城市生物質(zhì)垃圾燃?xì)饣邦A(yù)處理工藝、設(shè)備研究

李宇宸，梁德棟

（1.北京中環(huán)博宏環(huán)境資源科技有限公司，北京 100102；2.北京北控京奧建設(shè)有限公司，北京 102115）

近年來(lái)，隨著城市化水平的不斷提升，城市氣源不足問(wèn)題日益成為影響市民生產(chǎn)生活的重要因素。2017年12月15日至20日，環(huán)境保護(hù)部派出2 000多人組成的839個(gè)工作組，對(duì)京津冀及周邊的“2+26”城市的“煤改氣”“煤改電”進(jìn)行拉網(wǎng)式檢查后，發(fā)現(xiàn)一些地方存在氣源不足引發(fā)市民取暖困難的問(wèn)題[1]。積極開發(fā)和利用生物質(zhì)能源，對(duì)緩解能源短缺、保障國(guó)家能源安全和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重大意義。

近年來(lái)，隨著居民生活水平的提高，固體廢物產(chǎn)生量超過(guò)了70億t，60%以上是生物質(zhì)廢物，其中，15億t的生物質(zhì)廢物處于無(wú)控排放狀態(tài)，城市生物質(zhì)廢物帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題亟待解決。生物質(zhì)燃?xì)馐菍⑸镔|(zhì)廢物處理轉(zhuǎn)化為可再生能源和資源，體現(xiàn)了減排和清潔效應(yīng)，在緩解能源不足問(wèn)題的同時(shí)，也解決了環(huán)境污染問(wèn)題。目前，瑞典、丹麥、奧地利、德國(guó)和美國(guó)的生物質(zhì)氣化技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)氣化的商業(yè)化應(yīng)用和規(guī)模化經(jīng)營(yíng)。我國(guó)的生物質(zhì)氣化主要由氣化發(fā)電和農(nóng)村氣化供氣組成。隨著近年來(lái)的探索和應(yīng)用，我國(guó)的生物質(zhì)氣化發(fā)電正朝著產(chǎn)業(yè)規(guī)模化方向發(fā)展，但也存在氣化效率偏低、燃?xì)赓|(zhì)量和氣化設(shè)備的燃料適應(yīng)性較差等問(wèn)題[2]。

1　國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)燃?xì)饣夹g(shù)現(xiàn)狀

城市生物質(zhì)氣化在世界范圍內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用，也取得了很大成就。生物質(zhì)氣化設(shè)備規(guī)模較大，自動(dòng)化程度高，工藝復(fù)雜，生物質(zhì)氣化主要應(yīng)用于供熱、發(fā)電和合成液體燃料方面，氣化爐和示范工廠也達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

1.1　國(guó)外生物質(zhì)燃?xì)饣夹g(shù)現(xiàn)狀

瑞典、丹麥、奧地利、美國(guó)以及加拿大等國(guó)的生物質(zhì)燃?xì)饣夹g(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用和規(guī)模化經(jīng)營(yíng)。20世紀(jì)80年代末90年代初，歐洲和美國(guó)的生物質(zhì)燃?xì)饣夹g(shù)主要采取上吸式和下吸式固定床氣化爐實(shí)現(xiàn)發(fā)電和供熱需要，但應(yīng)用規(guī)模較小。近年來(lái)，隨著生物質(zhì)燃?xì)饣?guī)模越來(lái)越大，大中型氣化發(fā)電系統(tǒng)多采用常壓循環(huán)流化床工藝，原料的適應(yīng)性好，在生物質(zhì)燃?xì)饣夹g(shù)研究和應(yīng)用方面建立了一批示范或商業(yè)工程，如表1所示[3]。

表1　國(guó)外典型氣化工藝及應(yīng)用

從國(guó)外生物質(zhì)燃?xì)饣陌l(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，生物質(zhì)氣化混合燃燒技術(shù)應(yīng)用于煤電廠，將生物質(zhì)氣化獲取的可燃?xì)怏w輸送到鍋爐，并與煤混燃，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)饣纳虡I(yè)運(yùn)行。

