塑料垃圾的熱解氣化實驗研究
摘要：在小型外熱式固定床實驗臺上，對塑料垃圾進行高溫?zé)峤鈱嶒炑芯。研究主要針對不同的熱解終溫，目的是弄清熱解過程的規(guī)律、熱解溫度對熱解產(chǎn)物的影響、熱解終溫和產(chǎn)氣量及氣體成分的組分之間的關(guān)系。尤其研究了在熱解處于末期的時候，強化水煤氣反應(yīng)對結(jié)果的影響。
關(guān)鍵詞：垃圾, 熱解, 外熱式熱解爐, 二惡英
垃圾熱解氣化技術(shù)是近幾年來世界各國為解決垃圾焚燒過程中產(chǎn)生二惡英類毒性物質(zhì)問題而提出的一種新技術(shù)，熱解技術(shù)是指在無氧或缺氧條件下，高溫加熱有機物，使有機物的大分子裂解成為小分子直到變?yōu)闅怏w，從而獲得可燃?xì)怏w以及少量油品的技術(shù)[1]。目前被廣泛認(rèn)為是21 世紀(jì)的新型垃圾處理技術(shù)。
筆者在小型外熱式固定床實驗臺上，以醫(yī)療廢棄物中的輸液袋和一次性針管為實驗材料，進行了高溫?zé)峤鈱嶒炑芯。主要針對不同的熱解終溫，研究了熱解過程的規(guī)律。對熱解過程規(guī)律的研究，國內(nèi)的許多研究者都做了許多工作[2-3]，但對強化水煤氣反應(yīng)的研究還不多見，所以筆者對原有實驗臺進行了改進，在密封蓋上增加了一個壓力噴嘴，研究了在熱解處于末期的時候，強化水煤氣反應(yīng)對結(jié)果的影響。得到了一些有益的結(jié)論。
1 實驗裝置與實驗方法
本實驗的裝置如下圖1 所示。
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工作原理是：垃圾在熱解爐中經(jīng)過高溫加熱，由 CO、CO2、H2、CH4、C2H4 與C2H6 組成的熱解氣體被析出。氣體經(jīng)冷凝管冷凝，高溫氣體得到冷卻，冷凝下的焦油由焦油收集瓶收集。這樣較為干凈的氣體可以通過氣體流量計來計算流量，部分氣體可以由集氣囊收集進行檢測，殘余氣體流經(jīng)燃燒嘴燒掉。
用電子稱稱量待熱解塑料，放入熱解實驗裝置中的熱解爐內(nèi)；連接管道，安裝壓力表、熱電偶等儀表；運行電加熱裝置；按實驗計劃讀流量表讀數(shù)、瞬時產(chǎn)氣量、各熱電偶讀數(shù)、電表讀數(shù)，觀測到出氣量較大時，使用氣囊收集產(chǎn)生的氣體送氣相色譜儀處檢測氣體組分含量百分比，記錄多次測量值后求平均值；通過流量計觀察，待幾乎沒有氣體產(chǎn)生時停止加熱；實驗裝置徹底冷卻后，拆卸實驗裝置，稱量燒瓶中焦油的質(zhì)量、熱解爐中殘?zhí)嫉馁|(zhì)量；整理實驗裝置；處理數(shù)據(jù)。
2 實驗結(jié)果與討論
2.1 熱解終溫對產(chǎn)氣量及瞬時產(chǎn)氣量的影響
從圖2 中可以看到，垃圾在高溫加熱的情況下，揮發(fā)出可燃?xì)怏w的體積隨著溫度的升高而增加。從 600℃~750℃這個溫度區(qū)間內(nèi)，揮發(fā)出的可燃?xì)怏w體積增加顯著，說明這個溫度段是垃圾熱解變化最為劇烈的階段。750℃之后，氣體產(chǎn)量沒有明顯的增加。
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瞬時產(chǎn)氣量是熱解過程中各個時刻物料的產(chǎn)氣量，從圖3 中可以看出，熱解初期的瞬時產(chǎn)氣量都比較小，到某一時刻后突然變大。熱解終溫在500℃和 600℃時，瞬時產(chǎn)氣量逐漸增大，但增長緩慢；而熱解終溫在700℃和800℃時，瞬時產(chǎn)氣量增大明顯。說明溫度較高時，未斷裂的大分子物質(zhì)在高溫的作用下分解揮發(fā)；同時揮發(fā)分中大分子會發(fā)生二次反應(yīng)，裂解為小分子氣體。從圖上也可以看出，最大瞬時產(chǎn)氣量都產(chǎn)生在熱解開始的15～30min 之間，這個時間段內(nèi)是熱解反應(yīng)最激烈的時間。
