島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化工程示范*

胡步青，顧　菁，王亞琢，袁浩然?

（1. 中國人民解放軍91800部隊(duì)，海南 三亞，572000；2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0　引　言

海洋垃圾正在成為世界各個(gè)國家、社會群體及科學(xué)團(tuán)體廣泛關(guān)注的全球性熱點(diǎn)問題[1]。自2007年開始，國家海洋局在全國50余個(gè)代表性區(qū)域開展了海洋垃圾監(jiān)測工作，對我國近岸海域的海灘垃圾、海面漂浮垃圾和海底垃圾展開監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明[2]，海洋垃圾在我國近岸海域普遍存在，主要垃圾類型為塑料類垃圾。其中，約有80%的海洋垃圾來源于陸地和島礁，約20%可以歸因于海上運(yùn)輸、海洋石油勘探和海上石油平臺、水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)等。海洋垃圾的存在將極大損害海洋和沿岸地區(qū)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和文化價(jià)值，嚴(yán)重威脅海洋環(huán)境以及海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

目前，島礁采用簡易焚燒爐處理可燃固廢，即直接燃燒法，可燃固廢直接與空氣接觸，發(fā)生非均相燃燒反應(yīng)。由于規(guī)模原因，導(dǎo)致可燃固廢燃燒不充分，熱效率低，焚燒溫度低，二次污染嚴(yán)重，煙氣排放無法達(dá)標(biāo)。與此同時(shí)，焚燒過程必須使用大量柴油助燃，即便如此，焚燒后的底渣中仍含有大量未燃盡成分，堆放于島礁周邊，不符合《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485-2014）相關(guān)規(guī)定，而且此類灰渣也無法用于島礁周邊填海施工。因此，必須構(gòu)建新型島礁生活可燃固廢清潔熱處置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海洋垃圾的源頭減量及清潔轉(zhuǎn)化，對改善我國海洋生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保障國家安全均具有十分重要的意義。

1　島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化工程設(shè)計(jì)

1.1　核心技術(shù)選擇

直接燃燒技術(shù)存在焚燒爐爐體和工藝設(shè)計(jì)困難、直接燃燒過程控制復(fù)雜、非充分燃燒和二次污染處置的成本高等問題[3-4]?？扇脊虖U熱解燃燒技術(shù)是可燃固廢先經(jīng)熱解析出揮發(fā)分、形成的熱解氣與空氣接觸燃燒，在全球范圍受到了廣泛關(guān)注[5-6]。

與直接燃燒法相比，熱解燃燒無論從二次污染排放或能量利用率都具有明顯優(yōu)勢。從可燃固廢熱物性分析，雖然各類可燃固廢存在較大的燃燒差異性[7]，但無論何種可燃物經(jīng)過熱解后，所產(chǎn)生的熱解氣體產(chǎn)物主要是H2、CO、C2H4和CH4等可燃?xì)怏w混合物[8]，具有燃燒速度快，燃燒性能好，燃燒更徹底，過程易控制等優(yōu)點(diǎn)。從燃燒機(jī)理分析，直接燃燒是固體燃燒，屬于非均相燃燒，非均向燃燒過程主要由揮發(fā)分與固定碳形成的半焦氣–固反應(yīng)控制著直接燃燒的總速率[9]，反應(yīng)速率較小；而熱解燃燒是氣體燃燒，氣態(tài)燃燒屬于空氣與可燃?xì)獾木嗳紵?，可燃?xì)怏w分子與氧氣分子分布均勻，接觸充分，燃燒速率受控于氣體燃燒速度，同時(shí)由于氣體燃燒速率快，使得燃燒徹底、易控制，達(dá)到完全反應(yīng)。

為延長煙氣停留時(shí)間、減少不完全燃燒的前驅(qū)物和未燃盡碳，通過ANSYS CFX軟件流場冷態(tài)模擬、熱態(tài)模擬和冷態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[10]，優(yōu)化了氣相燃燒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即通過增加一擾流體強(qiáng)制可燃固廢熱解氣形成旋流燃燒。綜合現(xiàn)有固定床氣化爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，耦合旋流燃燒，研發(fā)了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的兩段式熱解氣化–旋流燃燒裝置。

