一種生活垃圾熱解氣化技術路線的應用探討

姚海濤

摘? 要：本文探討了一種生活垃圾熱解氣化處理的技術路線，關鍵工藝有兩處。一是生活垃圾壓榨預處理，降低入爐垃圾含水率，提高熱值，進而提高熱解產物產量;二是熱解后再氣化，高溫空氣氣化提高熱值。

關鍵詞：生活垃圾;壓榨預處理;熱解氣化

1 引言

生活垃圾造成的污染問題，是世界各國面臨的重大環境問題之一。垃圾處理主要解決垃圾的最終去路，是垃圾治理的重難點。

生活垃圾處理技術有三大類：填埋、堆肥和熱處置。2020年9月，我國提出的“雙碳”目標，要求發展綠色低碳循環經濟，加強固廢資源化高效利用，具體包括減少垃圾填埋，實現高比例資源化[1];填埋占用土地資源，不能減容減量，只適合易腐、可降解有機物，不能處理全部生活垃圾;且周期長、處理量小，產品需求有限，限制了堆肥技術的規模應用。

熱處置可分為焚燒和熱解氣化兩種。從污染物排放角度，直接焚燒的不充分引起二次污染，特別是二噁英的排放;熱解在缺氧條件下進行，從原理上減少二噁英生成，在環保要求日益嚴格的今天，熱解氣化有著廣泛發展的技術優勢。

2 熱解氣化技術介紹

2.1 熱解技術

相關實驗研究表明，對塑料類固廢，熱解溫度和加熱方式影響熱解產物產量、產物分布;提高熱解溫度，可提高產氣率、碳轉化率和熱效率，700～800℃范圍，基本達到最大值。對紙類固廢，熱解最佳溫度在600～700℃。對木料類，熱解溫度、停留時間對熱解氣成分和熱解油的產量及組分有重要影響，最佳熱解溫度在400～600℃。

對于多組分的生活垃圾，隨熱解溫度提高，熱解時間縮短，總產氣率增加，熱解氣熱值增加，在600℃達到最大值。顆粒尺寸小，燃氣產率提高，焦油、焦炭減少，可燃氣中H2、CO更高。

2.2 氣化技術

含氧氣化的熱量來自于物料自身燃燒放熱，過量空氣系數和氣化溫度是影響因素。氣化產物中CO、CO2含量較高，CH4、H2含量低;隨氣化溫度提高，CO、CH4、H2含量增加，CO2含量減少;隨氧氣量增加，CO含量增加，H2、CH4略有下降，CO2先降后升。

水蒸氣氣化氣中含大量的H2，但需外來熱源維持氣化反應熱。S/M（水蒸氣/生活垃圾質量之比）是氣化氣組分的影響因素。隨S/M提高，H2、CO2含量增加，CO、CH4急劇減少;提高氣化溫度，可增加H2、CO含量。

3 技術路線探討

3.1 總體工藝

本次提出的技術路線參考國內外固廢熱解氣化的實驗研究[2]和相關定型產品，選取并優化參數，組合國內成熟產品。

具體的工藝路線如下：生活垃圾→壓榨預處理→干組分計量破碎→干燥→熱解→氣化→凈化提質→發電。

3.2 主要工藝技術

3.2.1壓榨預處理

原生生活垃圾含水率高、熱值低，后續熱處置需耗費大量熱，使得熱效率不高。本技術路線先壓榨預處理，利用25-50MPa的機械壓力將生活垃圾中的有機質、水分與塑料、紙張等無機質進行分離，得到含水率低于35%的干組分和含水率高于80%的濕組分，干濕組分分離比約為6：4～5：5。壓榨后的濕組分，有機成分高，后續可進行熱水解等資源化利用，本文不過多論述。

壓榨預處理可直接處理進站垃圾，不需分倉熟化，減少垃圾暴露時間和儲存空間，控制惡臭氣體泄露及滲濾液產生。

3.2.2干燥

干組分破碎后進入干燥工序。干燥使進入熱解器的物料含水率降低到5%以下，減少熱解能耗，提高熱解反應溫度，使反應更徹底。干燥熱源由焚燒發電后的高溫煙氣提供。干燥工藝采用內加熱+外上下夾套加熱+螺旋推進的臥式干燥器。

相關研究表明，物料粒徑一致的條件下，螺旋干燥器的旋轉頻率是干燥系統換熱效率的主要因素。旋轉過慢，物料與換熱壁面接觸時間長，吸熱有限;旋轉過快，接觸時間短，來不及有效吸熱。合適的旋轉頻率，約為1.65rpm（5Hz），綜合換熱系數最大，換熱效率最佳。

3.2.3熱解反應

干燥后物料進入熱解器，反應器基本構造與干燥器類同。熱解反應熱源來自于高溫氣化氣換熱。通過進料量及旋轉速度控制物料溫升速率，進而影響熱解反應。

熱解產物主要包括熱解氣、焦油、半焦和水蒸氣。物料升溫中，氣相產率上升;650℃時，氣相產物熱值最高達18.03MJ/Nm3。液相產率下降。固相產率在550℃后，保持平穩。同時，溫升速率提高，氣相、液相產物熱值提高，固相產物熱值降低。本次技術路線選擇650℃作為熱解反應溫度。熱解氣的主要組分為CH4、CO2、CO、H2;焦油中有機組分為脂肪烴、單環芳烴、多環芳烴、含氧烴、取代烴、芳香腈五類。

3.2.4氣化反應

氣化器采用下吸式結構[3]，以空氣為氣化劑。物料進口設置在頂部，從上到下依次設有物料層、氧化層、還原層、灰渣層以及氣化氣出口。爐內設有物料支撐排放架，用于控制固氣混合物的排放與流量控制。氣化強度通過熱解產物進爐量和氣化劑流量控制。

熱解產物從頂部進入氣化器，與高溫氣化劑空氣接觸，在氧化層燃燒形成1100℃的高溫層，使熱解產物參與還原反應，最終生成CO、H2、烷烯炔類等。焦油氣化效率最高，氣化氣中H2最高，隨后為CO2和CO。

4 結論與建議

壓榨預處理使垃圾處理減量最大可達50%，同時降低含水率、提高熱值，有益于后續熱處置工藝，具有較高應用價值。

熱解反應前增加干燥工序，降低含水率，減少熱解階段能耗，提高熱解反應溫度，促進熱解反應。熱解耗熱來自高溫氣化氣冷卻，做到了余熱合理利用。氣化耗熱來自熱解氣燃燒放熱，不需外來熱源，即可維持反應。

本技術路線熱解溫度為650℃，氣化溫度為800-1000℃，產氣量較傳統工藝增加5-8%，熱值達到18-23MJ/m3。

參考文獻

[1]“碳達峰、碳中和戰略及路徑”項目組.碳中和背景下中國碳達峰路徑分析[J].中國工程科學，20217（12）：1673-1677.

[2]袁浩然，魯濤等.城市生活垃圾熱解氣化技術研究進展[J].化工進展，2012，31（2）：421-427.

[3]曹樺釗，鄧晨等.超高熱值垃圾熱解氣化下吸式出風口應用研究[J].環境衛生工程，2019，27（01）：54-57.