城市生活垃圾與裂解處理技術(shù)
導(dǎo) 言
裂解，是指只通過熱能將一種物質(zhì)（主要指高分子化合物）轉(zhuǎn)變成另外幾種物質(zhì)（主要指低分子化合物）的化學(xué)過程。裂解，也可稱謂熱裂解或熱解技術(shù)。影響裂解的基本因素，首先是溫度和反應(yīng)的持續(xù)時間，其次是原料的種類，因?yàn)檫@一種類直接關(guān)系到裂解的速率和效率。科學(xué)總是在向前發(fā)展的，技術(shù)也總是在進(jìn)步的。目前，在城市生活垃圾領(lǐng)域中裂解技術(shù)與傳統(tǒng)的填埋、焚燒、堆肥處理方法相比，提供了一種新的研究方向，但還需要不斷深入地探索和研究。
1. 裂解技術(shù)發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀
1.1. 裂解技術(shù)的主要發(fā)展史
早在20世紀(jì)50年代，在裂化技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了以制取乙烯為主要目的（烴類水蒸汽高溫裂解）的簡稱裂解技術(shù)。經(jīng)過長期技術(shù)的發(fā)展以及催化劑的發(fā)明和應(yīng)用，又發(fā)展了低溫裂解技術(shù)（裂解反應(yīng)溫度在300℃—600℃之間）。從70年代起，這一技術(shù)在歐洲一些國家也有了應(yīng)用和研究的實(shí)例。
1.2. 裂解技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域
1.2.1. 化工領(lǐng)域
最常應(yīng)用于石油化工和煤化工生產(chǎn)。石油化工生產(chǎn)過程中，通常以700℃—800℃的裂解溫度，有時甚至高達(dá)1000℃以上，使石油分鎦產(chǎn)物（包括石油氣）中的長鏈烴斷裂成乙烯、丙烯等短鏈烴的加工過程。主要用石腦油、煤油、柴油為原料并向重油發(fā)展。在裂解過程中，同時伴隨縮合、環(huán)化和脫氫等反應(yīng)。另外人們習(xí)慣上把從重質(zhì)油生產(chǎn)汽油和柴油的過程稱為裂化；而把從輕質(zhì)油生產(chǎn)小分子烯烴和芳香烴的過程稱為裂解。
1.2.2 污泥處理領(lǐng)域
由于污泥主要成分為脂肪、蛋白質(zhì)、糖類和纖維素，一般認(rèn)為可在200℃—450℃可以實(shí)現(xiàn)裂解成為油、不凝（可燃性）性氣體和炭這三種可燃性物質(zhì)。近些年來，國內(nèi)相當(dāng)多的研究機(jī)構(gòu)和人員都對這一技術(shù)進(jìn)行了探索和研究1 2，但就國內(nèi)來說尚未有成功實(shí)踐案例。而在國外，對于污泥裂解制油等可燃物的應(yīng)用同樣處于研究探索狀態(tài)3，成功實(shí)踐目前僅有澳大利亞一家公司4。
1.2.3. 有機(jī)廢棄物處理領(lǐng)域
近些年，隨著能源緊張以及新能源尤其是生物質(zhì)能開發(fā)技術(shù)的重視，利用裂解技術(shù)探討秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能的研究得以廣泛開展5，并在我國部分地區(qū)形成一定實(shí)驗(yàn)性規(guī)模6。國外從60年代末就開展了有機(jī)廢棄物熱裂解技術(shù)的研究，目前該技術(shù)在美國、意大利、瑞士、西班牙等國已達(dá)到商品化階段7。
1.2.4. 生活廢棄物處理領(lǐng)域
20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外陸續(xù)開展了生活垃圾裂解處理技術(shù)研究，但基本都處于實(shí)驗(yàn)室研究或擴(kuò)大的工程試驗(yàn)階段。在國內(nèi)開展研究的有武漢工業(yè)學(xué)院的周蘭倩、江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院的謝小兵等，并且也陸續(xù)有垃圾裂解技術(shù)專利發(fā)明的申請和登記，如廣東陳秋平的“立式多爐垃圾熱裂解爐”專利（專利號：20042006610.4）、上海弘森環(huán)境科技公司的“生物質(zhì)轉(zhuǎn)化處理高效濕熱釜”專利（專利號：ZL.200620044228.1）。
