城市生活垃圾制氣技術(shù)研究

韓景超 王正發(fā) 劉雙龍

摘要：城市生活垃圾的處理已成為困擾城市發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，但城市生活垃圾也是一種可利用的資源，且利用價(jià)值很高。本文主要概述了我國(guó)城市生活垃圾處理現(xiàn)狀及傳統(tǒng)垃圾處理方式的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外城市生活垃圾制氣技術(shù)進(jìn)展，為城市生活垃圾減量化、無(wú)害化、資源化綜合處理提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾;制氣技術(shù);厭氧消化;熱解氣化

中圖分類號(hào)：X384 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）12-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.032

Research on gasification technology of municipal solid waste

Han Jingchao，Wang Zhengfa，Liu Shuanglong

（Powerchina Eco-environmental Group Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518102，China）

Abstract：The treatment of municipal solid waste （MSW） has become a serious problem which has troubled the urban development. However MSW is also an available resource and its utilization value is very high.This paper summarizes the present situation and traditional treatment approach of MSW in China，introduces mainly the development of gasification technology of MSW at home and abroad， and the feasibility of the application of gasification technology is analysed to provide guidance for reduction， harmless and recycling treatment of MSW.

Key words：Municipal solid waste;Gasification technology;Anaerobic digestion;Pyrolysis gasification

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市生活垃圾數(shù)量急劇上升，其造成的環(huán)境污染已成為各國(guó)所共同面臨的問(wèn)題，“垃圾圍城”已成為亟待解決的城市頑疾之一，對(duì)其無(wú)害化處理和資源化利用已成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一[1]。目前，我國(guó)傳統(tǒng)垃圾處理方式以填埋為主、堆肥和焚燒為輔[2]，但三種處理方式各有優(yōu)劣，已不能滿足日益增長(zhǎng)且復(fù)雜的城市垃圾處理要求。因此，探索適合我國(guó)城市生活垃圾特性并效果顯著的新型垃圾處理技術(shù)，對(duì)于解決我國(guó)日益嚴(yán)峻的垃圾處理問(wèn)題尤為重要，能夠合理確定生活垃圾處理的技術(shù)發(fā)展路線，為城市環(huán)境衛(wèi)生規(guī)劃和政府在環(huán)衛(wèi)上的投資方向，以及各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)決策作參考，為城市生活垃圾資源化、無(wú)害化處理提供指導(dǎo)。

1 我國(guó)城市生活垃圾處理現(xiàn)狀

城市生活垃圾是指城市居民在日常生活中或者為城市日常生活提供服務(wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的，在一定時(shí)間和地點(diǎn)無(wú)法利用而被丟棄的污染環(huán)境的固體、半固體廢棄物質(zhì)[3]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，垃圾產(chǎn)生量與日俱增，處理處置問(wèn)題日益嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)城市生活垃圾的累積堆存量已達(dá)到70億t，占地面積80多萬(wàn)畝，且以每年8%～10%的速度持續(xù)增長(zhǎng)[4]。目前，我國(guó)600多座大中城市中，已有2/3陷入垃圾包圍之中，“垃圾圍城”已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，嚴(yán)重影響我國(guó)城市居住環(huán)境，制約著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

我國(guó)的垃圾在源頭基本沒(méi)有實(shí)行分類收集，而是混合收集和混合運(yùn)輸，處理方式上主要以填埋為主，堆肥和焚燒為輔。根據(jù)2012-2016年的中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒可知，我國(guó)城市生活垃圾衛(wèi)生填埋比例在逐年遞減，焚燒比例在逐年遞增。2015年全國(guó)生活垃圾衛(wèi)生填埋占比為63.7%，焚燒占比34.3%，其他方式占比為2.0%，見(jiàn)圖1。

鑒于單一的垃圾處理工藝不能滿足混合收集生活垃圾的處理需要，生活垃圾綜合處理工藝已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，而生物垃圾綜合處理工藝主要的技術(shù)是機(jī)械生物處理技術(shù)。本文主要從定義、適用對(duì)象、減量化效果、資源化效果、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、技術(shù)缺陷等方面，對(duì)衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒和機(jī)械生物處理技術(shù)4種處理方式進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

2 城市生活垃圾制氣技術(shù)研究

通過(guò)以上分析可知，衛(wèi)生填埋操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，但占地面積大，容易滋生病菌;堆肥成本低廉，能改良土壤，但處理周期長(zhǎng)、肥效低;焚燒減量減容明顯、適用性廣，但存在二噁英、重金屬污染等問(wèn)題;機(jī)械生物處理技術(shù)可作為生活垃圾預(yù)處理技術(shù)提高垃圾處置效率，但在我國(guó)目前還未大規(guī)模化應(yīng)用及推廣，因此，為解決日益嚴(yán)峻的垃圾問(wèn)題，有必要尋找適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的新的替代技術(shù)。垃圾制氣技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，比較成熟的技術(shù)主要有厭氧消化制氣和熱解氣化制氣，特別是熱解氣化制氣以其控污效果好、減量減容明顯、資源回收利用率高，被譽(yù)為最為行之有效的垃圾處理方式，是焚燒最具潛力的替代技術(shù)之一[1]。

