立式旋转热解气化炉在生活垃圾分类处置工程中的应用

2015-03-18杨扬

环境卫生工程 2015年4期

杨扬

（天津市市容环境工程设计研究所，天津 300201）

1 工程概况

辽宁省瓦房店市中部区域生活垃圾收运体系垃圾分类处置转运中心建设工程，占地面积60 295.38 m2，处理规模280 t/d，采用“生活垃圾预处理+有机物消解堆肥+可燃物热解气化+塑料造粒”相结合的综合处理工艺［1］。其中生活垃圾焚烧处理规模为97.9 t/d，根据建标142—2010生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准的规定，结合各厂家单台锅炉处理能力，本工程配置1条处理能力100 t/d的生产线。

2 焚烧炉选择

立式旋转热解气化炉是近年来出现的一种新型锅炉，其最大的优点是环保性能优异。本锅炉与传统的垃圾直接焚烧锅炉相比，热解气化炉解决了烟气污染的问题，具有二次污染小，无害化彻底，资源化程度高，投资少，运行成本低，尾气排放效果好等特点，尤其对抑制二恶英的产生效果显著［2］。传统的炉排直接焚烧，炉排不适于承受1 000℃以上的高温，使焚烧的工作温度受到限制，而1 000℃以下的焚烧温度难于使二恶英完全分解。热解气化炉技术的核心就是可抑制二恶英的产出，一燃室温度＜1 000℃，二燃室内采用过氧燃烧，将温度控制在850～1 000℃，烟气停留时间大于2 s，能使多氯联苯类物质、残炭等完全燃烧分解，使二恶英残留量极少［3］。另外，已分解的多氯联苯类物质在C原子和CuCl2催化的条件下，在250～300℃还会再合成二恶英。但在一燃室内，温度控制在600～800℃，热解缺氧呈还原环境，Cu、Al、Fe不会被氧化，没有CuO等也就不会产生CuCl2，缺少了CuO、CuC12等化合物的催化剂，就无法合成二恶英。再有，热解气化技术还能减少NOx和SO2的排放，这是因为一燃室在热解缺氧环境下，N、S极少被氧化而残留在炉渣中，而独特的二燃室设计确保烟气形成湍流，与空气中的氧气充分混合，不需要过量的空气，相应地减少了来自空气的N源，使得NOx排放降低。此外有研究表明，热解气化反应后，垃圾中含有的氯元素绝大部分转移到残渣中，使得排烟中HCl含量低于传统生活垃圾焚烧炉的标准限值。综合以上优点，选用了这种环保效果突出的立式旋转热解气化炉。

3 立式旋转热解气化炉工艺流程

生活垃圾焚烧系统主要由上料系统、热解气化系统、余热利用系统、烟气净化系统和烟气排放系统组成，其工艺流程见图1。其中热解气化系统和烟气净化系统是整套工艺系统的关键所在。

图1 生活垃圾热解气化炉工艺流程

4 热解气化系统

热解气化系统主要由旋转炉排型热解气化炉（一燃室）和热解气体燃烧室（二燃室）组成。见图2。

图2 立式旋转热解气化炉工作原理

4.1 一燃室

一燃室自上而下分为干燥层、热解层、燃烧层、热渣层、冷渣层。首先由垃圾抓斗将垃圾倒入直立料仓，通过炉盖上料仓底部的双辊加料机缓慢旋转按设定的转速加入到转动的炉体内。炉盖上的落料口沿炉膛半径布置，落料时进入炉膛内的垃圾伴随着炉体的转动，沿着半径面撒开到达干燥层，垃圾在干燥层通过下面的高温烟气迅速干燥升温，然后到达热解层，大部分有机物在高温缺氧状态下被热解生成H2、CO和CH4等可燃气体，热解气化后的残余物在燃烧层进行充分燃烧，燃烧温度可达到1 100～1 200℃。燃烧层产出的高温烟气为干燥层和热解层提供了所需的热量，燃烧层生成的残渣经过热渣层继续燃烧后进入冷渣层。

经过以上过程，生活垃圾转变成了无害的炉渣和待继续燃烧的混合可燃烟气，然后炉渣经旋转炉排挤压破碎后，顺着炉底部的锥形灰斗落入其下方水封槽里的链刮板式除渣机上，浸湿后由除渣机排至地面运走填埋，这样工作现场杜绝了粉尘飞扬，真正实现了清洁生产。

