高效熱分解垃圾處理系統(tǒng)

廖文權(quán)

（南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司，廣西 南寧530001）

0 引言

我國(guó)固體廢棄物產(chǎn)出量巨大，2017年10月發(fā)布的《〈中華人民共和國(guó)固體廢棄物污染環(huán)境防治法〉實(shí)施情況的報(bào)告》顯示：我國(guó)每年產(chǎn)生畜禽養(yǎng)殖廢棄物近40億噸、主要農(nóng)作物秸稈約10億噸，一般工業(yè)固體廢物約33億噸，工業(yè)危險(xiǎn)廢物約4000萬(wàn)噸，醫(yī)療廢物約135萬(wàn)噸，建筑垃圾約18億噸，大中城市生活垃圾約2億噸，固體廢物產(chǎn)生量呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。還應(yīng)當(dāng)引起重視的是，我國(guó)歷年堆存的工業(yè)固體廢物總量達(dá) 600～700 億噸[1]。

我國(guó)固廢處理行業(yè)起步晚、方法落后，截至目前仍舊處于初級(jí)階段，中國(guó)2億噸城市生活垃圾60%靠填埋，35%靠焚燒，其它處理占比非常少。

填埋法是一種最終處理技術(shù)，雖然它有著投資少、處理量大、技術(shù)成熟等一些優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)亦很明顯：填埋場(chǎng)選址越來(lái)越困難；垃圾可回收利用部分被埋掉，造成資源浪費(fèi)；滲濾液污染地下水，使其難以治理。

垃圾焚燒法減量效果顯著，可以使生活垃圾重量減少80%，垃圾焚燒產(chǎn)生高溫氣體，利用其熱能發(fā)電、供熱可直接實(shí)現(xiàn)資源化，但焚燒法處理垃圾投資大、運(yùn)行成本高、排放煙氣中的二次污染等問(wèn)題，使該方法的應(yīng)用受到了限制。

熱分解法，有機(jī)固體有機(jī)廢物在無(wú)氧或缺氧的高溫條件下受熱分解。產(chǎn)生燃?xì)?、焦油或焦炭等，垃圾中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在炭黑中，且熱解煙氣中灰量小，二惡英的生成量很少，?jié)省尾部?jī)艋O(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)，二次污染的排放低，是垃圾處理的一項(xiàng)新技術(shù)[2]。

該系統(tǒng)以高效熱解氣化技術(shù)為核心，配以高溫凈化爐、超強(qiáng)湍流傳質(zhì)處理系統(tǒng)，并從源頭上對(duì)二惡英的污染進(jìn)行了有效地控制，從而實(shí)現(xiàn)垃圾資源化利用，解決垃圾圍城問(wèn)題，最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。

1 高效熱分解垃圾處理工藝流程

1.1 系統(tǒng)原理

熱分解是將有機(jī)物在無(wú)氧或缺氧狀態(tài)下加熱，使之分解為：（1）以氫氣、一氧化碳、甲烷等低分子碳?xì)浠衔餅橹鞯目扇夹詺怏w；（2）在常溫下為液態(tài)的包括乙酸丙酮等化合物在內(nèi)的燃燒油類；（3）純碳與玻璃、金屬、土砂等混合物形成的碳黑的化學(xué)分解過(guò)程[3]。

熱解反應(yīng)可以用通式表示如下：

有機(jī)固體廢物——?dú)怏w（H2/CH4/CO/CO2）+有機(jī)液體（有機(jī)酸+芳烴+焦油）+炭黑+爐渣

熱分解在其熱化反應(yīng)中由于用空氣作為氣化劑，由于可以缺氧熱解，致使氧氣供應(yīng)量比直接焚燒明顯的減少了。從而使排放尾氣中的SO2、NOx亦隨之明顯下降，使之燃后的NOx、SO2以及顆粒物量也會(huì)明顯減排。

