城市生活垃圾熱解氣化研究進(jìn)展

方少曼，李 娟，文 琛

（深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518001）

1 引言

近年來，中國一些主要城市的生活垃圾產(chǎn)生率一直在增加，而且有200多個城市被垃圾所包圍。我國大中城市年產(chǎn)垃圾1億t以上，絕大部分堆積在城郊，未經(jīng)處理，垃圾堆存量逾70多億t，侵占土地面積達(dá)5億m2［1］。生活垃圾不僅僅是一種廢棄物，垃圾里的有機(jī)物質(zhì)也是一種主要的可再生資源。垃圾的處理不僅是一個重要的環(huán)境問題，同樣也是資源再利用的問題。

目前，我國的城市生活垃圾處理處置技術(shù)最常用的是衛(wèi)生填埋和露天堆放，占總處理量的79.2%，其次是堆肥化，占總處理量的18.8%，少量的采用焚燒技術(shù)，約占總處理量的2%［2］。在垃圾處理的這些方法中，填埋處置操作簡單、適應(yīng)性廣，但浪費土地資源，而且存在潛在的二次污染；堆肥處理周期長，處理量小，產(chǎn)品難銷。焚燒技術(shù)有其顯著的減量減容特點及熱能回收利用的優(yōu)勢，但焚燒過程中會產(chǎn)生大量的酸性氣體、重金屬和二噁英等。而垃圾熱裂解氣化處理方法可以杜絕二噁英類物質(zhì)的產(chǎn)生，并且具有減容量大、無害化徹底、資源化充分、二次污染小等特點，正日益受到關(guān)注和重視［3～4］。

2 城市生活垃圾裂解技術(shù)

2.1 城市生活垃圾熱解技術(shù)的原理

城市垃圾熱解是在無氧或缺氧條件下，利用熱能使其成分發(fā)生化合鍵斷裂、異構(gòu)化和小分子聚合等反應(yīng)，由大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子燃料氣、焦油和焦炭。對于含有高熱值可燃物的垃圾（如廢紙、塑料及其他有機(jī)物）可采用熱解方法進(jìn)行處理。熱解產(chǎn)生的燃?xì)獬手行?，在無氧或低氧條件，可以杜絕二噁英類物質(zhì)的產(chǎn)生。熱解過程如下。

2.2 城市生活垃圾裂解技術(shù)的研究進(jìn)展

裂解技術(shù)用于手工業(yè)已有很長的歷史，木材和煤的干餾、重油裂解生產(chǎn)各種燃料油等早為人們所知。但將裂解技術(shù)應(yīng)用到固體廢棄物制造燃料，還是近幾十年的事，并被認(rèn)為是一種很有前途的垃圾處理方式。

W.K.Buah［5］等在固定床中裂解由城市生活垃圾制備的垃圾衍生燃料（RDF），在400～700℃裂解，氣體產(chǎn)品高位熱值（HHV）達(dá)5.1～16.7MJ／Nm3，裂解油熱值和輕質(zhì)燃油接近；S.Galvagno［6］等研究了廢舊輪胎在其它參數(shù)不變、裂解溫度在550～680℃之間變化時裂解產(chǎn)物的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在研究范圍內(nèi)，溫度對揮發(fā)物總產(chǎn)量影響不大，但對揮發(fā)分形態(tài)的比率影響較大；M.N.Islam［7］等研究了利用生物質(zhì)燃燒供熱的外加熱式固定床裂解城市生活垃圾（碎輪胎、廢塑料和廢紙）的工藝，主要產(chǎn)物為裂解油，實驗采用數(shù)種檢測方法表征裂解油的燃料特性如粘度、pH值、閃點、傾點和高位熱值，其性能類似于石油衍生產(chǎn)品，主要是烷烴、烯烴和芳香烴，裂解油未檢測到氮氯元素，可以用作碳?xì)淙剂稀?/p>

