有机废物热解气化技术

我国每年产出的生活垃圾、厨余垃圾、农林废物、园林绿化垃圾、畜禽粪便、工业生物质废物、废旧塑料和轮胎等有机废物近百亿吨。目前大量有机废物尚未得到合理处置与利用，带来了严重的环境污染风险和能源资源浪费。从2018年开始推行的“洋垃圾禁令”到各地如火如荼的“垃圾分类”行动，都体现了国家对于废物处理与利用的决心和魄力。有机废物的资源化、能源化利用不仅有助于解决相关的环境污染问题，同时还可以提供能源与材料的循环。我国多部门先后发文对有机废物资源化利用进行支持与推动，科学技术部通过国家重点研发计划项目对有机废物处理进行了专门部署和战略支持。主席于2020年在第七十五届联合国大会上提出我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的“双碳”目标。热解气化作为一项重要技术，可以适用于不同的有机废物，是当前有机废物处理及能源化利用的重要技术，能够助力“双碳”目标的实现。然而，热解气化在技术层面仍存在挑战和难度，工程上也缺乏相应的技术规范和指导案例，因此亟须一本有机废物热解气化技术专著。 
本书面向有机废物热解气化技术及综合利用，在介绍热解气化相关理论知识的基础上，着重介绍热解气化技术的工艺且聚焦典型有机废物的热解气化工程案例，并结合编者及其团队在该领域多年的研究成果，突出技术性与实践性。本书分四个部分，共8章，着眼于当前有机废物主要热化学处理技术——热解和气化，从以下四个部分进行详尽阐述：部分，系统地对比介绍了热解和气化的技术原理、过程、工艺和特点；第二部分，重点针对六种典型的有机废物（包括生活垃圾、市政污泥、药渣、酒糟、农林废物和废旧轮胎塑料），阐述热解气化技术的工况参数优化和污染物排放控制研究情况；第三部分，主要对上述六种典型有机废物热解气化进行研究，分析相应的技术工程案例；第四部分，对新型有机废物热解气化处理技术及发展应用进行了展望。 
本书由陈冠益任主编，颜蓓蓓和程占军任副主编，崔孝强、林法伟和马文超等以及团队研究生参与了本书部分内容的编写；全书后由陈冠益统稿并定稿。编写团队专业背景覆盖能源、环境、化工和农业等多个领域，团队配置合理，首次对从热解气化技术专业知识到典型有机废物的工程实例做了全面系统的介绍，是广大高校师生、科研人员及环保、能源、化工等行业从业人员学习的重要参考书目。 
本书的案例分析原始资料来自生态环境部华南环境科学研究所、浙江宜可欧环保科技有限公司、山东步长制药股份有限公司、山东百川同创能源有限公司、中国科学院过程工程研究所、泸州老窖酒业有限公司、海泉风雷新能源发电股份有限公司以及双星集团有限责任公司控股子公司伊达克斯（青岛）控股有限公司的工程应用成果，在此特别感谢上述单位的支持。 
本书承国家重点研发计划“华北东北村镇资源清洁利用技术综合示范”项目资助，在编写过程中得到了岑可法院士、陈勇院士和蒋剑春院士的悉心指导，得到了孙立研究员、许敏研究员的认真修改，在此致以由衷的感谢；也参考了国内外相关资料，在此向各位作者致以诚挚的谢意！ 
由于本书涉及面较广，原理、技术与应用结合紧密，但限于编者时间和水平，书中难免有所疏漏和不足，诚请各位批评指正，以便在后续版本中加以改进提升。 

编者 
2022年3月

本书着眼于有机废物的热解气化处理与能源化利用，全面系统地对比介绍了典型有机废物热解气化技术及应用工程，主要内容包括有机废物热解气化技术的原理、过程、工艺和特点，六种典型有机废物（生活垃圾、市政污泥、药渣、酒糟、农林废物和废旧轮胎塑料）热解气化技术分析及工程案例，热解气化过程中污染物的排放和控制，以及新型有机废物热解气化处理技术及发展应用展望。本书在综合国内外相关领域进展的基础上，结合当前相关技术应用工程展开阐述与分析，旨在为广大读者提供有机废物热解气化处置利用的全面性知识及可行的技术方案，可供从事有机废物处理处置以及能源利用等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境工程、能源工程及相关专业师生参阅。

