垃圾處理及其熱解氣化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

＊孔晶 李宣 陳正件* 黃廣禧 王馨雪 張獻(xiàn)

（1.珠海中科先進(jìn)技術(shù)研究院有限公司 廣東 519000 2.廣州市醇美環(huán)?？萍加邢薰?廣東 511400 3.珠海市泰如天和企業(yè)管理咨詢有限公司 廣東 519000）

隨著城市居民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾成分也隨之不斷的發(fā)生著變化，尤其體現(xiàn)在含水量上。目前全球?qū)奈廴炯捌淇刂埔巡扇「鞣N措施，諸如填埋、堆肥、熱處理、機(jī)械處理等等，但世界各國(guó)垃圾總量還是在不可避免的增長(zhǎng)，尤其體現(xiàn)在城市垃圾中的有機(jī)成分的增長(zhǎng)[1]。城市生活垃圾處理不當(dāng)時(shí)，將會(huì)對(duì)大氣、土壤、水體、人體健康等造成嚴(yán)重危害。然而其含有大量的碳?xì)滟Y源，若被適當(dāng)處理合理利用進(jìn)而形成可再生資源，將城市生活垃圾進(jìn)行無(wú)害化、減量化、能源化處理以及實(shí)現(xiàn)垃圾的資源化循環(huán)利用，可為國(guó)家乃至全球能源危機(jī)貢獻(xiàn)力量[2]。

熱解氣化法能顯著減少生活垃圾的體積，殘?jiān)壤^低，若將垃圾充分利用可獲得高價(jià)值的資源化產(chǎn)品，比如燃料油、可燃?xì)怏w等，其二次污染小，投資和運(yùn)行費(fèi)用較低。該法對(duì)垃圾成分的適應(yīng)性強(qiáng)，幾乎不會(huì)造成二次污染，因此，熱解氣化法處理生活垃圾具有較佳的應(yīng)用前景。

1.國(guó)外城市生活垃圾處理現(xiàn)狀

隨著全球科技與經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及土地資源的緊缺，各種垃圾處理技術(shù)也隨之不斷發(fā)展，以美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞典、丹麥等發(fā)達(dá)國(guó)家為代表，其生活垃圾處理已逐步由填埋，轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎梅贌ㄌ幚砗蜔峤鈿饣幚?。在城市垃圾處理方面，美?guó)因其地域遼闊，填埋處置率較高，美國(guó)采用填埋法占56%，焚燒占14%，其它則進(jìn)行回收利用。日本對(duì)于城市生活垃圾的處理則主要采用焚燒技術(shù)，該國(guó)垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，其垃圾焚燒處理量占垃圾總產(chǎn)量的75%以上[3]。德國(guó)擁有較完善的城市生活垃圾分類處理方式，其可生物質(zhì)降解物質(zhì)約占該國(guó)城市生活垃圾總量的20%～60%，可回收垃圾送入相關(guān)的工廠進(jìn)行循環(huán)利用，可生物降解物質(zhì)主要采用堆肥或其他方式處理，采用熱處理或機(jī)械生物處理方式進(jìn)行其余城市生活垃圾的處理，接著，處理后殘?jiān)鼤?huì)進(jìn)行填埋處理[4-5]。

因此，各國(guó)需要結(jié)合本國(guó)的土地資源、垃圾占比、垃圾成分等，有針對(duì)性的發(fā)展城市生活垃圾處理工藝。從實(shí)現(xiàn)垃圾無(wú)資源化、能源化的角度出發(fā)，開發(fā)特有的符合本國(guó)國(guó)情的垃圾處理方式，例如各類垃圾氣化工藝。

2.國(guó)內(nèi)城市生活垃圾處理現(xiàn)狀

根據(jù)2020年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示[6]（如圖1），近五年來(lái)，全國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理率逐年增加，到2019年達(dá)99.2%，全國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量2.421億噸，從圖1可以看出，2019年衛(wèi)生填埋、焚燒處理和其他處理比例分別占45.59%、50.70%和3.71%。城市生活垃圾焚燒廠有389座，處理能力45.6萬(wàn)噸/日，實(shí)際處理量1.2億噸/年。