2.1 厭氧消化制氣

2.1.1 工作原理

厭氧消化制氣是指在無(wú)氧條件下，垃圾中的有機(jī)物在厭氧菌作用下轉(zhuǎn)化為甲烷的生物化學(xué)過(guò)程。在消化過(guò)程中，大分子有機(jī)物被降解，轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的物質(zhì)，同時(shí)釋放能量，最終轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，還有少量的NH3、H2、H2S、N2。厭氧消化制氣過(guò)程可分為4個(gè)階段：水解階段、酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段[5]。

2.1.2 主要工藝

厭氧消化制氣在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到目前已有100多家垃圾處理廠采用厭氧消化工藝，并且年處理能力都在2 500t以上，主要分布在德國(guó)、丹麥、澳大利亞等國(guó)家。典型工藝包括VALORGA干法厭氧消化工藝、BRV干法厭氧消化工藝、Kompogas工藝等，典型工藝主要技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

2.1.3 應(yīng)用情況

厭氧消化制氣技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，在日本有機(jī)垃圾的厭氧消化處理成為有機(jī)垃圾處理的一種新的趨勢(shì);在美國(guó)，目前較為成熟的厭氧消化系統(tǒng)日處理能力為100t左右，可產(chǎn)生12 000m3左右的生物氣體、25t優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥;由于沼氣發(fā)電受到上網(wǎng)和電力需求、電價(jià)等的限制，歐洲國(guó)家對(duì)生物氣體進(jìn)行凈化處理，提高甲烷含量，利用沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電或凈化處理后加壓裝罐，生產(chǎn)天然氣汽車燃料，也可接入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)用于民用燃?xì)?，提高其利用附加值[6]。

國(guó)內(nèi)厭氧消化技術(shù)起步較晚，最近20多年才有較大發(fā)展，主要集中在高濃度有機(jī)廢水處理、污泥消化、糞便處理等，城市生活垃圾厭氧制氣還處于初始階段，但與國(guó)外相比在垃圾的收集和分類意識(shí)、技術(shù)以及設(shè)備等方面都有不小差距。其中北京董村分類垃圾綜合處理廠采用多項(xiàng)國(guó)際先進(jìn)的垃圾厭氧消化處理技術(shù)，利用垃圾經(jīng)厭氧消化處理后產(chǎn)生沼氣發(fā)電，其中干式厭氧處理生活垃圾380t/d，濕式厭氧處理生活垃圾400t/d，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。深圳市下坪生活垃圾填埋氣制取天然氣項(xiàng)目于2014年開(kāi)始建設(shè)，是目前國(guó)內(nèi)建成的最大的生活垃圾填埋氣制取天然氣項(xiàng)目，已收集填埋氣總量超過(guò)3.5億m3，為國(guó)內(nèi)填埋場(chǎng)填埋氣的利用和節(jié)能減排提供了典型示范，項(xiàng)目的成功實(shí)施將成為中國(guó)填埋氣制取天然氣的標(biāo)桿。

2.2 熱解氣化制氣

2.2.1 工作原理

熱解氣化制氣是指通過(guò)一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的專用反應(yīng)器—?dú)饣癄t，把城市廢棄物轉(zhuǎn)化成一種可燃的混合氣體和無(wú)害的惰性灰渣（只占原廢棄物重量的15%，減重量主要取決于垃圾中無(wú)機(jī)物含量），產(chǎn)生的氣體可用于發(fā)電或其他的清潔能源。氣化爐內(nèi)反應(yīng)過(guò)程大致可分為4個(gè)區(qū)域[7]，其主要反應(yīng)過(guò)程如圖3所示。

2.2.2 主要工藝

熱解氣化制氣技術(shù)作為一種新型的垃圾減量化、無(wú)害化、資源化技術(shù)，在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了迅速發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。典型工藝有固定床氣化工藝、流化床氣化工藝、回轉(zhuǎn)窯氣化工藝等[8]，主要技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

