城市生物質垃圾燃氣化及預處理工藝、設備研究

李宇宸，梁德棟

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

近年來，隨著城市化水平的不斷提升，城市氣源不足問題日益成為影響市民生產生活的重要因素。2017年12月15日至20日，環境保護部派出2 000多人組成的839個工作組，對京津冀及周邊的“2+26”城市的“煤改氣”“煤改電”進行拉網式檢查后，發現一些地方存在氣源不足引發市民取暖困難的問題[1]。積極開發和利用生物質能源，對緩解能源短缺、保障國家能源安全和實現節能減排目標具有重大意義。

近年來，隨著居民生活水平的提高，固體廢物產生量超過了70億t，60%以上是生物質廢物，其中，15億t的生物質廢物處于無控排放狀態，城市生物質廢物帶來的環境問題亟待解決。生物質燃氣是將生物質廢物處理轉化為可再生能源和資源，體現了減排和清潔效應，在緩解能源不足問題的同時，也解決了環境污染問題。目前，瑞典、丹麥、奧地利、德國和美國的生物質氣化技術處于世界領先水平，實現了生物質氣化的商業化應用和規模化經營。我國的生物質氣化主要由氣化發電和農村氣化供氣組成。隨著近年來的探索和應用，我國的生物質氣化發電正朝著產業規模化方向發展，但也存在氣化效率偏低、燃氣質量和氣化設備的燃料適應性較差等問題[2]。

1　國內外生物質燃氣化技術現狀

城市生物質氣化在世界范圍內都得到了廣泛的應用，也取得了很大成就。生物質氣化設備規模較大，自動化程度高，工藝復雜，生物質氣化主要應用于供熱、發電和合成液體燃料方面，氣化爐和示范工廠也達到了商業應用標準。

1.1　國外生物質燃氣化技術現狀

瑞典、丹麥、奧地利、美國以及加拿大等國的生物質燃氣化技術已經處于世界領先水平，實現商業化應用和規模化經營。20世紀80年代末90年代初，歐洲和美國的生物質燃氣化技術主要采取上吸式和下吸式固定床氣化爐實現發電和供熱需要，但應用規模較小。近年來，隨著生物質燃氣化規模越來越大，大中型氣化發電系統多采用常壓循環流化床工藝，原料的適應性好，在生物質燃氣化技術研究和應用方面建立了一批示范或商業工程，如表1所示[3]。

表1　國外典型氣化工藝及應用

從國外生物質燃氣化的發展和應用現狀來看，生物質氣化混合燃燒技術應用于煤電廠，將生物質氣化獲取的可燃氣體輸送到鍋爐，并與煤混燃，實現生物質燃氣化的商業運行。

1.2　國內生物質燃氣化技術現狀

目前，我國生物質氣化已經解決了一些關鍵性技術，并應用于氣化發電和氣化供氣。其中，氣化燃氣工業鍋爐/窯爐應用、干餾氣化，以及其他技術都還處于起步階段。氣化供氣和氣化工業應用技術方面取得了一定成就，開發出了木屑、稻殼、秸稈等生物質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的不同規格氣化發電裝置。此外，應用生物質氣化技術建設集中供氣系統滿足居民炊事和采暖用氣也都投入實際應用中。1994年，山東省桓臺縣東潘村建成我國第一個生物質氣化集中供氣。隨后，北京、天津、黑龍江、吉林等地陸續推廣和應用生物質氣化技術。常州運達印染、珠海麗珠合成制藥以及深圳華美鋼鐵等都實現了生物質氣化燃氣工業鍋爐和窯爐的實際應用。

與燃煤相比，生物質燃氣能源的單位熱量成本高，但明顯低于天然氣、燃料油等化石能源單位熱量成本。應用城市生物質垃圾進行氣化應用，能夠有效緩解城市生物質垃圾污染的現實壓力，變廢為寶，實現資源的再生利用。此外，生物質氣化符合城市生物質資源相對集中特點，具有較強的實際應用價值和市場發展前景。