本书着眼于有机废物的热解气化处理与能源化利用，全面系统地对比介绍了典型有机废物热解气化技术及应用工程，主要内容包括有机废物热解气化技术的原理、过程、工艺和特点，六种典型有机废物（生活垃圾、市政污泥、药渣、酒糟、农林废物和废旧轮胎塑料）热解气化技术分析及工程案例，热解气化过程中污染物的排放和控制，以及新型有机废物热解气化处理技术及发展应用展望。本书在综合国内外相关领域最新进展的基础上，结合当前相关技术应用工程展开阐述与分析，旨在为广大读者提供有机废物热解气化处置利用的全面性知识及可行的技术方案，可供从事有机废物处理处置以及能源利用等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境工程、能源工程及相关专业师生参阅。

陈冠益，天津大学环境科学与工程学院，教授、环境科学与工程学院院长，本科毕业于西安交通大学热能工程专业，硕士与博士毕业于浙江大学工程热物理专业，先后在香港大学机械工程系、荷兰代尔夫特技术大学过程与能源系从事研究工作，获评长江学者，任天津大学环境学院院长、天津市生物质燃气燃油技术工程中心主任以及全国石油和化工行业生物基油气重点实验室主任。现为天津市可持续发展研究会会长，天津市环境科学学会、可再生能源学会副理事长，国家生物质能源与材料产业技术创新战略联盟副秘书长，（天津）城市固体废物产业技术创新战略联盟副理事长/秘书长；国家可持续发展实验区专家委员会委员。主要研究领域为生物质能源环境技术及相关理论，承担多项国家科技支撑、973、863、国家自然科学基金、科技部重大基础研究计划前期究项目、科技部国际合作重点项目、天津市科技发展计划重点项目、欧盟研究项目、中荷政府合作项目等项目数十余项等重点项目，取得了一系列的特色性研究成果，在国内外具有很强的学术影响力。排名一获得国家科学技术进步奖二等奖、天津市科技进步一等奖、科技进步二等奖、环保部环境科学技术奖二等奖、天津市科技进步二等奖。近年来共发表论文200余篇，其中SCI收录论文109篇，获国家发明专利授权20余项。在教育教学方面，主讲《大气污染控制》课程获批国家精品课程，并指导本科生获得挑战杯全国大学生科技竞赛天津市一等奖和创业竞赛金奖。

第1章绪论1 
1.1有机废物的定义与分类1 
1.1.1有机废物的定义1 
1.1.2有机废物的特性2 
1.1.3有机废物的分类与来源3 
1.2有机废物的污染特征与处理技术6 
1.2.1有机废物的污染特征6 
1.2.2有机废物的处理技术7 
1.3热解气化技术概述11 
参考文献12 

第2章热解气化原理与过程13 
2.1热解原理13 
2.1.1热解的分类14 
2.1.2热解的反应路径15 
2.1.3热解的影响因素16 
2.1.4热解产物分布与特点18 
2.2气化原理20 
2.2.1气化的分类21 
2.2.2气化反应流程22 
2.2.3气化的影响因素24 
2.2.4气化产物分布与特点26 
2.3热解气化工艺的物质流分析32 
2.3.1热解气化系统的物质平衡32 
2.3.2热解气化系统的能量平衡33 
2.3.3热解气化过程的关键指标33 
2.4焦油的产生与控制34 
2.4.1焦油的产生35 
2.4.2焦油的裂解37 
2.4.3焦油对气化燃气下游应用的影响38 
2.4.4焦油控制技术40 
参考文献43 