圖1 近五年全國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理情況

我國(guó)的生活垃圾處理方式主要是填埋、堆肥和熱處理三大技術(shù)[7]，其中主要的熱處理技術(shù)分為焚燒技術(shù)和熱解氣化兩種。從資源化、能源利用的角度，較于焚燒技術(shù)，熱解氣化技術(shù)燃燒溫度較均勻，二次污染小，可以將城市生活垃圾轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的氣、液、固三種類型產(chǎn)品加以利用；從二次污染的角度，熱解氣化從原理上減少了二噁英的產(chǎn)生，尤其是在1000℃的高溫氣化條件下，可以有效分解二噁英等有害物質(zhì)。目前，根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，研究人員正在開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的熱解氣化生活垃圾處理技術(shù)。

表1 近五年全國(guó)城市生活垃圾處理情況[6]

3.城市生活垃圾熱解氣化技術(shù)

城市生活垃圾熱解氣化技術(shù)歷史較短，由于研究目的和方式的不同，釆用的熱解氣化設(shè)備結(jié)構(gòu)也不盡相同[8]。根據(jù)爐型結(jié)構(gòu)可以分為回轉(zhuǎn)窯、固定床（移動(dòng)床）、和流化床[9]。

(1)回轉(zhuǎn)窯熱解氣化技術(shù)

回轉(zhuǎn)窯熱解氣化爐[10]如圖3所示。垃圾經(jīng)過稍微破碎分選后直接送至回轉(zhuǎn)窯內(nèi)低溫?zé)峤鈿饣?，?duì)垃圾的尺寸沒有特別的要求，適用性較廣。由于在無(wú)空氣條件下熱解氣化，其通過熱解氣化產(chǎn)生的可燃?xì)怏w熱值較高，且該類爐型所產(chǎn)生的爐渣較少且成分相對(duì)單一，利于爐渣的排除和后處理。其產(chǎn)生的可燃?xì)饪捎糜跔t子本身燃燒供熱，減少了熱量的流失，無(wú)需外加加熱，熱能利用率高，且將資源得到有效利用，但是回轉(zhuǎn)窯熱解氣化爐的體積龐大，投資稍大，且有效利用面積小，目前研究者也正在對(duì)該類爐型進(jìn)行不斷改造。

圖2 回轉(zhuǎn)窯熱解氣化爐[17]

圖3 外熱式固定床垃圾熱解工藝

(2)固定床熱解氣化技術(shù)

固定床熱解氣化技術(shù)[11]處理城市生活垃圾時(shí)，首先需要將垃圾進(jìn)行預(yù)處理：包括分選和破碎壓縮成型，降低含水率，一般降低至低于10%。燃燒室溫度控制在1300～1500℃之間，在該溫度下，垃圾中的有機(jī)物開始分解成可燃?xì)怏w、焦油、半焦。部分蓄熱式熱解氣化爐的燃燒室采用蓄熱式燃燒，利用燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔忸A(yù)熱空氣。產(chǎn)生的氣體燃料，可直接用作鍋爐的燃料或者混入高熱值氣體燃料制作城市煤氣，產(chǎn)生的灰渣可用作建筑骨料。外熱式固定床處理裝置較適用于對(duì)組成復(fù)雜、成分變化較大的城市垃圾，可以充分回收各種資源，包括可燃?xì)怏w、焦油、半焦等，例如其產(chǎn)生的焦油可以制作原料油或作為化工原料，熱解氣體一部分送入燃燒室提供熱量，另一部分作為外供燃?xì)饧右岳?；煙氣中的粉塵含量、二噁英類的含量較低，且產(chǎn)物中SOx、NOx等產(chǎn)物的生成量少，二次污染小。

(3)流化床熱解氣化技術(shù)