國內(nèi)許多學(xué)者對城市生活垃圾裂解也進(jìn)行了大量的研究。包向軍［8］等利用自行開發(fā)的蓄熱式燃燒技術(shù)，提出一種新型垃圾處理技術(shù)；多室蓄熱式垃圾裂解工藝，其特點是采用間壁式加熱設(shè)備裂解垃圾，可以產(chǎn)生高熱值的裂解氣；宋玉銀［9］等利用回轉(zhuǎn)窯研究了城市垃圾裂解產(chǎn)氣規(guī)律，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)80%以上，轉(zhuǎn)爐在600℃時工況最佳，所產(chǎn)燃?xì)獾臒嶂狄话愣荚?3800kJ／Nm3以上，可以作為民用和工業(yè)用燃料。

3 城市生活垃圾氣化技術(shù)

3.1 城市生活垃圾氣化技術(shù)的原理

城市生活垃圾氣化是將垃圾中有機(jī)成分在還原氣氛下與氣化劑（空氣、O2、水蒸氣等）反應(yīng)生成燃?xì)猓℉2、CO、CH4等）焦油和灰渣的過程。通過部分燃燒反應(yīng)放熱或外加熱提供氣化所需的熱量，在常壓或加壓情況下，使垃圾中有機(jī)物轉(zhuǎn)化成燃?xì)?，剩下的焦油和灰渣排出。上面所講的垃圾熱解技術(shù)是垃圾氣化技術(shù)的一種特殊情況，即不存在氣化劑的條件下所進(jìn)行的垃圾處理。

氣化過程主要發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)［11～13］：

以上反應(yīng)均為可逆反應(yīng)，氣體產(chǎn)物中可燃組分（CO、H2、CH4）的含量取決于反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物的濃度。通常情況下，C與O2的放熱反應(yīng)提供生活垃圾氣化過程所需的能量。

城市生活垃圾氣化采用的技術(shù)路線種類繁多，可從不同的角度對其進(jìn)行分類［12］。按照氣化劑種類的不同可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣-氧氣混合氣化和水蒸氣-空氣混合氣化、氫氣氣化等；根據(jù)采用的氣化反應(yīng)器的不同又可分為固定床氣化、流化床氣化和旋轉(zhuǎn)床氣化等；根據(jù)供熱方式的不同可分為直接加熱法和間接加熱法；另外，還可以根據(jù)氣化規(guī)模的大小、氣化反應(yīng)壓力的不同對氣化技術(shù)進(jìn)行分類。

3.2 城市生活垃圾氣化處理技術(shù)現(xiàn)狀

城市生活垃圾氣化技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時的目的是為了解決世界性石油危機(jī)，希望找到新的能替代石油的能源。但由于成本高昂，故停滯了研究和開發(fā)。隨著當(dāng)前化石能源逐漸的枯竭，尋找新的能源途徑再次受到關(guān)注。

T.H.Kwak［13］等基于 Thermoselect工藝，于1200℃溫度下，以3t／d的中試規(guī)模處理能力空氣氣化城市生活垃圾，產(chǎn)生的合成氣熱值為8.0～10.2MJ／Nm3，其中CO和 H2濃度可分別達(dá)到27%～40%和36%～40%，由于高溫和急冷卻處理，氣相和液相中二噁英和呋喃等多氯化合物被有效去除，濃度僅僅為0.03ng-TE／Nm3，遠(yuǎn)低于韓國排放標(biāo)準(zhǔn)0.1ng～TE／Nm3。熊祖鴻［14］等進(jìn)行了以空氣為氣化劑的下吸式氣化爐處理城市生活垃圾的研究。實驗結(jié)果表明，在750～900℃條件下進(jìn)行氣化，效果最佳，所得的可燃?xì)怏w熱值為4600kJ／kg，燃?xì)饨褂秃繛?.0g／m3，其中CO和H2濃度可分別達(dá)到9%～12%和14%～18%。吳家正、聞望［15，16］等對城市垃圾流化床氣化制氣進(jìn)行了小實驗階段的研究，并對上海市生活垃圾氣化處理法綜合利用的前景進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出了將垃圾中的有機(jī)物制氣和無機(jī)物制磚的方法。

