.热解在城市生活垃圾处理中的应用：进展与展望平 帆(浙江大学环境与资源学院农业资源与环境，杭州 310058)摘 要：热解是目前城市生活垃圾(MSW)处理处置中，相比于焚烧更为环保节能的处理技术。本文综述了近年来研究与应用中涉及的MSW热解技术与反应器，并对其终产物和环境影响进行简单比较。具体而言，总结反应温度、热耗率(HR)和滞留时间等运行参数对于热解过程与其终产物的影响；并归纳比较近年来理论研究与实际应用中的热解技术和反应器。由此得出结论：单一的热解技术或者反应器的确能实现MSW的高效处理，但其清洁环保程度有待商榷。本文最后对各项MSW热解技术与反应器的应用前景作总体评估与展望。关键词：城市生活垃圾；热解技术；反应器；热解终产物Review on pyrolysis technologies for municipal solid waste: progress and prospectPing FAN(College of Environment & Resource Science of Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China)Abstract：Pyrolysis has been proved to be a more attractive and sustainable compared to incineration for municipal solid waste (MSW) disposal. This review demonstrates the state-of-the-art of MSW pyrolysis regarding to its technologies, reactors, products and environmental impacts. To be specific, the influence of important operating parameters such as temperature, heating rate (HR) and residence time in the reaction zone on the pyrolysis behaviors and products is summed up; then the technologies and reactors referred in literatures and scale-up plants are shown and assessed. Based on these information, we concluded the single pyrolysis process is an effective waste-to-energy convertor except for its emission of pollutant. Finally, the prospects of various pyrolysis technologies to dealing with MSW are examined and suggested.Key words：municipal solid waste, pyrolysis technology, reactor, pyrolysis products1.引言城市生活垃圾(MSW)的处理处置是目前各国最为关心的问题之一。热解(Pyrolysis)是实现MSW资源化利用，获得多种高附加值终产物 (如石油燃料或者沥青等) 的创新性废弃物处理处置方法 (Malkow, 2004)。相比与传统焚烧，热解能在减少氮氧化物 (NOx) 和硫氧化物 (SOx) 排放的同时，获得清洁且利用率较高的固、液、气态能源产品。热解是指在缺氧条件下，将废弃物置于反应器中经高温降解或裂解，得到可再生利用的终产物 (如炭、石蜡、柴油、汽油或燃气等) 。对于热解反应器运行参数或环境条件的优化，可使终产物中的木炭或气液态燃料的品质得到提升。因此，热解反应器亦被称之为高效的废弃物-能源转化器。与大规模 (以千吨为单位) 的传统焚烧发电厂相比，热解厂的规模可根据日处理量与辐射城市面积而灵活调整。近年来，由于城市周边焚烧发电厂或填埋场的选址制约因素较多，废弃物长距离运输日益成本上升，城市居民对MSW处理的环境要求越来越高，热解的运用前景得到广泛认同。目前，对热解处理MSW中的轮胎和塑料已有广泛研究，相关综述主要以1) 其反应器发展与产品特性为主要内容 (Sannita et al., 2012; Williams, 2013; Yang et al., 2013) ；2) 石油燃料产品、特性与其最新进展 (Quek and Balasubramanian, 2013) ；3) 影响热耗率的因素与不同热耗率下的产品种类与特性 (Martnez et al., 2013) 和4)热解反应机理与动力学模型的理论研究 (Al-Salem et al., 2010; Quek and Balasubramanian, 2012) 。对于MSW中的餐厨垃圾、木材、污泥的热解处理技术与反应器亦有综述 (Fonts et al., 2012) 。而对于MSW热解技术与反应器的最新发展成果、终产物特性与相关污染防控、热解厂工业设计与系统优化的全面性综述尚无。因此，本文综述了现阶段热解的相关理论基础研究、重点介绍当前热解技术与反应器的理论研究与应用进展。目的是为MSW热解技术与反应器的普及与推广，及热解反应器能源转化效率的规范性标准制定提供理论依据。2.