生活垃圾热解技术.docx
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生活垃圾热解技术
生活垃圾热解技术
本期目录
综述
•1
政策、标准
•国外相关法律法规13
新闻动态
•1
院信息
18
19
•科技管理•标准管理
定义
热解（Pyrolysis）是指生活垃圾在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾500°C,通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。
通式
有机盼废物（比、CH.,CO、CO?
等）气体+（有机酸、焦油等）有机液体+碳黑+炉渣
产物
热解的产物主要有可燃气、生物油和固体黑炭。
可燃气（合成气）可用于民用炊事和取暖，烘干谷物、木材、果品、炒茶，发电，区域供热，工业企业用蒸汽等。
在生物质能开发水平较高的国家，还用气化燃气作化工原料，如合成甲醇、氨等，甚至考虑作燃料电池的燃料。
生物油是高能量载体，基本上不含硫、氮和金属成分，是一种绿色燃料。
固体黑炭可用作工业燃料，制作碳基肥，改善土壤性能等。
优势
1、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；
2、废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在固体炭黑中；
3、由于保持还原条件，Cf不会转化为Cr6*；（4）N0x的产生量少。
原理
从化学反应的角度对热解进行分析，生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。
木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。
热重分析结果表明，纤维素在52£时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，至ij350"370°C时，分解为低分子产物，其热解过程为：
（Ct.HioOs）n^nCeHioOs
GHHQ+2CH厂CO-CHO
CHi-C0-CH0+H2fCHYO-CH2OH
CH厂CO-OWH+Hz—CH厂CH0H-CFh+H20
半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在225〜325T分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似。
余热发电。
灰渣中残存的热解固相产物一一炭黑与从炉下部通入的空气在燃烧区发生燃烧反应，通过添加焦炭来补充碳源。
图1新日铁系统工艺流程图
（2）Purox系统
又称为U.C.C.纯氧高温热分解法，采用竖式热解炉，破碎后的垃圾从塔顶投料口进入.依靠垃圾的自重在由上向下移动的过程中，完成垃圾的干燥和热解。
底部燃烧温度：
16509。
该系统主要的能量消耗是垃圾破碎过程和It垃圾热解需要的0.2t氧气的制造过程。
该系统每处理1kg垃圾可以产生热值为11168kW的可燃性气体0.712m3,该气体以90%的效率在锅炉中燃烧回收热量，系统总体的热效率为58%。
图2Purox系统工艺流程图
（3）Torrax系统
由气化炉、二燃室、一次空气预热器、热回收系统和尾气净化系统构成。
垃圾不经预处理直接投入竖式
•贞脚・
气化炉中。
垃圾干燥和热解所需的热量由炉底部通入的预热至iooo°c的空气和炭黑燃烧提供。
二次燃烧室温度1400°C,出口气体温度1150〜1250£。
垃圾热值的大约35%用于助燃空气的加热和设施所需电力的供应，提供给余热锅炉的热量达57%,即相当于垃圾热值的大约37%作为蒸汽得到回收。
图3Torrax系统工艺流程图
（4）Occidental系统
采用不锈钢制筒式反应器，炭黑加热到76（rc返回热解反应器供热，8（TC急冷得到燃料油，热解油平均热值24401kJ/kgo
图4Occidental系统工艺流程图
国外技术进展
生物质能转换技术可高效地利用生物质能源，生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖，减轻化石能源消费给环境造成的污染。
目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。
热解技术是国外研究生物质能转换的热点之一。
气化技术
原料：
