热解技术下城市固废资源化利用研究

李果果，黄小卫，郎丽媚

（1.浙江东天虹环保工程有限公司；2.温州瑞林环保科技有限公司杭州分公司，杭州 310012；3.杭州市环境保护科学研究设计有限公司，杭州 310014）

近年来，我国城市固体废物的产生量持续增加，造成严重的环境污染。废物是由人类活动产生的，而废物的收集、储存、加工和处置方式可能对生态环境和人体健康构成风险[1-3]。随着现代化和工业化的日益推进，世界对能源的需求正以迅猛的速度增长，目前，全球正面临着人口增长、能源需求上升和化石燃料逐渐枯竭所引发的能源危机。环境退化、气候变化等问题与化石燃料的使用有关，这促使人们寻找替代能源，如可再生能源。当前，利用城市固体废物等可再生资源生产能源或许是一个可行的应对方法[4-7]。

1 城市固体废物的处置与利用

研究人员已经开发了许多废物转化能源（WTE）技术，这些技术正在世界各地广泛使用，以工业规模生产能源。尽管如此，仍要进一步改进WTE技术，使其更可靠、更稳定、更经济、更环保。热解被认为是一种革命性的替代方法，与其他WTE技术相比，它是一种简单、清洁的垃圾处理技术[8-10]。热解技术可以产生多种形式的化学物质和燃料。热解通常是在没有氧气（或氧气供应受限）的情况下对废弃物进行热降解，生成生物油、生物炭和合成气等能源产品。

城市固体废物的处置方式多种多样，如填埋、堆肥、回收、焚烧、热解和气化[11-13]。要结合废物来源、废物类型和废物处理能力等因素，选择适当的城市固体废物处置方法。制备能源是城市固体废物循环利用的一种有效方法。研究表明，从城市固体废物中回收能源是经济可行和可持续的。各种形式的能量都可以回收，如热、电或燃料。回收技术可分为两大类。一是生物转化技术，这种技术可以生产氢气、甲烷和其他气体燃料。二是热转换技术，包括焚烧、气化和热解。

2 热解技术

热解是一个不可逆转的过程，热解材料类型多样。受热解作用影响，材料物理相和化学组成不断发生变化。与其他能源回收技术相比，热解技术应用广泛，原料来源多样，处理速度快，环境污染风险低。

2.1 热解类型

热解可分为3种类型，即慢热解、快速热解和闪速热解。

2.1.1 慢热解

慢热解是一种间歇过程，通常，热解温度为300 ℃左右，加热速率为0.1～0.8 ℃/s。其间，固体和气体的停留时间一般较长。目前，慢热解工艺大多应用在生物炭生产中。

2.1.2 快速热解

快速热解是一种先进技术，相比其他工艺，它具有更高的生物油生产能力，受到广泛的关注。热解温度控制在400～700 ℃，防止热解产物进一步分解为不凝化合物。为了获得较高的生物油收率，要对工艺参数进行严格控制，提高传热速率。一般来说，升温速率为10～100 ℃/s。原料被磨成非常细的颗粒，使得加热速率较高。

2.1.3 闪速热解

闪速热解是目前最先进的热解技术，原料颗粒尺寸很小，它可以回收大量的合成气和含水量极低的生物油。热解温度一般控制在700 ℃以上，升温速率非常快，超过1 000 ℃/s。

2.2 热解反应器

常见的热解反应器有固定床、流化床、回转窑和螺旋反应器。为了提高热解效率，反应器需要合理控制传热速率和原料停留时间。若传热速率低，原料停留时间长，则可产生大量生物炭和合成气。螺旋反应器可以通过热解城市固体废物，生产能源产品，如图1所示。螺旋反应器一般为管状，有一个螺杆，运行方式为连续式。螺杆旋转可以将原料输送到反应器中，热解所需热量通过反应器的管壁输送。螺杆实现了两个功能，一是混合原料，二是调节原料在反应器中的停留时间。热解产生的蒸汽被吸入冷凝器并压缩，以生产生物油。螺旋反应器设计得非常紧凑，这使得反应器可以在原料生产现场使用，降低原料运输成本。

图1 典型螺旋反应器

3 城市固体废物热解产物

热解可以将城市固体废物转化为能源产品，其热解产物通常具有与燃料相似的性质。城市固体废物热解过程可能对环境产生负面影响，必须采用先进热解方法，减少和消除环境污染。城市固体废物通常分类不彻底，多种成分混合在一起。混合生活垃圾先干燥，再粉碎成不同粒径，利用固定床反应器进行热解试验，热解温度控制在600～900 ℃，研究原料粒度和热解温度对热解产物的影响[1]。随着原料粒度的减小和热解温度的升高，合成气的产率增加，生物油和生物炭的产率降低。热解提取的生物油和生物炭适合作为工业原料,城市固体废物类型不同，其热解产物存在一定差异。

3.1 有机废物

城市固体废物含有大量有机废物，主要包括厨余垃圾、废木材和园林废物。厨余垃圾分类后进行热解处理，试验发现，随着微波功率的增加，生物炭的产率逐渐降低，合成气的产率逐渐增加；生物油产率先随微波功率的增加而增加，微波功率达到400 W时，进一步增加微波功率会降低生物油产率[2]。微波功率为400 W，反应器温度为600 ℃时，厨余垃圾热解可获得较多的生物油、生物炭和合成气。

3.2 废纸

家庭和企业大量使用纸张，使废纸成为城市固体废物的重要可燃成分。它是一种很好的可燃材料，其关键组分是纤维素，氮和硫含量低。它可以作为WTE技术的良好原料。热解法可以用于从废纸中提取能源。纸张热解过程采用管状反应器，在不同的温度和升温速率下进行热解，以确定热解产物的种类和质量。送入反应器之前，将废纸在烘箱中干燥，以除去水分。温度的升高会增加合成气的产量，经分析，生物炭在高温下发生二次分解。生物油含有4种主要成分，即无水糖、羧基、羰基和芳香烃。

3.3 塑料垃圾

塑料垃圾是城市固体废物的重要组成部分，其种类多样。与其他垃圾成分相比，塑料垃圾具有不同的特性。它一般含有多种成分，不容易被生物降解。因此，要加强研究，有效地处理塑料垃圾，以保护环境。试验发现，不同工艺参数影响废塑料热解的能源产品产率和性能。废塑料种类为聚丙烯，在裂解式半间歇反应器中，温度为510 ℃时，生物油、生物炭和合成气的产率分别为79%、8%和13%。分析发现，随着温度的升高，生物油中芳烃和烯烃类化合物的浓度增加，石蜡类化合物的浓度降低[3]。

4 结论

可再生能源利用符合可持续发展理念，热解技术可以为其提供巨大助力。城市固体废物是一种可再生资源，其开发潜力大。作为一种容易实现的能源生产工艺，热解技术可以将城市固体废物转化为生物燃料。螺旋反应器是目前应用最广的固体垃圾热解设备，其传热能力强，能耗较低。总体来看，城市固体废物热解产物中，油约占43%，生物炭约占27%，合成气约占25%。热解技术是一种高效的环保技术，可以将城市固体废物作为原料，生产生物燃料和其他增值产品。