固废热解气化技术--低温磁化裂解技术调研

作者：uu浩浩 | 发布时间：2021-01-25 00:34:20 收藏本文下载本文

固废热解气化技术--低温磁化裂解技术调研裂解又可成为热解或者热裂解，指的是有机物在缺氧或者绝氧的情况下加热使其分解的过程，由于有机物的热不稳定性，在缺氧或绝氧条件下加以高温，其内部的化学键会断裂并由大分子量的有机物转化为小分子量的可燃气体、焦油和焦炭。根据热解过程操作温度的高低可以分为低温、中温和高温，在 500℃以内的为低温热解，500-800℃为中温热解，800℃以上为高温热解。与高温焚烧法相比，热解法的温度较低，没有明火燃烧过程，可以回收大量的热能，并有效遏制有害气体的产生，但热解过程中会产生一定量的焦油堵塞热解炉的管道，清楚难度较高。

磁技术被认为是环境治理中颇具前景的技术，目前市场上较为多见的是磁化水技术，磁化水是利用水或溶液在一定条件下流经磁场后，其部分物理化学性质如 pH、溶氧能力、粘度、表面张力等均会发生变化，该技术广泛应用于除垢防垢、污水处理等方面。磁化空气裂解是在普通的裂解反应中加入磁场，通过磁场使有机物的裂解温度降低，同时在空气通过磁场的过程中，使空气中的分子由无序变有序并使氧分子的活化能增强。由此，在通入相同空气量的情况下，通过磁场的空气能够使更多的垃圾产生燃烧反应并燃烧的更持久。同时，由于磁化的作用，垃圾中的可磁化物质被磁化，分子之间的内聚力减小，从而使裂解反应发生的温度由 800℃左右减小到 350℃左右，这能够在更低的温度使垃圾中的有机物分解并产生对环境无害的小分子量的有机物或无机物.目前低温磁化裂解技术在处理污泥、医疗垃圾以及有机固废（垃圾）方面的应用如下：

（1）城市污泥低温磁化裂解该系统由磁化低温热解机、二燃室、余热利用污泥烘干系统、烟气净化系统以及辅助系统构成。磁化低温热解机采用热解原理，通过少量经磁化的空气，可降低热解反应能力，提高热解效率，热解气化能在 400℃左右实现，从而降低能耗。磁化热解机产生的含有可燃气体的烟气进入二燃室继续充分燃烧，二燃室的一端装有生物质燃烧机，保证二燃室烟气满足 850℃/2s，污泥热解反应完全后形成的副产品无机粉砂（灰渣）通过卸料阀排放至炉渣输送系统。二燃室出口 850℃以上的高温烟气经换热器与烘干用的空气换热，被加热的高温空气进入污泥烘干系统烘干污泥，降低污泥含水量，提高污泥热值，使其易于热解并减少辅助燃料。

图 1 污泥磁化低温热解机实物外形图

图 2 回转式磁化低温热解机构造示意图图 3 污泥磁化低温热解机筒内温度分布图热解机是污泥低温磁化技术的核心设备，热解机外观见图 1，构造见图 2，筒内温度分布见图 3。热解机采用逆流回转窑式，热风与污泥进料方向逆向配置，热解机滚筒内壁除了抄板外，铺满陶瓷球。热解机滚筒内区分为干燥段、分阶段、成灰段，污泥自进料口进入圆筒内后，因滚筒旋转和抄板作用翻滚向前，先经干燥段（温度 50℃-300℃），停留时间 40-50min；热解段（300-400℃），停留 25-35min，污泥热解炭化、气化；最后经成灰段，温度从 300℃降至 80℃，停留时间约 25min，被冷却形成颗粒状无机粉砂，热解后烟气进入系统后端设备处理。该技术的特点是磁化热解和陶瓷辐射：

磁化热解：将微量空气经多层次、多通道强磁场导入回转式热解

机内，磁化后的空气中氧气的活化能大大提高，采用磁场能与热能共同体产生热流磁效应，提高了污泥热解效率，促使热解机内的污泥有机物质在缺氧状态下加速分解为可燃气、水、无机灰渣。在磁力作用下，降低了热解温度和用气量，可进行低温缺氧热解（300-500℃），更加节省能耗。

陶瓷辐射：回转式热解机筒体内壁上装置有 1000 多粒可单独回转的特种陶瓷球，陶瓷球能储蓄热量，并辐射热量。通过陶瓷辐射能摩擦生电产生电场和磁场，在热能与陶瓷能的共同作用下，整个热解过程促使有机物连续裂解反应，使污泥彻底热解成可再生利用的无机粉砂。

城市污泥磁化低温热解技术可最大程度实现污泥处置的减量化、稳定化、无害化和资源化，处理后的无机粉砂可作为绿化肥料或制作透水砖，该技术于 2013 年 10 月通过了科技成果鉴定，并且已经在福建省闽侯县污水处理厂污泥处理项目中应用。

（2）医疗废物低温磁化裂解技术医疗垃圾热处置最为普遍的是高温焚烧法，高温热解气化技术也开始展露头角，但很少用低温热解法来处理医疗垃圾，但医疗垃圾具有高热值和高有机物含量等特点，较适合采用低温热解工艺。

