城市生活垃圾高溫熱解氣化技術的工業化應用

＊李宣 孔晶 劉凌雯 王馨雪 黃廣禧 陳正件,2*

（1.珠海中科先進技術研究院有限公司 廣東 519085 2.中科萱嘉醫養（珠海）健康科技有限公司 廣東 519085 3.廣州市醇美環保科技有限公司 廣東 511400）

目前國內發展日新月異，工業化程度快速提高，生產規模快速擴張和能源大量消耗產生了巨量的廢棄物，一線城市的“垃圾圍城”最為嚴重[1]。根據中國統計年鑒2020年數據顯示，我國2020年產生的城市生活垃圾重量為2.42億噸，目前城市內固體垃圾排放量仍然以每年9%～11%[2]的速度增加，給城市的運作帶來了極大的壓力，但無害化垃圾處理工廠數量僅為1183家，無害化處理能力約為87萬噸，生活垃圾無害化處理率為99.2%。我國主要垃圾處理方式為衛生填埋、堆肥和焚燒[3-4]，但存在效率低、環境污染大、占地大、成本高等不足，目前已經無法滿足新形勢下我國對垃圾的處理要求[5]。

熱解氣化技術區別于傳統的填埋、堆肥處理、機械回收、焚燒來處理城市生活垃圾，能顯著減少城市生活垃圾的質量和體積，二次污染小，投資和運行費用低，可燃氣體回收利用率高、產生能源可循環再利用、可獲得高附加值的燃料油等資源化產品等優點。本文就熱解氣化技術處理一般城市生活垃圾的國內研究進展和應用現狀進行闡述。

1.城市生活垃圾高溫熱解氣化技術

城市生活垃圾熱解氣化技術是指在少氧環境下，垃圾中的有機大分子物質發生熱解、氧化、重整等一系列過程，產生H2、CO、CO2和低碳鏈的碳氫化合物等小分子的生產技術。城市生活垃圾熱解氣化技術按照產氣處理手段分成兩大類，第一類是采用超過1200℃高溫將城市生活垃圾中的大分子有機物熱解為以H2、CO為主的合成氣，合成氣通過處理去除焦油、灰塵等污染物后，用以燃氣輪機發電、制作化工產品、燃料電池發電等。第二類是城市生活垃圾熱解氣化后形成的合成氣不經過純化，直接進行燃燒。氣化作為可燃城市生活垃圾熱處置的中間處理過程，反應溫度通常為600～900℃。

熱解可以分為三個階段[6]：脫水階段（室溫-200℃），有機物脫除的水分包括游離水和結合水；干餾階段（250～500℃），在缺氧條件下，升高溫度，大分子有機物裂解為小分子物質析出，原料質量損失較明顯；氣化階段（500～1200℃），大分子氣化產物、液態和固態的化合物裂解為CH4、CO、H2和CO2等。二次熱解主要有脫氫、裂解、縮聚、氫化等，并且各個反應無明顯界限，多數是交叉進行，該過程質量損失較小，這一階段主要為C-C鍵和C-H鍵的進一步裂解[7]。

2.城市生活垃圾高溫熱解氣化技術的研究應用

城市生活垃圾熱解氣化技術于20世紀70年代開始研究，主要是解決世界性的能源短缺問題[8]，現如今主要是為了解決“垃圾圍城”問題，同時產生能源緩解能源匱乏。在歐美等一些發達國家，已經對固廢熱解氣化技術展開了深入研究，目前已經有全套固廢熱解氣化設備成熟使用[9]，固廢熱解氣化技術在國內起步較晚，發展時間短，但目前也已經取得了較為豐碩的成果。

國內城市生活垃圾熱解氣化技術主要包含如下幾種，分別為立式旋轉熱解氣化焚燒技術、內外熱源聯合供熱熱解氣化技術、焚燒發電熱解氣化技術和蓄熱式輻射管旋轉床熱解氣化技術等。

3.立式旋轉熱解氣化焚燒技術

立式旋轉熱解氣化焚燒爐（一燃室）從上到下依次為空層、干燥層、熱解層、燃燒層、燃燼層、冷卻層和排渣層，降低垃圾的熱灼減率，進一步提高垃圾熱回收率，有利于殘渣的綜合利用。立式旋轉熱解氣化焚燒技術是目前最為先進、安全的中小噸位垃圾焚燒處理工藝。

遼寧省瓦房店市中部區域生活垃圾收運體系采用“生活垃圾預處理+有機物消解堆肥+可燃物熱解氣化+塑料造粒”相結合的綜合處理工藝[10]，配置了一條處理能力為100t/d的立式旋轉熱解氣化處理線，如圖1所示。該項目立式旋轉熱解氣化爐可以有效解決煙氣排放污染問題，無害化程度極高，資源化程度高，運行成本低等特點，尤其可以有效抑制二噁英生成[11]。熱解氣化爐的一燃室溫度約為1000℃，二燃室的采用過氧燃燒，溫度保持在850～1000℃，煙氣停留時間超過2s，能使二噁英的殘留量極少[12]。