第3章分析仪器与测试方法47 
3.1热重分析仪47 
3.1.1概述47 
3.1.2热重分析仪的结构及工作原理48 
3.1.3影响热重分析的因素49 
3.1.4分析方法50 
3.1.5热重分析仪的应用51 
3.2红外光谱53 
3.2.1概述53 
3.2.2红外光谱基本原理53 
3.2.3傅里叶变换红外光谱仪54 
3.2.4红外光谱联用技术56 
3.2.5红外光谱的应用56 
3.3色谱分析技术58 
3.3.1气相色谱59 
3.3.2高效液相色谱62 
3.4质谱分析方法63 
3.4.1概述64 
3.4.2有机质谱仪的结构及工作原理65 
3.4.3气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）67 
3.4.4液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）70 
3.4.5其他类型的质谱仪71 
3.4.6质谱技术的应用72 
3.5其他分析方法介绍90 
3.5.1X射线衍射（XRD）90 
3.5.2X射线光电子能谱分析（XPS）91 
3.5.3物理化学吸附仪（BET比表面积）92 
3.5.4紫外分光光度法93 
3.5.5原子吸收光谱法93 
3.5.6原子荧光光谱法94 
3.5.7电化学分析95 
3.5.8同位素示踪技术96 
参考文献97 

第4章热解气化反应器102 
4.1固定床热解气化反应器102 
4.1.1上吸式固定床热解气化反应器102 
4.1.2下吸式固定床热解气化反应器103 
4.1.3开心式固定床热解气化反应器105 
4.2流化床热解气化反应器105 
4.2.1鼓泡流化床106 
4.2.2循环流化床108 
4.3其他热解气化反应器109 
4.3.1回转窑反应器109 
4.3.2旋转锥反应器111 
4.3.3烧蚀反应器111 
4.3.4携带床反应器112 
参考文献113 

第5章模拟软件与设计方法115 
5.1热解气化模型概述115 
5.1.1热解气化过程建模的意义115 
5.1.2热解气化模型的分类及特征116 
5.1.3热解气化模型的应用及发展118 
5.2热解气化模型118 
5.2.1热解模型118 
5.2.2气化模型127 
5.2.3人工神经网络与模拟软件133 
5.2.4热解气化模型研究进展137 
5.3基于热解气化模型设计案例分析146 
5.3.1基于理论模型的热解气化工艺设计147 
5.3.2热解气化半经验模型与气化炉反向设计152 
参考文献162 

第6章典型热解气化工艺设计及污染物控制167 
6.1农林废物热解气化技术与工艺167 
6.1.1农林废物组分特性及分布状况167 
6.1.2农林废物热解气化技术原理170 
6.1.3农林废物热解气化工艺流程170 
6.1.4农林废物热解气化污染物控制171 
6.1.5农林废物热解气化炉设计175 
6.2生活垃圾热解气化技术与工艺177 
6.2.1生活垃圾分布状况及组分特性177 
6.2.2生活垃圾热解气化技术原理186 
6.2.3生活垃圾热解气化工艺流程187 
6.2.4生活垃圾热解气化污染物控制189 
6.3市政污泥热解气化技术与工艺193 
6.3.1市政污泥组分特性及分布状况193 
6.3.2市政污泥热解气化技术原理194 
6.3.3市政污泥热解气化工艺流程194 
6.3.4市政污泥热解气化污染物控制195 
6.4药渣酒糟热解气化技术与工艺197 
6.4.1药渣酒糟组分特性及分布状况197 
6.4.2药渣酒糟热解气化技术原理199 
6.4.3药渣酒糟热解气化工艺流程201 
6.4.4药渣酒糟热解气化污染物控制201 
6.4.5药渣热解气化能源计算202 
参考文献202 