主要是城市居民生活垃圾、工业固体废弃物、城市绿化垃圾、原木生产及木材加工的残余物、薪柴、农业副产品等，包括板皮、木屑、枝杈、秸秆、稻壳、玉米芯等，原料来源广泛，价廉易取。
它们挥发分髙，灰分少，易裂解，是热化学转换的良好材料。
按照具体转换工艺的不同，在添入反应炉之前，根据需要应进行适当的干燥和机械加工处理。
特点：
IEA煤研究机构对生物质固体废弃物与煤的混合利用进行了研究，经过对各种废弃物的实验发现,与混合液化和混合热解相比，混合气化更有吸引力。
因为气化方式燃料适应性广，从挥发分含量比校高的生物质和大多数废弃物到反应性差的煤，能够同时产生可燃气体。
与传统的燃烧工艺相比，气化技术既有较高的效率同时具有很好的环保性能。
国外已经建成的大型1GCC电厂一般采用气流床煤气化炉，这一多联产技术将通过生产合成气的同时输出电力、热能和其他产品，使得过程更容易优化，同时获得富集的C@易于减排，适合开展混合气化工业化应用的探索性试验。
荷兰：
关于生物质的单独气流床气化方面的研究，荷兰能源中心（ECN）试图开发生物质气流床气化技术，从生物质灰的熔融特性、生物质给料装置、加压方法以及气化路线选择方面进行了一些研究，发现聂大的困难在加料系统，尤其是干粉气化方式并不能适应生物质等有机废弃物。
德国：
科林公司（CHOREN）提出整套生物质热解与气流床气化相结合的路线分为三个阶段，第一步热解得到气体、焦油和固体产物，第二步进一步分解液体焦油，第三步在气流床气化生物质炭。
而气流床气化炉在处理化石燃料方面技术成熟，如果在煤气化过程添加一定比例的生物质，则可以灵活调整混合气化的燃料比例，使得气化炉运行成本更低。
瑞典：
世界上第一个生物质气化IGCC（Integratedgasificationcombinedcycle）电站位于瑞典Varnamo,采用正压循环流化床气化炉（950-100（FC,18bar）.高温瓷管过滤器、燃气蒸汽联合循环发电系统。
燃料为木材，输入热量18MW,供电6MW,供热9MW。
净发电效率32%,总效率83%。
该厂1991-1993年建设,1993-1999年运行，气化炉运行8500小时，全厂运行3600小时。
因运行成本太高，2000年停运封存。
2003年VaxjoVarnamoBiomassGasificationCenter成立，将该电站作为大型的研究设施，目的为：
1）开发利用垃圾衍生燃料RDF,包括废弃轮胎等；2）生产清洁的富氢合成气，采用催化重整方法；3）改造成生产汽车替代燃料，二甲瞇/甲醇/生物柴油。
美国：
PolkPowerStation在DOE资助下，于2001年在其水煤浆气化炉添加按树进行混合气化试验。
图5所示为混合气化系统组成原理图，按树被磨制成较细的粉末后与煤混合制取水煤浆，在气化炉混合气化。
试验中生物质添加量达1.2%,混合气化过程没有任何技术障碍。
但是生物质收集和粉碎磨粉成本非常高，由于磨粉过程大尺寸木材片卡住煤浆泵造成给料困难。
因此，木材类生物质直接制粉用于混合气化的燃料制备成本太髙。
图5混合气化系统组成原理图
西班牙：
ElcogasIGCC电（Puertollano）采用的PRENFLO（pressurisedentrainedflowgasifier）加压气流床气化炉，是一种加压、干式给料工艺。
气化炉结构独特，气化炉本体与合成气冷却器结合。
燃料、（）2和蒸汽一起从装在气化炉下部的燃烧器给入。
在气化炉出口，合成气借助再循环的洁净合成气淬冷，熔渣在水槽淬冷。
气化原料为高灰煤和髙硫石油焦，采用85%纯度的氧气气化。
进行了小麦秸秆与煤焦的混合气化，添加比例10%（基于总能量），结果表明添加生物质后，合成气中C02和H20的浓度增加而C0减少，适当调整氧气和蒸汽流量以达到较高的冷煤气效率。
但是生物质含水量必须控制在15%以下，以免影响制粉过程。
热解炭化技术
美国：
是最早开展城市生活垃圾热解处理的国家，早在1929年就对垃圾进行了高温热解的实验研究。
1967年Kisser和Friedmdii进行了均质有机废物高温热解的试验，随后进一步进行了对非均质废物（如城市生活垃圾）的髙温热解的研究，结果显示垃圾热解产生的气体可以用作锅炉燃料。
随后Hoffman和Fitz在实验室中使用一种干饱系统分解典型的城市生活垃圾，研究结果表明，高温分解产物包括气体、焦油及各种形式的固体残渣。
同时还证明了高温分解一旦开始，它就能自动维持下去，因为反应产物可以作为加热热解系统的能源。
欧洲：
建立了一些以垃圾中的纤维素物质（如木材、庭院废物、农业废物等）和合成高分子物质（如废塑料、废橡胶等）热解实验性装置，其目的是将热解作为焚烧处理的辅助性手段。