1.2　國(guó)內(nèi)生物質(zhì)燃?xì)饣夹g(shù)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)生物質(zhì)氣化已經(jīng)解決了一些關(guān)鍵性技術(shù)，并應(yīng)用于氣化發(fā)電和氣化供氣。其中，氣化燃?xì)夤I(yè)鍋爐/窯爐應(yīng)用、干餾氣化，以及其他技術(shù)都還處于起步階段。氣化供氣和氣化工業(yè)應(yīng)用技術(shù)方面取得了一定成就，開發(fā)出了木屑、稻殼、秸稈等生物質(zhì)為原料的固定床和流化床氣化爐，并成功研制出從400 kWe到10 MWe的不同規(guī)格氣化發(fā)電裝置。此外，應(yīng)用生物質(zhì)氣化技術(shù)建設(shè)集中供氣系統(tǒng)滿足居民炊事和采暖用氣也都投入實(shí)際應(yīng)用中。1994年，山東省桓臺(tái)縣東潘村建成我國(guó)第一個(gè)生物質(zhì)氣化集中供氣。隨后，北京、天津、黑龍江、吉林等地陸續(xù)推廣和應(yīng)用生物質(zhì)氣化技術(shù)。常州運(yùn)達(dá)印染、珠海麗珠合成制藥以及深圳華美鋼鐵等都實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)氣化燃?xì)夤I(yè)鍋爐和窯爐的實(shí)際應(yīng)用。

與燃煤相比，生物質(zhì)燃?xì)饽茉吹膯挝粺崃砍杀靖撸黠@低于天然氣、燃料油等化石能源單位熱量成本。應(yīng)用城市生物質(zhì)垃圾進(jìn)行氣化應(yīng)用，能夠有效緩解城市生物質(zhì)垃圾污染的現(xiàn)實(shí)壓力，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的再生利用。此外，生物質(zhì)氣化符合城市生物質(zhì)資源相對(duì)集中特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)發(fā)展前景。

2　城市生物質(zhì)垃圾燃?xì)饣A(yù)處理技術(shù)

近年來(lái)，厭氧消化技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，尤其一些基于細(xì)胞固定化技術(shù)的新型高效厭氧反應(yīng)器在高濃度有機(jī)廢水處理領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果。但是，城市生物質(zhì)垃圾具有高固體含量、固液分離效果差等特點(diǎn)，需要先對(duì)生物質(zhì)垃圾實(shí)施改性預(yù)處理，以改善其流動(dòng)性、固液分離特性，使有機(jī)物從固相向液相轉(zhuǎn)移，并利用新型高效基質(zhì)截留型高固體厭氧反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)消化過(guò)程固體基質(zhì)停留時(shí)間（SRT）和水力停留時(shí)間（HRT）有效分離，從而提升厭氧消化系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷率和消化效率，如圖1所示。其中，物理法預(yù)處理主要是通過(guò)改變生物質(zhì)原料物理結(jié)構(gòu)以增加纖維素與酶接觸的表面積，從而提升生物質(zhì)中纖維素的利用率。常見的物理法預(yù)處理主要有機(jī)械粉碎、物理-化學(xué)法（如水熱預(yù)處理工藝）。

2.1　機(jī)械破碎預(yù)處理工藝

采取非均相復(fù)雜固態(tài)/半固態(tài)物料的預(yù)處理技術(shù)，從而保障厭氧消化的進(jìn)料質(zhì)量，結(jié)合有機(jī)固體的強(qiáng)化水解技術(shù)，進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)固體的溶解，提升城市生物質(zhì)物料的生化降解效果。

圖1　城市生物質(zhì)垃圾燃?xì)饣に嚵鞒?/p>

城市垃圾生物質(zhì)具有非均相復(fù)雜固態(tài)/半固態(tài)特性，采用“研磨機(jī)+錘式粉碎機(jī)”兩級(jí)破碎工藝，先對(duì)生物質(zhì)廢物進(jìn)行研磨破碎，待破碎后再通過(guò)錘式粉碎機(jī)粉碎漿化。這樣可以使生物質(zhì)廢物體積減少，并具有一定的流動(dòng)性，從而為下一步水熱處理奠定基礎(chǔ)。

2.2　水熱預(yù)處理工藝及影響因素分析

城市生物質(zhì)垃圾主要包括餐廚垃圾、果蔬垃圾、市政污泥等固相有機(jī)物質(zhì)，通過(guò)水熱預(yù)處理的熱作用打破固相有機(jī)物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)固相有機(jī)物水解。水熱預(yù)處理后，將生物質(zhì)溶解率、黏度、固液分離性等多項(xiàng)理化性質(zhì)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討水熱條件在城市生物垃圾預(yù)處理中的特點(diǎn)和規(guī)律。其中，水解率用來(lái)描述預(yù)處理過(guò)程中固相有機(jī)物的水解效果。VSS水解率、蛋白質(zhì)水解率、多糖水解率及纖維水解率均可以采用式（1）計(jì)算：

