高效熱分解垃圾處理系統

廖文權

（南寧廣發重工集團有限公司，廣西 南寧530001）

0 引言

我國固體廢棄物產出量巨大，2017年10月發布的《〈中華人民共和國固體廢棄物污染環境防治法〉實施情況的報告》顯示：我國每年產生畜禽養殖廢棄物近40億噸、主要農作物秸稈約10億噸，一般工業固體廢物約33億噸，工業危險廢物約4000萬噸，醫療廢物約135萬噸，建筑垃圾約18億噸，大中城市生活垃圾約2億噸，固體廢物產生量呈增長態勢。還應當引起重視的是，我國歷年堆存的工業固體廢物總量達 600～700 億噸[1]。

我國固廢處理行業起步晚、方法落后，截至目前仍舊處于初級階段，中國2億噸城市生活垃圾60%靠填埋，35%靠焚燒，其它處理占比非常少。

填埋法是一種最終處理技術，雖然它有著投資少、處理量大、技術成熟等一些優點，但其缺點亦很明顯：填埋場選址越來越困難；垃圾可回收利用部分被埋掉，造成資源浪費；滲濾液污染地下水，使其難以治理。

垃圾焚燒法減量效果顯著，可以使生活垃圾重量減少80%，垃圾焚燒產生高溫氣體，利用其熱能發電、供熱可直接實現資源化，但焚燒法處理垃圾投資大、運行成本高、排放煙氣中的二次污染等問題，使該方法的應用受到了限制。

熱分解法，有機固體有機廢物在無氧或缺氧的高溫條件下受熱分解。產生燃氣、焦油或焦炭等，垃圾中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在炭黑中，且熱解煙氣中灰量小，二惡英的生成量很少，節省尾部凈化設施的建設和運行費用的同時，二次污染的排放低，是垃圾處理的一項新技術[2]。

該系統以高效熱解氣化技術為核心，配以高溫凈化爐、超強湍流傳質處理系統，并從源頭上對二惡英的污染進行了有效地控制，從而實現垃圾資源化利用，解決垃圾圍城問題，最大限度地節約資源、保護環境。

1 高效熱分解垃圾處理工藝流程

1.1 系統原理

熱分解是將有機物在無氧或缺氧狀態下加熱，使之分解為：（1）以氫氣、一氧化碳、甲烷等低分子碳氫化合物為主的可燃性氣體；（2）在常溫下為液態的包括乙酸丙酮等化合物在內的燃燒油類；（3）純碳與玻璃、金屬、土砂等混合物形成的碳黑的化學分解過程[3]。

熱解反應可以用通式表示如下：

有機固體廢物——氣體（H2/CH4/CO/CO2）+有機液體（有機酸+芳烴+焦油）+炭黑+爐渣

熱分解在其熱化反應中由于用空氣作為氣化劑，由于可以缺氧熱解，致使氧氣供應量比直接焚燒明顯的減少了。從而使排放尾氣中的SO2、NOx亦隨之明顯下降，使之燃后的NOx、SO2以及顆粒物量也會明顯減排。

1.2 系統工藝流程

高效熱分解垃圾處理工藝流程如圖1所示，高效熱分解爐——高溫凈化爐——超強湍流傳質塔。

圖1 高效熱分解垃圾處理工藝流程圖

在熱解爐中，垃圾爐體上端進料，爐下端燃燒溫度達到1 100～1 300℃高溫，中端維持900℃快速熱解，上端逐漸降至600℃～500℃烘干垃圾，保證上端進料逐漸烘干，流入中端高溫區被熱裂解成以CO、H2為主的燃氣；燃氣將進入二燃室，供以充足的空氣，使可燃氣體在1 000℃的高溫下充分燃燒，使有毒有害物質完全分解，達到無害化。1 000℃的煙氣，繼續前行，通過高溫換熱器，將1 000℃的煙氣降到500℃，以回收高溫顯熱，回收顯熱可以發電；繼續前行，通過超強湍流傳質驟降塔降溫，煙氣瞬間從500℃降至200℃以下，阻斷了二惡英的復合再生條件，尾氣再通過超強湍流傳質塔，SO2、NOx、HCl、煙塵、重金屬等有害物被有效清除，達到超低排放的標準。