1.2 系統(tǒng)工藝流程

高效熱分解垃圾處理工藝流程如圖1所示，高效熱分解爐——高溫凈化爐——超強(qiáng)湍流傳質(zhì)塔。

圖1 高效熱分解垃圾處理工藝流程圖

在熱解爐中，垃圾爐體上端進(jìn)料，爐下端燃燒溫度達(dá)到1 100～1 300℃高溫，中端維持900℃快速熱解，上端逐漸降至600℃～500℃烘干垃圾，保證上端進(jìn)料逐漸烘干，流入中端高溫區(qū)被熱裂解成以CO、H2為主的燃?xì)猓蝗細(xì)鈱⑦M(jìn)入二燃室，供以充足的空氣，使可燃?xì)怏w在1 000℃的高溫下充分燃燒，使有毒有害物質(zhì)完全分解，達(dá)到無(wú)害化。1 000℃的煙氣，繼續(xù)前行，通過(guò)高溫?fù)Q熱器，將1 000℃的煙氣降到500℃，以回收高溫顯熱，回收顯熱可以發(fā)電；繼續(xù)前行，通過(guò)超強(qiáng)湍流傳質(zhì)驟降塔降溫，煙氣瞬間從500℃降至200℃以下，阻斷了二惡英的復(fù)合再生條件，尾氣再通過(guò)超強(qiáng)湍流傳質(zhì)塔，SO2、NOx、HCl、煙塵、重金屬等有害物被有效清除，達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

2 高效熱分解垃圾處理系統(tǒng)

2.1 高效熱分解爐

溫度是熱解過(guò)程的關(guān)鍵控制變量，熱解的溫度不同，熱解后所得的產(chǎn)物和產(chǎn)量也不同，而且物性也不一樣。在溫度升至400℃，有機(jī)垃圾大分子裂解成較多的中小分子，油類含量相對(duì)較多。隨著溫度的升高，除大分子裂解外，許多中間產(chǎn)物也發(fā)生了二次裂解，氣體產(chǎn)量成正比增長(zhǎng)，而焦油、炭渣產(chǎn)量相對(duì)減少。在熱解溫度為800℃～900℃之間時(shí)，有機(jī)垃圾的熱解產(chǎn)物主要是氣態(tài)的小分子揮發(fā)分。在較高的溫度下熱解速度加快，也可使燃燒后的固態(tài)殘余物大大減少，降低對(duì)它的處理難度[4]。

如圖2，熱解氣化爐從上到下，依次為干燥層、熱解層、熱解燃燒層、燃燒層和冷卻層。垃圾首先在干燥層由熱解層上升的煙氣干燥，其中的水分揮發(fā)；在熱分解層和熱解燃燒層分解成一氧化碳、氣態(tài)烴類等可燃物進(jìn)入混合煙氣中。熱解氣化后的殘留物（液態(tài)焦油、較純的碳素以及垃圾本身含有的無(wú)機(jī)灰土和惰性物質(zhì)）進(jìn)入燃燒層充分燃燒。燃燒溫度達(dá)到1 100～1 300℃。燃燒層產(chǎn)生的熱量用來(lái)提供熱解層和干燥層所需的熱量，并將熱解層人溫度控制在800℃～900℃之間高效熱解。

圖2 高效熱分解爐

燃燒層產(chǎn)生的殘?jiān)M(jìn)入冷卻層，由爐底部的一次供風(fēng)冷卻（同時(shí)達(dá)到了預(yù)熱一次供風(fēng)的目的），經(jīng)爐排的機(jī)械擠壓、破碎后，由排渣系統(tǒng)排出爐外。熱解氣化爐產(chǎn)生的混合煙氣進(jìn)入二燃室燃。由熱解氣化爐底部送入的一次風(fēng)穿過(guò)殘?jiān)鼘樱o燃燒段提供充分的助燃氧。空氣在燃燒過(guò)程中消耗了大量氧，并在上行至氣化層和熱分解層時(shí)繼續(xù)提供參與反應(yīng)的氧。立式爐型和底部送風(fēng)方式滿足了垃圾在關(guān)鍵的熱分解氣化階段溫度和反應(yīng)空氣量（缺氧和少氧）的條件，并能使參與反應(yīng)的垃圾維持在這個(gè)環(huán)境下足夠的時(shí)間。

當(dāng)爐進(jìn)入熱分解常態(tài)下，可用二燃室產(chǎn)生的高溫尾氣，由風(fēng)機(jī)返送于爐內(nèi)，從多個(gè)不同角度進(jìn)入使熱分解的氣化、燃燒、燃盡三層進(jìn)行氣流帶動(dòng)渦旋，使熱解率及煙氣質(zhì)量提高。

