铁路站车生活垃圾热解气化技术研究评析

王晓伟

(中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081)

随着我国铁路快速发展、客运量持续增长和人民生活水平的不断提高，铁路站车生活垃圾量和比重也在逐步上升，据统计2015年全路产生50万吨以上的垃圾量，对运输安全、环境卫生等造成压力[1-3]。2017年3月18号国务院办公厅颁布的《关于转发国家发改委住建部生活垃圾分类制度实施方案的通知》指出，遵循垃圾减量、无害和资源化原则，在实施强制分类城市中回收利用率达到35%以上，其中强制实施的对象包括车站。因此，针对垃圾分类后的处理技术新模式(如集中式和分散式)或将被重新规划考虑，如鼓励餐厨垃圾就地消纳处理，该政策将进一步完善和拉动垃圾处理整套装备市场。

1 铁路站车生活垃圾处置处理主要问题

目前，铁路站车生活垃圾处置处理面临的主要问题包括以下方面。

1.1 回收处理设施不足

目前，尚无储备垃圾分选、减量、无害和资源化回收处理设施，如PE/PET类塑料垃圾分类分选回收设备、餐厨垃圾收集处理设施等，需每年缴纳一定的垃圾处理费和输运费，政府强制垃圾分类的实施可能还会增收垃圾分类费。

1.2 垃圾成分及区域存在差异

站车生活垃圾成分及区域性差异较大，铁路站车生活垃圾基本是以可燃成分为主，如食物残渣、塑料包装类和纸屑等，约占90%以上，其热值高和回收价值大。

1.3 新技术处理模式亟待推出

铁路站车生活垃圾处理特点与要求尚缺乏系统研究，其处置技术模式的选择仍缺乏科学依据，亟需寻找低成本、风险可控、环境可持续的处置技术模式。

目前，中小站区尤其是偏远站区，垃圾产生量较小且市政回收输运条件欠缺或输送成本过高，需自行处理，因不允许直接填埋或露天焚烧，亟需推出新的技术处理模式，如清洁低能耗中小型分散式垃圾处理技术。

1.4 生活垃圾处置水平有待提高

《绿色铁路客站评价标准》对垃圾收集分类和处置处理提出了明确要求，而铁路生活垃圾处置处理水平薄弱是目前我国铁路建设“绿色车站”“智慧铁路”的重要制约因素。

综上，亟需系统开展站车生活垃圾特点与处置要求差异性研究，提出和构建铁路站车分散式生活垃圾处置处理技术体系，为提高铁路垃圾处理的无害化、减量化和资源化技术水平，节约运营成本，提升行业竞争力，完善铁路生活垃圾输运处理和绿色站车建设等提供支撑。

2 垃圾热解气化技术及应用

2.1 原理与特点

热解是在无氧或缺氧的条件下，受热后分解为液体油、可燃气体和焦炭3种产品[4-5]。热解气化技术早在19世纪初就得以应用，在过去的10～15年时间里，热解气化技术已经用于整体煤气化联合循环发电(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)技术[6]。

垃圾热解主要分为催化热解、共热解、慢热解、中速热解和快热解[7-8]，该技术因其优势已经得到应用。虽然热解过程中产生的焦油导致管路的堵塞或结焦而使设备停运，后续的维护、清理非常复杂，但是垃圾热解气化技术无论在控制常规污染物还是二噁英等方面都有望达到极低水平[1]。

同时，生活垃圾经筛选后，筛上物用于热解，筛下物(如食品残渣)可用于堆肥，不仅提高热解气的品质，而且可望真正彻底实现铁路站车生活垃圾的无害化和资源化[9-10]。

2.2 生活垃圾热解气化影响因素

2.2.1 气化媒介的影响

气化媒介为空气时，空气当量比(ER)是一个重要的气化器设计参数，它是一个实际空燃比与理论空燃比之间的比值，关系为

ER(<1.0)气化=实际空气量/理论空气量=ER(>1.0)燃烧

燃气质量与ER值有直接关系，ER值过低(<0.2)会使垃圾不能完全气化、碳含量过高和燃气热值低等。ER太高会使热解气产出中CO、H2再次氧化为CO2、H2O，使热值降低。实际气化时，ER值一般在0.2～0.3之间[10]。

对于上吸式气化炉，低ER值可以使焦油产量最大化，ER值过高会使产气过度氧化，出口温度过高。

媒介量可由2个参数确定：一是计算垃圾热解气化理论空气量，然后由ER值确定实际空气量；二是根据垃圾成分分析，由S/C(硫/碳)比值确定蒸汽加入量，空气/水蒸气高比值可产生气体H2、CO2和CH4的成分较少，高位发热量较低，但CO含量很高[10]。因此，铁路站车垃圾热解装置可以采用较为经济的空气蒸汽混合作为气化媒介。

