城市生活垃圾與裂解處理技術
導 言
裂解，是指只通過熱能將一種物質（主要指高分子化合物）轉變成另外幾種物質（主要指低分子化合物）的化學過程。裂解，也可稱謂熱裂解或熱解技術。影響裂解的基本因素，首先是溫度和反應的持續時間，其次是原料的種類，因為這一種類直接關系到裂解的速率和效率。科學總是在向前發展的，技術也總是在進步的。目前，在城市生活垃圾領域中裂解技術與傳統的填埋、焚燒、堆肥處理方法相比，提供了一種新的研究方向，但還需要不斷深入地探索和研究。
1. 裂解技術發展的歷史與現狀
1.1. 裂解技術的主要發展史
早在20世紀50年代，在裂化技術基礎上開發了以制取乙烯為主要目的（烴類水蒸汽高溫裂解）的簡稱裂解技術。經過長期技術的發展以及催化劑的發明和應用，又發展了低溫裂解技術（裂解反應溫度在300℃—600℃之間）。從70年代起，這一技術在歐洲一些國家也有了應用和研究的實例。
1.2. 裂解技術應用的主要領域
1.2.1. 化工領域
最常應用于石油化工和煤化工生產。石油化工生產過程中，通常以700℃—800℃的裂解溫度，有時甚至高達1000℃以上，使石油分鎦產物（包括石油氣）中的長鏈烴斷裂成乙烯、丙烯等短鏈烴的加工過程。主要用石腦油、煤油、柴油為原料并向重油發展。在裂解過程中，同時伴隨縮合、環化和脫氫等反應。另外人們習慣上把從重質油生產汽油和柴油的過程稱為裂化；而把從輕質油生產小分子烯烴和芳香烴的過程稱為裂解。
1.2.2 污泥處理領域
由于污泥主要成分為脂肪、蛋白質、糖類和纖維素，一般認為可在200℃—450℃可以實現裂解成為油、不凝（可燃性）性氣體和炭這三種可燃性物質。近些年來，國內相當多的研究機構和人員都對這一技術進行了探索和研究1 2，但就國內來說尚未有成功實踐案例。而在國外，對于污泥裂解制油等可燃物的應用同樣處于研究探索狀態3，成功實踐目前僅有澳大利亞一家公司4。
1.2.3. 有機廢棄物處理領域
近些年，隨著能源緊張以及新能源尤其是生物質能開發技術的重視，利用裂解技術探討秸稈類農業廢棄物轉化為生物質能的研究得以廣泛開展5，并在我國部分地區形成一定實驗性規模6。國外從60年代末就開展了有機廢棄物熱裂解技術的研究，目前該技術在美國、意大利、瑞士、西班牙等國已達到商品化階段7。
1.2.4. 生活廢棄物處理領域
20世紀90年代以來，國內外陸續開展了生活垃圾裂解處理技術研究，但基本都處于實驗室研究或擴大的工程試驗階段。在國內開展研究的有武漢工業學院的周蘭倩、江西省環境保護科學研究院的謝小兵等，并且也陸續有垃圾裂解技術專利發明的申請和登記，如廣東陳秋平的“立式多爐垃圾熱裂解爐”專利（專利號：20042006610.4）、上海弘森環境科技公司的“生物質轉化處理高效濕熱釜”專利（專利號：ZL.200620044228.1）。
2. 裂解技術的主要影響因素
從裂解在各領域的應用及裂解技術研究發現，影響裂解技術的應用與發展的因素，主要包括內在因素和外在因素兩大方面：內在因素，在于裂解裝置本身的溫度、濕度等技術參數的掌握與控制；外在因素，則在于裂解供給物質材料的處理。
2.1. 物料的特性
裂解技術是基于有機物本身在一定的溫度、濕度、壓力條件下，自身通過吸熱產生裂變反應。不同物質裂解需要吸收的熱量、需要的時間不盡相同，一般來說，分子量較小、吸熱較快的如紙張類物質先裂解，分子量相對較大的木質素、脂肪類物質后裂解，因此混合物質裂解處理過程非常復雜，反應持續時間長，最終裂解物質也具有較大的變動性。
除物料成分會影響裂解反應外，其顆粒狀態也會影響裂解反應的過程，顆粒狀態、濕度大小由于直接關系到混合程度、攪拌效果、吸熱能力等，也會對裂解反應效果產生影響。
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2.2. 裂解反應時間
從表1可以看出，裂解爐中物料停留的時間直接影響裂解反應的程度及裂解產物的類型，在非常高的反應速率與高溫條件下，幾乎無炭黑類物質生成，因此又稱快速熱裂解或閃速熱裂解。一般來說固相滯留反應時間越短，裂解所產固態產物（炭）比例越小，總的產物量則越大，裂解越完全。
2.3. 裂解反應溫度
溫度是裂解過程中一個很重要的影響因素，它直接影響產物分布和組分。從表1看，一般隨著裂解溫度的升高，炭的產率則減少。由于不同物質裂解溫度不同，目前從300℃—800℃都有不同的研究人員開展了研究，一般來說低溫區停留時間長，則炭產率增加；快速升溫，則高溫停留時間長，有利于充分裂解及氣產率提高。
