城市生活垃圾的热解处理
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第7章 城市生活垃圾的热解气 化
1
• 固体废物热转化就是在高温条件下使固体 废物中可回收利用的物质转化为能源的过 程，主要包括热解、气化、焚烧等技术， 特别适合有机固体废物的资源化。
2
第一节 热解气化概念与原理
3
一、热解气化的概念
• 1、热解(pyrolysis)也称作热分解、碳化，在 工业上也称为干馏。
6ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 3、热解气化：固体废物热解是无氧或缺氧 条件下，使固体物料中有机成份在高温下 分解，最终转化为可燃气、有机液体和固 体残渣的热化学过程。
• 4、热解与气化的区别： • （1）外热与自热 • （2）反应和产物
7
• 5、热解和焚烧有的不同： • （1）焚烧需要充分供氧，物料完全燃烧。 • 热解无需供氧或只需少量的氧，物料不燃
5
• 热化学技术处理垃圾是在高温下对有机固 体废弃物进行分解破坏，实现快速、显著 减容的同时，对废物中的有机成分加以利 用， 近年来，有机固体废弃物的热解(或干 馏技术)受到国内外的普遍关注。
• 热解是一种古老的工业化生产技术，该技 术最早应用于煤的干馏，所得到的焦炭产 品主要作为冶炼钢铁的燃料。
• （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、重金属的有害成分大部 分被固定在炭黑中；
• （4）由于保持还原条件，Cr3+不会转化为 Cr6+；
10
二、热解原理
• 1、基本原理 • 固体废物热解过程是一个复杂的化学反应
烧或部分燃烧。 • （2）焚烧是放热反应; 热解是吸热反应。 • （3）焚烧产生大量的废气，其处理难度大，
环保问题严重。热解产生可燃低分子化合 物,可燃气，油等。
8
• （4）焚烧产生的热量大的可以发电,小的可 就近利用。
• 热解产生的是燃料油和燃料气，便于贮藏 和远距离输送。
9
• 6、热解与焚烧相比有下列优点:
• 是指在无氧条件下，通过间接加热使含碳 有机物发生热化学分解，生成可燃气、有 机液体和固体残渣的热化学过程。
4
• 2、气化：在反应器中通入部分空气、氧或 蒸汽，使有机物发生部分燃烧，产生的热 量用于加热自身并使之发生分解，生成可 燃气、有机液体和固体残渣的热化学过程。
• 气化严格地讲不应该称为热解，而是部分 燃烧（Partial-combustion）或缺氧燃烧 （starved-air-combustion）。
17
一、热解温度
• 温度是热解过程最重要的控制参数。温度 变化对产品产量，成分比例有较大的影响。
• 在较低温度下有机废物分裂成较多的中小 分子，油类含量相对较多。
• 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，气体产量成正 比增加，而各种酸、焦油、炭渣产量相对 减少。
18
19
二、加热速率
21
四、物料性质
• 物料性质如有机成分、含水率和尺寸大小 等对热解过程有重要影响。
• 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。
22
23
五、反应器类型
• 不同反应器有不同的燃烧床条件和物流方 式。
的废物燃料，且设备尺寸比固定
床小，但热损失大，气体中带走
大量的热量和较多地未反应的固
体燃料粉末。
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3、旋转窑
旋转窑是一种间接加热 的高温分解反应器。
其主要设备为一个稍微 倾斜的圆筒，在它缓慢旋 转的过程中使废料移动通 过蒸馏容器到卸料口。蒸 馏容器由金属制成，而燃 烧室则是由耐火材料砌
成。分解反应所产生的气体一部分在蒸馏器外壁与燃烧 室内壁之间的空间燃烧，这部分热量用来加热废料。此 类装置要求废物必须破碎较细，尺寸一般要小于5cm， 以保证反应进行完全。
•
固定床
同向流
• 按燃烧 流化床 流
根据物料
逆向
• 床条件 旋转炉 与气体相对
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几种热解反应器
• 固定床反应器 • 流化床反应器 • 旋转窑反应器 • 双塔循环式反应器
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1、固定床反应器（固定燃烧床反应器） •热量由废物燃烧部分燃烧所提供；逆流式物流方向，停 留时间长，保证了废物最大程度地转换成燃料；因气体流 速相应较低，产生气体中夹带的颗粒物质也比较少，减少 了对空气污染的潜在影响。 但存在一些技术难题，如有 粘性的燃料需要进行预处理； 使其燃烧时不结成饼状。 由于反应器内气流为上行式， 温度低，含焦油等成分多， 易堵塞气化部分管道。