直通立式熱分解爐進(jìn)料時(shí)垃圾下降速度過(guò)快，沒(méi)有緩沖過(guò)程讓垃圾下降時(shí)完成預(yù)熱-熱分解氣化-氧化燃燒提供熱能的穩(wěn)定過(guò)程，既不能保證垃圾燃燼更達(dá)不到余碳、焦油的熱分解氣化，且容易結(jié)塊，難以實(shí)現(xiàn)氧化燃燒提供熱能的最優(yōu)配置。因此對(duì)熱解氣化爐體進(jìn)行改進(jìn)，安裝四層活動(dòng)爐排，將爐體分成干燥層、熱解層、熱解燃燒層、燃燒層和冷卻層，以減緩垃圾下降的時(shí)間，同時(shí)讓其反應(yīng)充分，以達(dá)到熱解氣化的目的，提高熱分解效率。

爐體在運(yùn)營(yíng)中的無(wú)源結(jié)構(gòu)性的總體架構(gòu)下，操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、費(fèi)用低。

2.2 高溫凈化爐

熱解氣中除 H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6等六種主要?dú)怏w外，還含有 NOx、HCI、H2S、NH3、O2、C3、C4、C5碳氮化合物及離分子碳氮化臺(tái)物等氣體，在二燃室內(nèi)，采用過(guò)氧燃燒，將溫度控制在1 000℃，氣體停留時(shí)間大于2 s，能使多氯聯(lián)苯類物質(zhì)、殘?zhí)康韧耆紵纸猓苟河埩袅繕O少[5]。

如圖3，熱解氣體進(jìn)入高溫燃燒室內(nèi)，經(jīng)過(guò)喇叭型的燃燒爐前入口，接進(jìn)燃燒器端口。在控氧渦旋燃燒室內(nèi)進(jìn)行二次燃燒。該燃燒室呈管式蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在主通道內(nèi)設(shè)有渦旋氣流結(jié)構(gòu)通道，形成渦旋狀的空氣形成了多層、多點(diǎn)、多路徑的湍流燃燒模式。與之相聯(lián)的空氣腔、鼓風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥則控制空氣輸入，使?fàn)t中的燃燒呈湍流渦旋，形如“龍卷風(fēng)”之形成，故稱為“龍卷風(fēng)燃燒”。使熱解氣體氣能溫度提高到1 000℃～1 200℃，從而改變火焰結(jié)構(gòu)，使?fàn)t內(nèi)組織起貧氧燃燒，擴(kuò)展火焰燃燒區(qū)域，火焰邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛邊界，使溫度分布均勻，它工況噪音小，是了名符其實(shí)的“清潔燃燒”之利器。同時(shí)，高溫凈化爐形成的高溫場(chǎng)、對(duì)氣體中的二惡英、呋喃等嚴(yán)重傳染物的高溫?zé)岱纸?，也是它排放達(dá)到環(huán)保要求的關(guān)鍵所在。

圖3 高溫凈化爐

2.3 尾氣處理超強(qiáng)湍流傳質(zhì)系統(tǒng)

鑒于生物質(zhì)垃圾在爐中燃燒，含水量高，進(jìn)而產(chǎn)生尾氣濕度居高不下，如果用傳統(tǒng)的靜電除塵、布袋除塵和半干法除塵就會(huì)產(chǎn)生工況運(yùn)轉(zhuǎn)難度明顯增大、費(fèi)用增高等諸多困難，選用超強(qiáng)湍流傳質(zhì)技術(shù)（見(jiàn)圖4）就可以達(dá)到克服以上問(wèn)題的而達(dá)最佳環(huán)保效果。

圖4 超強(qiáng)湍流傳質(zhì)塔

超強(qiáng)湍流傳質(zhì)技術(shù)，從上個(gè)世紀(jì)末至今得到航天部、國(guó)家環(huán)?？偩?、國(guó)家發(fā)改委的多次支持，這一技術(shù)被應(yīng)用在電站鍋爐以及工業(yè)鍋爐的除塵脫硫領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)高效除塵、脫硫超低排放，不帶水，不結(jié)垢堵塞，液氣比小，能耗低，運(yùn)行成本低廉，投資性價(jià)比優(yōu)。

