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        熱裂解技術在固廢處置中的應用

        2020-02-18 11:07:54
        山東化工 2020年11期
        關鍵詞:含油燃燒室反應器

        楊 健

        (海洋石油工程股份有限公司建造公司,天津 300457)

        1 固體廢棄物

        1.1 固體廢棄物的產生

        固體廢棄物是指人類生產、生活過程中產生的固態(tài)廢物質,俗稱“垃圾”。通常包括城市生活廢棄物、工業(yè)廢棄物和農業(yè)廢棄物。據統(tǒng)計,我國2017年全年產生固體廢棄物已經超過100億t,歷年堆存的工業(yè)固廢已近700億t。固體廢棄物的危害極大,首先是浪費資源。固體廢棄物的存放需要大量土地,造成土地資源浪費,同時,在存放的過程中對土地造成嚴重污染。其次是破壞生態(tài)環(huán)境。在固廢倒運、存放及排放過程中,對生態(tài)環(huán)境造成污染,甚至影響到動植物的生存。

        1.2 固廢的處理方法

        目前,固體廢棄物有多種處理方式,如焚燒法、熱裂解法、填埋法等。上述方法中,焚燒法和填埋法是處理固廢的常用方法,但危害較大,在處理過程中對空氣、土壤均可造成嚴重破壞。熱裂解法是比較環(huán)保的方法,在不污染環(huán)境的前提下,可將殘渣有效利用。

        2 熱裂解

        2.1 熱裂解工藝

        熱裂解是指物質在加熱過程中,經過一系列反應生成可燃氣體、可燃油等物質。

        熱裂解的反應過程主要分為3個階段,分別是干燥階段、干餾階段和氣體生成階段。在干燥階段,溫度通常在200℃左右,在溫度升高的過程中,對物料進行烘干,使其水分揮發(fā)。在干餾階段,溫度通常為200~500℃。在此過程中,物料發(fā)生了實質性的變化,大分子裂變成為小分子,生成了含碳化合物。在氣體生成階段,上述產物經過高溫發(fā)生二次裂變,生成了氫氣、一氧化碳、甲烷等氣體。

        2.2 熱裂解設備

        熱裂解需要在專業(yè)設備內進行,設備主要分為進料系統(tǒng)、一次燃燒室、二次燃燒室、除塵系統(tǒng)及預熱回收系統(tǒng)等。進料系統(tǒng)是將物料進行處理后,送入一次燃燒室,進料系統(tǒng)屬于機械外配套設備,起到物料擠壓傳輸作用。一次燃燒室是熱裂解設備的核心工藝區(qū)域,物料在高溫、缺氧的環(huán)境下進行反應生成有機氣體,這些氣體將轉入二次燃燒室,在此過程中,氣體經過干燥處理。留存在一次燃燒室內的固體物質經過工藝處理,與輸送入內的氧氣進行燃燒,生成殘留物。二次燃燒室的溫度、時間可以調整,經過合理的生產工藝,得到所需產物。

        2.3 熱裂解影響因素

        在熱裂解過程中,溫度、時間及壓強會對其結果造成一定影響。溫度是熱裂解的關鍵參數,溫度不同將會使熱裂解的產物不同。研究表明,溫度在800~900℃時,有利于熱解進行,更易產生碳氫氣化物,并減少殘渣量。除溫度外,物料停留時間對物料分解產生影響。反應時間越長,有機物分解越充分。相反,反應時間越短,分解不充分。在廢舊輪胎的熱裂解處理過程中,如果載氣流速一定,反應時間縮短的話,將使物料殘渣增多。

        2.4 熱裂解研究現狀

        國外研究熱裂解技術起步較早。如美國城市化進程快,在二十世紀初就面臨著生活垃圾的困擾。為了有效解決城市垃圾問題,美國于1929年做了熱裂解的相關實驗。經過長時間的研究,美國的熱裂解技術已經趨于成熟,并運用于生活。近年來,由于環(huán)境及能源問題,美國對熱裂解進行深層次的研究,努力提高熱裂解后可再生資源的利用率。

        我國對于熱裂解的研究起步晚,最初以秸稈作為研究對象進行探索實驗。隨著國家科技的發(fā)展,國內企業(yè)逐步開始研究固體廢棄物的處理技術。經過一定時間的發(fā)展,我國一些企業(yè)已經能夠利用熱裂解技術對固體廢棄物進行有效處理。如對廢舊輪胎、含油污泥、城市生活垃圾等。但大部分的熱裂解固廢處理技術仍然處于實驗室階段,并未達到成果轉化。隨著國家技術的進步及國內外技術交流的增加,在未來的研究中,熱裂解固廢處理將會取得突破性進展。