在欧洲，主要根据处理对象的神类、反应器的类型和运行条件对热解处理系统进行分类，研究不同条件下产物的性质和组成，尤其重视各神系统在运行上的特点和问題。
加拿大：
热解技术研究主要围绕农业废弃物等生物质，特别是木材的气化进行的。
加拿大政府于二十世纪70年代末期，开始了以利用大量存在的废弃生物质资源为目的的研发计划，相继开展了利用回转窑、流化床对生物质进行气化和利用催化剂对木材高温液化的研究。
日本：
对城市生活垃圾热解技术的研究是从1973年开始的，主要是为配合热解气化熔融技术而进行的,且新日铁的城市生活垃圾热解熔融技术在世界上最早实现工业化。
1）实验室研究进展
经过科学家的不断摸索研究，热解工艺理论研究已初具规模。
热解过程包含四个连续的热反应阶段。
第一阶段为吸热脱水阶段，温度较低，析出结合水，聚合物开始裂解。
第二阶段为挥发分大量析出阶段，一氧化碳出现最大生成速率，同时生成少量液体产品。
前两阶段均为吸热反应。
第三阶段为二次裂解阶段，是液体产物的主要生成阶段，气体产物可燃成分大量增加，释放大量的热。
第四阶段固体产物焦结构固化、压缩,挥发物质减少，固定碳含量增加，同时生成氢和co等。
该阶段也是放热反应。
已有研究显示，升温速率对液体产物影响不大，但对气体产物和固体产物的分布有较大影响，建议生物质热解的温度在350°C^00°C之间，固体产物焦炭的生产率在15^35%之间，流化床的应用较为广泛。
美国、欧洲：
首先针对生物质的三种主要成分木质素、半纤维素、纤维素开展了热解机理研究（E.
Sjosti-dm,1993；F.Shafizadesh.1985k在此基础上，展开了广泛的实验室研究，包括不同生物质原料（如木材（Joseph,1996；Liin,1993）、椰子壳（Iniesla,2001）.塑料（Uzumkesici,1999）、甘蔗渣（Strezov,2007；Katyal,2003）等）的热解过程分析、产物生成速率、产物分布等，研究了热解温度、蒸气停留时间、升温速率等不同参数对热解过程的影响，对产物的特性进行了评价，发展了流化床、烧蚀反应器、循环式流化床、旋转炉等不同类型的反应器。
伴随着人们对城市生活垃圾处理处置的重视，以及生活垃圾传统处理工艺暴露出的问题，人们逐渐将热解技术应用于生活垃圾的处理。
针对MSW炭化温度这一核心参数，美国学者认为（BridgwaterandPeacocke,1999；Bridgwater,2012）、控制炭化温度在400°C左右,蒸气停留时间在数天时，有利于固体产物的生成，其液体、固体和气体产物的比例约为30%,35%和35%。
印度：
研究集中于腰果壳（Das,2003；Das,2004）、甘蔗渣（Das,2004；Parihar,2007）、花生榨油残渣（Agrawalla,2011）等原料。
印度理工学院（Das,2003丿研究了400~600匸下热解的产物生产率，发现随着温度的升髙，焦炭产率由40（TC的23%,下降至600nC的19%jalsuzawa研究了在435°C、445°C和455°C下城市生活垃圾热解后的固体产物的理化特性，认为可用作热解反应过程燃料，满足热解过程对能量的需求。
表2列出了大多数目前已知的最近和现有的热解工艺的研究和运行实例。
表1国外实验室热解反应器应用
反应器类型
生产商
运行或研究机构
处理量/kg/h
Fluidbed
Agritherm,Canada
AdelaideU,Australia
1
BiomassEngineeringLtd,UK
AstonU・.UK
5
Dynamotive,Canada
Cirad,Franee
2
RTI.Canada
CurtinU,Australia
2
ECN,NL
1
IowaStateU・，USA
6
NREL,USA
10
PNNL,USA
1
TNO,Netherlands
10
USDA,ARS,ERRC.USA
1
U.Seoul,Korea
N/A
Transportedbed&CFB
Ensyn,Canada
CPERI,Greece
1
Metso/UPM,Finland
U.Birmingham,UK
N/A
U.Nottingham,UK
N/A
VTT,Finland
20
Rotatingcone
BTG,Netherlands
BTG,Netherlands
10
Integralcatalyticpyrolysis
BioEcon,Netherlands
BattelleColumbus,USA
1
KiorUSA
PNNL,USA
1
TechnicalU.ofMunich
N/A
（J.Massachusettse?
