垃圾處理及其熱解氣化技術(shù)應用現(xiàn)狀

＊孔晶 李宣 陳正件* 黃廣禧 王馨雪 張獻

（1.珠海中科先進技術(shù)研究院有限公司 廣東 519000 2.廣州市醇美環(huán)保科技有限公司 廣東 511400 3.珠海市泰如天和企業(yè)管理咨詢有限公司 廣東 519000）

隨著城市居民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾成分也隨之不斷的發(fā)生著變化，尤其體現(xiàn)在含水量上。目前全球?qū)奈廴炯捌淇刂埔巡扇「鞣N措施，諸如填埋、堆肥、熱處理、機械處理等等，但世界各國垃圾總量還是在不可避免的增長，尤其體現(xiàn)在城市垃圾中的有機成分的增長[1]。城市生活垃圾處理不當時，將會對大氣、土壤、水體、人體健康等造成嚴重危害。然而其含有大量的碳氫資源，若被適當處理合理利用進而形成可再生資源，將城市生活垃圾進行無害化、減量化、能源化處理以及實現(xiàn)垃圾的資源化循環(huán)利用，可為國家乃至全球能源危機貢獻力量[2]。

熱解氣化法能顯著減少生活垃圾的體積，殘渣比例較低，若將垃圾充分利用可獲得高價值的資源化產(chǎn)品，比如燃料油、可燃氣體等，其二次污染小，投資和運行費用較低。該法對垃圾成分的適應性強，幾乎不會造成二次污染，因此，熱解氣化法處理生活垃圾具有較佳的應用前景。

1.國外城市生活垃圾處理現(xiàn)狀

隨著全球科技與經(jīng)濟的迅猛發(fā)展以及土地資源的緊缺，各種垃圾處理技術(shù)也隨之不斷發(fā)展，以美國、日本、德國、瑞典、丹麥等發(fā)達國家為代表，其生活垃圾處理已逐步由填埋，轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎梅贌ㄌ幚砗蜔峤鈿饣幚怼Ｔ诔鞘欣幚矸矫妫绹蚱涞赜蜻|闊，填埋處置率較高，美國采用填埋法占56%，焚燒占14%，其它則進行回收利用。日本對于城市生活垃圾的處理則主要采用焚燒技術(shù)，該國垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，其垃圾焚燒處理量占垃圾總產(chǎn)量的75%以上[3]。德國擁有較完善的城市生活垃圾分類處理方式，其可生物質(zhì)降解物質(zhì)約占該國城市生活垃圾總量的20%～60%，可回收垃圾送入相關(guān)的工廠進行循環(huán)利用，可生物降解物質(zhì)主要采用堆肥或其他方式處理，采用熱處理或機械生物處理方式進行其余城市生活垃圾的處理，接著，處理后殘渣會進行填埋處理[4-5]。

因此，各國需要結(jié)合本國的土地資源、垃圾占比、垃圾成分等，有針對性的發(fā)展城市生活垃圾處理工藝。從實現(xiàn)垃圾無資源化、能源化的角度出發(fā)，開發(fā)特有的符合本國國情的垃圾處理方式，例如各類垃圾氣化工藝。

2.國內(nèi)城市生活垃圾處理現(xiàn)狀

根據(jù)2020年中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示[6]（如圖1），近五年來，全國城市生活垃圾無害化處理率逐年增加，到2019年達99.2%，全國城市生活垃圾清運量2.421億噸，從圖1可以看出，2019年衛(wèi)生填埋、焚燒處理和其他處理比例分別占45.59%、50.70%和3.71%。城市生活垃圾焚燒廠有389座，處理能力45.6萬噸/日，實際處理量1.2億噸/年。

圖1 近五年全國城市生活垃圾無害化處理情況

我國的生活垃圾處理方式主要是填埋、堆肥和熱處理三大技術(shù)[7]，其中主要的熱處理技術(shù)分為焚燒技術(shù)和熱解氣化兩種。從資源化、能源利用的角度，較于焚燒技術(shù)，熱解氣化技術(shù)燃燒溫度較均勻，二次污染小，可以將城市生活垃圾轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的氣、液、固三種類型產(chǎn)品加以利用；從二次污染的角度，熱解氣化從原理上減少了二噁英的產(chǎn)生，尤其是在1000℃的高溫氣化條件下，可以有效分解二噁英等有害物質(zhì)。目前，根據(jù)我國的國情，研究人員正在開發(fā)適合我國國情的熱解氣化生活垃圾處理技術(shù)。

表1 近五年全國城市生活垃圾處理情況[6]

3.城市生活垃圾熱解氣化技術(shù)

城市生活垃圾熱解氣化技術(shù)歷史較短，由于研究目的和方式的不同，釆用的熱解氣化設備結(jié)構(gòu)也不盡相同[8]。根據(jù)爐型結(jié)構(gòu)可以分為回轉(zhuǎn)窯、固定床（移動床）、和流化床[9]。

(1)回轉(zhuǎn)窯熱解氣化技術(shù)

回轉(zhuǎn)窯熱解氣化爐[10]如圖3所示。垃圾經(jīng)過稍微破碎分選后直接送至回轉(zhuǎn)窯內(nèi)低溫熱解氣化，對垃圾的尺寸沒有特別的要求，適用性較廣。由于在無空氣條件下熱解氣化，其通過熱解氣化產(chǎn)生的可燃氣體熱值較高，且該類爐型所產(chǎn)生的爐渣較少且成分相對單一，利于爐渣的排除和后處理。其產(chǎn)生的可燃氣可用于爐子本身燃燒供熱，減少了熱量的流失，無需外加加熱，熱能利用率高，且將資源得到有效利用，但是回轉(zhuǎn)窯熱解氣化爐的體積龐大，投資稍大，且有效利用面積小，目前研究者也正在對該類爐型進行不斷改造。