        3 熱裂解技術在固廢處置中的應用

        3.1 熱裂解技術處理廢舊輪胎

        隨著我國汽車業(yè)的發(fā)展,汽車保有量已居世界之首。在人們出行便利的同時,廢舊輪胎的數量已達到上億條。廢舊輪胎可通過翻新、制膠、熱裂解進行處理。熱裂解是廢舊輪胎處理的新方法,得到了多數國家的認可。輪胎主要成分是橡膠,在熱裂解時會生成氣、油、炭。熱解氣主要含氫氣和碳氫組合烴類,氧氣極少,熱解氣可以作為熱能再利用。熱解油中芳香烴含量較高,在一次反應和二次反應過程中受溫度和事件影響較大。熱解油優(yōu)點較為明顯,熱之高、粘度低,已經作為燃料廣泛運用。廢舊輪胎熱解固態(tài)產物為熱解炭,當熱解溫度到500℃時其產量較高。熱解炭可以通過不同的工藝進行回收再利用,但因有害元素含量高,導致使用受限。廢舊輪胎熱裂解技術使資源得到有效回收利用,但此工藝在使用過程中較為復雜,影響因素較多,目前尚未大面積推廣。在未來的廢舊輪胎熱裂解技術研究過程中,應重點對廢氣體、廢液的回收率及熱解炭質量的提高。

        3.2 熱裂解技術處理含油污泥

        國家在石油開采過程中會產生大量的含油污泥,其危害性極大。如果得不到有效處理,將對環(huán)境造成嚴重破壞。在含油污泥的處理方法中,熱裂解法已完成了試驗階段,轉入生產。熱裂解方法是一種無害化技術,與傳統(tǒng)的焚燒相比投資高、專業(yè)性強,但處理效果好。熱裂解法首先需要對含油污泥脫水干燥,然后轉入爐窯進行熱解,溫度需達到500~600℃,含油污泥在無氧情況下烴類分析重組,在此過程中需要加入氮氣。熱裂解后,殘渣經檢測完全符合排放標準要求。目前,我國一些大型油田已經開始使用熱裂解技術處理含油污泥。

        3.3 熱裂解技術處理城市垃圾

        城市垃圾處理方法較多,但處理結果對環(huán)境影響較大。我國目前使用的技術是將多種方法有效結合,提出熱解氣體焚燒法。生活垃圾經過熱解后可以將有害金屬分離,殘留熱解炭再進過燃燒。熱解燃燒環(huán)境為無氧環(huán)境,避免了有害元素的氧化殘留。在此環(huán)境下,Cu元素未氧化,無法生成CuCl2,缺少了合成二噁英的成分。生活垃圾的熱解過程在反應器中完成,反應器是熱解的核心設備。目前,主要分為固定床反應器、流化床反應器及回轉窯反應器。這三種反應器各有優(yōu)缺點,固定床反應器效率高,可用于多種原料,但單次物料處理量小。流化床反應器效率、原料處理及物料量均具有優(yōu)勢,但設備板材要求較高,成本增加?;剞D窯反應器易操作,但熱解反應不充分。在設備選擇過程中,可以根據實際情況進行選擇。

        熱解氣體焚燒法可以利用生活垃圾處理過程中產生的熱量發(fā)電,有效利用資源,同時避免了環(huán)境污染。

        4 熱裂解技術存在的問題

        現階段我國熱裂解技術在固廢處理中仍然存在問題。

        (1)我國的熱解技術在個別固體類廢棄物實現了成果轉化,其余均處于實驗階段,有待進一步的研究。同時,與國外發(fā)達國家研究相比,我國的主要研究方向較為單一、研究投入相對較少。

        (2)我國對催化熱裂解技術進行了研究,但研究深度不夠,對于催化劑的選擇應開展更深層次的研究。

        5 結論

        我國熱裂解技術已經取得一定進展,從實驗階段走向了實際運用階段,且應用范圍逐步擴大,如大型油田含油固廢的處理、汽車廢舊輪胎的處理及城市生活垃圾的處理。但在熱裂解的使用過程中,依然存在不少問題,這將成為科研的方向,努力實現熱裂解技術在固廢處理領域的突破。

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