2 高效熱分解垃圾處理系統

2.1 高效熱分解爐

溫度是熱解過程的關鍵控制變量，熱解的溫度不同，熱解后所得的產物和產量也不同，而且物性也不一樣。在溫度升至400℃，有機垃圾大分子裂解成較多的中小分子，油類含量相對較多。隨著溫度的升高，除大分子裂解外，許多中間產物也發生了二次裂解，氣體產量成正比增長，而焦油、炭渣產量相對減少。在熱解溫度為800℃～900℃之間時，有機垃圾的熱解產物主要是氣態的小分子揮發分。在較高的溫度下熱解速度加快，也可使燃燒后的固態殘余物大大減少，降低對它的處理難度[4]。

如圖2，熱解氣化爐從上到下，依次為干燥層、熱解層、熱解燃燒層、燃燒層和冷卻層。垃圾首先在干燥層由熱解層上升的煙氣干燥，其中的水分揮發；在熱分解層和熱解燃燒層分解成一氧化碳、氣態烴類等可燃物進入混合煙氣中。熱解氣化后的殘留物（液態焦油、較純的碳素以及垃圾本身含有的無機灰土和惰性物質）進入燃燒層充分燃燒。燃燒溫度達到1 100～1 300℃。燃燒層產生的熱量用來提供熱解層和干燥層所需的熱量，并將熱解層人溫度控制在800℃～900℃之間高效熱解。

圖2 高效熱分解爐

燃燒層產生的殘渣進入冷卻層，由爐底部的一次供風冷卻（同時達到了預熱一次供風的目的），經爐排的機械擠壓、破碎后，由排渣系統排出爐外。熱解氣化爐產生的混合煙氣進入二燃室燃。由熱解氣化爐底部送入的一次風穿過殘渣層，給燃燒段提供充分的助燃氧?？諝庠谌紵^程中消耗了大量氧，并在上行至氣化層和熱分解層時繼續提供參與反應的氧。立式爐型和底部送風方式滿足了垃圾在關鍵的熱分解氣化階段溫度和反應空氣量（缺氧和少氧）的條件，并能使參與反應的垃圾維持在這個環境下足夠的時間。

當爐進入熱分解常態下，可用二燃室產生的高溫尾氣，由風機返送于爐內，從多個不同角度進入使熱分解的氣化、燃燒、燃盡三層進行氣流帶動渦旋，使熱解率及煙氣質量提高。

直通立式熱分解爐進料時垃圾下降速度過快，沒有緩沖過程讓垃圾下降時完成預熱-熱分解氣化-氧化燃燒提供熱能的穩定過程，既不能保證垃圾燃燼更達不到余碳、焦油的熱分解氣化，且容易結塊，難以實現氧化燃燒提供熱能的最優配置。因此對熱解氣化爐體進行改進，安裝四層活動爐排，將爐體分成干燥層、熱解層、熱解燃燒層、燃燒層和冷卻層，以減緩垃圾下降的時間，同時讓其反應充分，以達到熱解氣化的目的，提高熱分解效率。

爐體在運營中的無源結構性的總體架構下，操作簡單、自動化程度高、費用低。

2.2 高溫凈化爐

熱解氣中除 H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6等六種主要氣體外，還含有 NOx、HCI、H2S、NH3、O2、C3、C4、C5碳氮化合物及離分子碳氮化臺物等氣體，在二燃室內，采用過氧燃燒，將溫度控制在1 000℃，氣體停留時間大于2 s，能使多氯聯苯類物質、殘炭等完全燃燒分解，使二惡英殘留量極少[5]。

如圖3，熱解氣體進入高溫燃燒室內，經過喇叭型的燃燒爐前入口，接進燃燒器端口。在控氧渦旋燃燒室內進行二次燃燒。該燃燒室呈管式蜂窩狀結構，在主通道內設有渦旋氣流結構通道，形成渦旋狀的空氣形成了多層、多點、多路徑的湍流燃燒模式。與之相聯的空氣腔、鼓風機、調節閥則控制空氣輸入，使爐中的燃燒呈湍流渦旋，形如“龍卷風”之形成，故稱為“龍卷風燃燒”。使熱解氣體氣能溫度提高到1 000℃～1 200℃，從而改變火焰結構，使爐內組織起貧氧燃燒，擴展火焰燃燒區域，火焰邊界幾乎擴展到爐膛邊界，使溫度分布均勻，它工況噪音小，是了名符其實的“清潔燃燒”之利器。同時，高溫凈化爐形成的高溫場、對氣體中的二惡英、呋喃等嚴重傳染物的高溫熱分解，也是它排放達到環保要求的關鍵所在。