圖2 回轉(zhuǎn)窯熱解氣化爐[17]

圖3 外熱式固定床垃圾熱解工藝

(2)固定床熱解氣化技術(shù)

固定床熱解氣化技術(shù)[11]處理城市生活垃圾時，首先需要將垃圾進行預處理：包括分選和破碎壓縮成型，降低含水率，一般降低至低于10%。燃燒室溫度控制在1300～1500℃之間，在該溫度下，垃圾中的有機物開始分解成可燃氣體、焦油、半焦。部分蓄熱式熱解氣化爐的燃燒室采用蓄熱式燃燒，利用燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣預熱空氣。產(chǎn)生的氣體燃料，可直接用作鍋爐的燃料或者混入高熱值氣體燃料制作城市煤氣，產(chǎn)生的灰渣可用作建筑骨料。外熱式固定床處理裝置較適用于對組成復雜、成分變化較大的城市垃圾，可以充分回收各種資源，包括可燃氣體、焦油、半焦等，例如其產(chǎn)生的焦油可以制作原料油或作為化工原料，熱解氣體一部分送入燃燒室提供熱量，另一部分作為外供燃氣加以利用；煙氣中的粉塵含量、二噁英類的含量較低，且產(chǎn)物中SOx、NOx等產(chǎn)物的生成量少，二次污染小。

(3)流化床熱解氣化技術(shù)

流化床熱解氣化技術(shù)[12]是借著惰性介質(zhì)（如石英砂）的均勻傳熱與蓄熱效果以達到垃圾熱解的目的。圖4是一種流化床熱解氣化爐，城市垃圾加入爐后熱分解在短時間內(nèi)完成，熱量由部分燃燒熱解產(chǎn)物來供給，流化空氣由熱解爐下部的供風裝置供給。流化床熱解氣化爐由于介質(zhì)是懸浮狀態(tài)，氣固間充分混合、接觸，整個爐床溫度非常均勻，且流化床內(nèi)的熱解反應速度快，可極大改善傳熱條件和溫度控制，該類爐型可以調(diào)節(jié)相應垃圾處理量且可控制流化氣體的體積，對垃圾適用性廣，此外設備尺寸要比典型的固定床反應器要小得多，但其熱量利用率相對較低，且垃圾前處理要求較高（需要將垃圾顆粒尺寸破碎至小于1cm），如果操作過程控制不當，會產(chǎn)生嚴重的二次污染。如何避開其不足而充分利用其優(yōu)點，也成為研究者的考慮方向。

圖4 流化床熱解氣化爐

(4)代表性熱解氣化裝置

在我國，垃圾熱解氣化技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從單純的焚燒和傳統(tǒng)的排爐，以及實驗室的研究，中型和大型的熱解氣化裝置逐步進入產(chǎn)業(yè)化階段，根據(jù)大量文獻資料顯示，具有代表性的裝置有真空移動床、流化床、兩段移動床及回轉(zhuǎn)窯等[13]，尤其是針對廢舊塑料，橡膠和固體廢棄物的熱解設備的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，也引起人們的廣泛關(guān)注和重視[14-16]。目前氣化爐內(nèi)溫度較高的還有立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化焚燒、離子體氣化等，其詳細情況見表2所述。

表2 代表性裝置及其基本情況[14-16]

4.熱解氣化城市生活垃圾處理面臨的挑戰(zhàn)[17-18]

目前國家對熱解氣化工藝尚無全面評價標準，難以將熱解氣化與焚燒加以明顯區(qū)分，已有的熱解氣化項目無運行跟蹤數(shù)據(jù)，其運行效果難以評估，需要國家或者行業(yè)層面對熱解氣化項目在政策上提出指導建議。此外，目前我國熱解氣化設備以小型化設施為主，部分尚處在實驗室階段，規(guī)模量較小，其產(chǎn)品再利用和能量回收的較少，而熱解氣化工藝具備實現(xiàn)生活垃圾資源化大規(guī)模利用的潛力，需進一步擴大處理規(guī)模并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

5.結(jié)論

（1）綜上所述，熱解氣化技術(shù)在控制二噁英等污染物的排放方面具有顯著的優(yōu)勢，其可充分實現(xiàn)垃圾的資源化和能源化利用。我國垃圾熱解氣化方面的研究成果還不成熟，較多尚處在實驗室階段，規(guī)模量較小，研究缺乏系統(tǒng)性，偏重機理與基礎研究，還需進一步研究以投入產(chǎn)業(yè)化應用中，國家也需進一步完善熱解氣化相關(guān)標準和政策。

（2）通過比較國內(nèi)外生活垃圾處理現(xiàn)狀可得，在垃圾熱解氣化工藝方面國外已經(jīng)研制相對成熟和大規(guī)模運用的產(chǎn)品，但由于我國生活垃圾熱值較低、含水率偏高的特點，且存在垃圾分選不規(guī)范等問題，國外熱解氣化處理工藝并不適應國內(nèi)城市生活垃圾的處理。因此，開發(fā)出符合我國國情、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的熱解氣化設備尤為重要。