生活垃圾氣碳耦合熱解燃燒處理技術(shù)的研究與應(yīng)用

張釗，王征宇，陳偉，陳科

（重慶航天機電設(shè)計院，重慶 400039）

引言

我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過3萬個，行政村超過50萬個，每年農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量超過1億噸。我國農(nóng)村生活垃圾每日人均產(chǎn)生量為0.034-3kg，平均值為0.649kg，中值為0.521kg[1]。農(nóng)村生活垃圾人均產(chǎn)生量受經(jīng)濟水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、季節(jié)因素、燃料結(jié)構(gòu)和家庭收入的影響呈不同的特征[2]。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾主要特點：一是成分中灰土及廚余垃圾比例高、含水率較高，熱值相比城市生活垃圾低，且垃圾中難以降解的成分多，地域性特征明顯。其中，我國村鎮(zhèn)生活垃圾組成主要為有機垃圾占40%-50%，含廚余垃圾、作物秸稈等；無機垃圾占20%-40%，含灰渣、磚石等。南方地區(qū)有機垃圾占比高于北方地區(qū)，可回收垃圾含量呈由南向北遞減的趨勢，西北及東北地區(qū)冬季嚴(yán)寒，需要大量燒煤，因此北方地區(qū)的垃圾中煤渣較多，其次是廚余垃圾[3]。二是鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村地域廣大、垃圾產(chǎn)量分散。全國1347個縣域，75%的縣城生活垃圾產(chǎn)量小于190t/d，遠(yuǎn)低于大型垃圾焚燒發(fā)電要求，且很大一部分地區(qū)人口密度小于66人/ km2，轉(zhuǎn)運距離大于20km，集中運輸成本增加并增加二次污染風(fēng)險。

國家從頂層規(guī)劃支持綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并確定其支柱發(fā)展地位，明確綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，通過政策支持、財政引導(dǎo)、立法監(jiān)督等方式給予綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)大力扶持?！冻擎?zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施補短板強弱項實施方案》《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》[4-5]等均對鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村因地制宜就近開展小型生活垃圾焚燒設(shè)施試點提供了明確的政策支持。

1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村生活垃圾處理現(xiàn)狀

2021年10月1日，GB/T 51435-2021《農(nóng)村生活垃圾收運和處理標(biāo)準(zhǔn)》實施，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定農(nóng)村生活垃圾分類、收集、運輸和處理的技術(shù)選擇應(yīng)以本地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展水平、自然條件為基礎(chǔ)，結(jié)合技術(shù)水平、垃圾量和種類合理確定，應(yīng)做到技術(shù)成熟、經(jīng)濟合理、便于運行、保護環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)對于垃圾處理提出了兩種主要的方式，一是垃圾轉(zhuǎn)運距離較短的地區(qū)，可選擇“村組保潔、鄉(xiāng)鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運、縣市處理”模式；二是垃圾運輸距離較長的地區(qū)，可選擇“村組保潔、鄉(xiāng)鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運和區(qū)域處理”模式。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了2-5類垃圾分類形式及其對應(yīng)的處理途徑，對于分類為“其他垃圾”的可采用小型衛(wèi)生填埋場、區(qū)域性生活垃圾焚燒設(shè)施進(jìn)行處理。區(qū)域性生活垃圾焚燒設(shè)施一般由鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級單位建設(shè)，服務(wù)周邊自然村[6]。

目前鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾主要處理方式有衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒等。衛(wèi)生填埋方式成本低、方便易行、對垃圾適應(yīng)性強，一些土地資源充足的地區(qū)使用較多，但存在污染地下水資源風(fēng)險，需占據(jù)大量土地資源，且垃圾轉(zhuǎn)運費用高并存在轉(zhuǎn)運過程中的二次污染問題；堆肥處理方式成本低、操作簡便，可實現(xiàn)資源的再利用，但存在垃圾處理量小、處理周期長等問題；焚燒處理方法處理量大，減容減量效果好，可消滅垃圾中的病原菌，但對垃圾熱值有要求，焚燒過程中會產(chǎn)生二次污染物。對比以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾處理方式的優(yōu)缺點，考慮國家的相關(guān)政策支持，焚燒將是鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾相對而言較合適的處理方式，但從規(guī)模和垃圾組分來說，鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾處理與城市垃圾焚燒發(fā)電是不同的。

