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熱解實驗研究。研究主要針對不同的熱解終溫，目的是弄清熱解過程的規律、熱解溫度對熱解產物的影響、熱解終溫和產氣量及氣體成分的組分之間的關系。尤其研究了在熱解處于末期的時候，強化水煤氣反應對結果的影響。
關鍵詞：垃圾, 熱解, 外熱式熱解爐, 二惡英
垃圾熱解氣化技術是近幾年來世界各國為解決垃圾焚燒過程中產生二惡英類毒性物質問題而提出的一種新技術，熱解技術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為氣體，從而獲得可燃氣體以及少量油品的技術[1]。目前被廣泛認為是21 世紀的新型垃圾處理技術。
筆者在小型外熱式固定床實驗臺上，以醫療廢棄物中的輸液袋和一次性針管為實驗材料，進行了高溫熱解實驗研究。主要針對不同的熱解終溫，研究了熱解過程的規律。對熱解過程規律的研究，國內的許多研究者都做了許多工作[2-3]，但對強化水煤氣反應的研究還不多見，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，強化水煤氣反應對結果的影響。得到了一些有益的結論。
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；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、瞬時產氣量、各熱電偶讀數、電表讀數，觀測到出氣量較大時，使用氣囊收集產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量、熱解爐中殘碳的質量；整理實驗裝置；處理數據。
2 實驗結果與討論
2.1 熱解終溫對產氣量及瞬時產氣量的影響
從圖2 中可以看到，垃圾在高溫加熱的情況下，揮發出可燃氣體的體積隨著溫度的升高而增加。從 600℃~750℃這個溫度區間內，揮發出的可燃氣體體積增加顯著，說明這個溫度段是垃圾熱解變化最為劇烈的階段。750℃之后，氣體產量沒有明顯的增加。
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瞬時產氣量是熱解過程中各個時刻物料的產氣量，從圖3 中可以看出，熱解初期的瞬時產氣量都比較小，到某一時刻后突然變大。熱解終溫在500℃和 600℃時，瞬時產氣量逐漸增大，但增長緩慢；而熱解終溫在700℃和800℃時，瞬時產氣量增大明顯。說明溫度較高時，未斷裂的大分子物質在高溫的作用下分解揮發；同時揮發分中大分子會發生二次反應，裂解為小分子氣體。從圖上也可以看出，最大瞬時產氣量都產生在熱解開始的15～30min 之間，這個時間段內是熱解反應最激烈的時間。
2.2 熱解終溫對產氣成分的影響
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量逐漸增大。這說明其熱解終溫越高，發生的氣體裂解反應越多越深入，垃圾的有效熱解也越充分。一氧化碳和二氧化碳的反應比較復雜。在較低溫度會生成較多的一氧化碳。當溫度繼續升高，一氧化碳和某些中間產物會發生反應，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下降的趨勢。當熱解終溫低于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得到裂解，產生了更多的烷烴類氣體。但溫度再升高后，烷烴類氣體的產量卻沒有再增加，到750℃后，烷烴類氣體的產量還會降低，這主要是當溫度較高后，水煤氣反應比較明顯，增加了H2 和CO 的產量，由圖可以看出熱解終溫在650℃以后H2 產量明顯增加。
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2.3 水煤氣反應對實驗結果的影響
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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噴入霧狀水，分析了水煤氣反應對實驗結果的影響，由圖5 可以看出，在不同的熱解溫度下，強化水煤氣反應均使得熱解氣產量增加，尤其當熱解溫度大于650℃以后，熱解氣的產量明顯增加，例如在 700℃時熱解氣產量由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對氣體組分的影響，在圖中隨著熱解溫度的增加，特別是當熱解溫度大于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有利于熱解氣產量的增加。
3 結論
通過實驗數據的分析可以得到如下結論。
（1）熱解氣產量隨熱解溫度的提高而增加，熱解氣的瞬時產量的最大值主要集中在熱解反應的15～ 30min 內。
（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 產量明顯增加。
（3）強化水煤氣反應會增加熱解氣的產量，特別是中高溫熱解的情況下H2 和CO 的所占百分比明顯增加。
參考文獻
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[3] 熊祖鴻，李海濱，趙增立,等. 醫療垃圾熱解焚燒實驗研究 [J]. 環境污染治理技術與設備，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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