缺氧熱解氣化法城市垃圾處理新工藝

蔣忠新　江國防　蔣穎

摘 要：隨著人類生活質量的提高，垃圾的種類與量也在增加。目前國內外主要的垃圾處理方法就是填埋、焚燒與再利用。填埋和焚燒處理垃圾的方法帶來的二次污染非常嚴重。焚燒垃圾產生的二噁英以及相應的其他有毒有害物質會導致嚴重的環境災難，垃圾填埋后，垃圾之間所發生的化學反應以及垃圾本身的惡性轉化給人類賴以生存的地球帶來極大的負面影響。為了有效解決焚燒帶來的環境影響問題，在文中介紹了一種新型的缺氧熱解氣化法城市垃圾處理工藝，該工藝能夠有效地解決垃圾焚燒帶來的問題，同時與傳統工藝相比該新工藝還具有更好的經濟效益。

關鍵詞：缺氧熱解氣化法 城市垃圾 垃圾處理

中圖分類號：X799 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0093-02

1997年頒布了嚴格控制二噁英的新標準，強制改造二噁英排放超標的垃圾焚燒廠，并開始大規模引進熱解氣化處理技術。日本政府已經決定在若干年內把現有的1 900多座垃圾焚燒廠逐漸關閉。垃圾的熱解氣化技術被稱為第三代廢物處理技術。20世紀90年代初，法、美、英、德、瑞士、日本和瑞典共同參與了這項技術的開發，并在90年代中后期開始在發達國家采用。如何有效處理廢物并不產生有毒氣體，是垃圾處理技術發展中遇到的瓶頸問題，一旦解決了這個難題，就可以在現有廢物處理技術上進行改進，從而達到保護環境和人體健康的目的[1]。長沙加中環保科技有限公司和湖南大學化學化工學院經過長達5年的研發，獲得了適合垃圾處理的缺氧熱解氣化法城市垃圾處理新工藝。

1 缺氧熱解氣化技術

缺氧熱解氣化技術是一種全新的廢物處理方法，它的最大優點是克服了用焚燒方法產生二噁英以及其他有毒有害物質的缺點，克服了垃圾深埋所產生的負面影響。該技術經過實驗室研發、經過技術熟化、通過工業化驗證，創造出了一個新的工藝流程。該工藝結合了創新的高溫分解技術和傳統的高溫缺氧氣化技術，不用傳統的鍋爐，模擬了地層中的化工過程將廢物氣化。缺氧熱解氣化技術能處理如廢舊電器、電池、打印機硒鼓、一次性輸液器、注射品等所有類型的垃圾，不需要事先進行任何分揀。垃圾經過壓縮后，在1 200 ℃左右的高溫下讓垃圾的有機成分氣化，而無機成分熔化，然后在1/3 s內迅速降溫至75 ℃，避免再生成二噁英等有毒有害物質，把廢物完全轉化為合成氣和可回收的微量固體殘留物。在高溫及較長的駐留時間里，它甚至可以摧毀最復雜的有機化合物。目前，世界最先進的焚燒設施的二噁英排放標準約為0.1 ng（TEQ）/Nm3，而缺氧熱解氣化技術的二噁英排放標準已經達到0.01 ng（TEQ）/Nm3。清潔處理后的合成氣有多方面用途，可以作為原料直接投入化工廠生產化肥，可作為燃料供給鋼鐵廠或用于產生熱量，也可經過高效燃氣輪機發電系統發電。傳統的垃圾發電是針對燃燒值較高的垃圾進行高溫焚燒，這可徹底消滅病原性生物和腐蝕性有機廢物，在高溫焚燒產生的煙霧經過處理過程中產生的熱能轉化為高溫蒸汽，推動渦輪機轉動，使發電機產生電能，這種發電的效率非常低，一般每噸垃圾只能發電180～240 kWh[2]，而就現在最新技術而言，每噸垃圾最高發電量僅為360度，效率為10%～25%。而缺氧熱解氣化技術產生的合成燃氣是一種高效的潔凈燃氣，它的最大優點是可以直接燃燒并產生巨大熱量，從而推動渦輪機轉動，使發電機產生大量電能，每噸垃圾可發電600～800 kWh，發電效率相比傳統發電技術提高到70%～80%。任何氣體及易發散的金屬都在廠內加以處理回收，重金屬成分可作為易管理的沉淀狀態加以回收，酸性氣體變成鹽加以處理及回收。垃圾中的無效成分被熔化及淬硬，形成有用的建筑材料及金屬合金，這兩種材料都可轉成惰性及無毒的產品。過程中產生的水都被凈化和回收利用。由于整個工藝流程中所產生的氣、固體物和水都能經過處理回收利用，使垃圾處理后的排放大幅度減少，處理過程中不冒煙，沒有廢水排放，最終填埋的只是極其微量的固體殘留物。