4 城市生活垃圾熱解氣化新工藝

目前國內(nèi)對垃圾的熱解研究主要采用內(nèi)熱式熱解氣化，由于內(nèi)熱式熱解氣化過程中大量空氣進(jìn)入爐內(nèi)，和垃圾焚燒一樣容易產(chǎn)生二噁英污染。同時，其熱解燃?xì)庵泻械獨夂虲O2，其燃?xì)鉄嶂档?，利用的局限性大。另一方面垃圾熱解是強吸熱反?yīng)，需要外加熱源對垃圾進(jìn)行加熱，如采用煤加熱，則易產(chǎn)生二次污染污染；采用電和煤氣加熱，則成本較高。所以，生活垃圾外熱式熱解的外加熱源是難題。

對此，筆者開發(fā)了一套基于城市生活垃圾的生物質(zhì)粉體燃燒的外熱式生活垃圾熱解氣化一體系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了生物質(zhì)粉體為燃料，采用外加熱的方式提供氣化過程所需的熱量，并選用水蒸氣作為氣化劑，生物質(zhì)粉體燃燒室爐膛溫度可控制在1100℃左右，氣化所得的可燃?xì)怏w熱值為13MJ／Nm3左右。

4.1 工藝流程

該生物質(zhì)粉體供熱城市生活垃圾外熱式熱解工藝包括生活垃圾預(yù)處理系統(tǒng)、生物質(zhì)粉體直接燃燒供熱系統(tǒng)、熱解裝置、熱解氣體凈化系統(tǒng)以及殘留碳“水煤氣”化系統(tǒng)等5個部分。其工藝流程圖見圖1。

圖1 生物質(zhì)粉體供熱城市生活垃圾外熱式熱解氣化新工藝流程

城市垃圾經(jīng)過初選和破碎，從物料入口進(jìn)入預(yù)熱干燥室，在干燥室中依靠從燃燒室上升的煙氣余熱直接加熱干燥，并在振動電機(jī)的作用下向下運動。預(yù)熱干燥后的垃圾由物料推進(jìn)器橫向推入垃圾熱解室，與生物質(zhì)粉體燃燒室產(chǎn)生的高溫進(jìn)行氣-固熱交換，其熱量以間接換熱的形式加熱生活垃圾，熱解室中垃圾的最高溫度可升高至1100℃，而大部分垃圾在700～800℃時能絕氧熱分解，余熱煙氣通過煙氣總上升管進(jìn)入垃圾預(yù)熱室，垃圾受熱蒸發(fā)的水分從煙氣出口排出。垃圾在熱解室中受熱分解后產(chǎn)生的可燃?xì)怏w從熱解室上部引出，進(jìn)入旋風(fēng)除塵器，經(jīng)過除塵凈化后的熱解氣進(jìn)入冷卻器，在冷卻器中得到冷卻和凈化并與冷凝液分離。經(jīng)過除塵和冷卻凈化后的燃?xì)庾鳛槿剂舷蛳到y(tǒng)外輸出。

焦油和污水可以采用萃取分離，焦油可以制作原料油或作為化工原料。熱解結(jié)束后，垃圾熱解殘留物由推進(jìn)器向熱解室下部推進(jìn)，與熱解室底部上升的水蒸氣在高溫下發(fā)生“水煤氣”化反應(yīng)生成CO和氫氣，剩下的不能分解的無機(jī)物質(zhì)（爐渣）從爐渣出口排入到水封槽。

該系統(tǒng)在穩(wěn)定運行的條件下，燃燒室爐膛溫度可控制在1100℃左右，煙氣列管內(nèi)的溫度達(dá)850～950℃。當(dāng)煙氣列管溫度為950℃時，通水蒸氣氣化所得的可燃?xì)怏w組分為：H236.98%、CO 27.37%、CO220.78%、CH49.94%、其它4.93%，熱值為11.31MJ／Nm3。

4.2 工藝特點

（1）系統(tǒng)供熱采用生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù)，解決了垃圾外熱式熱解外加熱源的難題，可以減少對煤或電等常規(guī)能源的依賴，向外多供煤氣，增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）熱解過程中沒有O2的參與，煙氣中不含二噁英類物質(zhì)。使用水蒸氣為氣化劑，生成的燃?xì)庵胁缓瑏碓从诳諝獾牡獨?，燃?xì)鉄嶂蹈?，而且能與熱解殘留下來的固定碳進(jìn)一步反應(yīng)生成CO和氫氣，提高垃圾熱解氣化率。