式中，SA為水解率，%；A0為原始有機(jī)物含量，g/kg；A為預(yù)處理后有機(jī)物含量，g/kg。

2.2.1水熱條件對(duì)固相有機(jī)物溶解影響

用VSS濃度表示城市生物質(zhì)廢物中固相有機(jī)物含量。其中，VSS水解率可以用來(lái)評(píng)價(jià)物料中固體有機(jī)物的水解液化程度。不同水熱溫度及水熱時(shí)間條件下生物質(zhì)垃圾VSS水解率呈現(xiàn)出不同的變化特點(diǎn)：隨著水熱溫度升高和水熱時(shí)間延長(zhǎng)，污泥的VSS水解率提升，在170℃/60 min時(shí)，VSS水解率達(dá)到60%，大部分固相有機(jī)物轉(zhuǎn)移為液相；而餐廚和果蔬的水熱溫度為150℃時(shí)，VSS濃度變化不大，VSS水解率低于20%，此時(shí)水解作用不明顯，而當(dāng)水熱溫度達(dá)到175℃時(shí)，VSS水解率會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而提升，在反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)達(dá)到60%，此時(shí)大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)移為液相。

在熱水解的過(guò)程中，固體有機(jī)物隨著液化水解，液相中的溶解性COD（SCOD）濃度會(huì)逐漸增加，在總COD（TCOD）中的占比也逐漸增加，并隨著生物質(zhì)垃圾中有機(jī)物溶解和水解，固相中有機(jī)物會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移為液相，液相中SCOD濃度增加。污泥中SCOD隨水熱溫度和水熱時(shí)間增加而增加，CSOD/TCOD最高為45%；餐廚/果蔬垃圾，水熱溫度為150℃時(shí)，SCOD濃度和原始物料相差不大，當(dāng)水熱溫度為175℃時(shí)，SCOD濃度隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸升高，反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)達(dá)到129.54 g/L的最高值，此時(shí)SCOD/TCOD為71.62%，大部分有機(jī)物會(huì)以液相存在，有利于提升后續(xù)厭氧消化速率。

2.2.2水熱預(yù)處理對(duì)生物質(zhì)垃圾理化性質(zhì)影響

在優(yōu)化水熱條件下（175℃/60 min），以廚余垃圾、果蔬垃圾和市政污泥為研究對(duì)象，對(duì)城市生物質(zhì)垃圾水熱前后的理化性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。在水熱前后，分析城市生物質(zhì)廢物溶解性有機(jī)物的分子量分布，對(duì)于未水熱的城市生物質(zhì)廢物，溶解性有機(jī)物在各分子量階段基本呈平均分布，水熱后MW＞10 kDa的大分子有機(jī)物的濃度明顯增加。水熱后，餐廚垃圾、果蔬垃圾以及市政污泥中MW＞10 kDa的溶解性糖類分別占總?cè)芙庑蕴堑?6.7%、81.4%和83.2%；MW＞10 kDa的溶解性蛋白質(zhì)分別占總?cè)芙庑缘鞍踪|(zhì)的73.1%、81.5%和87.1%。生物質(zhì)廢物中分子量＞300 kDa的有機(jī)物主要為多糖或多肽等，因此，水熱后大分子溶解性有機(jī)物含量的增加證明水熱預(yù)處理能夠促進(jìn)顆粒有機(jī)物的水解。此外，水熱預(yù)處理能夠破壞生物質(zhì)廢物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)胞內(nèi)有機(jī)物的釋放。

2.2.3水熱預(yù)處理對(duì)生物質(zhì)垃圾工程特性影響

在水熱過(guò)程中，固體有機(jī)物的水解液化能夠有效改善生物質(zhì)垃圾的黏度，改善生物質(zhì)垃圾的脫水性。在優(yōu)化水熱條件下（175℃/60 min）下，生物質(zhì)垃圾的黏度明顯改善，如表2所示。黏度是厭氧消化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，黏度降低能夠顯著改善流動(dòng)性，城市生物質(zhì)廢物在輸送過(guò)程中系統(tǒng)的受阻力和物料攪拌所需動(dòng)力會(huì)減少，從而降低設(shè)備的能耗。

表2　水熱前后城市生物質(zhì)垃圾黏度變化

在優(yōu)化水熱條件下（175℃/60 min）下，采用壓濾法測(cè)試水熱前后城市生物質(zhì)的脫水性能，對(duì)于壓濾裝置，壓濾條件為1 MPa/40 min。經(jīng)計(jì)算，餐廚垃圾、果蔬垃圾、市政污泥壓濾后，其泥餅含水率分別為66.5%、68.1%和80.0%，水熱后其泥餅的含水率分別為46.7%、55.1%和60.4%，水熱過(guò)程有效地提高了物料的脫水性能，生物質(zhì)的黏度明顯降低，物料脫水性能也得到明顯的改善。