國內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾焚燒處理技術(shù)主要有簡易焚燒、熱解焚燒、流化燃燒等，其中熱解焚燒又因熱解溫度不同而分為低溫?zé)峤夂透邷責(zé)峤獾刃问?。簡易焚燒主要以燜燒爐為主，垃圾通常間歇式進(jìn)入簡易焚燒爐內(nèi)有組織地燃燒，焚燒爐通常是手動操作燃燒爐；簡易焚燒設(shè)施大多配置二燃室和旋風(fēng)除塵器、噴淋塔等簡單的煙氣處理裝置，但通常有焚燒溫度不高且波動大、二次污染明顯的問題。流化燃燒是利用爐底分布板吹出的高溫?zé)犸L(fēng)將中間媒介即床料進(jìn)行流化，使床料懸浮起呈沸騰狀，輔助燃料將床料加熱至850℃，入爐垃圾在床料的帶動下在爐內(nèi)成流化狀態(tài)，垃圾與高溫的床料接觸、傳熱進(jìn)行燃燒的技術(shù)。流化燃燒的技術(shù)關(guān)鍵是床料層與垃圾流化、床料與垃圾接觸、傳熱，流化燃燒的代表爐型是流化床焚燒爐[7]，該技術(shù)多用于大型垃圾焚燒發(fā)電廠；熱解焚燒設(shè)施包括簡易熱解氣化爐、二段式熱解爐等，這類焚燒爐多由預(yù)處理、進(jìn)料、干燥、燃燒室、二燃室及簡易自動化控制系統(tǒng)等裝置組成，大多配置了簡易的煙氣凈化裝置，但不夠完善。熱解氣化爐多為上吸式熱解氣化焚燒爐，有立式和多室燃燒爐型，存在以下主要問題：一是該類設(shè)備處理過程不能隨時開倉添料，不便實現(xiàn)垃圾連續(xù)進(jìn)料連續(xù)處理；二是該類型爐利用燃燒煙氣逆流加熱物料，產(chǎn)生的可燃?xì)庵薪褂秃亢芨?，焦油氣冷凝容易黏附粉塵堵塞管道，影響設(shè)備壽命；三是焦油氣燃燒存在不充分、易產(chǎn)生二噁英。下吸式熱解氣化焚燒爐由爐排下方引出煙氣，由于流經(jīng)灰渣層，煙氣中攜帶的粉塵量大，增加了后續(xù)煙氣凈化的難度。故一般熱解焚燒設(shè)施不具備污染物達(dá)標(biāo)排放所需的燃燒技術(shù)條件。由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)量逐漸增加，隨著國家對垃圾填埋的規(guī)劃及相關(guān)部委提出2023年基本實現(xiàn)原生生活垃圾“零填埋”方案，村鎮(zhèn)乃至縣域小型垃圾焚燒爐將得到快速發(fā)展，故研究適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾處理的處理技術(shù)及裝備是非常必要的。

2 氣碳耦合熱解燃燒處理技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

在缺氧條件下，利用高溫使生活垃圾中有機高分子的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，釋放出各種揮發(fā)份，其產(chǎn)物為低分子可燃?xì)怏w（H2、CH4、CO、CO2、NH3、H2S、H2O、SO2等），液態(tài)有機物（芳烴類物質(zhì)、甲醇、丙酮、乙酸、乙醛）以及焦油等有機液體，焦炭或炭黑、灰渣等碳化物。液態(tài)有機物（芳烴類物質(zhì)、甲醇、丙酮、乙酸、乙醛）以及焦油等有機液體通過與高溫殘?zhí)蓟旌显跓峤馇粌?nèi)在高溫條件下進(jìn)一步熱解，最終裂解為低分子可燃?xì)怏w和碳化物[8]。最終低分子可燃?xì)怏w與碳化物在燃燒腔內(nèi)形成氣碳耦合燃燒。熱解氣化過程產(chǎn)生熱解氣由上爐排向下穿出進(jìn)入燃燒爐膛腔燃燒。上爐排翻下的碳化物（垃圾熱解過程中產(chǎn)生）在下爐排上燃燒，上下爐排間形成對沖燃燒火焰，熱解氣與碳化物在燃燒爐膛腔內(nèi)形成氣碳耦合燃燒，實現(xiàn)可燃組分保持高溫區(qū)（≥850℃）較長時間的停留（≥2s），以確保煙氣中有機污染物和二噁英最大程度分解，降低排出煙氣中的污染物濃度，同時提高對垃圾含水率變化的適應(yīng)性。