（3）熱解氣采用管殼式水冷冷卻器間接冷卻，能大幅度減少廢水的產(chǎn)生量，也有利于焦油的分離提取，有利于系統(tǒng)的后續(xù)處理。

5 結(jié)語

垃圾熱解處理是垃圾氣化處理的一種特殊的情況，在無氧或絕氧、不存在氣化劑的環(huán)境下對垃圾進(jìn)行熱處理。城市生活垃圾的熱解氣化是新型的垃圾處理技術(shù)，它具有高效的能源利用率和良好的環(huán)保特性。結(jié)合垃圾熱解氣化技術(shù)，并利用生物質(zhì)粉體外熱式垃圾熱解氣化，所獲得的可燃?xì)怏w具有較高的熱值。此工藝可以對垃圾進(jìn)行穩(wěn)定化無害化處理和資源化利用，有著廣闊的發(fā)展前景。

［1］蔣劍春，戴偉娣，應(yīng) 浩.城市垃圾氣化試驗研究初探［J］.可再生能源，2003（2）：14～17.

［2］王 華.二噁英零排放化城市生活垃圾焚燒技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［3］Jackson D V.Resources recovery，agricultural industrial and municipal waste management［M］.London：Mech Engr Pub Ltd，1992.

［4］Heek K H，Strobel B O，Wanzl W.Coal utilization processes and their application to waste recycling and biomass conversion［J］.Fuel，1994，73（7）：1135～1143.

［5］Groscarth H M，Almeida A De，Banen A，et al，Total costs and benefits of biomass in selected regions of the European Union［J］.Energy，2000，25（11）：1081～1095.

［6］Buah W K，Cunliffe A M，Williams P T.Process safetynd environmental protection［J］.Trans Cheme，Part B，2007，85（B5）：450～457.

［7］Galvagno S，Casu S，Casabianea T.Pyrolysis process for the treatment of scrap tyres：preliminary experimental results［J］.Waste Management，2002（22）：917～923.

［8］Islam M N，Beg M R A，Islam M R.Pyrlytic oil from fixed bed pyrolysis of municipal solid waste and its characterizaton ［J］.Renewable Energy，2005（30）：413～420.

［9］包向軍，蔡九菊，羅光前，等.新型蓄熱式城市垃圾裂解技術(shù)［J］.冶金能源，2003，22（3）：44～48.

［10］宋玉銀.城市有機(jī)固體廢棄物的裂解研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，1992，10（3）：9～13.

［11］McKendry P.Energy production from biomass（part3）：gasification technologies［J］.Bioresource Tecnology，2002，83（1）：55～63.

［12］Maoyun H，Bo X，Shiming L，et al，Hydrogen-rich gas from catalytic steam gasification of municipal solid waste（MSW）：Influence of steam to MSW ratios and weight hourly space velocity on gas production and composition［J］.Int J Hydrogen Energy，2009（34）：2174～2183.

［13］Maoyun H，Bo X，Zhiquan H，Syngas production from catalytic gasification of waste polyethylene：Influence of temperature on gas yield and composition［J］，Int J Hydrogen Energy，2009（34）：1342～1348.

［14］劉榮厚.生物質(zhì)能工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［15］Kwak T H，Maken S，Park W，et al，Environmental aspects of gasification of koreanmunicipal solid waste in a pilot plant［J］.Fuel，2006（85）：2012～2017.

［16］熊祖鴻，戴偉娣，吳創(chuàng)之，等.下吸式氣化爐處理城市生活垃圾［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005，6（8）：75～78.

［17］吳家正，聞 望，王寶生，等.城市生活垃圾原料性質(zhì)對干餾及氣化過程的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，1989，17（1）：113～122.

［19］聞 望，魏敦松，莊永茂.城市生活垃圾氣化制氣的研究［J］.煤氣與熱力，1992，12（4）：4～7.