2.2 熱解終溫對產(chǎn)氣成分的影響
對熱解過程中熱解氣體組分的變化進行研究的結(jié)果表明，隨著熱解終溫的升高，小分子烯烴、烷烴類的有機物氣體產(chǎn)量逐漸增大。這說明其熱解終溫越高，發(fā)生的氣體裂解反應(yīng)越多越深入，垃圾的有效熱解也越充分。一氧化碳和二氧化碳的反應(yīng)比較復(fù)雜。在較低溫度會生成較多的一氧化碳。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，一氧化碳和某些中間產(chǎn)物會發(fā)生反應(yīng)，使一氧化碳的量減少。但是在高溫階段，隨著大分子的斷裂和水煤氣還原反應(yīng)的進行，一氧化碳的含量又會增加。不可燃的二氧化碳含量基本上會隨著熱解終溫的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)熱解終溫低于650℃，CH4、 C2H4 與C2H6 的含量先隨著爐溫的升高而上升，隨著熱解終溫的提高，垃圾終大分子量的物質(zhì)得到裂解，產(chǎn)生了更多的烷烴類氣體。但溫度再升高后，烷烴類氣體的產(chǎn)量卻沒有再增加，到750℃后，烷烴類氣體的產(chǎn)量還會降低，這主要是當(dāng)溫度較高后，水煤氣反應(yīng)比較明顯，增加了H2 和CO 的產(chǎn)量，由圖可以看出熱解終溫在650℃以后H2 產(chǎn)量明顯增加。
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2.3 水煤氣反應(yīng)對實驗結(jié)果的影響
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在熱解過程的末期，通過熱解爐密封蓋上的噴嘴向熱解爐內(nèi)噴入霧狀水，分析了水煤氣反應(yīng)對實驗結(jié)果的影響，由圖5 可以看出，在不同的熱解溫度下，強化水煤氣反應(yīng)均使得熱解氣產(chǎn)量增加，尤其當(dāng)熱解溫度大于650℃以后，熱解氣的產(chǎn)量明顯增加，例如在 700℃時熱解氣產(chǎn)量由187L/kg 增加到215L/kg。
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由圖6 可以看出不同熱解溫度下強化水煤氣反應(yīng)對氣體組分的影響，在圖中隨著熱解溫度的增加，特別是當(dāng)熱解溫度大于650℃以后H2 和CO 的所占百分比明顯增加。所以強化水煤氣反應(yīng)有利于熱解氣產(chǎn)量的增加。
3 結(jié)論
通過實驗數(shù)據(jù)的分析可以得到如下結(jié)論。
（1）熱解氣產(chǎn)量隨熱解溫度的提高而增加，熱解氣的瞬時產(chǎn)量的最大值主要集中在熱解反應(yīng)的15～ 30min 內(nèi)。
（2）隨著熱解溫度的升高，熱解氣體中CO2 含量逐漸降低而熱解終溫650℃以后H2 產(chǎn)量明顯增加。
（3）強化水煤氣反應(yīng)會增加熱解氣的產(chǎn)量，特別是中高溫?zé)峤獾那闆r下H2 和CO 的所占百分比明顯增加。
參考文獻
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