日本垃圾气化处理技术探讨

杨俊波，李 军，苏明舟，丁振亮

(中国天楹股份有限公司上海分公司，上海 200235)



日本垃圾气化处理技术探讨

杨俊波，李 军，苏明舟，丁振亮

(中国天楹股份有限公司上海分公司，上海 200235)

摘要：指出了城市生活垃圾的气化是一种新型的垃圾处理技术，具有高效的能源利用率和良好的环保特性。日本的垃圾气化技术将气化和熔融技术相结合以其严格的污染控制、显著的减容性和高效的资源回收率等优点成为垃圾气化应用技术的代表。综述了日本城市生活垃圾气化处理技术的原理、工艺流程及其发展现状，具体对两种主要垃圾气化反应器的特点进行了探讨。

关键词：城市生活垃圾；结渣气化；流化床

1引言

随着工业化和城市化进程的加速以及物质消费的日趋上升，城市生活垃圾(MSW)急剧增加，从而对生态和社会环境造成了沉重的压力。传统的垃圾处理方式主要集中在填埋和焚烧。垃圾气化技术是指在缺氧的条件下以高温加热垃圾，将垃圾转化为合成气，有效成分包括一氧化碳和氢气，经过过滤后燃烧产生能量或转化为甲烷、乙醇或合成柴油等燃料。但是，近些年垃圾气化技术在欧洲、澳洲和北美的应用效果都差强人意。

当许多学者还在质疑垃圾气化技术的环保性和能源利用效率的时候，日本已经用良好的规模化应用表明垃圾气化是一项具有强大实用性和市场前景的垃圾处理技术。

2日本垃圾气化技术现状

根据2013年的资料数据显示，日本在运行的垃圾气化机组为122座，每年处理城市生活垃圾或垃圾衍生燃料(RDF)6 915 870 t，且有9座新机组在建，预计可增加年垃圾处理量1 047 300 t[1]。

在日本，有多家公司掌握了成熟的垃圾气化技术，并具备电厂建造资质，其中较大的厂商包括新日铁、日本荏原、日本钢铁工程公司等在内的6家公司负责建造了70%以上的垃圾气化电站。

3固定炉垃圾结渣气化技术

3.1技术介绍

固定式气化炉是最为常见的一种气化反应装置。整个气化发电流程主要包括垃圾输送装置、气化炉、余热锅炉、烟气处理系统、灰渣处理系统组成。气化技术的基础装置为一个立式固定床气化炉。与常规气化技术不同之处在于，该气化炉底部增加了灰熔融区域。在气化炉的底部，通入富氧空气，促进焦炭和垃圾中残余的碳燃烧产生大量热，可使温度最高可到1 800 ℃，使底部的无机材料包括灰和金属熔化。飞灰熔融结渣，其化学特性被惰化，有害的重金属被包裹着玻璃体结构中，渗出性很小。熔融后的底渣回收后可作为基建的填充材料。

观察图1气化炉的内部结构，垃圾从顶部进入气化炉，同时加入焦炭和石灰石，空气从底部向上喷。最上层的反应区温度在200～300 ℃，往下温度越高，进入热解气化区域。产生的合成气从气化炉上方排出。在气化炉的底部，通入富氧空气(氧浓度36%以上)，焦炭和垃圾中残余的碳燃烧产生大量热，温度大大提高，使底部的灰和金属熔化。石灰石有利于各种金属更好的形成熔融态，也有助于减少HCl的生成。

尾部污染控制系统使用干式烟气脱硫，烟气经过布袋除尘器后，使用SCR系统喷氨处理，控制NOx的生成，使之满足排放标准。相较传统焚烧炉，结渣气化炉需要加入焦炭来升高温度形成熔融区，且富氧空气的注入也使机组的厂用电大大提升。

3.2技术应用

日本福冈地区某电厂应用该技术运行至今情况良好，年垃圾处理量216 000 t，锅炉产生蒸汽参数39.2 bar，400 ℃，配套透平机组容量23.5 MW，发电效率23%。

