热解技术的发展过程
美国是开展固体废物热解技术最早的国家。1970年,随着美国将《固体废物法》改为《资源再生法》,各种固体废物资源化首端处理和末端处理的系统得到广泛开发。其中,将垃圾热解转换为贮存性能源的再生能源新技术的研究也得到推进。很多技术均是在这一时期诞生的。在诸多热解技术中,EPA首先选中了以有机物气化为目标的回转窑式Lan dgardProcess,并于1975年2月在Baltimore市投资建成了处理能力为1000t/d的生产性设施。该流程是在回转窑中加入辅助燃料热解垃圾,回收可燃性气体。由于结果不理想,该系统只运行30天,最后改成了处理能力为600t/d的垃圾焚烧炉。
最早以液化为目标的热解技术是由OccidentalResearchCorporation开发的Occiden talProcess,于1977年在圣地亚哥城建成,处理能力为200t/d。垃圾经一次破碎、分选、干燥后,再经二次破碎投入反应器,与其中循环流动的灰渣在450~510℃混合接触数秒,使之分解为油、气和碳黑。该设备只在20%处理能力条件下运行了几次,最长运行时间约4小时。因机械故障太多,最终被该公司放弃。
EPA通过上述两种流程的开发,基本上掌握了热解技术,但最终并未投入实用。而是将城市垃圾资源化处理的方向转到了垃圾衍生燃料(RefuseDerivedFuel,RDF)技术的开发。
八十年代后,美国能源部对固体废物实施新的资源和能源再利用的技术开发计划。该计划的目标不仅是对化石燃料和有价物质的节约,更充分考虑了环境和健康问题。研究开发的对象也从一般性城市垃圾转向了木材、农业废物等可能转化为能源的生物质,从微生物学和热化学两条技术路线发展替代化石燃料的清洁能源转换技术。其中热化学技术开发内容包括了固体废物焚烧和以制造各种燃料或化工原料为目的的热解技术,其中最重要的是将生物质作为能源利用的开发研究。
欧洲发展热解的初衷是作为焚烧辅助手段以减少垃圾焚烧的二次污染。欧洲各国建立了一些以垃圾中的纤维素物质(如废木材、庭院废物、农业废物等)和合成高分子材料为对象的热解试验装置。
欧洲运行的固体废物热解系统以10t/d以下的规模居多,以城市垃圾为对象的大部分设施主要生成气体产物,伴生的油类凝聚物通过后续的反应器进一步裂解。也有若干系统将热解产物直接燃烧产生蒸汽。在Kiener系统中采用了以热解气体为燃料的燃气发电机。而Saarberg-Fernw?rme开发的热解系统为了提高热解气体的品质,采用了纯氧氧化,在该系统中还包括了在-150℃下分馏热解气体的过程。使用最多的反应器类型是竖式炉,间接加热的回转窑和流化床也得到一定程度的开发。
日本有关城市垃圾热解技术的研究是从1973年实施的StarDust‘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。在上述国家行动计划的推动下,一些民间公司也相继开发了许多固体废物热解技术和设备。这些技术大都是作为焚烧的替代技术得到开发的,并部分实现了工业化生产。
在各企业开发的诸多热解系统中,新日铁的城市垃圾热解熔融技术最早得以实用化。首先,于1979年8月在釜石市建成了两座处理能力50t/d的设备,接着又于1980年2月在茨木市建成了三座150t/d的移动床竖式炉,迄今已连续运行18年,1996年又在该市兴建二期工程。该系统是将热解和熔融一体化的设备,通过控制炉温,使城市垃圾在同一炉体内完成干燥、热解、燃烧和熔融。城市垃圾在干燥段受热蒸发掉水分后,逐渐下移至热解段,通过控制炉内的缺氧条件,使垃圾中的有机物热解转化为可燃性气体,该气体导入二燃室进一步燃烧,并利用其产生的热量进行发电。由于灰渣熔融所需的热量仅只靠固定在固相中的碳黑不够,还需要通过添加焦碳来保证燃烧熔融段的温度。灰渣熔融后形成玻璃体,使垃圾的体积大大减小,重金属等有害物质也被完全固定在固相中,可以直接填埋处置或作为建材加以利用。
显然,国际上早期对热解技术的开发目的主要集中在两个方面。一个是以美国为代表的,以回收贮存性能源(燃料气、燃料油和碳黑)为目的;另一个是以日本为代表的,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。
由于城市垃圾的成分复杂,要顺利运行以回收能源为目的的热解处理系统,需要保持产品具有稳定的质和量。因此,美国在开发城市垃圾热解技术同时,还充分考虑了配套的城市垃圾破碎、分选等预处理技术。而要进行较为彻底的破碎和分选,要消耗大量的动力和建立复杂的机械系统。此外,垃圾中的低融点物质给系统操作可能造成的障碍、以及有害物质的混入等对回收产物质量的影响等也必须予以考虑。多年来,城市垃圾中直接热解回收燃料的技术,在实用化方面并没有取得太大的进展。但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的方面,许多工业发达国家则已经取得了成功的经验。
近年来,城市垃圾中的废塑料增加明显。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,同时也是二恶英的发生源之一。随着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人们关注的焦点问题。许多国家相继制订了有关法律、法规,限制大量焚烧废塑料。在此背景下,废塑料的热解处理技术逐渐成为世界各国研究开发的热点。其中的废塑料热解制油技术则已经开始进入工业实用化阶段。
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