2. 裂解技術(shù)的主要影響因素
從裂解在各領(lǐng)域的應(yīng)用及裂解技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，影響裂解技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展的因素，主要包括內(nèi)在因素和外在因素兩大方面：內(nèi)在因素，在于裂解裝置本身的溫度、濕度等技術(shù)參數(shù)的掌握與控制；外在因素，則在于裂解供給物質(zhì)材料的處理。
2.1. 物料的特性
裂解技術(shù)是基于有機(jī)物本身在一定的溫度、濕度、壓力條件下，自身通過吸熱產(chǎn)生裂變反應(yīng)。不同物質(zhì)裂解需要吸收的熱量、需要的時間不盡相同，一般來說，分子量較小、吸熱較快的如紙張類物質(zhì)先裂解，分子量相對較大的木質(zhì)素、脂肪類物質(zhì)后裂解，因此混合物質(zhì)裂解處理過程非常復(fù)雜，反應(yīng)持續(xù)時間長，最終裂解物質(zhì)也具有較大的變動性。
除物料成分會影響裂解反應(yīng)外，其顆粒狀態(tài)也會影響裂解反應(yīng)的過程，顆粒狀態(tài)、濕度大小由于直接關(guān)系到混合程度、攪拌效果、吸熱能力等，也會對裂解反應(yīng)效果產(chǎn)生影響。
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2.2. 裂解反應(yīng)時間
從表1可以看出，裂解爐中物料停留的時間直接影響裂解反應(yīng)的程度及裂解產(chǎn)物的類型，在非常高的反應(yīng)速率與高溫條件下，幾乎無炭黑類物質(zhì)生成，因此又稱快速熱裂解或閃速熱裂解。一般來說固相滯留反應(yīng)時間越短，裂解所產(chǎn)固態(tài)產(chǎn)物（炭）比例越小，總的產(chǎn)物量則越大，裂解越完全。
2.3. 裂解反應(yīng)溫度
溫度是裂解過程中一個很重要的影響因素，它直接影響產(chǎn)物分布和組分。從表1看，一般隨著裂解溫度的升高，炭的產(chǎn)率則減少。由于不同物質(zhì)裂解溫度不同，目前從300℃—800℃都有不同的研究人員開展了研究，一般來說低溫區(qū)停留時間長，則炭產(chǎn)率增加；快速升溫，則高溫停留時間長，有利于充分裂解及氣產(chǎn)率提高。
3. 裂解技術(shù)應(yīng)用于生活垃圾處理的技術(shù)關(guān)鍵
從當(dāng)前生活垃圾裂解處理研究實(shí)踐及裂解技術(shù)本身特點(diǎn)來看，實(shí)現(xiàn)生活垃圾裂解處理技術(shù)的突破，垃圾物料的處理、裂解時間與溫度的控制、物料的爐內(nèi)控制、裂解產(chǎn)物的利用和處理是關(guān)鍵。
3.1. 生活垃圾物料的處理
生活垃圾成分復(fù)雜多變(見表2)。混合性生活垃圾中的廢磚塊、非金屬類的無機(jī)物質(zhì)是不參與裂解反應(yīng)的，若未經(jīng)分類且含有大量無機(jī)成分的生活垃圾則會影響裂解過程：一是參與吸熱影響裂解最終效果；二是影響裂解物料的流動，部分無機(jī)物甚至由于熔融狀態(tài)變化而影響裂解爐的使用壽命；三是垃圾裂解油成分復(fù)雜，粘度較大，難以順利輸送。
垃圾物料顆粒大小、含水量會因?yàn)橛绊憯嚢琛⒎瓌有Ч绊懤锪媳旧碓诹呀鉅t內(nèi)的吸熱速度快慢、均勻與否等狀態(tài)，從而影響裂解反應(yīng)過程。
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3.2. 生活垃圾裂解控制技術(shù)參數(shù)的探索