一次供风通过热解气化炉底部进入炉体对残渣进行冷却，同时又可以对一次供风进行预热，一次风冷却残渣后向上进入燃烧层，为垃圾的燃烧提供了充足的助燃氧。

4.2 二燃室

从热解气化炉（一燃室）排出的高温混合气体从炉顶部的出烟口排出经烟气道进入二燃室，经二次风补给，在过氧情况下燃烧，燃烧温度≥850℃，气体停留时间大于2 s，CO浓度降至30 mg/m3以下，达到完全燃尽状态。通过控制二燃室的温度和助燃空气过剩系数，可保证消除二恶英、CO、CH4等，避免对大气环境造成二次污染。二燃室采用燃油燃烧器，设定二燃室的温度≥850℃，当二燃室温度低于850℃时，燃烧器启动点火补充热量，当温度超过900℃时停止助燃。

二次供风系统采用1台风机，风机供风要求按所供二燃室各层的燃烧温度来进行调节，以免形成二燃室局部高温影响耐火材料的使用性能。经过二燃室燃烧后的烟气到出口时CO浓度可降至50 mg/m3以下，O2浓度为6%～10%，有机物焚烧去除率达99.99%，燃烧效率达到99.99%，燃烧生成的NOx浓度小于 300 mg/m3。

二燃室排出的高温烟气经过余热锅炉吸热后，温度降至180℃，进入烟气净化系统，处理达标后排入大气，满足GB 18485—2014生活垃圾焚烧污染控制标准的要求。余热锅炉产生的蒸汽可用于供暖或者送入汽轮发电机组发电。

4.3 处理效果

此方法处理生活垃圾，残渣热灼减率＜5%［4］，残余物致病菌量为0。锅炉顶部连续进料，底部连续排出。垃圾在处理过程中必然要经过炉中部温度高达1 100℃的高温燃烧区，因此有机物与病原体会被彻底焚毁。垃圾焚烧后全部形成结焦状残渣，热灼减率可达3%以下。

5 烟气净化系统

烟气净化系统采用半干法，主要设备有脱酸塔和长袋低压脉冲袋式除尘器。

5.1 脱酸原理

NaOH溶液浓度为5%，用浆液泵输送进脱酸塔，NaOH溶液经塔内雾化装置雾化后与烟气中的酸性成分发生中和反应，将酸性成分去除，反应式为［5］：

5.2 工艺过程

1）制作NaOH碱液：NaOH装运至溶解槽里加水搅拌，经过滤注入贮液箱，在贮液箱中继续加水配制成浓度为5%的NaOH碱液。

2）上料：螺旋离心泵将碱液输送到脱酸塔内，碱液被雾化喷嘴雾化成70～200μm的雾滴。

3）中和反应：被雾化的NaOH雾滴在喷嘴周围形成一个高密度碱性雾滴悬浮的区域，烟气中SO2、HCl等酸性物质通过此区域时和NaOH雾滴进行中和反应。反应后的烟气夹带着NaCl、Na2SO3等反应生成物的干燥粉末进入脉冲袋式除尘器。

4）除尘器除尘：锅炉烟气在引风机的作用下进入除尘器进风管中，然后均匀地进入除尘器各分室中，烟气中较粗重尘粒在自重的作用下沉降至灰斗内，经除尘器下部的排灰装置排出，而较细的烟尘被阻留在滤袋的外表面上，被过滤后的洁净烟气进入上部的净气室内，并汇入出风总管通过引风机从烟囱排放。

5）活性炭吸附：在脉冲袋式除尘器前设置活性炭注入装置，以吸附并去除气态重金属和二恶英，吸附有重金属和二恶英的活性炭粉被滤袋与烟尘过滤后进行飞灰固化处理，经过洁净处理后的烟气再排入大气中。

5.3 系统特点

1）制备好的NaOH碱液即刻被喷入脱酸塔内参与反应，可显著提高反应效果，降低消耗。

2）半干法脱酸系统无废水产生，不会造成二次污染。

3）反应后剩余的NaOH和反应生成物NaCl、Na2SO3与脉冲袋式除尘器的飞灰一并收集处理，对飞灰起到固化剂的作用，可防止飞灰中重金属的逸出。

6 立式旋转热解气化炉经济性

1）一燃室的炉压低，空气扰动小，因此烟气中尘含量低。烟气中的原始尘含量仅为1 500 mg/m3，是流化床焚烧炉（60 g/m3）、马丁炉（30 g/m3）、链条炉排炉（20 g/m3）的1/40～1/10。由于颗粒物少，原始合成二恶英的条件会降低很多，同时大大减轻了飞灰对余热锅炉管束的冲刷磨损和烟气净化系统的负荷，降低了运行和维护保养费用。

2）垃圾进入炉内后的垂直移动与下送风的处理模式，使排渣的热损失量小，整个过程对垃圾自身热能的利用效率最高，大大降低了二燃室辅助燃油量，减轻了处理费用。

3）炉体与炉盖转动部件间用水封槽结构，使系统很好地实行了气密封性操作，无漏风，因而鼓引风机的功率消耗大大降低，运行和投资成本低。