2 缺氧熱解氣化技術原理

缺氧熱解氣化技術是通過加熱程序將有機廢料分解，例如碳水化合物、蛋白質等大分子分離成可燃性的細小分子（如氫氣、一氧化碳、甲烷、碳氫化合物）及其他少量的非燃性氣體。整個熱解過程在缺氧及溫度達到400 ℃～600 ℃的情況下進行，該熱解過程是快速及連續的，并且可產生近似天然氣之高能合成氣，能推動燃氣渦輪增壓發電系統產生電力，從而向城市等地供電。缺氧熱解氣化設備主要包括進料斗、兩個氣動閘閥、加熱箱、螺旋熱解器、燃氣燃燒器、帶動氣動閘閥和螺旋熱解器轉動的馬達、合成氣清潔系統及冷卻系統、燃氣儲存罐、PLC程控系統等組成。其工作步驟如下。

（1）有機廢物破碎：有機生活垃圾必須由破碎機破碎成小塊物體（約2 mm），且含水率控制在重量的15%以下，進入螺旋熱解器內處理。

（2）預熱：生活垃圾未進入氣化系統之前，必須首先進行烘干和預熱，生活垃圾的預熱溫度在200 ℃以下，預熱過程在上層螺旋熱解器內進行。

（3）加熱：整個對有機材料加熱的過程，是由一臺設于螺旋熱解器外部，受制于嚴格參數控制的燃氣燃燒器中進行，通過技術參數的設置與在線監控，對垃圾的有效處理進行調控。

（4）熱解反應：該系統結合內在運輸技術的螺旋熱解器，由電動馬達驅動和可控制熱量的燃氣燃燒器組合而成。該系統提供連續性有機生活垃圾熱解程序。旋轉過程由一臺功率約20 kW的電動馬達，以每分鐘約15轉的旋轉速度確保熱解過程正常運作。整個螺旋熱解器是由316L不銹鋼制成，能提供有機物質熱解平均流速約為每小時2噸的有機廢物處理量，并生產合成氣燃燒發電。

（5）熱解程序：整個程序是有機物質在通過橫臥式、密封的螺旋熱解器內被加熱進行分解。燃氣燃燒器提供約2 000 kJ的熱能加熱系統并提供充足的熱能以達到熱解所需的溫度。

（6）合成氣生成：熱解過程中產生的合成氣直接被引入到合成氣清潔系統內，該清潔系統包含丘文里氏塔、液體堿性噴淋塔、冷卻塔等。約15%的清潔后合成氣將被引回至該設備的燃氣燃燒器燃燒加熱系統，供應該系統的熱解過程。

（7）程控系統：該系統可控制氣動閘閥，精確度可達到只有0.1%的氣體進入反應爐內，同時該程控系統也可將溫度控制在最大合成氣的產能范圍內。

（8）熱解溫度：嚴格控制有機廢物熱解是的溫度是從200 ℃～800 ℃的范圍。

3 缺氧熱解氣化技術的優點

垃圾處理面臨的成本、環保及各種各樣的經營問題，甚至是在危險操作條件下進行垃圾處理[3]。要解決此困難，缺氧熱解氣化系統（熱轉換器系統）是最佳的解決方案。比較焚燒、深埋方法，缺氧熱解氣化優勢非常明顯（見表1、表2）。

參考文獻

[1] 梁麗琛.城市垃圾處理的現狀和對策[J].城市觀察，2015 （2）：60-68.

[2] 張光杰，張嘯宇.城市生活垃圾熱解一氣化一體化處理新工藝[J].計算機與應用化學，2014（4）：503-506.

[3] 吳靖，劉洪鵬，蘭婧.城市生活垃圾資源化處理方法綜述[J].中國科技信息，2011（5）：27-28.