鐵路站車生活垃圾熱解氣化技術研究評析

王曉偉

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

隨著我國鐵路快速發(fā)展、客運量持續(xù)增長和人民生活水平的不斷提高，鐵路站車生活垃圾量和比重也在逐步上升，據(jù)統(tǒng)計2015年全路產(chǎn)生50萬噸以上的垃圾量，對運輸安全、環(huán)境衛(wèi)生等造成壓力[1-3]。2017年3月18號國務院辦公廳頒布的《關于轉發(fā)國家發(fā)改委住建部生活垃圾分類制度實施方案的通知》指出，遵循垃圾減量、無害和資源化原則，在實施強制分類城市中回收利用率達到35%以上，其中強制實施的對象包括車站。因此，針對垃圾分類后的處理技術新模式(如集中式和分散式)或?qū)⒈恢匦乱?guī)劃考慮，如鼓勵餐廚垃圾就地消納處理，該政策將進一步完善和拉動垃圾處理整套裝備市場。

1 鐵路站車生活垃圾處置處理主要問題

目前，鐵路站車生活垃圾處置處理面臨的主要問題包括以下方面。

1.1 回收處理設施不足

目前，尚無儲備垃圾分選、減量、無害和資源化回收處理設施，如PE/PET類塑料垃圾分類分選回收設備、餐廚垃圾收集處理設施等，需每年繳納一定的垃圾處理費和輸運費，政府強制垃圾分類的實施可能還會增收垃圾分類費。

1.2 垃圾成分及區(qū)域存在差異

站車生活垃圾成分及區(qū)域性差異較大，鐵路站車生活垃圾基本是以可燃成分為主，如食物殘渣、塑料包裝類和紙屑等，約占90%以上，其熱值高和回收價值大。

1.3 新技術處理模式亟待推出

鐵路站車生活垃圾處理特點與要求尚缺乏系統(tǒng)研究，其處置技術模式的選擇仍缺乏科學依據(jù)，亟需尋找低成本、風險可控、環(huán)境可持續(xù)的處置技術模式。

目前，中小站區(qū)尤其是偏遠站區(qū)，垃圾產(chǎn)生量較小且市政回收輸運條件欠缺或輸送成本過高，需自行處理，因不允許直接填埋或露天焚燒，亟需推出新的技術處理模式，如清潔低能耗中小型分散式垃圾處理技術。

1.4 生活垃圾處置水平有待提高

《綠色鐵路客站評價標準》對垃圾收集分類和處置處理提出了明確要求，而鐵路生活垃圾處置處理水平薄弱是目前我國鐵路建設“綠色車站”“智慧鐵路”的重要制約因素。

綜上，亟需系統(tǒng)開展站車生活垃圾特點與處置要求差異性研究，提出和構建鐵路站車分散式生活垃圾處置處理技術體系，為提高鐵路垃圾處理的無害化、減量化和資源化技術水平，節(jié)約運營成本，提升行業(yè)競爭力，完善鐵路生活垃圾輸運處理和綠色站車建設等提供支撐。

2 垃圾熱解氣化技術及應用

2.1 原理與特點

熱解是在無氧或缺氧的條件下，受熱后分解為液體油、可燃氣體和焦炭3種產(chǎn)品[4-5]。熱解氣化技術早在19世紀初就得以應用，在過去的10～15年時間里，熱解氣化技術已經(jīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)技術[6]。

垃圾熱解主要分為催化熱解、共熱解、慢熱解、中速熱解和快熱解[7-8]，該技術因其優(yōu)勢已經(jīng)得到應用。雖然熱解過程中產(chǎn)生的焦油導致管路的堵塞或結焦而使設備停運，后續(xù)的維護、清理非常復雜，但是垃圾熱解氣化技術無論在控制常規(guī)污染物還是二噁英等方面都有望達到極低水平[1]。

同時，生活垃圾經(jīng)篩選后，篩上物用于熱解，篩下物(如食品殘渣)可用于堆肥，不僅提高熱解氣的品質(zhì)，而且可望真正徹底實現(xiàn)鐵路站車生活垃圾的無害化和資源化[9-10]。

2.2 生活垃圾熱解氣化影響因素

2.2.1 氣化媒介的影響

氣化媒介為空氣時，空氣當量比(ER)是一個重要的氣化器設計參數(shù)，它是一個實際空燃比與理論空燃比之間的比值，關系為

ER(<1.0)氣化=實際空氣量/理論空氣量=ER(>1.0)燃燒

燃氣質(zhì)量與ER值有直接關系，ER值過低(<0.2)會使垃圾不能完全氣化、碳含量過高和燃氣熱值低等。ER太高會使熱解氣產(chǎn)出中CO、H2再次氧化為CO2、H2O，使熱值降低。實際氣化時，ER值一般在0.2～0.3之間[10]。

對于上吸式氣化爐，低ER值可以使焦油產(chǎn)量最大化，ER值過高會使產(chǎn)氣過度氧化，出口溫度過高。

媒介量可由2個參數(shù)確定：一是計算垃圾熱解氣化理論空氣量，然后由ER值確定實際空氣量；二是根據(jù)垃圾成分分析，由S/C(硫/碳)比值確定蒸汽加入量，空氣/水蒸氣高比值可產(chǎn)生氣體H2、CO2和CH4的成分較少，高位發(fā)熱量較低，但CO含量很高[10]。因此，鐵路站車垃圾熱解裝置可以采用較為經(jīng)濟的空氣蒸汽混合作為氣化媒介。