1.2　工藝要點(diǎn)

以熱解氣化–旋流燃燒技術(shù)為核心，高度集成與耦合可燃固廢預(yù)處理、煙氣冷卻、煙氣凈化、電氣控制等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化工程，技術(shù)路線見圖1。

可燃固廢預(yù)處理系統(tǒng)為封閉式，有利于臭氣、無組織揚(yáng)塵等污染物的防治；設(shè)置中轉(zhuǎn)倉庫，便于提前處理，可根據(jù)需要儲存1～2 d原料；選用雙軸破碎機(jī)，處理能力大，可與氣化系統(tǒng)異步運(yùn)行，減少因預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)備故障導(dǎo)致全系統(tǒng)停運(yùn)的概率；加入熱解氣化爐前先通過熱空氣對中轉(zhuǎn)倉庫的可燃固廢進(jìn)行干燥，提高系統(tǒng)熱利用效率，也利于氣化反應(yīng)。

熱解氣化爐采用多級配風(fēng)氣化結(jié)構(gòu)，利于建立穩(wěn)定的物料床層，促進(jìn)熱解氣化過程穩(wěn)定、充分；采用熱風(fēng)氣化，有利于提高氣化溫度、轉(zhuǎn)化率和氣化過程穩(wěn)定性，降低焦油產(chǎn)量；采用旋轉(zhuǎn)爐排自動(dòng)排渣，有效降低人員工作強(qiáng)度和系統(tǒng)故障率；設(shè)置柴油點(diǎn)火助燃系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)氣化爐內(nèi)快速升溫，提高氣化爐啟動(dòng)速度；悶爐狀態(tài)下，同樣可通過柴油助燃保持爐內(nèi)溫度，避免焦油大量產(chǎn)生或熄火，利于熱啟動(dòng)。

圖1　島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)路線Fig. 1　Technical route of clean transformation of island living combustible solid waste

旋流燃燒系統(tǒng)的旋流燃燒結(jié)構(gòu)，停留時(shí)間大于3 s，利于充分燃燒，促進(jìn)二噁英等污染物徹底分解；燃燒器采用分級燃燒結(jié)構(gòu)，有利于控制NOx生成；采用尿素液作為還原劑，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)選擇性非催化還原（selective non-catalytic reduction, SNCR）脫硝，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；設(shè)置強(qiáng)制水換熱結(jié)構(gòu)，可有效調(diào)節(jié)爐溫；采用柴油點(diǎn)火助燃系統(tǒng)，啟動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火，燃?xì)鉄嶂挡环€(wěn)定等非正常情況下，可開啟助燃系統(tǒng)保證燃?xì)獬浞秩紵?/p>

煙氣冷卻工藝采用大規(guī)格高效水冷換熱器與風(fēng)冷換熱器，間接冷卻，避免直接冷卻產(chǎn)生的污水二次污染問題；冷水經(jīng)過水換熱器后進(jìn)入冷卻塔，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，節(jié)約淡水資源；冷空氣通過風(fēng)冷換熱器加熱后，用于可燃固廢干燥和氣化，提高熱利用效率，同時(shí)利于氣化反應(yīng)過程。煙氣凈化工藝采用半干法消石灰噴射法進(jìn)行脫酸，工藝簡單、穩(wěn)定、故障率低，脫酸效率高，污水極少，同時(shí)進(jìn)入下游可起飛灰固化作用；活性炭直接噴入脫酸塔與布袋除塵器之間，利于二噁英和重金屬吸附；所用布袋除塵器的濾袋采用全聚四氟乙烯（PTFE）材質(zhì)，耐用、可靠；氣化爐、燃燒爐、除塵器所產(chǎn)生的灰渣統(tǒng)一收集，以備進(jìn)行固化處理。