\mhurst,USA
N/A
VirginiaTech・U・■USA
3
TNO,Netherlands
30
Ablative
PyTec,Germany
AstonU.,UK
20
InstituteofEngineering
15
TechnicalU.Denmark
1.5
AugurorScrew
Abritech,Canada
AuburnU.USA
1.0
LurgiLR,Germany
KIT（FZK）,Germany
500
RenewableOi1Inti,USA
MississippiStateU・，USA
2
MichiganStateU・USA
0.5
TexasA&MU.,USA
30
Movingbedandfixedbed
AnhuiYinengBio-energy
Ltd..China
AnadoluUniversity,Turkey
N/A
Sci.&Technol..Japan
0.1
U.AutonomadeBarcelona.Spain
N/A
2）工程化应用
鉴于其良好的资源化前景，人们一直推动生活垃圾热解技术走向工业化实践和工程应用。
日本：
生活垃圾低温热解炭化技术最早应用于工业化，每年连续运行达。
生活垃圾进炉前一般先干燥处理，部分需要将重金属分选出来。
新建炭化厂产品焦热值较高，达20900kJ/kg,用于锅炉燃料、水泥窑燃料、热电站以及钢铁生产企业的燃料，销售价格4~10美元/吨。
数量
处理规模
炭化工艺
炭化温度
运行时间
日本
6座（2002-2005年）
20~60吨/天
流化床和族转炉
400飞o（rc
206、336天/年
1座（规划在髙萩市）
25吨/天
1座（规划在丹波市）
60吨/天
2002年日本建设了第一座生产规模并稳定运行的城市生活垃圾炭化厂
原料
处理规模
炭化工艺
炭化温度
运行时间
由于日本有完善的生活垃圾分类体系，一般分类为可燃垃圾、不可燃垃圾、可回收垃圾和大型垃圾。
因此用于处理的原料生活垃圾为可燃垃圾和可燃大型垃圾部分。
进料生活垃圾先破碎处理，含水率降至10^15%
70吨/天（两条生产线并行，单条35吨/天）
族转炭化炉，产物焦经洗气脱氯、脱水后造粒
（块状原料），制成产品焦，用于替代燃斜。
热解气和焦油用于炭
450'550°C
可连续24小时
运行，206~336
天/年
WI.%,然后进入放转炭化炉
化所需能量。
锅炉或燃烧室
热解气
和焦油
图6日本首例炭化厂工艺流程
2007年该厂运行情况
原料
产焦
飞灰
环保控制
不可燃残渣
产品焦的待性
处理生活垃圾13856吨
（湿基，含水率按56%计），含水率35%
3247吨，
产品焦产
率为23%
（湿基
计）
108吨
烟气采用水幕除尘、活性炭喷雾和布袋除尘，排放的NOx小于100ppm,二恶英排放小于O.Olngo飞灰浸出测试铅浓度低于0.3mg/L,经螯合处理后填埋。
194吨
可燃组分比例约67%，低位热值11440kJ/kg（湿基计），氯含量0.4%
（湿基计）。
与日本其他炭化厂相比，产品焦热值较低，该厂将产品焦外运，为此支付运费80美元/吨，具体去向不明。
该厂运行初期曾遇到粉碎、干燥、物料输送等技术问题，炭化炉与热解气焚烧室外侧表面部分腐蚀，是运行中比较严重的问题，后来都通过工程手段予以解决。
注：
部分容译自：
A.V.Bridgwater,etc・Anoverviewoffastpyrolysisofbiomass,1999
In-HeeHwang,etc・SurveyofcarbonizationfacilitiesformunicipalsolidwastetreatmentinJapan.2010
A.V.Bridgwater,Reviewoffastpyrolysisofbiomassandproductupgrading,2012
CommissionoftheEuropeanCoinmunities,Directive2001/77/EContheuPromotionofelectricityproducedfromrenewableenergysourcesintheinternalelectricitymarket,"27September2001
WebsiteofDepartmentofEnergy,US
国技术现状与发展趋势
实验室研究现状
•贞脚.