第7章典型有机废物热解气化工程案例分析208 
7.1农林废物热解气化工程案例分析208 
7.1.1项目背景及工程概述209 
7.1.2工程技术工艺流程209 
7.1.3工程运行情况211 
7.1.4结论与发展分析214 
7.2生活垃圾热解气化工程案例215 
7.2.1项目背景及工程概述216 
7.2.2工程技术工艺流程216 
7.2.3工程运行情况219 
7.2.4结论与发展分析221 
7.3市政污泥热解气化工程案例分析222 
7.3.1项目背景及工程概述223 
7.3.2工程技术工艺流程224 
7.3.3工程运行情况224 
7.3.4结论与发展分析230 
7.4药渣热解气化工程案例分析230 
7.4.1项目背景及工程概述230 
7.4.2工程技术工艺流程231 
7.4.3工程运行情况234 
7.4.4结论与发展分析234 
7.5酒糟热解气化工程案例分析235 
7.5.1项目背景及工程概述235 
7.5.2工程技术工艺流程236 
7.5.3工程运行情况237 
7.5.4结论与发展分析240 
7.6废旧轮胎热解气化工程案例分析241 
7.6.1项目背景及工程概述241 
7.6.2工程技术工艺流程241 
7.6.3工程运行情况244 
7.6.4结论与发展分析246 
7.7其他有机废物热解气化工程案例分析246 
7.7.1项目背景及工程概述246 
7.7.2工程技术工艺流程247 
7.7.3工程运行情况250 
7.7.4结论与发展分析252 
7.8有机合成浆热解气化工程案例分析252 
7.8.1项目背景及工程概述253 
7.8.2工程技术工艺流程253 
7.8.3工程运行情况257 
7.8.4结论与发展分析258 
参考文献259 

第8章技术发展与应用展望260 
8.1新兴技术发展与应用260 
8.1.1厌氧发酵-气化耦合技术260 
8.1.2化学链气化技术261 
8.1.3混合水煤浆气化技术263 
8.1.4微波气化技术265 
8.1.5等离子体气化技术266 
8.1.6废弃纺织品的热解气化技术267 
8.1.7电子废物的热解气化技术268 
8.1.8重金属污染土壤修复植物的热解气化技术269 
8.2挑战与展望270 
8.2.1技术研发270 
8.2.2工程应用271 
8.2.3政策法规272参考文献273 

附录276 
附录1生物油中可能存在的有机物276 
附录2典型生物质原料工业分析与热值281 
附录3典型生物质原料元素分析282 
附录4典型生物质原料组分分析283 
附录5部分相关标准283

本书着眼于有机废物的热解气化处理与能源化利用，全面系统地对比介绍了典型有机废物热解气化技术及应用工程，主要内容包括有机废物热解气化技术的原理、过程、工艺和特点，六种典型有机废物（生活垃圾、市政污泥、药渣、酒糟、农林废物和废旧轮胎塑料）热解气化技术分析及工程案例，热解气化过程中污染物的排放和控制，以及新型有机废物热解气化处理技术及发展应用展望。本书在综合国内外相关领域进展的基础上，结合当前相关技术应用工程展开阐述与分析，旨在为广大读者提供有机废物热解气化处置利用的全面性知识及可行的技术方案，可供从事有机废物处理处置以及能源利用等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境工程、能源工程及相关专业师生参阅。

陈冠益，天津大学环境科学与工程学院，教授、环境科学与工程学院院长，本科毕业于西安交通大学热能工程专业，硕士与博士毕业于浙江大学工程热物理专业，先后在香港大学机械工程系、荷兰代尔夫特技术大学过程与能源系从事研究工作，获评长江学者，任天津大学环境学院院长、天津市生物质燃气燃油技术工程中心主任以及全国石油和化工行业生物基油气重点实验室主任。现为天津市可持续发展研究会会长，天津市环境科学学会、可再生能源学会副理事长，国家生物质能源与材料产业技术创新战略联盟副秘书长，（天津）城市固体废物产业技术创新战略联盟副理事长/秘书长；国家可持续发展实验区专家委员会委员。主要研究领域为生物质能源环境技术及相关理论，承担多项国家科技支撑、973、863、国家自然科学基金、科技部重大基础研究计划前期究项目、科技部国际合作重点项目、天津市科技发展计划重点项目、欧盟研究项目、中荷政府合作项目等项目数十余项等重点项目，取得了一系列的特色性研究成果，在国内外具有很强的学术影响力。排名一获得国家科学技术进步奖二等奖、天津市科技进步一等奖、科技进步二等奖、环保部环境科学技术奖二等奖、天津市科技进步二等奖。近年来共发表论文200余篇，其中SCI收录论文109篇，获国家发明专利授权20余项。在教育教学方面，主讲《大气污染控制》课程获批国家精品课程，并指导本科生获得挑战杯全国大学生科技竞赛天津市一等奖和创业竞赛金奖。