造纸废料与油漆废渣的共热解特性研究

常永锋

(中节能环保装备股份有限公司， 陕西 西安 710018)

0 引言

造纸废料和油漆废渣同属固体废弃物，其中造纸废料为一般废弃物，油漆废渣则属危险废弃物。随着工业的不断发展，造纸废料和油漆废渣的产生量日剧加大，如何妥善、高效、科学的处理二者已经成为一项迫在眉睫的环保课题。

焚烧工艺会带来二次污染，如焚烧烟气、飞灰、炉渣等，特别是焚烧后烟气中含有大量的颗粒物、重金属以及二噁英等[1]。热解气化技术作为焚烧法之后又一新的垃圾处理技术，对于热值高、有机质含量高、粉尘及重金属含量高的垃圾来说，有其自身特有的优势。Chao-Hsiung Wu[2]进行了废纸的热重-红外分析，对废纸的热解气化温度及热解所产生的气体成分进行了分析。肖刚[3]对城市生活垃圾中的废纸组分进行了流化床热解气化试验，研究了不同热解温度及空气过量系数条件下的废纸热解气体产率。

油漆废渣的相关热解报道并不多见，于亮亮[4]和钱原吉[5]等有过相关方面的报道，但都提出了一个共同的问题：油漆废渣由于热值较高，给物料的进炉造成极大困难，极易在进料时产生粉尘、有害气体等二次污染。

为解决油漆废料直接热解进炉难的问题，本文将造纸废料和油漆废渣掺杂后进行热解气化，使造纸废料和油漆废渣在无氧或缺氧条件下，利用复杂的吸热与放热反应实现有机物的热裂解[6]。掺杂热解既可以利用油漆废渣对造纸废料的热值进行补充，又可以解决油漆废渣进料难的问题。同时，减少了二噁英等有害物质的排放，大大降低了环境污染[7]，提高了经济效益。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用造纸废料选自浙江某造纸厂产生的造纸边角料，物料是打浆后的剩余物，呈絮状，具体形貌如图1所示。依据《CJ/T 313-2009生活垃圾采样和分析方法》对造纸废料的热值及重金属含量等进行了检测，具体测试结果见表1。从测试结果可以看出，该造纸废料的含水率为34.1%，灰分为5.18%，其湿基高位热值和干基高位热值分别为12548kJ/kg和21626kJ/kg。重金属测试结果显示：湿基含铅量和含砷量分别为7.31mg/kg和1.55mg/kg。从造纸废料的湿基检测结果可以看出，其含有0.57%和0.353%的硫、氯元素。总体而言，该造纸废料成分相对单一，热值可以满足试验要求。

表1 造纸废料热值及重金属检测结果

试验所用油漆废渣为某设备制造公司喷漆车间产生的废料，从图1b可以看出，油漆废渣为水泥灰色的块状或粉末状，并夹杂有少量的塑料。相关文献对油漆废渣的热值及化学成分进行了检测[5]，具体检测结果见表2和表3。

图1 试验所用样品形貌(a：造纸废料；b：油漆废渣)

表2 油漆废渣的元素分析结果

表3 油漆废渣的工业分析结果

1.2 试验装置和工艺路线

试验所用热解气化装置为本公司自主开发的成套装备，该装备可分为四大系统，即热解气化系统、二次燃烧系统、急冷系统和烟气处理系统。其中，热解气化系统和二次燃烧系统是整套装置的核心部件，热解气化室设有正反转炉排结构，通过调整旋转方向和速率，可以实现物料的均质化，同时具有卸灰的功能。二次燃烧系统通过独特的内部结构设计，实现了燃烧的双湍流效果，有效提高了可燃热解气的充分燃烧，并且延长了烟气在二次燃烧系统的停留时间。整套装置的具体结构形式如图2所示，对造纸废料而言，热解气化系统的单次装炉量可达4t/炉，因此，和小型试验装置相比，该试验装备所获得的试验数据更加接近实际生产，具有比较高的参考价值。