2.2 技術(shù)實現(xiàn)途徑

垃圾料從垃圾料倉通過對開閥門加料至干燥腔，由對輪給料機構(gòu)向下進(jìn)入熱解腔，通過熱解腔內(nèi)溫度傳感器采集熱解腔內(nèi)溫度，并由此溫度控制對輪給料器下料速度，控制熱解腔內(nèi)垃圾及炭層的總厚度。部分高溫?zé)煔馔ㄟ^煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入熱解腔上部，通過垃圾及炭層使熱解腔內(nèi)垃圾迅速升溫，同時使炭化產(chǎn)生的揮發(fā)份能及時排到爐膛腔進(jìn)行燃燒，上爐排可以通氣及落炭，也可以清理殘渣。

燃燒后的高溫?zé)煔庖恍〔糠钟脙?nèi)循環(huán)對垃圾進(jìn)行加熱，大部分則通過二燃室進(jìn)行再次燃燒。由于熱解腔內(nèi)將垃圾熱解為大量的可燃?xì)怏w和碳，進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，碳的燃燒和可燃?xì)獾娜紵詈希谷紵覂?nèi)能維持高溫和穩(wěn)定燃燒。氣碳耦合熱解燃燒式處理爐結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 氣炭耦合熱解燃燒式處理爐示意圖

3 基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術(shù)的處理爐系統(tǒng)

3.1 基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術(shù)的處理爐系統(tǒng)工藝流程圖

送入處理站的生活垃圾經(jīng)人工初選、破碎機破碎后，存儲于自動卸料倉內(nèi)，通過上料裝置輸送入處理爐進(jìn)行處理，排出煙氣采用“降溫、除塵、脫酸凈化、吸附過濾”的處理方式達(dá)到排放要求。爐渣由出渣系統(tǒng)輸送至堆場外運，系統(tǒng)處理工藝流程如圖2所示。

圖2 氣碳耦合熱解燃燒處理工藝流程圖

3.2 工藝流程

基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術(shù)的處理爐系統(tǒng)主要由操作控制系統(tǒng)（系統(tǒng)電氣控制）、前處理系統(tǒng)、處理爐系統(tǒng)（氣碳耦合燃燒處理爐）、煙氣處理系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)等組成。

（1）前處理系統(tǒng)

前處理系統(tǒng)由垃圾行車抓斗、分選輸送機、破碎機、存儲自動卸料倉等組成。

其工作流程是：垃圾車送來的垃圾傾倒入垃圾儲坑內(nèi)，垃圾在儲坑存放，發(fā)酵失水，分離出大部分滲瀝液，同時垃圾儲坑可以達(dá)到調(diào)節(jié)收運量和應(yīng)急存儲的目的，避免垃圾源頭堆積無法清運。

利用行車抓斗將儲坑內(nèi)垃圾送至分選輸送機上進(jìn)行人工簡易分選，選出金屬、紙板、塑料、玻璃等可回收利用的物品售賣增收，挑出不可燃磚石等物品隨爐渣一起填埋處理，挑出電池、電子產(chǎn)品等危廢品單獨存放并移交專業(yè)危廢品處理單位處理，沙發(fā)、家具等大件可燃物品由破碎機破碎至200mm以下顆粒后，存儲于自動料倉內(nèi)，通過上料裝置輸送至處理爐。

（2）處理爐系統(tǒng)

處理爐裝置由起爐助燃裝置、進(jìn)料斗、密封閘門、干燥腔、熱解氣化腔、上爐排、燃燒爐膛腔、可拆式下爐排、二燃室、出煙口和自動排爐渣裝置組成。處理爐整體為多腔室爐體結(jié)構(gòu)：二燃室與干燥腔、熱解氣化腔、燃燒爐膛腔集成一體，燃燒室的爐襯為蓄熱體，爐膛燃燒產(chǎn)生的熱量可充分傳導(dǎo)至二燃室、干燥腔與熱解氣化腔，確保了燃燒處理的高溫工況與熱能充分利用。