2　城市生物質垃圾燃氣化預處理技術

近年來，厭氧消化技術取得了長足發展，尤其一些基于細胞固定化技術的新型高效厭氧反應器在高濃度有機廢水處理領域取得了良好的應用效果。但是，城市生物質垃圾具有高固體含量、固液分離效果差等特點，需要先對生物質垃圾實施改性預處理，以改善其流動性、固液分離特性，使有機物從固相向液相轉移，并利用新型高效基質截留型高固體厭氧反應器，實現消化過程固體基質停留時間（SRT）和水力停留時間（HRT）有效分離，從而提升厭氧消化系統的有機負荷率和消化效率，如圖1所示。其中，物理法預處理主要是通過改變生物質原料物理結構以增加纖維素與酶接觸的表面積，從而提升生物質中纖維素的利用率。常見的物理法預處理主要有機械粉碎、物理-化學法（如水熱預處理工藝）。

2.1　機械破碎預處理工藝

采取非均相復雜固態/半固態物料的預處理技術，從而保障厭氧消化的進料質量，結合有機固體的強化水解技術，進一步促進有機固體的溶解，提升城市生物質物料的生化降解效果。

圖1　城市生物質垃圾燃氣化工藝流程

城市垃圾生物質具有非均相復雜固態/半固態特性，采用“研磨機+錘式粉碎機”兩級破碎工藝，先對生物質廢物進行研磨破碎，待破碎后再通過錘式粉碎機粉碎漿化。這樣可以使生物質廢物體積減少，并具有一定的流動性，從而為下一步水熱處理奠定基礎。

2.2　水熱預處理工藝及影響因素分析

城市生物質垃圾主要包括餐廚垃圾、果蔬垃圾、市政污泥等固相有機物質，通過水熱預處理的熱作用打破固相有機物的細胞結構，實現固相有機物水解。水熱預處理后，將生物質溶解率、黏度、固液分離性等多項理化性質作為評價指標，探討水熱條件在城市生物垃圾預處理中的特點和規律。其中，水解率用來描述預處理過程中固相有機物的水解效果。VSS水解率、蛋白質水解率、多糖水解率及纖維水解率均可以采用式（1）計算：

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

2.2.1水熱條件對固相有機物溶解影響

用VSS濃度表示城市生物質廢物中固相有機物含量。其中，VSS水解率可以用來評價物料中固體有機物的水解液化程度。不同水熱溫度及水熱時間條件下生物質垃圾VSS水解率呈現出不同的變化特點：隨著水熱溫度升高和水熱時間延長，污泥的VSS水解率提升，在170℃/60 min時，VSS水解率達到60%，大部分固相有機物轉移為液相；而餐廚和果蔬的水熱溫度為150℃時，VSS濃度變化不大，VSS水解率低于20%，此時水解作用不明顯，而當水熱溫度達到175℃時，VSS水解率會隨著反應時間延長而提升，在反應時間為60 min時達到60%，此時大部分有機物轉移為液相。

在熱水解的過程中，固體有機物隨著液化水解，液相中的溶解性COD（SCOD）濃度會逐漸增加，在總COD（TCOD）中的占比也逐漸增加，并隨著生物質垃圾中有機物溶解和水解，固相中有機物會逐漸轉移為液相，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，SCOD濃度和原始物料相差不大，當水熱溫度為175℃時，SCOD濃度隨著時間延長而逐漸升高，反應時間為60 min時達到129.54 g/L的最高值，此時SCOD/TCOD為71.62%，大部分有機物會以液相存在，有利于提升后續厭氧消化速率。

2.2.2水熱預處理對生物質垃圾理化性質影響

在優化水熱條件下（175℃/60 min），以廚余垃圾、果蔬垃圾和市政污泥為研究對象，對城市生物質垃圾水熱前后的理化性質進行進一步的分析。在水熱前后，分析城市生物質廢物溶解性有機物的分子量分布，對于未水熱的城市生物質廢物，溶解性有機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溶解性糖的76.7%、81.4%和83.2%；MW＞10 kDa的溶解性蛋白質分別占總溶解性蛋白質的73.1%、81.5%和87.1%。生物質廢物中分子量＞300 kDa的有機物主要為多糖或多肽等，因此，水熱后大分子溶解性有機物含量的增加證明水熱預處理能夠促進顆粒有機物的水解。此外，水熱預處理能夠破壞生物質廢物的細胞結構，促進胞內有機物的釋放。