过程。包括大分子的键断裂，异构化和小 分子的聚合等化学反应，最后生成各种较 小的分子。裂解和聚合等很多反应是交叉 进行的。 • 总反应式如下：
11
有机物
加热 无氧或缺氧
G（H2、CH4、CO、CO2） +L（有机酸、芳烃、焦油）
+S （碳黑、炉渣）
12
• 典型热反应： • C + O2= CO2 + 408840kJ/kmol • C + 1/2O2 = CO + 123217 kJ/kmol • CO2 + C = CO - 162405 kJ/kmol • C + H2O = CO + H2 - 118821 kJ/kmol • C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 75237 kJ/kmol
13
• 2、产物： • ⑴以氢气、碳氧化物、甲烷等低分子碳氢
化合物为主的可燃气体。 • ⑵以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。 • ⑶纯碳和玻璃、金属、土沙混合形成的碳
黑。
14
15
第二节 热解气化影响因素
16
• 影响有机固体废弃物热解产物的因素有很 多，如物料特性、热解温度、炉型、堆积 特性、加热方式、各组分的停留时间等， 而且这些因素都是互相耦合的，形成非线 性的关系。
• 由于空气中含有较多的氮气，供给纯氧能 提高可燃气体的热值，也增加生产成本。
25
第三节 热解气化工艺与设备
26
一、热解气化工艺分类
27
二、热解气化设备
• 一个完整的热解工艺包括进料系统、反应 器、回收净化系统和控制系统等几个部分。 热解过程发生在反应器中，因此热解反应 器是非常重要的。不同的反应器类型往往 决定了整个热解反应的方式以及热解产物 的成分。
36
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4、双塔循环式热解反应器
➢包括固体废物热分解塔和固形炭燃烧塔。特 点：将热解与燃烧反应分开在两个塔中进行。
➢热解所需的热量，由热解生成的固体炭或燃 料气在燃烧塔内燃烧供给。
惰性的热媒体
(砂)在燃烧炉内吸
收热量并被流化气
鼓动成流化态，经
联络管送到热解炉
内，热量被利用后
再返回燃烧炉被加
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三、应用实例
• 对热解产物的生成比有较大的影响。通过 加热速率和加热温度的结合，可控制热解 产物中各组分的生成比例。
• 低温——低速：固体含量增加。 • 高温——高速：气体组分增加。
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三、加热时间
• 物料在反应器中的保温时间决定了物料转 化率。
• 物料的保温时间与处理量成反比例。保温 时间长，热解充分，但处理量小；保温时 间短，则热解不完全，但处理量大。
• 一般来说，固定燃料床处理量大，而流化 态燃烧床温度可控性好。
• 气体与物料逆流进行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 化效率；气体与物料顺流进行可促进热传 导，加快热解过程。
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六、供气供氧
• 空气或氧气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。因此，供给适量的空气是非 常重要的，也需要严格控制。
典型的固定燃烧床反应器
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2、流化床反应器（流态化燃烧床反应器）
在流化床中，气体与燃料同 流向相接触；反应器中气体流速 高到可以使颗粒悬浮，使得固体 废物颗粒分散，反应性能更好， 速度快。
此工艺要求废物颗粒本身可 燃性好；温度应控制在避免灰渣 熔化的范围内，以防灰渣融熔结 块。
适应于含水量高或波动较大
第7章 城市生活垃圾的热解气 化
1
• 固体废物热转化就是在高温条件下使固体 废物中可回收利用的物质转化为能源的过 程，主要包括热解、气化、焚烧等技术， 特别适合有机固体废物的资源化。
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第一节 热解气化概念与原理
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一、热解气化的概念
• 1、热解(pyrolysis)也称作热分解、碳化，在 工业上也称为干馏。
6ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 3、热解气化：固体废物热解是无氧或缺氧 条件下，使固体物料中有机成份在高温下 分解，最终转化为可燃气、有机液体和固 体残渣的热化学过程。
• 4、热解与气化的区别： • （1）外热与自热 • （2）反应和产物