图2 试验装备结构图

本试验的工艺流程如图3所示，造纸废料或造纸废料与油漆废渣的混合物在热解气化系统进行低温热解，热解产生的包括一氧化碳、甲烷、非甲烷气态烃类等可燃热解气进入二次燃烧系统。利用二次燃烧系统特殊的结构设计，可以实现可燃热解气的充分燃烧，有效破坏二噁英等有害物质。燃烧后的高温烟气进入余热利用系统，850℃以上的高温烟气在余热利用系统迅速降温至250℃以下，交换的热能被用于发电或产生热蒸汽。降温后的烟气则进入烟气净化系统进行烟气处理，该烟气净化系统主要包括活性炭吸附装置、脱酸塔、布袋除尘器等，处理合格的烟气最终从烟囱排出，排出烟囱的烟气满足GB 18485-2014要求。

图3 工艺流程图

2 结果与讨论

2.1 造纸废料热解气化结果分析

本试验中，造纸废料的装炉量约为1.25t，为节省燃油消耗，同时启动热解气化室和二燃室，并对试验过程中热解气化室和二燃室的温度变化情况进行记录，每15min记录一次。

图4为热解气化室上、中、下部温度和二燃室的温度变化情况，从图中可以看出：1.25t造纸废料从点火到热解结束总共耗时约440min，440min后造纸废料基本热解完全，后为降温阶段。试验过程中二燃室温度不高并且波动较大，二燃室在650℃以上总共维持300min左右，且其最高温度845℃出现在第150min，此时热解气化室的上部、中部温度均比较低，分别为265℃和255℃，这一定程度说明造纸废料的热解温度较低，适合低温热解。前50min时，热解气化室温度上升，二燃室的温度反而下降，这主要是由于造纸废料34.1%的较高含水率所致，此时热解气化室大量的热能被用于水分蒸发，而被用于有机质热解的能量则受到限制。该结论从点火初期烟囱中大量的白色蒸汽也可以得到验证，随着热解气化室底部温度的持续升高，造纸废料中的大部分水分已经从烟囱排出，当含水率降低时，烟囱中的白色蒸气也渐渐消失。正是由于造纸废料的含水率相对较高，使得热解气化反应初期二燃室的温度不易提高，因此，有必要对造纸废料进行干燥预处理。

(T1～T3为热解气化室上、中、下部温度，T4为二燃室温度)图4 不同时刻热解气化室和二燃室的温度变化情况

图4显示，热解气化室下部温度在240min后才开始迅速上升，分析认为：炉内造纸废料、特别是下部物料被压实，不利于热量传递和物料的大面积同时热解，而仅仅是一层一层逐层进行，这也是导致二燃室温度持续偏低并且波动较大的主要原因。因此，在热解气化过程中，应尽可能使造纸废料等有机质处于较为松散的状态，尽量避免物料的结块或聚团，以提高热量的传递效率，加速有机质的热解。

热解完成后的炉渣为水泥灰色的粉末状物质，无团聚物或其他夹杂，具体形态见图5。造纸废料的热值相对较高，其灰分检测结果为5.18%，可见造纸废料热解的相对比较彻底，整个试验过程中并无焦油等副产物产生。

图5 造纸废料热解后的炉渣形貌

2.2 造纸废料与油漆废渣共热解气化结果分析

为了更好地对造纸废料的热值进行补充，并有效解决油漆废渣不易装炉的问题，本试验将0.85t造纸废料和0.4t油漆废渣均匀混合后进行装炉，总的装炉量按1.25t执行。从油漆废渣的热值检测结果可以看出，其具有相对较高的挥发分和热值，工业分析得到油漆废渣收到基的低位发热量为18.84mJ/kg，相当于阜新烟煤的热值，并且高于试验所用造纸废料的湿基高位热值，说明油漆废渣具有良好的热利用价值[5]，这也是我们将二者掺杂共热解处理的主要原因。