高温热解法是将医疗废物加热到 600-900℃，通过加热使化合物的化学键断裂，由大分子量的有机物转化为小分子量的可燃气体、焦油及焦炭，但高温热解过程产生的焦油容易堵塞热解炉管道，较难清除。磁化裂解法是在热解法的基础上加入磁场，使空气中氧分子的活

化能增加并使医疗垃圾的裂解温度由 800℃降低到 350℃左右。

日本有磁化裂解医疗垃圾炉，但是结构复杂，且在气体循环过程中与水箱中的水直接接触，会对水质产生少量影响，且其底部供热方式为底部燃烧供热（未查到直接文献）。

烟台大学硕士生吴新宇设计的磁化裂解医疗垃圾处理设备使用电加热管和内部的局部燃烧反应间歇式循环供热，不需要一直进行电加热或者在反应室底部使用燃烧供热，节省了能源的消耗，同时加装了焦油回流装置，避免了焦油对管道的堵塞，且能够使焦油再次参加反应室的裂解反应。但该装置经进行了实验室验证，尚未有中试及落地项目。且医疗废物集中处置技术规范中明确规定：医疗废物在进入高温焚烧（热解）炉之前，任何人不得打开医疗废物包装袋取出医疗废物，若对医疗废物进行预处理，只能在密闭的环境中或在炉内进行，对于低温磁化裂解炉而言，预处理是关键一环，一方面较小的垃圾更有利于热量的传递，另一方面防止袋与袋之间形成较大的空间，造成布料不均匀，影响传热，如何解决医疗垃圾预处理是热解气化炉应用发展的关键。

图 4 磁化低温裂解有机废弃物装置原理图图 5 磁化低温裂解有机废弃物装置实物图中国环境科学研究院环境技术工程有限公司研发的“磁化低温裂解有机废弃物装置”，是有机危险废弃物无害化处理的专用设备。该装置原理如图 4 所示，本装置基于气化裂解原理并强制加入磁化空气的裂解装置，经磁化后可以维持稳定的裂解，减少处理垃圾所使用的空气量，就可以减少因裂解气化而产生的有害气体，从而减少尘埃，本装置由于采用磁化空气使气化裂解在 300℃低温下进行。固体有机废弃物含水量≤30%，破碎后处理更佳，3-8h 即可处理完全，产生约占处理固体废弃物总体积 2%以下的灰渣，体积减量化达 98%以上。设备实物如图 5 所示，该设备适合垃圾在产生地就地处理，无运输环节，灭菌效果好、占地小、无需燃料，产生的尾气点火消烟，可用于企业、宾馆、小区、学习等的垃圾就地减容处理及各级医院，以焚烧手术废弃物、带兵、带毒物质、废纸等有机垃圾。

（3）固体有机废弃物低温磁化裂解目前市场上有一些厂家在加工生产低温磁化裂解设备，但设备资料相对较为详细的是浙江加百列生物科技有限公司设计的低温磁化热解设备，原理如图 6 所示，裂解机内部温度分布如图 7 所示。该设备首先通过能量转化装置产生磁化风，再利用高能量磁化空气对设备内的有机废弃物进行干燥、碳化和裂解处理。经磁化后物料首先被干燥热解，然后通过减少进入的磁化空气量来减少热解气化而产生的有害气体。此外在缺氧的条件下有机废弃物首先被碳化并产生释放大量的热量，在高热量的条件下，有机物质实现持续裂解，然后被分解成二氧化碳、水蒸汽等小分子和少量余灰。装置由于采用磁化空气使气化裂解在 350℃以下的低温条件中进行，同时充分利用物料自燃产生的高热量，使得设备的能耗极低。

图 6 加百列低温磁化裂解设备原理图图 7 裂解装置内部温度分布图

设备可处理物料：塑料、废纸、废布料、废木材、不可腐烂垃圾等各类有机废弃物。固体有机废弃物（破碎后更佳）经分拣投入设备后，含水率超过 30%的物料会被底层热解的余热进行脱水处理，含水率 30%以下的干燥物料在热解装置中经磁化空气热解气化，3-8 小时即可处理完全，产生约占处理固体废弃物总体积 1~2%以下的灰渣，体积减量化达到 99%左右。投入的物料会在设备中经过余热干燥、缺氧碳化、低温热解，然后被热解成灰，整个过程充分利用余热和磁化风，使运行能耗更低，更节能。

关于低温磁化裂解工艺，其能显著降低热解温度和降低烟气量，在节省能耗、减低设备投资、减少污染物排放量方面大有优势，但目前查阅到的相关文献或资料中对该工艺的描述尚不够具体，缺乏最关键的磁化空气效果的影响因素，同时工艺相对完整的且唯一落地的污泥低温磁化技术后续的使用效果，技术及经济指标也待调研。另外，在有机固废低温磁化裂解方面，考虑到其来源、种类、成分的复杂性，其入炉物料是否需要破碎，或物料成分对磁化空气效果有无影响、中小型热解设备是否需要配备简单的烟气净化设施，以及磁场对周围工人身体健康有无影响，都需要继续研究。