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• 5、热解和焚烧有的不同： • （1）焚烧需要充分供氧，物料完全燃烧。 • 热解无需供氧或只需少量的氧，物料不燃
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• 热化学技术处理垃圾是在高温下对有机固 体废弃物进行分解破坏，实现快速、显著 减容的同时，对废物中的有机成分加以利 用， 近年来，有机固体废弃物的热解(或干 馏技术)受到国内外的普遍关注。
• 热解是一种古老的工业化生产技术，该技 术最早应用于煤的干馏，所得到的焦炭产 品主要作为冶炼钢铁的燃料。
• （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、重金属的有害成分大部 分被固定在炭黑中；
• （4）由于保持还原条件，Cr3+不会转化为 Cr6+；
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二、热解原理
• 1、基本原理 • 固体废物热解过程是一个复杂的化学反应
烧或部分燃烧。 • （2）焚烧是放热反应; 热解是吸热反应。 • （3）焚烧产生大量的废气，其处理难度大，
环保问题严重。热解产生可燃低分子化合 物,可燃气，油等。
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• （4）焚烧产生的热量大的可以发电,小的可 就近利用。
• 热解产生的是燃料油和燃料气，便于贮藏 和远距离输送。
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• 6、热解与焚烧相比有下列优点:
• 是指在无氧条件下，通过间接加热使含碳 有机物发生热化学分解，生成可燃气、有 机液体和固体残渣的热化学过程。
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• 2、气化：在反应器中通入部分空气、氧或 蒸汽，使有机物发生部分燃烧，产生的热 量用于加热自身并使之发生分解，生成可 燃气、有机液体和固体残渣的热化学过程。
• 气化严格地讲不应该称为热解，而是部分 燃烧（Partial-combustion）或缺氧燃烧 （starved-air-combustion）。
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一、热解温度
• 温度是热解过程最重要的控制参数。温度 变化对产品产量，成分比例有较大的影响。
• 在较低温度下有机废物分裂成较多的中小 分子，油类含量相对较多。
• 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，气体产量成正 比增加，而各种酸、焦油、炭渣产量相对 减少。
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二、加热速率
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四、物料性质
• 物料性质如有机成分、含水率和尺寸大小 等对热解过程有重要影响。
• 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。
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五、反应器类型
• 不同反应器有不同的燃烧床条件和物流方 式。
的废物燃料，且设备尺寸比固定
床小，但热损失大，气体中带走
大量的热量和较多地未反应的固
体燃料粉末。
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3、旋转窑
旋转窑是一种间接加热 的高温分解反应器。
其主要设备为一个稍微 倾斜的圆筒，在它缓慢旋 转的过程中使废料移动通 过蒸馏容器到卸料口。蒸 馏容器由金属制成，而燃 烧室则是由耐火材料砌
成。分解反应所产生的气体一部分在蒸馏器外壁与燃烧 室内壁之间的空间燃烧，这部分热量用来加热废料。此 类装置要求废物必须破碎较细，尺寸一般要小于5cm， 以保证反应进行完全。
•
固定床
同向流
• 按燃烧 流化床 流
根据物料
逆向
• 床条件 旋转炉 与气体相对
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几种热解反应器
• 固定床反应器 • 流化床反应器 • 旋转窑反应器 • 双塔循环式反应器
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1、固定床反应器（固定燃烧床反应器） •热量由废物燃烧部分燃烧所提供；逆流式物流方向，停 留时间长，保证了废物最大程度地转换成燃料；因气体流 速相应较低，产生气体中夹带的颗粒物质也比较少，减少 了对空气污染的潜在影响。 但存在一些技术难题，如有 粘性的燃料需要进行预处理； 使其燃烧时不结成饼状。 由于反应器内气流为上行式， 温度低，含焦油等成分多， 易堵塞气化部分管道。