3. 裂解技術應用于生活垃圾處理的技術關鍵
從當前生活垃圾裂解處理研究實踐及裂解技術本身特點來看，實現生活垃圾裂解處理技術的突破，垃圾物料的處理、裂解時間與溫度的控制、物料的爐內控制、裂解產物的利用和處理是關鍵。
3.1. 生活垃圾物料的處理
生活垃圾成分復雜多變(見表2)。混合性生活垃圾中的廢磚塊、非金屬類的無機物質是不參與裂解反應的，若未經分類且含有大量無機成分的生活垃圾則會影響裂解過程：一是參與吸熱影響裂解最終效果；二是影響裂解物料的流動，部分無機物甚至由于熔融狀態變化而影響裂解爐的使用壽命；三是垃圾裂解油成分復雜，粘度較大，難以順利輸送。
垃圾物料顆粒大小、含水量會因為影響攪拌、翻動效果，而影響垃圾物料本身在裂解爐內的吸熱速度快慢、均勻與否等狀態，從而影響裂解反應過程。
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3.2. 生活垃圾裂解控制技術參數的探索
由于生活垃圾中成分復雜，尋找最佳升溫速率和裂解停留溫度、時間則成為裂解控制技術參數的關鍵。從當前研究實踐來看，可分為低溫裂解和高溫裂解，但各有優劣，但就裂解的效果，尚未有關于最佳裂解控制技術參數的結論。這也是導致目前裂解技術尚未有應用于生活垃圾處理實踐工程中的最關鍵的原因。部分物質尚未裂解，部分物質又充分裂解完畢，裂解時間過長往往導致裂解油產物比重高，而成分復雜、粘度高的裂解油易形成堵塞，影響了裂解裝置的穩定性。
3.3 生活垃圾裂解產物的利用與處理
生活垃圾隨著含水率、成分的變化其產物比例有所不同，綜合所有的研究發現，以含水率50%左右、無機殘渣10%左右的生活垃圾為例，裂解物料平衡基本情況如圖1所示：
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生活垃圾裂解處理后，產生的灰渣、廢水需要作為廢棄物進行進一步處理，在這方面技術可行、成本合理。而制約裂解技術發展的關鍵因素在于其產物中的可燃氣體、裂解油、裂解炭的深度利用以及利用過程中是否存在二次環境污染，如何控制裂解產物的環境污染等，由于這些問題尚不能很好地解決，致使裂解產物難以形成穩定利用和消納的渠道。
結論
目前，將裂解技術應用于城市生活垃圾處理領域，雖然尚未有成功的經驗可借鑒，但其技術在不斷進步。隨著科技的進一步發展和對這一領域研究的不斷深入，裂解技術為傳統的填埋、焚燒、堆肥處理方法提供了一種新的發展方向。在這里，應當看到裂解在科技的研發和投入上與我國的國情和經濟實力是有著緊密相關的聯系的（投入與技術發展、國情的關系這一點沒有任何數據支撐的）。從當前各類研究來看，要使裂解技術走向工程實踐必須在科學發展觀理念的指導下，在工程條件、技術、參數等方面還需要做深入的研究和探索。
參考文獻
1 易玉敏、寧平、瞿廣飛、楊月紅. 污水污泥裂解技術研究進展. 云南化工. 2008 , 35(5):58-60.
2 何品晶 顧國維. 低溫熱化學轉化污泥制油技術 [J] ，環境科學，1996，17（5）：82-86.
3 J E Hall et al. Waste Management—Sewage Sludge [M]. Part1. Survey of sludge production, treatment, quality and disposal in the European Union. Anjou Research, Communities of the European Communities, 1994.
4 葉子端. 國內外污泥處置和管理現狀. 環境衛生工程，2002，10（2）：85-88
5 周勇，清潔生物質秸稈能源研究，應用化工，2005，34（10）：595-597.
6 科技日報信息，用作為秸稈生產生物質油，科技與出版，2008，2（65）.
7 王書文 梁子超 萬仁新 魯楠，有機廢棄物熱裂解技術研究進展，新能源，15（2）15-20.
8 來源：《上海市市容環境衛生統計數據匯總表集》及上海生活垃圾分類宣傳手冊
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