由于生活垃圾中成分復(fù)雜，尋找最佳升溫速率和裂解停留溫度、時間則成為裂解控制技術(shù)參數(shù)的關(guān)鍵。從當(dāng)前研究實(shí)踐來看，可分為低溫裂解和高溫裂解，但各有優(yōu)劣，但就裂解的效果，尚未有關(guān)于最佳裂解控制技術(shù)參數(shù)的結(jié)論。這也是導(dǎo)致目前裂解技術(shù)尚未有應(yīng)用于生活垃圾處理實(shí)踐工程中的最關(guān)鍵的原因。部分物質(zhì)尚未裂解，部分物質(zhì)又充分裂解完畢，裂解時間過長往往導(dǎo)致裂解油產(chǎn)物比重高，而成分復(fù)雜、粘度高的裂解油易形成堵塞，影響了裂解裝置的穩(wěn)定性。
3.3 生活垃圾裂解產(chǎn)物的利用與處理
生活垃圾隨著含水率、成分的變化其產(chǎn)物比例有所不同，綜合所有的研究發(fā)現(xiàn)，以含水率50%左右、無機(jī)殘?jiān)?0%左右的生活垃圾為例，裂解物料平衡基本情況如圖1所示：
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生活垃圾裂解處理后，產(chǎn)生的灰渣、廢水需要作為廢棄物進(jìn)行進(jìn)一步處理，在這方面技術(shù)可行、成本合理。而制約裂解技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素在于其產(chǎn)物中的可燃?xì)怏w、裂解油、裂解炭的深度利用以及利用過程中是否存在二次環(huán)境污染，如何控制裂解產(chǎn)物的環(huán)境污染等，由于這些問題尚不能很好地解決，致使裂解產(chǎn)物難以形成穩(wěn)定利用和消納的渠道。
結(jié)論
目前，將裂解技術(shù)應(yīng)用于城市生活垃圾處理領(lǐng)域，雖然尚未有成功的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，但其技術(shù)在不斷進(jìn)步。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展和對這一領(lǐng)域研究的不斷深入，裂解技術(shù)為傳統(tǒng)的填埋、焚燒、堆肥處理方法提供了一種新的發(fā)展方向。在這里，應(yīng)當(dāng)看到裂解在科技的研發(fā)和投入上與我國的國情和經(jīng)濟(jì)實(shí)力是有著緊密相關(guān)的聯(lián)系的（投入與技術(shù)發(fā)展、國情的關(guān)系這一點(diǎn)沒有任何數(shù)據(jù)支撐的）。從當(dāng)前各類研究來看，要使裂解技術(shù)走向工程實(shí)踐必須在科學(xué)發(fā)展觀理念的指導(dǎo)下，在工程條件、技術(shù)、參數(shù)等方面還需要做深入的研究和探索。
參考文獻(xiàn)
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3 J E Hall et al. Waste Management—Sewage Sludge [M]. Part1. Survey of sludge production, treatment, quality and disposal in the European Union. Anjou Research, Communities of the European Communities, 1994.
4 葉子端. 國內(nèi)外污泥處置和管理現(xiàn)狀. 環(huán)境衛(wèi)生工程，2002，10（2）：85-88
5 周勇，清潔生物質(zhì)秸稈能源研究，應(yīng)用化工，2005，34（10）：595-597.
6 科技日報信息，用作為秸稈生產(chǎn)生物質(zhì)油，科技與出版，2008，2（65）.
7 王書文 梁子超 萬仁新 魯楠，有機(jī)廢棄物熱裂解技術(shù)研究進(jìn)展，新能源，15（2）15-20.
8 來源：《上海市市容環(huán)境衛(wèi)生統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總表集》及上海生活垃圾分類宣傳手冊
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