垃圾处理及其热解气化技术应用现状

2021-12-17孔晶李宣陈正件黄广禧王馨雪张献

当代化工研究 2021年22期

＊孔晶李宣陈正件* 黄广禧王馨雪张献

（1.珠海中科先进技术研究院有限公司广东 519000 2.广州市醇美环保科技有限公司广东 511400 3.珠海市泰如天和企业管理咨询有限公司广东 519000）

随着城市居民生活水平的不断提高，城市生活垃圾成分也随之不断的发生着变化，尤其体现在含水量上。目前全球对垃圾的污染及其控制已采取各种措施，诸如填埋、堆肥、热处理、机械处理等等，但世界各国垃圾总量还是在不可避免的增长，尤其体现在城市垃圾中的有机成分的增长[1]。城市生活垃圾处理不当时，将会对大气、土壤、水体、人体健康等造成严重危害。然而其含有大量的碳氢资源，若被适当处理合理利用进而形成可再生资源，将城市生活垃圾进行无害化、减量化、能源化处理以及实现垃圾的资源化循环利用，可为国家乃至全球能源危机贡献力量[2]。

热解气化法能显著减少生活垃圾的体积，残渣比例较低，若将垃圾充分利用可获得高价值的资源化产品，比如燃料油、可燃气体等，其二次污染小，投资和运行费用较低。该法对垃圾成分的适应性强，几乎不会造成二次污染，因此，热解气化法处理生活垃圾具有较佳的应用前景。

1.国外城市生活垃圾处理现状

随着全球科技与经济的迅猛发展以及土地资源的紧缺，各种垃圾处理技术也随之不断发展，以美国、日本、德国、瑞典、丹麦等发达国家为代表，其生活垃圾处理已逐步由填埋，转变为采用焚烧法处理和热解气化处理。在城市垃圾处理方面，美国因其地域辽阔，填埋处置率较高，美国采用填埋法占56%，焚烧占14%，其它则进行回收利用。日本对于城市生活垃圾的处理则主要采用焚烧技术，该国垃圾焚烧发电技术处于世界领先水平，其垃圾焚烧处理量占垃圾总产量的75%以上[3]。德国拥有较完善的城市生活垃圾分类处理方式，其可生物质降解物质约占该国城市生活垃圾总量的20%～60%，可回收垃圾送入相关的工厂进行循环利用，可生物降解物质主要采用堆肥或其他方式处理，采用热处理或机械生物处理方式进行其余城市生活垃圾的处理，接着，处理后残渣会进行填埋处理[4-5]。

因此，各国需要结合本国的土地资源、垃圾占比、垃圾成分等，有针对性的发展城市生活垃圾处理工艺。从实现垃圾无资源化、能源化的角度出发，开发特有的符合本国国情的垃圾处理方式，例如各类垃圾气化工艺。

2.国内城市生活垃圾处理现状

根据2020年中国统计年鉴数据显示[6]（如图1），近五年来，全国城市生活垃圾无害化处理率逐年增加，到2019年达99.2%，全国城市生活垃圾清运量2.421亿吨，从图1可以看出，2019年卫生填埋、焚烧处理和其他处理比例分别占45.59%、50.70%和3.71%。城市生活垃圾焚烧厂有389座，处理能力45.6万吨/日，实际处理量1.2亿吨/年。

图1 近五年全国城市生活垃圾无害化处理情况

我国的生活垃圾处理方式主要是填埋、堆肥和热处理三大技术[7]，其中主要的热处理技术分为焚烧技术和热解气化两种。从资源化、能源利用的角度，较于焚烧技术，热解气化技术燃烧温度较均匀，二次污染小，可以将城市生活垃圾转化为较为稳定的气、液、固三种类型产品加以利用；从二次污染的角度，热解气化从原理上减少了二噁英的产生，尤其是在1000℃的高温气化条件下，可以有效分解二噁英等有害物质。目前，根据我国的国情，研究人员正在开发适合我国国情的热解气化生活垃圾处理技术。

表1 近五年全国城市生活垃圾处理情况[6]