3　城市生物質(zhì)垃圾燃?xì)饣A(yù)處理設(shè)備

3.1　城市生物質(zhì)垃圾破碎系統(tǒng)設(shè)備

針對(duì)城市生物質(zhì)垃圾的物料特性，對(duì)其經(jīng)過(guò)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行破碎后的效果進(jìn)行粒徑分布研究，選擇了三種尺寸的篩網(wǎng)（10 mm×10 mm、5 mm×5 mm、3 mm×3 mm），一定量的物料破碎后按孔徑從大到小過(guò)篩稱重計(jì)算比例，得到破碎后物料顆粒的粒徑分布百分比。分別對(duì)物料經(jīng)過(guò)一級(jí)破碎和兩種二級(jí)破碎后的粒徑分布進(jìn)行過(guò)篩，按照先大尺寸過(guò)篩，篩上物稱重，篩下物再進(jìn)行下一尺寸過(guò)篩，如此繼續(xù)。

圖2　預(yù)處理破碎系統(tǒng)的物料破碎粒徑分布

由圖2可知，經(jīng)過(guò)輥式的一級(jí)破碎后，物料大部分在5 mm以上，其中10 mm以上的比例最大，占40%；而輥式的二級(jí)破碎后大部分物料粒徑仍在3 mm以上，其中有30%集中在5～10 mm；破碎效果最佳的一級(jí)輥式+二級(jí)錘式破碎工藝可使3 mm以下的物料達(dá)到85%。

3.2　水熱強(qiáng)化水解預(yù)處理設(shè)備設(shè)計(jì)

為促進(jìn)水熱強(qiáng)化水解預(yù)處理工藝的順利開展，試驗(yàn)時(shí)開發(fā)建設(shè)了水熱閃蒸設(shè)備，對(duì)生物質(zhì)廢物進(jìn)行水熱閃蒸強(qiáng)化水解處理。其設(shè)備應(yīng)用原理為：破碎漿化后的城市生物質(zhì)廢料通過(guò)壓縮空氣進(jìn)入水熱反應(yīng)器中，每個(gè)水熱反應(yīng)器都經(jīng)過(guò)了“進(jìn)料+一次蒸汽加熱+原蒸汽加熱+水熱反應(yīng)+一次閃蒸+二次閃蒸+出料”七個(gè)步驟，然后進(jìn)入儲(chǔ)料罐，為后期的生物質(zhì)燃?xì)饣龊脺?zhǔn)備。

水熱強(qiáng)化水解預(yù)處理設(shè)備主要是由間歇式污泥漿化反應(yīng)器、間歇式水熱反應(yīng)器、控制單元設(shè)備以及污泥水熱系統(tǒng)工藝組成的優(yōu)化組合[4]。其中，水熱漿化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)開發(fā)，針對(duì)強(qiáng)制攪拌、加熱與稀釋作用，都能降低城市生物質(zhì)廢物的黏度，提高系統(tǒng)能穩(wěn)定輸送的固體濃度，水熱漿化反應(yīng)器采用閃蒸乏汽返混預(yù)熱漿化、蒸汽與機(jī)械協(xié)同攪拌，漿化反應(yīng)器采用單層、高速機(jī)械攪拌，利用污泥剪切稀化特性，達(dá)到改善物質(zhì)廢物流動(dòng)性效果。水熱反應(yīng)器應(yīng)采用塔式無(wú)攪拌裝置，選擇長(zhǎng)徑比大、裙座，具備運(yùn)行穩(wěn)定、占地面積小等優(yōu)勢(shì)。

4　結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)是熱解前期的重要基礎(chǔ)性步驟，既有物理法、化學(xué)法，也有物理-化學(xué)法。不同的預(yù)處理方式對(duì)生物質(zhì)化學(xué)組分、結(jié)構(gòu)不同程度的改變，使其在熱解過(guò)程中和熱解產(chǎn)物分布上有所差異。在研究預(yù)處理方法來(lái)提高生物質(zhì)熱解效率時(shí)，人們既要考慮工藝技術(shù)的成熟穩(wěn)定性，也要考慮實(shí)際應(yīng)用效果。生物質(zhì)預(yù)處理的研究還需要重點(diǎn)做好以下幾方面。

一是加大城市生物質(zhì)垃圾的預(yù)處理效率和設(shè)備簡(jiǎn)易化研究，做好成本控制；二是除了物理法（如粉碎、干燥等）外，還要深入分析化學(xué)法（如脫灰、添加金屬鹽、有機(jī)溶劑以及離子液體等預(yù)處理技術(shù)）、物理-化學(xué)法（如蒸汽爆破、烘焙、水熱等預(yù)處理技術(shù)）、生物法等預(yù)處理技術(shù)的作用機(jī)理及其對(duì)生物熱解特性產(chǎn)生的影響，以不斷完善現(xiàn)有預(yù)處理方法；三是研究多學(xué)科交叉技術(shù)，積極探索新的生物質(zhì)垃圾預(yù)處理技術(shù)，使生物質(zhì)熱解反應(yīng)朝預(yù)期的控制方向發(fā)展，提高生物質(zhì)熱解速率，獲得更多目標(biāo)產(chǎn)物。