3]。

熱裂解工藝技術(shù)的使用，可以很好地解答以上提問。因為相比于傳統(tǒng)燃燒法，熱裂解工藝技術(shù)可以使固廢中的有機物轉(zhuǎn)化為以碳灰、燃料氣體等為首的高貯存性能量；NOx生產(chǎn)較少’且處于缺氧分解，故排放較低，因此能減少二次污染；而固廢中的有害成份則會固化在碳灰里。

2 熱裂解技術(shù)分析

2.1 含義概述

熱裂解技術(shù)有著相當久遠的發(fā)展歷史，這種技術(shù)最常見于美國、德國等發(fā)達國家，其前身是煤炭干餾術(shù)。而隨著產(chǎn)業(yè)化進程的不斷提高，熱裂解技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于各個產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域中，當全球能源危機來臨以后，長期受到低迷經(jīng)濟影響的人類意識到可持續(xù)發(fā)展才是經(jīng)濟社會長久發(fā)展的關(guān)鍵，因此將大量固體廢棄物變廢為寶的熱裂解技術(shù)也被廣泛運用于固態(tài)污染處理中，目前已經(jīng)達到了不錯的成效[4]。從技術(shù)層面上來看，熱裂解技術(shù)能夠在環(huán)境缺氧的條件下將高分子轉(zhuǎn)化為低分子，從而對環(huán)境有害物質(zhì)進行有效分解，從而最大限度地降低了固態(tài)污染對自然環(huán)境的損害，從而達到資源的有效回收和使用，推動社會可持續(xù)發(fā)展。所以，熱裂解技術(shù)的核心內(nèi)容就是對垃圾的無害化處置。

熱裂解的第一階段就是干燥過程，該過程的處理水溫約是200 ℃，而固體廢棄物則會在水溫逐漸上升的過程中進行烘干，并蒸發(fā)掉剩余的水份。第二步為早干餾階段，此階段的溫度一般維持在200～500 ℃，但固態(tài)污染物的化學(xué)特性會隨著溫度的增加而改變，彼時高分子已開始溶解，而小分子結(jié)構(gòu)也已開始形成。第三階段為氣態(tài)生成階段，固態(tài)污染物不斷進行裂解，最后轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒無害的超臨界二氧化碳等氣態(tài)[5]。

2.2 熱裂解設(shè)備

進料系統(tǒng)的外部配套裝置，負責(zé)對固態(tài)垃圾經(jīng)過高溫預(yù)處理，將垃圾粉碎并處理，然后送到一次燃燒室。一次燃燒器也是熱裂解技術(shù)的核心工藝部分，固態(tài)污染物將在一次燃燒器的高溫、缺氧等條件下發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生有機物質(zhì)。在經(jīng)過干燥處置之后，固態(tài)污染物將會被帶到二次燃燒器，由工作人員向二次燃燒器中注滿氧，從而讓固態(tài)污染物完全燃燒，直至得到殘留物。

2.3 影響熱裂解應(yīng)用的因素

影響高溫裂解法應(yīng)用效果的因素比較多，時間、溫度、壓力等可對固體廢棄物的處理結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，其中以高溫是較為重要的影響[6]。二次燃料室通常是使用高溫方式進行固態(tài)污染處置，而不同的高溫又對應(yīng)著不同的生產(chǎn)工序，因此可以認為高溫直接決定了固態(tài)污染的降解效率。而研究的結(jié)果也表明，最適宜的熱裂解高溫約為800～900 ℃，在這種高溫下，熱裂解工作能夠進行的比較順暢，而固體廢棄物則可以形成更豐富的碳氫氣化產(chǎn)物，從而可以大大地減少了食品殘渣的遺留。

除了高溫以外，時效也是影響高溫裂解效率的主要原因。因為固體廢棄物在設(shè)備里的反應(yīng)時間越長，有機物溶解得也就越充分。反之，當固態(tài)污染物在裝置內(nèi)的反應(yīng)時間越短，其分解過程越較不完全，所留下的殘渣也就會愈來愈多。因此，當對廢棄的輪胎進行高溫裂解處置時，一旦載氣的速度固定，而反應(yīng)時間越短，固態(tài)污染物所留下的殘渣就會愈來愈多，而反應(yīng)時間越長，固態(tài)污染物所留下的殘渣也就會愈小[7]。

2.4 熱裂解研究現(xiàn)狀

我國與西方發(fā)達國家比較，我國的熱裂解技術(shù)興起相對較晚，原因或許就是我國產(chǎn)業(yè)化進度明顯滯后于西方發(fā)達國家。由于20 世紀初期正是美國城鎮(zhèn)化建設(shè)的白熱化期，而彼時的美國人民普遍受到城市垃圾、廢棄物等的影響，為了緩解環(huán)保難題，并實現(xiàn)對自然資源的循環(huán)使用，美國政府便開始探索如何利用熱裂解技術(shù)實現(xiàn)城市廢物降解。經(jīng)過長達幾十年的探索之后，美國政府已經(jīng)熟練掌握了熱裂解工藝的核心，并把成熟的熱裂解工藝運用實踐。最近數(shù)年，由于全球能源局勢越來越嚴重，美國政府開始對熱裂解工藝展開更加深入的探索，試圖利用熱裂解工藝提升燃料的效率，實現(xiàn)自身的長期發(fā)展[8]。