電氣控制配置煙氣在線檢測系統(tǒng)，在線連續(xù)監(jiān)測排放煙氣的 SO2、NOx和煙塵濃度；電氣儀表由工業(yè)檢測儀表和計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)組成，以實(shí)現(xiàn)全工藝過程的自動(dòng)檢測和控制；分布式控制系統(tǒng)（distrubuted control system, DCS）在完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、超限報(bào)警、數(shù)據(jù)報(bào)表等功能的同時(shí)，可對主要工藝過程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的最優(yōu)調(diào)節(jié)，也可在全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)控制方式之間轉(zhuǎn)換或?qū)崿F(xiàn)就地控制；在進(jìn)料、排渣和鍋爐水位處安裝了工業(yè)電視監(jiān)視探頭，集中顯示爐內(nèi)及各輔助設(shè)備的運(yùn)行情況。

2　島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化工程實(shí)施效果

通過以熱解氣化–旋流燃燒技術(shù)為核心、某島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化示范工程（圖2）的調(diào)試、運(yùn)行與監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。燃燒尾氣檢測結(jié)果見表 1，灰渣熱灼減率為 4.28%，符合國家GB 18485-2014要求，并利用布袋除塵器進(jìn)行捕集，因此飛灰產(chǎn)生量少，可忽略不計(jì)。

通過與島礁現(xiàn)有簡易焚燒爐比較（表2），島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化系統(tǒng)裝備具有以下優(yōu)勢：

（1）二級破碎及水冷式螺旋進(jìn)料系統(tǒng)，可有效避免由于生活垃圾固有特性而導(dǎo)致的輸送難問題，保障了進(jìn)料的穩(wěn)定性；

（2）通過旋流燃燒方式，優(yōu)化傳統(tǒng)的兩段式熱解再燃燒技術(shù)，提升了二次燃燒時(shí)間，使煙氣中污染物充分分解，降低煙氣處置成本與裝備的復(fù)雜度；

（3）采用多級多點(diǎn)配風(fēng)，保障煙氣的快速有效冷卻，節(jié)約淡水資源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙氣的近零排放；系統(tǒng)無需傳統(tǒng)一定高度煙囪，可低位排放，且排放符合國家GB 18485-2014要求；

（4）整套系統(tǒng)操作簡單，可一鍵化起爐，實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火，適用于無技術(shù)基礎(chǔ)人員操作；

（5）整套系統(tǒng)采用先進(jìn)的防腐技術(shù)，保障整套系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；

（6）整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化、集成化，結(jié)構(gòu)緊湊，且可進(jìn)一步進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，構(gòu)建車載式可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，拓展應(yīng)用范圍，保障生態(tài)安全。

圖2　島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化示范工程Fig. 2　Project of clean transformation of island living combustible solid waste

表1　島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化工程煙氣在線監(jiān)測結(jié)果Table 1　Monitoring results of flue gas from project of clean transformation of island living combustible solid waste

表2　熱解氣化–旋流燃燒裝置與簡易焚燒爐對比Table 2　Comparison of pyrolysis gasification-cyclone combustible device with incinerator

3　結(jié)　論

島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化工程可有效解決島礁可燃固廢清潔處置問題，同時(shí)排放煙氣NOx≤ 30 mg/Nm3、SO2≤ 10 mg/Nm3、粉塵 ≤ 10 mg/Nm3，保障島礁居民身體健康及生態(tài)環(huán)境安全，有利于島礁建設(shè)與發(fā)展。島礁的建設(shè)可延伸至沿海區(qū)域，實(shí)現(xiàn)海洋垃圾源頭減量及有效控制，大幅減少海洋生態(tài)環(huán)境污染，為全球海洋環(huán)境治理提供可靠技術(shù)與有效策略。同時(shí)，可依據(jù)島礁生活可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化工程關(guān)鍵工藝條件和關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，設(shè)計(jì)針對邊遠(yuǎn)分散地區(qū)的可燃固廢清潔轉(zhuǎn)化系統(tǒng)裝備，為未來解決我國中小微規(guī)模生活可燃固廢清潔利用奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。