热解过程运行参数2.1热解反应体系反应器中的热解过程一般可表达为：CxHyOz + Q Char + Liquid + Gas + H2O (1)其中，Q为反应器中能量输入量，包括三部分：2.1.1水分汽化热Q1在高温降解前，废弃物原料通常需预热以减少其中大部分水分，此过程耗能即为Q1，其计算公式为：Q1 = W 2260, kJ kg-1 (2)其中，W是原料含水量(%)，因此若需降低Q1，则要减少MSW中高湿度组分，如降低餐厨垃圾、生物质废弃物等的比例。此外，在热解反应器加装预干燥前处理装置亦可降低Q1。2.1.2热解热Q2高温降解过程中的热解热通常用以下公式计算 (Raveendran et al., 1996) ：Q2 = Cp,mmMdT + Cp,chmchdT + Cp,vmvdT + Qp, kJ kg-1 (3)其中，Cp,M,、Cp,ch和 Cp,v分别是干物质、炭、挥发性物质的比热容(J kg-1-1)；mM, mch和mp,v分别是上述物质的质量比(%)。Q2可依据不同MSW组分，通过差示扫描量热(DSC)和差分热量分析(DTA)技术计算获得 (He et al., 2006)。在实际应用中，Qp可忽略，即Q2主要取决于热解温度 (Boukis et al., 2007; Wang et al., 2012)，温度越高，耗能越大，对反应器的稳定性与安全性要求也越高。2.1.3辐射损失Q3从外部向反应器输送能量时，反应器的热量转换界面设计中Q3可被忽略。但相反，当热量输送方向改变时，则需在Q计算中考虑Q3来保证辐射损失后的能量还能维持正常热解温度。综上，热解反应体系如等式(1)所示，即在能量供应下，控制适当的反应条件来得到预期终产物，即液态燃料、炭和燃气体。大多数研究在该等式的基础上，探讨热解反应动力学机制、反应机理与条件以及终产物的性质。2.2 影响热解反应与其终产物的因素城市生活垃圾 (MSW) 主要组分有纸、布料、枝叶残积物、食品残渣、塑料，除此之外还有少量皮革、橡胶、金属、玻璃、陶瓷和其他混杂物等等。其中，纸、布料、枝叶残积物、塑料等是热解中参与裂化或裂解反应的主要原料。高湿度食物残渣需预先分离以降低Q1。近来，大量实验室研究针对上文提及的不同原料，分析了单一组分下，热解过程中的运行参数与终产物性质 (Luo et al., 2010a; Zhao et al., 2011; Ateset al., 2013; Miskolczi et al., 2013) 。而不同MSW组分比例下的研究亦有进行 (Grieco and Baldi, 2012; Ding et al., 2013)。综合上述研究成果，影响MSW热解过程与终产物的关键运行参数有热解温度、热耗率 (HR) 、在反应区的停留时间和反应物尺寸等。下面就不同参数进行分析：2.2.1热解温度据报道，不同热解技术与反应器中的热解温度范围为3002000，但实际应用中运行温度为500550，其终产物以液态燃料为主。当温度超过700时，终产物中合成气比例提高，成为主要燃料产品。大多研究针对合成气与液态燃料为终产物的热解为主，因二者的经济价值与附加值更高。反应温度在1000以上的，大多是针对MSW中有毒有害物质的处理。2.2.2停留时间在反应区中的停留时间则是另一个重要的运行参数。据不同研究，停留时间范围在几秒至两小时之间。停留时间越长，重油裂化反应程度越完全，终产物中燃气越多；但同时也会降低液态燃料中的水分含量与蜡质成分 (Velghe et al., 2011) ，有利于其燃料品质的提高。从等式 (1) 分析可得，停留时间越长，Q输入量越大，多余的热量或者使得水分蒸发量增加、重油裂化反应加剧等。这些因素都会使得终产物中燃气成分增加。2.2.3热耗率 (HR) 不同热解中，HR范围在4/min670/s。HR越高，热解产生的重油与轻油越多，而炭的比例则会下降。理论上HR的计算公式为：HR = T/mCp, /s (4)其中，T是原料与反应器温差 () ；a是反应器热转换效率 (W m-2-1) ；m是每kg原料与反应器的接触加热面积 (kg m-2) ；Cp是根据原料不同的特殊参数，J kg-1-1。根据等式 (4) ，HR由上述运行参数决定。在实验室研究中，HR根据缓慢热解或快速热解所需的T或m不同而不同。但实际应用中，HR大多由反应器种类不同而造成的T和a不同而不同。2.2.4反应物尺寸关于反应物尺寸对MSW热解的影响，相关研究资料比较少。但一般地，尺寸越小，反应物的接触面积越大，HR越大，终产物中液体燃料和燃气比例越高。反应物表面越粗糙，HR越低，在反应器中停留时间越长。但是，当热解温度足够高时，能量转化率极大，反应物接触面积对终产物影响可忽略。除上述提及的影响因素外，实验室条件中的热解反应体系末端都有终产物冷却收集装置，大多通过液氮降低装置温度，维持内气压平衡。若冷却温度较高，终产物的裂化反应在冷却阶段仍会进行，从而会对终产物的产量造成影响 (Font et al., 1995a)。液氮的流速和停留时间也会影响终产物的冷却效率。3.热解技术与反应器3.1热解技术热解技术理念主要在RWE-ConTherm 处理方法中体现 (Hauk et al., 2004) ，它以回转窑为反应器，以粉碎机为预处理装置，热解得到的燃气与残渣炭在末端炉中收集 (图1)。Malkow (2004) 总结了欧洲生产运用或者研究试验中，典型热解体系所涉及的主要过程技术 (图2)。现将当前热解技术进展与存在问题总结如下(表1)：图1 RWE-ConTherm热解过程原理流程图 (Tech Trade, 2014)其中，为回转窑反应器、为粉碎机、为残渣炭收集器、为燃气收集管道。Fig.1 Schematic flow she