我國企業(yè)最開始將秸稈視為熱裂解技術(shù)的主要使用對象，但隨著社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，我國企業(yè)逐漸向更深入的方面鉆研熱裂解技術(shù)，把熱裂解處理的主要目標轉(zhuǎn)變到廢棄輪胎等固體廢棄物上來。在經(jīng)過長期的探索和鉆研之后，我國企業(yè)在熱裂解技術(shù)的運用方面也獲得了很大的提高，目前已經(jīng)部分企業(yè)可以熟練地運用熱裂解技術(shù)處理固體廢棄物。不過，從宏觀視角來看，目前我國的熱裂解技術(shù)還是處在襁褓階段，還難以實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。因此為了實現(xiàn)經(jīng)濟可循環(huán)發(fā)展，我國還需要加強對熱裂解技術(shù)的鉆研，力爭在熱裂解技術(shù)的實際應(yīng)用方面獲得更大的進展。

3 熱裂解技術(shù)在固廢處置中的應(yīng)用

3.1 廢輪胎

隨著我國城鎮(zhèn)居民購車數(shù)量的增加，廢棄輪胎在固體廢棄物地位迅速上升[9]。熱裂解技術(shù)已成為利用、處置廢棄輪胎的最主要方法，目前已經(jīng)不少發(fā)達國家把熱裂解技術(shù)運用于對廢棄輪胎的回收再使用等領(lǐng)域。輪胎被進行熱裂解處置后將生成大量儲氫材料、石油、煤炭等化學(xué)物質(zhì)，當中氫、碳氫復(fù)合烴類為生成熱解氣的最主要元素。熱解氣是一個能量，可實現(xiàn)循環(huán)使用，以達到對廢棄物的無害化，是具有價值的熱分解產(chǎn)品。另外，輪胎中還可分解成細胞焦亡油，熱解汽油的熱度大、黏度小，也可以當做生物燃油利用。當熱裂解高溫超過500 ℃時，輪胎中就會形成大量的固體細胞焦亡炭，而細胞焦亡炭中也存在危險元素，且使用程度相當限制[10]。

3.2 含油污泥

在熱裂解技術(shù)的支持下，含油淤泥對人類的影響能夠減至最低點，因此工人們只需對含油淤泥先經(jīng)過風(fēng)干處理過程，而后再經(jīng)過熱解，以使設(shè)備工作的溫度維持在500～600 ℃左右。在過程中，工人還必須添加氮氣，以將含油淤泥在缺少空氣的情況下，加以再次合成。經(jīng)過熱裂解處置之后，廢水的殘渣已能滿足可利用的要求，并完成了無害化改造。從總體來看，熱裂解技術(shù)已經(jīng)是一項比較成熟的含油污水處置工藝技術(shù)，目前我國的部分油田也已開始使用熱裂解技術(shù)對含油污水加以處置，并取得了良好的經(jīng)濟效益，說明這種工藝技術(shù)已具有了大面積應(yīng)用的可行性[11]。

3.3 城市垃圾

當前，城市內(nèi)垃圾處理的方式稍多，但處置結(jié)果均會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。此時，采用熱解氣體焚燒的方式對垃圾進行處理，其是多種方法結(jié)合后產(chǎn)生的全新技術(shù)。城市內(nèi)垃圾經(jīng)過熱解之后，可以將諸多有害物質(zhì)分離出，并將有害金屬改善，隨后對殘留物進行燃燒（無氧狀態(tài)下也可以操作），以此減少有害物質(zhì)出現(xiàn)氧化以及殘留的情況[2]。當其在無氧狀態(tài)下燃燒時，并不會出現(xiàn)CuCl2，也不會生成二氧化碳。熱解過程可以在反應(yīng)器內(nèi)完成，且反應(yīng)器多為回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器。這些反應(yīng)器均具備一定的優(yōu)勢以及不足，如回轉(zhuǎn)窯其實際操作比較簡單，但熱解反應(yīng)不夠徹底。流化床反應(yīng)器的工作效率稍高，但其所用物料比較少，對于設(shè)備的要求稍高，顯著提升建設(shè)成本。固定床反應(yīng)器的效果稍高一些，其可以用于多種原料內(nèi)，但單次處理的數(shù)量較小。因此，處理人員選擇設(shè)備的時候，需根據(jù)實際情況分析，選擇最適合的設(shè)備。借助熱裂解技術(shù)對城市垃圾進行處理的過程中，可以借助垃圾產(chǎn)生的熱量發(fā)電，以此節(jié)約更多的電能，滿足環(huán)保節(jié)能的需求，并減少環(huán)境污染[13]。

3.4 舉例分析

如當前某省市內(nèi)存在垃圾填埋場、污水處理廠、垃圾焚燒電站，其多是用于處理固體危險廢棄物以及醫(yī)療垃圾。根據(jù)固廢的實際情況以及特征，合理采用熱裂解技術(shù)對其實施處理，且滿足廢棄排放要求：首先，進料系統(tǒng)。自動進料，前端可以搭配真空收集系統(tǒng)、傾倒機、輸送帶裝置，以此實現(xiàn)自動化的工作目的。其次，一次、二次燃燒室。采用缺氧熱裂解技術(shù)燃燒，可以將其分為不同階段。最后，第二次燃燒的時候，需注意煙氣停滯進間可以根據(jù)相關(guān)需求設(shè)計出合理的間隔，間隔為1 s 或更久，控制溫度，滿足相關(guān)需求[14]。

4 結(jié)語

熱裂解技術(shù)首次誕生于西方人國度，而我國熱裂解技術(shù)的興起相對較晚。熱裂解技術(shù)還能夠進行對固態(tài)污染物的循環(huán)再利用，使廢棄輪胎、含油污水等生活垃圾迅速降解為可使用的物品，從而進行對固態(tài)污染的安全無害化處置。因此我國還必須加強對這種工藝技術(shù)的研發(fā)，以達到本國資源的有效循環(huán)使用。