2.2.3 應(yīng)用情況

熱解氣化制氣技術(shù)是在垃圾焚燒技術(shù)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行升級(jí)改造，形成的一種新型垃圾資源化處理技術(shù)，已經(jīng)被歐美發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用到商業(yè)中。20世紀(jì)70年代，美國(guó)將《固體廢物法》改為《資源再生法》，鼓勵(lì)從垃圾中回收燃料油和可燃?xì)?。與常規(guī)的垃圾處理方法相比，垃圾氣化具有能源回收率高、二次污染小、煙氣量小、后處理設(shè)備簡(jiǎn)單，且氣化與熔融技術(shù)的結(jié)合使得在對(duì)垃圾的有機(jī)成分加以利用的同時(shí)，可對(duì)無(wú)機(jī)成分進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化利用，從而根本上解決了二噁英和重金屬等二次污染問(wèn)題，有著廣闊的發(fā)展前景。但國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)的氣化技術(shù)主要是針對(duì)本國(guó)熱值高、有效分類的垃圾特點(diǎn)，在不添加輔助燃料并用空氣助燃的情況下，一般要求生活垃圾的熱值高于6 500kJ/kg，而我國(guó)城市生活垃圾熱值普遍在4 000kJ/kg左右，因此，國(guó)外研發(fā)的垃圾氣化技術(shù)并不完全適合我國(guó)垃圾高水分、低熱值和未有效分類的特點(diǎn)[1]。

我國(guó)垃圾氣化方面研究還處于初級(jí)階段，部分大學(xué)和研究院已成功研制出了幾種垃圾氣化處理技術(shù)，但偏重機(jī)理和基礎(chǔ)性研究，不能真正投入到實(shí)際應(yīng)用。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，北京寶能科技有限公司已成功突破熱解技術(shù)的世界性難題，在實(shí)現(xiàn)熱解裝置低成本、高效、大容量連續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于城市垃圾分級(jí)熱解氣化，廢塑料熱解制油，褐煤長(zhǎng)焰煤熱解提質(zhì)等項(xiàng)目中，其中城市垃圾分級(jí)熱解氣化技術(shù)為公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，相較引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，投資大幅減少，垃圾熱解氣化經(jīng)高溫熔融分離后產(chǎn)生的灰渣可回收利用，作為建筑材料或冶金工業(yè)添加劑，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)污染、無(wú)排放、具有極佳的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

生活垃圾處理已成為困擾城市發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，也是與民生問(wèn)題息息相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題。由于我國(guó)飲食習(xí)慣的特點(diǎn)及垃圾長(zhǎng)期未實(shí)行源頭分類等問(wèn)題，造成傳統(tǒng)的垃圾處理方式隱藏著嚴(yán)重的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。特別是垃圾焚燒是目前較為流行的垃圾減量化處理技術(shù)，但是多地發(fā)生過(guò)居民抗議垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目事件（即鄰避性事件），因此，在推廣垃圾焚燒項(xiàng)目時(shí)應(yīng)緊跟環(huán)保政策要求，完成“裝、樹(shù)、聯(lián)”任務(wù)，監(jiān)控并公開(kāi)污染排放信息，接受群眾監(jiān)督，便于環(huán)保部門執(zhí)法監(jiān)管，解決項(xiàng)目落地難問(wèn)題。在完善和改進(jìn)傳統(tǒng)垃圾處理技術(shù)的同時(shí)，加快推廣引進(jìn)垃圾處理資源化利用新技術(shù)，如厭氧消化制氣技術(shù)和熱解氣化制氣技術(shù);積極探索MBT與垃圾處理技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新“MBT+”技術(shù)模式，切實(shí)提高垃圾資源化水平，增強(qiáng)城市生活垃圾科學(xué)治理能力。

為保障新技術(shù)推廣應(yīng)用，我國(guó)應(yīng)制定出臺(tái)相應(yīng)的政策措施，加大科研服務(wù)力度，結(jié)合我國(guó)城市生活垃圾特點(diǎn)，提高生活垃圾處理技術(shù)的適用性和技術(shù)水平;從源頭入手控制和減少垃圾產(chǎn)生量，探索建立包裝物強(qiáng)制回收制度;加強(qiáng)垃圾分類宣傳和后端管理，提高垃圾資源化利用水平;開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適合我國(guó)垃圾特點(diǎn)的技術(shù)和設(shè)備等。通過(guò)多環(huán)節(jié)系統(tǒng)化的“組合拳”，切實(shí)解決日益嚴(yán)峻的垃圾處理問(wèn)題，走循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路，從而有效提高城市經(jīng)濟(jì)效益、穩(wěn)定內(nèi)部民生環(huán)境，使我國(guó)城市的發(fā)展向著可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)共融的良好方向發(fā)展。

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收稿日期：2020-10-09

作者簡(jiǎn)介：韓景超（1985-），男，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)樗h(huán)境治理工程、標(biāo)準(zhǔn)化等方面工作。