生生 活活 垃垃 圾圾 热热 解解 技技 术术 本本 期期 目目 录录 综综 述述 -1 政策、标准政策、标准 国外相关法律法规国外相关法律法规-13 新闻动态新闻动态 -1 院内信息院内信息 科技管理科技管理-18 标准管理标准管理-19 综综 述述 定定 义义 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，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。 通通 式式 有机固体废物 (H2、CH4、CO、CO2等)气体(有机酸、焦油等)有机液体碳黑炉渣 产产 物物 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。 优优 势势 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，Cr3+不会转化为 Cr6+；(4)NOx的产生量少。 原原 理理 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， 到350370时，分解为低分子产物，其热解过程为： (C6H10O5)nnC6H10O5 C6H10O5H2O+2CH3-CO-CHO CH3-CO-CHO+H2CH3-CO-CH2OH CH3-CO-CH2OH+H2CH3-CHOH-CH2+H2O 半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在225325分解，比纤维素更易热分解， 其热解机理与纤维素相似。 从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中，热量首先传递到颗粒表面， 再由表面传到颗粒内部。热解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥 发分。其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。 一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一 步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。同时，当挥发分气体离开生物颗粒时，还将穿越 周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。 分分 类类 根据反应条件和控制参数的不同，生物质热解工艺基本上可以分为慢速热解（炭化， carbonization） 、快速热解（液化 fast pyrolysis） 、气化(gasification)、烘培(torrefaction)等。 产物 类别简介操作参数 液体固体气体 慢速 热解 有几千年的历史，是一种以生成木炭为 目的的炭化过程。将木材等生物质放在 窑内，在隔绝空气的情况下加热，可以 得到占原料质量 30%35%的木炭产量。 约 400左 右，较长蒸 气停留时间， 可达数天 30%35%35% 快速 热解 将磨细的生物质原料放在快速热解装置 中，严格控制加热速率(一般约为 10200/s)和反应温度(控制在 500左 右)，生物质原料在缺氧情况下，被快 速加热到较高温度，从而引发大分子的 分解，产生小分子气体和可凝性挥发分 以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快 速冷却成可流动的液体，成为生物油或 约 500左 右，蒸气停 留时间短， 约 1s 75%12%13% 焦油，其比例一般可达原料质量的 40%60%。当完成反应时间甚短 (0.5s)时，又称为闪速热解。与慢速热 解相比，快速热解的传热反应过程发生 在极短的时间内，强烈的热效应直接产 生热解产物，再迅速淬冷，通常在 0.5s 内急冷至 350以下，最大限度地增加 了液态产物(油)。 气化 在高温（750900）下的热解过程， 以气体产物为主。 7509005%10%85% 烘培 一般低于 290，固体停留时间在 1060min，主要获得固体产物，一般 用于预处理，改善原料的性能。 200290， 反应时间 1060min 在冷凝的情 况下低于 5%，否则无 80%20% 工工 艺艺 城市垃圾常见的热解工艺包括： （1）新日铁系统 该系统是将热解和熔融一体化的设备，通过控制炉温和供氧条件，使垃圾在同一炉体内完成干燥、 热解、燃烧和熔融。干燥段温度约为300，热解段温度为3001000，熔融段温度为17001800， 可燃烧性气体热值6276-10460 kJ/m3。投料口采用双重密封阀结构，可燃性气体导入二燃室进一步燃 烧并利用尾气的余热发电。灰渣中残存的热解固相产物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：1650。 该系统主要的能量消耗是垃圾破碎过程和1t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11168kJ/m3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 2 Purox 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1000的空气和炭黑燃烧提供。 二次燃烧室温度1400，出口气体温度11501250。 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 3 Torrax 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760返回热解反应器供热，80急冷得到燃料油，热解 油平均热值24401kJ/kg。 图 4 Occidental 系统工艺流程图 国外国外技术进展技术进展 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。 气化技术气化技术 原料：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。它们挥发分高，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：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 含量比较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IGCC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CO2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：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，发现最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：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：瑞典：世界上第一个生物质气化IGCC(Integrated gasification combined cycle)电站位于瑞典 Varnamo，采用正压循环流化床气化炉（950-1000 ,18bar） 、高温陶瓷管过滤器、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 Vaxjo Varnamo Biomass Gasification Center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，二甲醚/甲醇/生物柴油。 美国：美国： Polk Power Station在DOE资助下，于2001年在其水煤浆气化炉添加桉树进行混合气化试 验。图5所示为混合气化系统组成原理图，桉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高。 图 5 混合气化系统组成原理图 西班牙：西班牙：Elcogas IGCC电厂(Puertollano)采用的PRENFLO（pressurised entrained flow gasifier）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、O2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，熔渣在水槽内淬冷。气化原料为高灰煤和高硫石油焦，采用85%纯度的氧气气