處理爐工作原理：經(jīng)過預(yù)處理后的生活垃圾進(jìn)入干燥倉后，利用燃燒室產(chǎn)生的熱量，干燥較高含水率的生活垃圾。根據(jù)熱解溫度實時控制調(diào)節(jié)垃圾的干燥速度，使進(jìn)入熱解腔內(nèi)垃圾干燥且含水率相對穩(wěn)定。

干燥后的垃圾進(jìn)入熱解腔，受爐膛輻射及煙氣加熱至450-550℃進(jìn)行熱解，通過上爐排動作使熱解產(chǎn)生的揮發(fā)份能及時排到爐膛腔進(jìn)行燃燒，燃燒后的高溫?zé)煔庖恍〔糠钟糜趦?nèi)循環(huán)對垃圾進(jìn)行加熱，大部分則通過二燃室二次供風(fēng)后繼續(xù)燃燒。由于熱解腔內(nèi)將垃圾熱解為大量的可燃?xì)怏w和碳化物，進(jìn)入燃燒室與一次供風(fēng)形成特定的渦旋燃燒模型，還原性碳化物和可燃?xì)庀嗷プ饔萌紵纬蓺馓既紵詈?，提高燃燒溫度、維持燃燒穩(wěn)定工況，同時還原氣體抑制二噁英類污染物的產(chǎn)生，從源頭上降低了二噁英類物質(zhì)的產(chǎn)生。整個過程由閉環(huán)控制（主要控制參數(shù)溫度、料層厚度）的組合爐排和供風(fēng)（含給料器、上爐排和下爐排）自動完成。

（3）煙氣處理系統(tǒng)

煙氣處理系統(tǒng)組成：氣碳耦合熱解燃爐二燃室排出的高溫?zé)煔庵泻写罅康姆蹓m、酸性氣體等有害物質(zhì)，需要通過煙氣處理系統(tǒng)將其凈化，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后排放。煙氣處理系統(tǒng)主要由煙氣降溫?fù)Q熱分系統(tǒng)、組合式煙溫調(diào)節(jié)裝置、預(yù)脫酸裝置、活性炭噴射、布袋除塵器、濕法脫酸分系統(tǒng)及引風(fēng)排放等設(shè)備組成。

煙氣處理工藝設(shè)計方案：根據(jù)小型垃圾處理煙氣量小且波動較大、二燃室出口煙氣溫度不穩(wěn)定、周邊環(huán)境對熱量需求不大等特點，采用煙氣處理工藝流程為：高溫?zé)煔狻g壁式水冷降溫→活性炭吸附→布袋除塵→濕法脫酸→引風(fēng)排放。

（4）出渣系統(tǒng)

出渣系統(tǒng)采用風(fēng)冷和水冷相結(jié)合的方式對爐渣進(jìn)行降溫和增濕，既防止了大量蒸汽進(jìn)入爐內(nèi)，增加煙氣中水分含量，又防止了揚塵污染環(huán)境。

4 應(yīng)用情況

在湖北某地生活垃圾處理站應(yīng)用基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術(shù)的無害化處理爐系統(tǒng)處理當(dāng)?shù)厣罾?，垃圾站收集的生活垃圾特性變化較大，廚余垃圾及作物垃圾居多，含水率約50%左右。在完成處理爐系統(tǒng)調(diào)試后實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行，系統(tǒng)處理能力12t/d（24小時工作制），處理爐熱解腔溫度在450-550℃，處理爐爐膛溫度＞850℃，二燃室溫度保持在950℃以上，煙氣在高溫區(qū)停留時間大于2s，垃圾體積減量約為90%-95%，處理爐爐渣主要以玻璃、磚石、金屬及其他灰分組成，爐渣的主要化學(xué)成分以金屬氧化物為主。