超強(qiáng)湍流傳質(zhì)技術(shù)是利用氣流本身的能量，通過(guò)改變流道的大小和方向，對(duì)氣流矢量加速和強(qiáng)化氣流的擴(kuò)散，形成超強(qiáng)湍流傳質(zhì)傳熱均勻流場(chǎng)，特別是固體顆粒進(jìn)入超強(qiáng)湍流傳質(zhì)場(chǎng)，被撞擊分散，氣體本身在撞擊固體時(shí)，也伴隨分散，實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間，最小的空間，最小的固氣比下，達(dá)到氣固充分接觸，提高最小能耗下的氣固混合。在超強(qiáng)湍流傳質(zhì)場(chǎng)中能實(shí)現(xiàn)各相都分散，這是實(shí)現(xiàn)高速、高效傳質(zhì)的關(guān)鍵。超強(qiáng)湍流傳質(zhì)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度比起一般湍流場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)高出二至六倍或以上[6]。

超強(qiáng)湍流傳質(zhì)傳熱技術(shù)由于超強(qiáng)湍流場(chǎng)的形成，在多相流中強(qiáng)化了相間傳質(zhì)傳熱，使煙氣瞬間從500℃降至200℃以下，阻斷了二惡英的復(fù)合再生條件，SO2、NOx、HCl、煙塵、重金屬等有害物質(zhì)被有效清除，能實(shí)現(xiàn)除塵脫硫一體（共塔），達(dá)到超低排放。

3 高效熱分解垃圾處理系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用效果

（1）本系統(tǒng)有利于控制二惡英類物質(zhì)的生成。由于熱分解過(guò)程是大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿涌扇細(xì)怏w的過(guò)程，爐內(nèi)環(huán)境中缺少氧氣，在熱分解過(guò)程中有價(jià)金屬?zèng)]有被氧化，垃圾中的Cu、Fe等金屬不易生成為促進(jìn)二惡英類物質(zhì)形成的催化劑，減少了二惡英類物質(zhì)的生成。尾氣處理系統(tǒng)由驟冷器及超強(qiáng)湍流傳質(zhì)傳熱凈化塔組成，使尾氣再經(jīng)驟冷降到200℃以下，上述驟冷工序是除去二惡英再生的基本條件。

（2）本系統(tǒng)有利于控制NOx、SO2以及顆粒物量排放。熱分解在其熱化反應(yīng)中由于用空氣作為氣化劑，使用缺氧熱解工藝，致使氧氣供應(yīng)量比直接焚燒明顯的減少，從而使排放尾氣中的SO2、NOx亦隨之明顯下降。由于無(wú)需對(duì)熱解爐中的垃圾和氣體進(jìn)行額外攪拌，使得煙氣中顆粒物量的含量明顯降低。

（3）本系統(tǒng)可減少尾氣處理設(shè)備的投入。熱分解氣化爐和高溫凈化爐均采用清潔燃燒工藝，NOx、SO2、二惡英類物質(zhì)以及顆粒物量生成少，尾氣處理工藝簡(jiǎn)單。超強(qiáng)湍流傳質(zhì)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效除塵、脫硫超低排放，能耗低，運(yùn)行成本低廉，投資性價(jià)比優(yōu)。

（4）本系統(tǒng)由南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司研制開(kāi)發(fā)出的國(guó)產(chǎn)高效垃圾熱解氣化焚燒設(shè)備，具有投資低、運(yùn)行費(fèi)用低、焚燒效率高、無(wú)需預(yù)處理、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)垃圾適應(yīng)性強(qiáng)，還適合于醫(yī)療廢物等特種垃圾、有機(jī)工業(yè)廢棄物、生畜禽養(yǎng)殖廢棄物、農(nóng)作物秸稈等。

4 結(jié)束語(yǔ)

垃圾熱解技術(shù)同焚燒技術(shù)相比，具有資源化程度高、無(wú)害化徹底、二次污染小的特點(diǎn)，在未來(lái)的垃圾處理技術(shù)中有很寬的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)：一熱解氣化爐安裝四層活動(dòng)爐排，將爐體分成干燥層、熱解層、熱解燃燒層、燃燒層和冷卻層，以減緩垃圾下降的時(shí)間，同時(shí)讓其反應(yīng)充分，提高熱分解效率；二超強(qiáng)湍流傳質(zhì)驟降塔降溫，煙氣瞬間從500℃降至200℃以下，阻斷了二惡英的復(fù)合再生條件，達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。需改進(jìn)之處是水分影響垃圾升溫過(guò)程，延長(zhǎng)了熱解時(shí)間，垃圾熱解前應(yīng)該進(jìn)行干燥預(yù)處理。