2.2.2 催化劑對熱解性能的影響

催化劑能夠根據(jù)要求有效控制熱解氣化產(chǎn)物的形成，催化熱解產(chǎn)氣的催化劑種類很多，主要以CaO和稀有金屬為主。目前，多采用實驗室構建的小型上吸式垃圾固定床水蒸氣氣化爐，研究不同CaO催化劑比例對熱解氣的組成及焦油產(chǎn)量等的影響[11-12]。納米催化劑價格昂貴，技術尚不成熟，使用鉀氧化物作為催化劑后，垃圾殘留物可能會造成土壤鹽堿化；而CaO價格低廉，并且有利于焦油的裂解。因此，CaO在垃圾熱解時運用比較廣泛。

2.2.3 催化劑對除焦油特性的影響

焦油是一種十分復雜的混合物，現(xiàn)在已測量出的就有幾百種物質(zhì)[13]，包括酚、酮、醛、酸、芳香族化合物等，其成分隨著物料種類、反應條件變化而變化[14]。國內(nèi)外學者研究了兩段式分部氣化，將物料熱解和氣化分開進行，可以保證焦油的充分裂解[15-16]，其中上吸式固定床結構簡單，熱效率高，但焦油產(chǎn)量大，熱解過程中焦油會諸塞管道、過濾器。

有多種去除焦油的辦法[17]，如機械法、熱分解法、催化裂解法及等離子體法等，其中催化裂解法是去除效率最高、經(jīng)濟性最好的方法[10]。白云石成本低，是目前應用最普遍的催化劑[18-19]。

2.2.4 垃圾含水率的影響

垃圾含水率對富氫化和熱解效果等有不同程度的影響。水蒸氣對垃圾熱解特性的影響及特定熱解工況下垃圾最佳含水率的確定，對垃圾熱解工藝的簡化和能源消耗的減少具有重要意義[10]。

適當?shù)暮蕦母粴浠写龠M作用。目前部分垃圾氣化工藝中，為增加氣態(tài)產(chǎn)物量而對干燥后的垃圾再次通入水蒸氣的方法，不但使設備復雜化，還造成了能源浪費。因此，將具有一定含水率的垃圾直接用于熱解氣化更為合適。高含水率條件下熱解產(chǎn)氫量明顯高于干污泥熱解產(chǎn)氫量[20]，高溫使所含水分蒸發(fā)變?yōu)樗魵?，并參與水汽重整、水煤氣反應及半焦氣化，從而使氣態(tài)產(chǎn)物及氣態(tài)產(chǎn)物中的氫氣比例相較于干生物質(zhì)熱解高[21-22]。

2.3 生活垃圾熱解氣化中污染物的控制

新型的垃圾焚燒技術污染較小。Babushok V I等[23]指出，當燃燒工況良好情況下，氣相反應生成的二英會大大減少。煤所產(chǎn)生的SO2能夠抑制二英的形成，當SO2存在時，SO2與Cl2、水分反應生成HCl，從而減少氯化作用，進而抑制二英的生成。

Liu W J等[25]研究了電子產(chǎn)品與生物質(zhì)(鋸屑)混合后再添加入溴化阻燃劑熱解產(chǎn)油的實驗，當單獨熱解時，焦油產(chǎn)量分別是53.1%和46.3%，而混合熱解后產(chǎn)油為62.3%。熱解油中含有多種芳香族混合物，塑料中的溴化物濃縮于熱解油中，后期凈化處理也很方便。

3 結論與建議

3.1 生活垃圾熱解氣化技術存在的問題

垃圾熱解氣化技術雖然具有明顯的優(yōu)勢，但仍存在一些問題。

(1)熱解爐的選取仍然缺乏資料，具體尺寸，特別是針對于適合站車小型化生活垃圾的熱解氣化設備，尚未形成行業(yè)內(nèi)的設計規(guī)范，需要開展系列研究確定。

(2)未深入研究和研發(fā)適合鐵路站車生活垃圾特點的熱解氣化技術及其設備。缺少針對鐵路站車生活垃圾特點的預處理、分類和后續(xù)資源化處理技術研究。

(3)鐵路站車生活垃圾產(chǎn)量相對較低，垃圾分選裝置與選型尚不明確，需要研究確定。

(4)垃圾熱解氣化爐連續(xù)運行尚不穩(wěn)定。由于進料方式的原因，垃圾熱解氣化時容易偏燒；此外，氣化爐高溫氣固分離技術不完善，熱解氣化爐氯腐蝕現(xiàn)象可能會較為嚴重。

3.2 鐵路站車生活垃圾熱解技術研究應用的關鍵點

(1)從頂層設計層面，應針對性提出適合鐵路站車生活垃圾可自消納的綜合處理新技術模式，開展垃圾無害化、減量化和資源化關鍵技術深化系統(tǒng)研究，以有利于后續(xù)研發(fā)清潔能源和高值低環(huán)境污染的熱解氣化處理成套裝備，實現(xiàn)資源化技術與裝備的統(tǒng)一，形成鐵路生活垃圾中小型綜合處理技術方案和成套工藝體系。

(2)加強鐵路站車生活垃圾分選管理與預處理技術。我國鐵路站車生活垃圾含有多種組分、形態(tài)存在差異，需要在熱解氣化工序前進行預處理，將可燃垃圾進行分離，并改善其顆粒大小、均勻性和流動性，提高后續(xù)熱解氣化的速率和效率、改善輸送性和攪拌性能。

(3)構建處理規(guī)模小、運行操作簡便、投資省的鐵路站車生活垃圾高值化成套熱解氣化技術與中小型處理裝備。針對站車生活垃圾多種組分和含水率高的特點，研發(fā)推廣特定爐型床體的垃圾熱解氣化工藝。通過垃圾預處理技術、高效熱解技術、氣化過程污染控制技術及焦油處置技術等，形成適用于鐵路站車垃圾氣化處理的集成技術及設計方法。