圖3 高溫凈化爐

2.3 尾氣處理超強湍流傳質系統

鑒于生物質垃圾在爐中燃燒，含水量高，進而產生尾氣濕度居高不下，如果用傳統的靜電除塵、布袋除塵和半干法除塵就會產生工況運轉難度明顯增大、費用增高等諸多困難，選用超強湍流傳質技術（見圖4）就可以達到克服以上問題的而達最佳環保效果。

圖4 超強湍流傳質塔

超強湍流傳質技術，從上個世紀末至今得到航天部、國家環保總局、國家發改委的多次支持，這一技術被應用在電站鍋爐以及工業鍋爐的除塵脫硫領域，可實現高效除塵、脫硫超低排放，不帶水，不結垢堵塞，液氣比小，能耗低，運行成本低廉，投資性價比優。

超強湍流傳質技術是利用氣流本身的能量，通過改變流道的大小和方向，對氣流矢量加速和強化氣流的擴散，形成超強湍流傳質傳熱均勻流場，特別是固體顆粒進入超強湍流傳質場，被撞擊分散，氣體本身在撞擊固體時，也伴隨分散，實現在最短的時間，最小的空間，最小的固氣比下，達到氣固充分接觸，提高最小能耗下的氣固混合。在超強湍流傳質場中能實現各相都分散，這是實現高速、高效傳質的關鍵。超強湍流傳質場的湍流強度比起一般湍流場強度會高出二至六倍或以上[6]。

超強湍流傳質傳熱技術由于超強湍流場的形成，在多相流中強化了相間傳質傳熱，使煙氣瞬間從500℃降至200℃以下，阻斷了二惡英的復合再生條件，SO2、NOx、HCl、煙塵、重金屬等有害物質被有效清除，能實現除塵脫硫一體（共塔），達到超低排放。

3 高效熱分解垃圾處理系統的特點及應用效果

（1）本系統有利于控制二惡英類物質的生成。由于熱分解過程是大分子有機物轉變為小分子可燃氣體的過程，爐內環境中缺少氧氣，在熱分解過程中有價金屬沒有被氧化，垃圾中的Cu、Fe等金屬不易生成為促進二惡英類物質形成的催化劑，減少了二惡英類物質的生成。尾氣處理系統由驟冷器及超強湍流傳質傳熱凈化塔組成，使尾氣再經驟冷降到200℃以下，上述驟冷工序是除去二惡英再生的基本條件。

（2）本系統有利于控制NOx、SO2以及顆粒物量排放。熱分解在其熱化反應中由于用空氣作為氣化劑，使用缺氧熱解工藝，致使氧氣供應量比直接焚燒明顯的減少，從而使排放尾氣中的SO2、NOx亦隨之明顯下降。由于無需對熱解爐中的垃圾和氣體進行額外攪拌，使得煙氣中顆粒物量的含量明顯降低。

（3）本系統可減少尾氣處理設備的投入。熱分解氣化爐和高溫凈化爐均采用清潔燃燒工藝，NOx、SO2、二惡英類物質以及顆粒物量生成少，尾氣處理工藝簡單。超強湍流傳質技術可實現高效除塵、脫硫超低排放，能耗低，運行成本低廉，投資性價比優。

（4）本系統由南寧廣發重工集團有限公司研制開發出的國產高效垃圾熱解氣化焚燒設備，具有投資低、運行費用低、焚燒效率高、無需預處理、無二次污染等特點，對國內垃圾適應性強，還適合于醫療廢物等特種垃圾、有機工業廢棄物、生畜禽養殖廢棄物、農作物秸稈等。

4 結束語

垃圾熱解技術同焚燒技術相比，具有資源化程度高、無害化徹底、二次污染小的特點，在未來的垃圾處理技術中有很寬的應用前景。本系統的創新點：一熱解氣化爐安裝四層活動爐排，將爐體分成干燥層、熱解層、熱解燃燒層、燃燒層和冷卻層，以減緩垃圾下降的時間，同時讓其反應充分，提高熱分解效率；二超強湍流傳質驟降塔降溫，煙氣瞬間從500℃降至200℃以下，阻斷了二惡英的復合再生條件，達到超低排放的標準。需改進之處是水分影響垃圾升溫過程，延長了熱解時間，垃圾熱解前應該進行干燥預處理。