国在生物质和生活垃圾热解方面的研究起步较晚。
中国科技大学.农业大学.中国科学院、能源研究所、交通大学、理工大学等单位在热解方面都展开了很多研究。
农业大学从1993年起与荷兰合作，1995年从荷兰呑特大学生物质能技术集团引进一套族转锥反应器，生物质进料量为50kg/h.1998年，在对流态化现象及流态化质量影响因素的深入研究后，设计并制造了一套小型流化床生物质热裂解装置，并以松木木屑为原料在流化床中进行了生物质热裂解的试验研究（牛卫空,2000）。
东北林业大学于近年完成设计制作了加工干生物质能力分别为50kg/h、200kg/h的两代转锥式生物质闪速热解装置，其中200kg/h的装置已通过了小试阶段。
理工大学于2002年设计制作了两代工业示装置，加工能力分别为30k"h,50kg/h（易维明,2003）。
我国生物质热解技术的研究情况参见表3（荣厚，2004；王黎明，2006；Bridgwater.2012）。
可以看出,
国对热解的研究以流化床为主。
表2国实验室热解反应器应用
反应器类型
主持研究机构
规模/kg/h
文献发表时间
流化床
农业大学
1.0
2000
工业大学
直径32mm,高度600mm
1997
大学
5.0
2002
能源研究所
10
2001
理工大学
5.0
2001
华东理工大学
5.0
2002
理工大学
50
2003
东南大学
1.0
/
中国科技大学
650
/
旋转锥
农业大学
50
1997
理工大学
10
2002
东北林业大学
200
2005
回转窑
大学
4.5L/次
2000
固定床
大学
直径75mm,高度200mm
1999
热解釜
农业大学
/
1997
平行反应管
农业大学
/
1995
中国科学院选取纸、厨余、布料、木屑、秸秆、塑料、橡胶等7种典型的垃圾组分进行TG和DSC热分
析实验，对垃圾各种成分表的炭化过程进行了描述，认为实际垃圾热解所需要的温度在40CTC左右，时间不
低于10mino
大学用外热式固定床，以城市生活垃圾中9种典型组分（米饭、果皮、青菜、布匹、纸、木屑、PE、PVC、橡胶）的混合物为实验物料，按比例混合而成人工合成垃圾，在300~700匸下进行炭化。
随着热解终温的提高，固体产物的热值降低，约23.P27.OMJ/kg,与中等质量的煤炭相当。
固体产物的密度达到垃圾物料密度的2.1倍，减容约50%o
工程化应用
国在生活垃圾热解技术的研究集中在实验室规模，工程应用案例不多，多为中试规模，尚在起步探索阶段。
交通大学于2008年8月在四方锅炉厂厂区建立生物质气化分布式供能系统示工程，以稻杆为原料，处理量120kg/h,每小时产生燃气220m3,燃气热值5MJ/m‘,气化效率78%,净化后焦油含量4&3mg/Nm%
交通大学在实验室气化机理研究的基础上，闵行校区建立生物质气化分布式供能系统研发示基地，以松木屑为原料，处理量60kg/h,产生燃气120m7h,燃气热值5.3MJ/m3,发电t30kWe,气化效率76.8%。
其流程示意图如下：
I
a
图7交通大学生物质气化分布式供能系统流程示意图
省遵化市生活垃圾无害化处理中心，处理规模10吨/天，占地4000平方米，由遵化市金马集团和中盈绿野公司联合研发，安装有炭化炉、烟气处理设备（含水除尘器、催化塔、吸附塔）、分选机和水处理设备。
经过筛分、磁选、人工分选（将金属、土石、玻璃分拣出来）的城市生活垃圾在这里进入炭化炉后，经过炭化、吸附、除尘、冷却等流程，固体产物可用作肥料。
该中心于2010年8月启用。
省迁安市农村垃圾无害化处理中心采用低温热解炭化处理技术，处理规模6吨/天，处理对象为除土石、玻璃以外的城市生活垃圾，于2012年初正式运营，总投资1000万元。
中国科学院高等研究院可持续技术研究中心在实验室研究的基础上，在市青浦建设了一套30t/d的生活垃圾低温热解炭化装置，核心炉体采用二代卧式族转炉，热解温度400"450工，经过7天
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