2.2.3水熱預處理對生物質垃圾工程特性影響

在水熱過程中，固體有機物的水解液化能夠有效改善生物質垃圾的黏度，改善生物質垃圾的脫水性。在優化水熱條件下（175℃/60 min）下，生物質垃圾的黏度明顯改善，如表2所示。黏度是厭氧消化系統設計和運行的主要經濟技術指標，黏度降低能夠顯著改善流動性，城市生物質廢物在輸送過程中系統的受阻力和物料攪拌所需動力會減少，從而降低設備的能耗。

表2　水熱前后城市生物質垃圾黏度變化

在優化水熱條件下（175℃/60 min）下，采用壓濾法測試水熱前后城市生物質的脫水性能，對于壓濾裝置，壓濾條件為1 MPa/40 min。經計算，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%，水熱過程有效地提高了物料的脫水性能，生物質的黏度明顯降低，物料脫水性能也得到明顯的改善。

3　城市生物質垃圾燃氣化預處理設備

3.1　城市生物質垃圾破碎系統設備

針對城市生物質垃圾的物料特性，對其經過預處理系統進行破碎后的效果進行粒徑分布研究，選擇了三種尺寸的篩網（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篩稱重計算比例，得到破碎后物料顆粒的粒徑分布百分比。分別對物料經過一級破碎和兩種二級破碎后的粒徑分布進行過篩，按照先大尺寸過篩，篩上物稱重，篩下物再進行下一尺寸過篩，如此繼續。

圖2　預處理破碎系統的物料破碎粒徑分布

由圖2可知，經過輥式的一級破碎后，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輥式+二級錘式破碎工藝可使3 mm以下的物料達到85%。

3.2　水熱強化水解預處理設備設計

為促進水熱強化水解預處理工藝的順利開展，試驗時開發建設了水熱閃蒸設備，對生物質廢物進行水熱閃蒸強化水解處理。其設備應用原理為：破碎漿化后的城市生物質廢料通過壓縮空氣進入水熱反應器中，每個水熱反應器都經過了“進料+一次蒸汽加熱+原蒸汽加熱+水熱反應+一次閃蒸+二次閃蒸+出料”七個步驟，然后進入儲料罐，為后期的生物質燃氣化做好準備。

水熱強化水解預處理設備主要是由間歇式污泥漿化反應器、間歇式水熱反應器、控制單元設備以及污泥水熱系統工藝組成的優化組合[4]。其中，水熱漿化反應器的設計開發，針對強制攪拌、加熱與稀釋作用，都能降低城市生物質廢物的黏度，提高系統能穩定輸送的固體濃度，水熱漿化反應器采用閃蒸乏汽返混預熱漿化、蒸汽與機械協同攪拌，漿化反應器采用單層、高速機械攪拌，利用污泥剪切稀化特性，達到改善物質廢物流動性效果。水熱反應器應采用塔式無攪拌裝置，選擇長徑比大、裙座，具備運行穩定、占地面積小等優勢。

4　結語

生物質預處理技術是熱解前期的重要基礎性步驟，既有物理法、化學法，也有物理-化學法。不同的預處理方式對生物質化學組分、結構不同程度的改變，使其在熱解過程中和熱解產物分布上有所差異。在研究預處理方法來提高生物質熱解效率時，人們既要考慮工藝技術的成熟穩定性，也要考慮實際應用效果。生物質預處理的研究還需要重點做好以下幾方面。

一是加大城市生物質垃圾的預處理效率和設備簡易化研究，做好成本控制；二是除了物理法（如粉碎、干燥等）外，還要深入分析化學法（如脫灰、添加金屬鹽、有機溶劑以及離子液體等預處理技術）、物理-化學法（如蒸汽爆破、烘焙、水熱等預處理技術）、生物法等預處理技術的作用機理及其對生物熱解特性產生的影響，以不斷完善現有預處理方法；三是研究多學科交叉技術，積極探索新的生物質垃圾預處理技術，使生物質熱解反應朝預期的控制方向發展，提高生物質熱解速率，獲得更多目標產物。