2.2.2 催化剂对热解性能的影响

催化剂能够根据要求有效控制热解气化产物的形成，催化热解产气的催化剂种类很多，主要以CaO和稀有金属为主。目前，多采用实验室构建的小型上吸式垃圾固定床水蒸气气化炉，研究不同CaO催化剂比例对热解气的组成及焦油产量等的影响[11-12]。纳米催化剂价格昂贵，技术尚不成熟，使用钾氧化物作为催化剂后，垃圾残留物可能会造成土壤盐碱化；而CaO价格低廉，并且有利于焦油的裂解。因此，CaO在垃圾热解时运用比较广泛。

2.2.3 催化剂对除焦油特性的影响

焦油是一种十分复杂的混合物，现在已测量出的就有几百种物质[13]，包括酚、酮、醛、酸、芳香族化合物等，其成分随着物料种类、反应条件变化而变化[14]。国内外学者研究了两段式分部气化，将物料热解和气化分开进行，可以保证焦油的充分裂解[15-16]，其中上吸式固定床结构简单，热效率高，但焦油产量大，热解过程中焦油会诸塞管道、过滤器。

有多种去除焦油的办法[17]，如机械法、热分解法、催化裂解法及等离子体法等，其中催化裂解法是去除效率最高、经济性最好的方法[10]。白云石成本低，是目前应用最普遍的催化剂[18-19]。

2.2.4 垃圾含水率的影响

垃圾含水率对富氢化和热解效果等有不同程度的影响。水蒸气对垃圾热解特性的影响及特定热解工况下垃圾最佳含水率的确定，对垃圾热解工艺的简化和能源消耗的减少具有重要意义[10]。

适当的含水率对垃圾的富氢化有促进作用。目前部分垃圾气化工艺中，为增加气态产物量而对干燥后的垃圾再次通入水蒸气的方法，不但使设备复杂化，还造成了能源浪费。因此，将具有一定含水率的垃圾直接用于热解气化更为合适。高含水率条件下热解产氢量明显高于干污泥热解产氢量[20]，高温使所含水分蒸发变为水蒸气，并参与水汽重整、水煤气反应及半焦气化，从而使气态产物及气态产物中的氢气比例相较于干生物质热解高[21-22]。

2.3 生活垃圾热解气化中污染物的控制

新型的垃圾焚烧技术污染较小。Babushok V I等[23]指出，当燃烧工况良好情况下，气相反应生成的二英会大大减少。煤所产生的SO2能够抑制二英的形成，当SO2存在时，SO2与Cl2、水分反应生成HCl，从而减少氯化作用，进而抑制二英的生成。

Liu W J等[25]研究了电子产品与生物质(锯屑)混合后再添加入溴化阻燃剂热解产油的实验，当单独热解时，焦油产量分别是53.1%和46.3%，而混合热解后产油为62.3%。热解油中含有多种芳香族混合物，塑料中的溴化物浓缩于热解油中，后期净化处理也很方便。

3 结论与建议

3.1 生活垃圾热解气化技术存在的问题

垃圾热解气化技术虽然具有明显的优势，但仍存在一些问题。

(1)热解炉的选取仍然缺乏资料，具体尺寸，特别是针对于适合站车小型化生活垃圾的热解气化设备，尚未形成行业内的设计规范，需要开展系列研究确定。

(2)未深入研究和研发适合铁路站车生活垃圾特点的热解气化技术及其设备。缺少针对铁路站车生活垃圾特点的预处理、分类和后续资源化处理技术研究。

(3)铁路站车生活垃圾产量相对较低，垃圾分选装置与选型尚不明确，需要研究确定。

(4)垃圾热解气化炉连续运行尚不稳定。由于进料方式的原因，垃圾热解气化时容易偏烧；此外，气化炉高温气固分离技术不完善，热解气化炉氯腐蚀现象可能会较为严重。

3.2 铁路站车生活垃圾热解技术研究应用的关键点

(1)从顶层设计层面，应针对性提出适合铁路站车生活垃圾可自消纳的综合处理新技术模式，开展垃圾无害化、减量化和资源化关键技术深化系统研究，以有利于后续研发清洁能源和高值低环境污染的热解气化处理成套装备，实现资源化技术与装备的统一，形成铁路生活垃圾中小型综合处理技术方案和成套工艺体系。

(2)加强铁路站车生活垃圾分选管理与预处理技术。我国铁路站车生活垃圾含有多种组分、形态存在差异，需要在热解气化工序前进行预处理，将可燃垃圾进行分离，并改善其颗粒大小、均匀性和流动性，提高后续热解气化的速率和效率、改善输送性和搅拌性能。

(3)构建处理规模小、运行操作简便、投资省的铁路站车生活垃圾高值化成套热解气化技术与中小型处理装备。针对站车生活垃圾多种组分和含水率高的特点，研发推广特定炉型床体的垃圾热解气化工艺。通过垃圾预处理技术、高效热解技术、气化过程污染控制技术及焦油处置技术等，形成适用于铁路站车垃圾气化处理的集成技术及设计方法。