4流化床垃圾气化

4.1技术介绍

流化床技术因其良好的传热传质特性以及对劣质燃料的良好的适应性，在垃圾处理上有较多的应用。日本某公司开发的双内旋转循环流化床气化炉技术(Twin Internally revolving Fluidized bed Gasifier，TIFG)是借鉴其自有的TIF流化床技术在气化技术上的模块化应用。在设计上保证了良好的传热传质效果，并结合了飞灰熔融技术，形成了一种新的气化方式。该技术被大部分日本权威认可，并有许多垃圾气化电厂投入应用[2]。

图2为双内旋循环流化床气化炉的示意图。该型锅炉既吸收了循环流化床颗粒循环的优点又保留了鼓泡床采用埋管换热的优势。其锥形气体分布板由高风速区和低风速区组成，中部的流化气速较低，呈移动床状态，其周围的流化气速较高，呈流态化状态，为使流化空气向燃烧炉中央偏转，在高风速区上部装有倾斜隔墙，使床内形成涡流。气化炉反应温度在500～600 ℃(传统垃圾焚烧炉运行温度850～900 ℃)。

气体由鼓风机从底部通入，切碎的垃圾被投入内部旋转的热石英砂床层中，有机成分被转化成合成气。大块的不可燃的垃圾如金属材料，玻璃，石头等未被氧化或经烧结后，被排出气化炉底部形成底渣。金属部分经过磁选和漩涡分选可得到铁基金属回收利用。产生的合成气夹带着颗粒物从气化炉顶部进入一个回旋气流

的燃烧室。在这里，合成气和夹带粒子被完全燃烧，由于二次风的加入，此处的温度可达1 350～1 450 ℃。在这样的温度条件下，不可燃的飞灰被熔融成熔渣，经过水淬后，达到环境排放要求。

根据表1所示，双内旋循环流化床气化炉在控制污染物的排放上也有相当出色的表现，各项参数的排放均远低于法定限量。且该流化床在气化模型下的应用，产生的烟气量大大小于传统垃圾焚烧炉，同时精简了余热锅炉和污染控制系统的尺寸。

4.2应用示例

TIFG技术在日本具有广泛的应用，在稳定运营的同时，也做到了良好的污染物控制。日本丰桥地区应用TIFG技术的排放情况如表1所示。

表1　日本某应用TIFG技术的电厂排放情况

5结语

日本的垃圾处理原则是资源回收利用最大化的同时，将垃圾的最终填埋量最小化，而把能量的回收利用效率放在次要的位置。对飞灰和底渣熔融处理会造成一部分的热量损失，但是对于飞灰的无害化处理尤其是二噁英的控制有显著的效果。

垃圾气化技术在学术界有比较大的争议，但日本已经进行了较大的推广，且运行良好。国内这方面尚有较大的应用空间，可以进行适当的引进利用。

参考文献：

[1]Dr Kevin Whiting.WSP Waste to Energy Technical Report[R].London:WSP House，2013:152～174.

[2]盖志杰.内循环流化床的数值模拟与实验验[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006:12～14.

A Brief DiscussiononJapanese Waste Gasification Technology

YangJunbo， Li Jun， SuMingzhou， Ding Zhenliang

(ShanghaiBranch，ChinaTIANYINGInc.，Shanghai200235，China)

Abstract:Gasification of municipal solid wasteis a new option for waste treatment for its good performance on energy utilization and environmental protection.Japanese gasification technologycombinesthe advantage of gasification and melting technology，which has become an outstanding industry example of waste gasification for its good pollution control，remarkable volume reduction and efficient resource recovery.This article introduces the theory of Japanese slagging gasification，technological process and status quo of development.Then，the article mainly discusses the specific features of two kinds of gasification reactor.

Key words:municipal solid waste; slagginggasification; fluidized bed

文章编号：1674-9944(2016)02-0146-02

中图分类号：X799

文献标识码：A

作者简介：杨俊波(1988—)，男，浙江绍兴人，工程师，主要从事垃圾发电研究及设备设计工作。

收稿日期：2015-11-03