圖1 固體垃圾高溫熱解氣化爐工藝流程圖[13]

立式旋轉熱解氣化焚燒技術具有如下優勢：一是設計科學合理，結構簡單緊湊，重量輕，易布置，建設周期短；二是爐排工作在低溫區域，避免了高溫對爐排的熱影響，降低了設備制造成本；三是產生的煙氣量少，降低了二次污染的排放及治理成本；四是減少了二噁英的生成；五是運行穩定，進、出料便捷可控；六是安全、經濟的垃圾處理技術；七是適應性強，應用范圍廣，易實現自動化控制，運行能耗和成本低；八是投資低，經濟效益好；九是熱效率更高，熱灼減率更低。

4.內外熱源聯合供熱熱解氣化技術

內外熱源聯合供熱熱解設備由主熱解爐、副熱解爐、可燃氣體冷卻器、焦油餾分塔、可燃氣體過濾器、燃氣存貯器及垃圾灰處理器組成，設備工藝流程見圖2。該設備垃圾日處理可以達到5t，并且已投入使用。

圖2 內熱源與外熱源聯合供熱熱解氣化技術工藝流程圖

主熱解爐包含燃燒室和熱解爐膛，熱源采用是煤和垃圾炭在燃燒室產生的熱量。燃燒室的體積較大，氣流運動不穩定，位置不同，溫度略有差異。燃燒室底部的溫度在800～1000℃之間變化。燃燒室的中上部溫度基本可以保持在600～700℃。熱解爐膛內溫度穩定。爐膛內的垃圾以螺旋線形式向前推進，方便垃圾內部溫度均勻。同時熱解氣在未熱解的垃圾空隙中穿行，使爐膛內的溫度分布比較均勻。

5.焚燒發電熱解氣化技術

駐馬店市生活垃圾無害化綜合處理再生利用項目[14]，垃圾采用“高熱值組分熱解氣化+余熱發電上網”的組合工藝，并預留300t/d的生產線為后期擴建容量，發電系統如圖3所示。

圖3 垃圾發電系統原理圖

該垃圾處理工程垃圾焚燒采用4條熱解氣化生產線，每一條生產線配2臺熱解氣化爐和1臺二燃室、一臺余熱鍋爐和1套獨立的煙氣凈化設施。將二燃室布置在熱解爐煙氣出口層處，能有效節省占地空間，縮短熱解氣體行程，減少散熱和動力損失。二燃室出口與余熱鍋爐銜接緊密，可節省布置空間，減少煙氣能量損失。

6.蓄熱式輻射管旋轉床熱解氣化技術

神霧環保技術股份有限公司采用旋轉床用于垃圾熱解，固體垃圾經過干燥、揮發分析、高分子裂解三個階段[18]。采用隔絕空氣加熱，有效避免二噁英的生成，能有效實現垃圾無害化處理。

該項目垃圾處理量達到了6萬t/a，操作時7200h每年，操作彈性60%～120%，主要包括以下系統：（1）200t/d生活垃圾預處理系統；（2）110t/d旋轉床熱解系統；（3）65000m3/d流化床氣化系統；（4）1200m3/h油氣分離凈化系統；（5）100t/d污水處理系統；（6）15000m3/h尾氣凈化系統[15]。

固體垃圾經稱重后進入垃圾處理料坑，進行分選：分選出的無機雜質進行填埋；金屬收集后提純對外銷售；有機質和可燃物進行破碎后進旋轉床熱解，熱解產油氣進行油氣分離，所產生的熱解氣作為產品對外銷售，旋轉床產生的固體炭和油氣分離凈化產生的焦油送去流化床氣化，流化床氣化產生的潔凈的氣化氣作為旋轉床燃氣，旋轉床產生的煙氣直接達標排放，如圖4所示。

圖4 蓄熱式輻射管旋轉床垃圾處理工藝流程圖[18]

7.結論與展望

國外針對城市生活垃圾熱解氣化技術已經可以實現二噁英等有毒物質的零排放，但工藝復雜，運行成本高，不適用國內環境。目前，國內的固體垃圾熱解氣化技術已經逐漸從實驗室走向工業化，但規模小，適用于村落等，可以有效解決農村固體垃圾的處理問題。目前還需進一步研究針對我國大城市固體垃圾的熱解氣化技術的研究推廣，從而解決當前許多大城市如上海、廣州、深圳、北京等面臨的垃圾圍城問題。

城市生活垃圾熱解氣化技術需要根據當地的垃圾產生種類調整運行參數才能實現對垃圾的有效利用，也能實現垃圾最大程度上的減量化和回收利用。因此，在改進熱解氣化設備工藝方面，可以建立起良好的工程實踐管理體系，建立良好的數據模型，可以根據垃圾的成分比例做出相應的工藝參數調整，同時也對熱解氣化設備進行參數評估。