煙氣排放檢測方面，參照《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014），《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB14554-1993）中要求[9-10]，按照對有組織排放氣體分析方法對煙氣中各項指標(biāo)進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果顯示，有組織煙氣中顆粒物 1h均值為22.7mg/m3，二氧化硫檢測均值為10.1mg/m3，氮氧化物1h均值為159mg/m3，氯化氫 1h均值為12.1mg/m3，汞、鎘、砷、鉛等重金屬及其合成物均在限定值以下，二噁英類物質(zhì)測定均值為0.0202ng TEQ/m3均滿足《生活垃圾焚燒污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）；煙氣中硫化氫、氨、臭氣濃度均滿足《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB14554-1993）標(biāo)準(zhǔn)。具體煙氣排放檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 煙氣排放檢測數(shù)據(jù)

5 討論與展望

5.1 結(jié)論

（1）對于鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的生活垃圾處理，在經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)、城市周邊主要采取“村收集、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）運輸、縣（市）處理”為主導(dǎo)的方法，在經(jīng)濟發(fā)展水平低、遠(yuǎn)離城市、交通不便、環(huán)境容量大、特定的地質(zhì)及氣候條件等鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村及高原地區(qū)，其生活垃圾處理將朝著小型焚燒處理方式發(fā)展。

（2）氣碳耦含熱解燃燒技術(shù)是可使熱解溫度控制在450-550℃，使垃圾轉(zhuǎn)化為熱解氣和熱解殘?zhí)迹瑹峤鈿夂蜔峤鈿執(zhí)荚跔t膛內(nèi)的耦合燃燒，使?fàn)t膛溫度保持在850℃以上，二燃室溫度大于950℃，實現(xiàn)了可燃組分在高溫區(qū)停留時間大于2s，解決了傳統(tǒng)熱解焚燒處理過程中因爐膛溫度不高燃燒不充分而導(dǎo)致的二噁英等有害污染物的產(chǎn)生問題及焦油氣冷凝黏附粉塵堵塞管道等問題。

（3）基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術(shù)的處理爐系統(tǒng)，處理爐采用干燥腔室、熱解氣化腔室、一燃燒腔室、二燃室的爐內(nèi)集成構(gòu)型，通過自動控制實現(xiàn)了氣碳耦合燃燒技術(shù)的應(yīng)用，在工程試驗過程中，經(jīng)三方機構(gòu)檢驗，系統(tǒng)處理能力滿足使用要求，處理爐熱解腔溫度在450-550℃，處理爐爐膛溫度＞850℃，二燃室溫度保持在950℃以上，垃圾體積減量約大于90%，對垃圾含水率變化適應(yīng)性強，煙氣排放各項指標(biāo)均滿足《生活垃圾焚燒污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）排放要求，特別是CO可實現(xiàn)近零排放；整個運行過程不需添加輔助燃料便可連續(xù)穩(wěn)定運行。

（4）煙氣中的CO含量可以表征燃燒效率，含量高說明燃燒不充分，二噁英類物質(zhì)的含量就有可能高，反之亦然。煙氣中的煙塵含量能反映除塵器的除塵效率，在二噁英類物質(zhì)生成量相同的情況下，煙氣排放量越低，煙氣中的二噁英類物質(zhì)的含量就越少，故在煙氣中衡量的二噁英類不能做到實時在線監(jiān)測前，可以通過CO和顆粒物在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)表征二噁英類物質(zhì)的排放情況[11]。

5.2 展望

（1）小型生活垃圾焚燒技術(shù)將沿著經(jīng)濟高效的多污染物協(xié)同煙氣處理，飛灰產(chǎn)生量少、無廢水產(chǎn)生的綜合處理工藝技術(shù)方向發(fā)展。

（2）針對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合國家對鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村生活垃圾治理的政策導(dǎo)向，小型生活垃圾焚燒處理產(chǎn)品將逐漸要求滿足年8000h運行時間、煙氣在線監(jiān)測達(dá)標(biāo)排放、設(shè)備運行操作簡單的發(fā)展趨勢。

（3）應(yīng)結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活垃圾焚燒的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)完善基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)和專用標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵因地制宜制定地方技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）余熱利用對于鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村垃圾焚燒爐的穩(wěn)定、健康、經(jīng)濟運行有重要意義。

（5）基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術(shù)的處理爐系統(tǒng)具有燃燒溫度高、來料適應(yīng)性強等特點，可用于工業(yè)垃圾、市政污泥等固體廢棄物處理，是解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村、工業(yè)園區(qū)等固體廢棄物處理難題的新方法，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。