过程。包括大分子的键断裂，异构化和小 分子的聚合等化学反应，最后生成各种较 小的分子。裂解和聚合等很多反应是交叉 进行的。 • 总反应式如下：
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有机物
加热 无氧或缺氧
G（H2、CH4、CO、CO2） +L（有机酸、芳烃、焦油）
+S （碳黑、炉渣）
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• 典型热反应： • C + O2= CO2 + 408840kJ/kmol • C + 1/2O2 = CO + 123217 kJ/kmol • CO2 + C = CO - 162405 kJ/kmol • C + H2O = CO + H2 - 118821 kJ/kmol • C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 75237 kJ/kmol
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• 2、产物： • ⑴以氢气、碳氧化物、甲烷等低分子碳氢
化合物为主的可燃气体。 • ⑵以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。 • ⑶纯碳和玻璃、金属、土沙混合形成的碳
黑。
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第二节 热解气化影响因素
16
• 影响有机固体废弃物热解产物的因素有很 多，如物料特性、热解温度、炉型、堆积 特性、加热方式、各组分的停留时间等， 而且这些因素都是互相耦合的，形成非线 性的关系。
• 由于空气中含有较多的氮气，供给纯氧能 提高可燃气体的热值，也增加生产成本。
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第三节 热解气化工艺与设备
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一、热解气化工艺分类
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二、热解气化设备
• 一个完整的热解工艺包括进料系统、反应 器、回收净化系统和控制系统等几个部分。 热解过程发生在反应器中，因此热解反应 器是非常重要的。不同的反应器类型往往 决定了整个热解反应的方式以及热解产物 的成分。
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4、双塔循环式热解反应器
➢包括固体废物热分解塔和固形炭燃烧塔。特 点：将热解与燃烧反应分开在两个塔中进行。
➢热解所需的热量，由热解生成的固体炭或燃 料气在燃烧塔内燃烧供给。
惰性的热媒体
(砂)在燃烧炉内吸
收热量并被流化气
鼓动成流化态，经
联络管送到热解炉
内，热量被利用后
再返回燃烧炉被加
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三、应用实例
• 对热解产物的生成比有较大的影响。通过 加热速率和加热温度的结合，可控制热解 产物中各组分的生成比例。
• 低温——低速：固体含量增加。 • 高温——高速：气体组分增加。
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三、加热时间
• 物料在反应器中的保温时间决定了物料转 化率。
• 物料的保温时间与处理量成反比例。保温 时间长，热解充分，但处理量小；保温时 间短，则热解不完全，但处理量大。
• 一般来说，固定燃料床处理量大，而流化 态燃烧床温度可控性好。
• 气体与物料逆流进行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 化效率；气体与物料顺流进行可促进热传 导，加快热解过程。
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六、供气供氧
• 空气或氧气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。因此，供给适量的空气是非 常重要的，也需要严格控制。
典型的固定燃烧床反应器
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2、流化床反应器（流态化燃烧床反应器）
在流化床中，气体与燃料同 流向相接触；反应器中气体流速 高到可以使颗粒悬浮，使得固体 废物颗粒分散，反应性能更好， 速度快。
此工艺要求废物颗粒本身可 燃性好；温度应控制在避免灰渣 熔化的范围内，以防灰渣融熔结 块。
适应于含水量高或波动较大