为节省燃油消耗，同时启动热解气化室和二燃室，并对试验过程中热解气化室和二燃室的温度变化情况进行记录，每15min记录一次。图6为造纸废料和油漆废渣共热解时热解气化室上、中、下部温度和二燃室的温度变化情况，可以看出：在总质量不变的情况下，掺入0.4t油漆废渣后，二燃室的温度能够很好地维持在650℃以上，并且波动较小，这主要是由于油漆废渣具有相对较高的热值，能够对造纸废料的热解提供能量补充。同时，由于油漆废渣和造纸废料的最佳热解温度不同，使得不同热解温度条件下，二者能够实现可燃热解气的相互补充，油漆废渣的热解温度相对较低，使得热解气化室中部温度在148℃时，二燃室的温度就已经达到653℃。当热解气化室中部温度到达538℃时，二燃室的温度急剧下降，此时，油漆废渣和造纸废料已经基本热解完全，剩余物料相对较少并且高温极不利于二者的热解气化，产生的可燃热解气含量也急剧减少。试验过程中，1.25t的造纸废料和油漆废渣混合物，可以使二燃室的温度在800℃以上维持4.5h，并且阶段性地达到850℃以上。试验过程中并未出现爆燃曝气现象，说明按照0.4∶0.85的油漆废渣和造纸废料配比可以实现二者的稳定热解。但不可否认的是，造纸废料与油漆废渣的配比及混合均匀度对是否产生爆燃曝气至关重要。

(T1～T3为热解气化室上、中、下部温度，T4为二燃室温度)图6 不同时刻热解气化室和二燃室的温度变化情况

表4为二燃室不同温度情况下，烟囱中部分组分的测试情况。可以看出，当二燃室温度为845℃时，烟气中的一氧化碳、氮氧化物的含量均较高，分别为18mg/L(CO)、173mg/L(NO)和179.1mg/L(NOX)。当二燃室温度为855℃时，CO、NO和NOX的含量均明显降低。其中，SO2含量主要与脱酸塔的脱酸效果有关。可见，二燃室温度的提高对于烟气中的氮氧化物影响非常大，研究表明：NOX在600～800℃的范围内生成量最大，且随着停留时间的延长、过剩空气系数的增大而增多[8]。

表4 不同温度下烟气检测结果 (mg/L)

为了更好地比较油漆废渣的掺入对二燃室温度的影响，将两次试验中二燃室的温度变化情况做了对比，图7为不同物料情况下二燃室的温度变化曲线。可以看出，掺入0.4t油漆废渣后，二燃室的温度能够较好地维持在650℃以上，并且维持时间较长、波动较小。这也说明了油漆废渣的掺入对于二燃室温度的提高比较有利。

(a：造纸废料；b：造纸废料+油漆废渣)图7 二燃室内的温度变化情况

图8为造纸废料和油漆废渣混合物共热解后的灰渣形貌，可以看出，其形貌与造纸废料单独热解后的灰渣并无差异，并且两者均减量明显，减量率均可达到95%以上，整个试验过程中并无焦油等副产物产生。

图8 造纸废料和油漆废渣共热解后的炉渣形貌

3 结论

(1)造纸废料和油漆废渣作为热值较高的固体废弃物，利用热解气化工艺可以实现其无害化、减量化处理，处理过程中产生的热量加以利用可以实现比较好的经济收益，具有一定的推广价值。

(2)油漆废渣属于危险废弃物，如果直接焚烧容易产生爆燃曝气现象。但是，将油漆废渣和造纸废料按照一定的比例混合后进行共热解，可以有效解决油漆废渣的爆燃曝气问题。同时，油漆废渣可以对造纸废料提供一定的能量补充，更有利于二燃室温度的稳定和提高。

(3)造纸废料和油漆废渣两种物质的有机质含量较高，热解后减量化达到95%以上，减量化明显。