流化床熱解氣化技術(shù)[12]是借著惰性介質(zhì)（如石英砂）的均勻傳熱與蓄熱效果以達(dá)到垃圾熱解的目的。圖4是一種流化床熱解氣化爐，城市垃圾加入爐后熱分解在短時(shí)間內(nèi)完成，熱量由部分燃燒熱解產(chǎn)物來(lái)供給，流化空氣由熱解爐下部的供風(fēng)裝置供給。流化床熱解氣化爐由于介質(zhì)是懸浮狀態(tài)，氣固間充分混合、接觸，整個(gè)爐床溫度非常均勻，且流化床內(nèi)的熱解反應(yīng)速度快，可極大改善傳熱條件和溫度控制，該類爐型可以調(diào)節(jié)相應(yīng)垃圾處理量且可控制流化氣體的體積，對(duì)垃圾適用性廣，此外設(shè)備尺寸要比典型的固定床反應(yīng)器要小得多，但其熱量利用率相對(duì)較低，且垃圾前處理要求較高（需要將垃圾顆粒尺寸破碎至小于1cm），如果操作過程控制不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染。如何避開其不足而充分利用其優(yōu)點(diǎn)，也成為研究者的考慮方向。

圖4 流化床熱解氣化爐

(4)代表性熱解氣化裝置

在我國(guó)，垃圾熱解氣化技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從單純的焚燒和傳統(tǒng)的排爐，以及實(shí)驗(yàn)室的研究，中型和大型的熱解氣化裝置逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，根據(jù)大量文獻(xiàn)資料顯示，具有代表性的裝置有真空移動(dòng)床、流化床、兩段移動(dòng)床及回轉(zhuǎn)窯等[13]，尤其是針對(duì)廢舊塑料，橡膠和固體廢棄物的熱解設(shè)備的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，也引起人們的廣泛關(guān)注和重視[14-16]。目前氣化爐內(nèi)溫度較高的還有立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化焚燒、離子體氣化等，其詳細(xì)情況見表2所述。

表2 代表性裝置及其基本情況[14-16]

4.熱解氣化城市生活垃圾處理面臨的挑戰(zhàn)[17-18]

目前國(guó)家對(duì)熱解氣化工藝尚無(wú)全面評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，難以將熱解氣化與焚燒加以明顯區(qū)分，已有的熱解氣化項(xiàng)目無(wú)運(yùn)行跟蹤數(shù)據(jù)，其運(yùn)行效果難以評(píng)估，需要國(guó)家或者行業(yè)層面對(duì)熱解氣化項(xiàng)目在政策上提出指導(dǎo)建議。此外，目前我國(guó)熱解氣化設(shè)備以小型化設(shè)施為主，部分尚處在實(shí)驗(yàn)室階段，規(guī)模量較小，其產(chǎn)品再利用和能量回收的較少，而熱解氣化工藝具備實(shí)現(xiàn)生活垃圾資源化大規(guī)模利用的潛力，需進(jìn)一步擴(kuò)大處理規(guī)模并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

5.結(jié)論

（1）綜上所述，熱解氣化技術(shù)在控制二噁英等污染物的排放方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其可充分實(shí)現(xiàn)垃圾的資源化和能源化利用。我國(guó)垃圾熱解氣化方面的研究成果還不成熟，較多尚處在實(shí)驗(yàn)室階段，規(guī)模量較小，研究缺乏系統(tǒng)性，偏重機(jī)理與基礎(chǔ)研究，還需進(jìn)一步研究以投入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中，國(guó)家也需進(jìn)一步完善熱解氣化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策。

（2）通過比較國(guó)內(nèi)外生活垃圾處理現(xiàn)狀可得，在垃圾熱解氣化工藝方面國(guó)外已經(jīng)研制相對(duì)成熟和大規(guī)模運(yùn)用的產(chǎn)品，但由于我國(guó)生活垃圾熱值較低、含水率偏高的特點(diǎn)，且存在垃圾分選不規(guī)范等問題，國(guó)外熱解氣化處理工藝并不適應(yīng)國(guó)內(nèi)城市生活垃圾的處理。因此，開發(fā)出符合我國(guó)國(guó)情、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱解氣化設(shè)備尤為重要。