塑料垃圾的热解气化实验研究
摘要：在小型外热式固定床实验台上，对塑料垃圾进行高温热解实验研究。研究主要针对不同的热解终温，目的是弄清热解过程的规律、热解温度对热解产物的影响、热解终温和产气量及气体成分的组分之间的关系。尤其研究了在热解处于末期的时候，强化水煤气反应对结果的影响。
关键词：垃圾, 热解, 外热式热解炉, 二恶英
垃圾热解气化技术是近几年来世界各国为解决垃圾焚烧过程中产生二恶英类毒性物质问题而提出的一种新技术，热解技术是指在无氧或缺氧条件下，高温加热有机物，使有机物的大分子裂解成为小分子直到变为气体，从而获得可燃气体以及少量油品的技术[1]。目前被广泛认为是21 世纪的新型垃圾处理技术。
笔者在小型外热式固定床实验台上，以医疗废弃物中的输液袋和一次性针管为实验材料，进行了高温热解实验研究。主要针对不同的热解终温，研究了热解过程的规律。对热解过程规律的研究，国内的许多研究者都做了许多工作[2-3]，但对强化水煤气反应的研究还不多见，所以笔者对原有实验台进行了改进，在密封盖上增加了一个压力喷嘴，研究了在热解处于末期的时候，强化水煤气反应对结果的影响。得到了一些有益的结论。
1 实验装置与实验方法
本实验的装置如下图1 所示。
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工作原理是：垃圾在热解炉中经过高温加热，由 CO、CO2、H2、CH4、C2H4 与C2H6 组成的热解气体被析出。气体经冷凝管冷凝，高温气体得到冷却，冷凝下的焦油由焦油收集瓶收集。这样较为干净的气体可以通过气体流量计来计算流量，部分气体可以由集气囊收集进行检测，残余气体流经燃烧嘴烧掉。
用电子称称量待热解塑料，放入热解实验装置中的热解炉内；连接管道，安装压力表、热电偶等仪表；运行电加热装置；按实验计划读流量表读数、瞬时产气量、各热电偶读数、电表读数，观测到出气量较大时，使用气囊收集产生的气体送气相色谱仪处检测气体组分含量百分比，记录多次测量值后求平均值；通过流量计观察，待几乎没有气体产生时停止加热；实验装置彻底冷却后，拆卸实验装置，称量烧瓶中焦油的质量、热解炉中残碳的质量；整理实验装置；处理数据。
2 实验结果与讨论
2.1 热解终温对产气量及瞬时产气量的影响
从图2 中可以看到，垃圾在高温加热的情况下，挥发出可燃气体的体积随着温度的升高而增加。从 600℃~750℃这个温度区间内，挥发出的可燃气体体积增加显著，说明这个温度段是垃圾热解变化最为剧烈的阶段。750℃之后，气体产量没有明显的增加。
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瞬时产气量是热解过程中各个时刻物料的产气量，从图3 中可以看出，热解初期的瞬时产气量都比较小，到某一时刻后突然变大。热解终温在500℃和 600℃时，瞬时产气量逐渐增大，但增长缓慢；而热解终温在700℃和800℃时，瞬时产气量增大明显。说明温度较高时，未断裂的大分子物质在高温的作用下分解挥发；同时挥发分中大分子会发生二次反应，裂解为小分子气体。从图上也可以看出，最大瞬时产气量都产生在热解开始的15～30min 之间，这个时间段内是热解反应最激烈的时间。
2.2 热解终温对产气成分的影响
对热解过程中热解气体组分的变化进行研究的结果表明，随着热解终温的升高，小分子烯烃、烷烃类的有机物气体产量逐渐增大。这说明其热解终温越高，发生的气体裂解反应越多越深入，垃圾的有效热解也越充分。一氧化碳和二氧化碳的反应比较复杂。在较低温度会生成较多的一氧化碳。当温度继续升高，一氧化碳和某些中间产物会发生反应，使一氧化碳的量减少。但是在高温阶段，随着大分子的断裂和水煤气还原反应的进行，一氧化碳的含量又会增加。不可燃的二氧化碳含量基本上会随着热解终温的升高而呈现下降的趋势。当热解终温低于650℃，CH4、 C2H4 与C2H6 的含量先随着炉温的升高而上升，随着热解终温的提高，垃圾终大分子量的物质得到裂解，产生了更多的烷烃类气体。但温度再升高后，烷烃类气体的产量却没有再增加，到750℃后，烷烃类气体的产量还会降低，这主要是当温度较高后，水煤气反应比较明显，增加了H2 和CO 的产量，由图可以看出热解终温在650℃以后H2 产量明显增加。
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2.3 水煤气反应对实验结果的影响
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在热解过程的末期，通过热解炉密封盖上的喷嘴向热解炉内喷入雾状水，分析了水煤气反应对实验结果的影响，由图5 可以看出，在不同的热解温度下，强化水煤气反应均使得热解气产量增加，尤其当热解温度大于650℃以后，热解气的产量明显增加，例如在 700℃时热解气产量由187L/kg 增加到215L/kg。
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由图6 可以看出不同热解温度下强化水煤气反应对气体组分的影响，在图中随着热解温度的增加，特别是当热解温度大于650℃以后H2 和CO 的所占百分比明显增加。所以强化水煤气反应有利于热解气产量的增加。
3 结论
通过实验数据的分析可以得到如下结论。
（1）热解气产量随热解温度的提高而增加，热解气的瞬时产量的最大值主要集中在热解反应的15～ 30min 内。
（2）随着热解温度的升高，热解气体中CO2 含量逐渐降低而热解终温650℃以后H2 产量明显增加。
（3）强化水煤气反应会增加热解气的产量，特别是中高温热解的情况下H2 和CO 的所占百分比明显增加。
参考文献
[1] 江建方，肖波，杨家宽,等. 城市生活垃圾热解产气特性的试验研究[J]. 环境科学与技术, 2006，29（7）：79-81. Jiang Jian-fang，Xiao Bo，Yang Jia-kuan，et al. Experimental study on pyrolysis characteristics of municipal solid wastes[J]. Enviromental Science ＆ Technology，2006，29 （7）：79-81.（in Chinese）
[2] 金保升，仲兆乎，周山明,等. 城市固体废物（MSW）热解特性及其动力学研究[J]. 工程热物理学报，1999，20（4）：510- 514. Jin Bao-sheng，Zhong Zhao-ping，Zhou Shan-ming，et al. Study on pyrolysis characteristics and kinetics of municipal solid wastes [J]. Journal of Engineering Thermophysics， 1999，20（4）：510-514.（in Chinese）
[3] 熊祖鸿，李海滨，赵增立,等. 医疗垃圾热解焚烧实验研究 [J]. 环境污染治理技术与设备，2006，7（12）：92-95. Xiong Zu-hong，Li Hai-bin，Zhao Zeng-li，et al. Eeperimental study on pyrolysis and incineration of medical wastes [J]. Techniques and Equipmeng for Environmental Pollution Control, 2006，7（12）：92-95.（in Chinese）
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