3.城市生活垃圾热解气化技术

城市生活垃圾热解气化技术历史较短，由于研究目的和方式的不同，釆用的热解气化设备结构也不尽相同[8]。根据炉型结构可以分为回转窑、固定床（移动床）、和流化床[9]。

(1)回转窑热解气化技术

回转窑热解气化炉[10]如图3所示。垃圾经过稍微破碎分选后直接送至回转窑内低温热解气化，对垃圾的尺寸没有特别的要求，适用性较广。由于在无空气条件下热解气化，其通过热解气化产生的可燃气体热值较高，且该类炉型所产生的炉渣较少且成分相对单一，利于炉渣的排除和后处理。其产生的可燃气可用于炉子本身燃烧供热，减少了热量的流失，无需外加加热，热能利用率高，且将资源得到有效利用，但是回转窑热解气化炉的体积庞大，投资稍大，且有效利用面积小，目前研究者也正在对该类炉型进行不断改造。

图2 回转窑热解气化炉[17]

图3 外热式固定床垃圾热解工艺

(2)固定床热解气化技术

固定床热解气化技术[11]处理城市生活垃圾时，首先需要将垃圾进行预处理：包括分选和破碎压缩成型，降低含水率，一般降低至低于10%。燃烧室温度控制在1300～1500℃之间，在该温度下，垃圾中的有机物开始分解成可燃气体、焦油、半焦。部分蓄热式热解气化炉的燃烧室采用蓄热式燃烧，利用燃烧产生的高温烟气预热空气。产生的气体燃料，可直接用作锅炉的燃料或者混入高热值气体燃料制作城市煤气，产生的灰渣可用作建筑骨料。外热式固定床处理装置较适用于对组成复杂、成分变化较大的城市垃圾，可以充分回收各种资源，包括可燃气体、焦油、半焦等，例如其产生的焦油可以制作原料油或作为化工原料，热解气体一部分送入燃烧室提供热量，另一部分作为外供燃气加以利用；烟气中的粉尘含量、二噁英类的含量较低，且产物中SOx、NOx等产物的生成量少，二次污染小。

(3)流化床热解气化技术

流化床热解气化技术[12]是借着惰性介质（如石英砂）的均匀传热与蓄热效果以达到垃圾热解的目的。图4是一种流化床热解气化炉，城市垃圾加入炉后热分解在短时间内完成，热量由部分燃烧热解产物来供给，流化空气由热解炉下部的供风装置供给。流化床热解气化炉由于介质是悬浮状态，气固间充分混合、接触，整个炉床温度非常均匀，且流化床内的热解反应速度快，可极大改善传热条件和温度控制，该类炉型可以调节相应垃圾处理量且可控制流化气体的体积，对垃圾适用性广，此外设备尺寸要比典型的固定床反应器要小得多，但其热量利用率相对较低，且垃圾前处理要求较高（需要将垃圾颗粒尺寸破碎至小于1cm），如果操作过程控制不当，会产生严重的二次污染。如何避开其不足而充分利用其优点，也成为研究者的考虑方向。

图4 流化床热解气化炉

(4)代表性热解气化装置

在我国，垃圾热解气化技术已经经过几十年的发展，从单纯的焚烧和传统的排炉，以及实验室的研究，中型和大型的热解气化装置逐步进入产业化阶段，根据大量文献资料显示，具有代表性的装置有真空移动床、流化床、两段移动床及回转窑等[13]，尤其是针对废旧塑料，橡胶和固体废弃物的热解设备的开发与产业化，也引起人们的广泛关注和重视[14-16]。目前气化炉内温度较高的还有立式旋转热解气化焚烧、离子体气化等，其详细情况见表2所述。

表2 代表性装置及其基本情况[14-16]

4.热解气化城市生活垃圾处理面临的挑战[17-18]

目前国家对热解气化工艺尚无全面评价标准，难以将热解气化与焚烧加以明显区分，已有的热解气化项目无运行跟踪数据，其运行效果难以评估，需要国家或者行业层面对热解气化项目在政策上提出指导建议。此外，目前我国热解气化设备以小型化设施为主，部分尚处在实验室阶段，规模量较小，其产品再利用和能量回收的较少，而热解气化工艺具备实现生活垃圾资源化大规模利用的潜力，需进一步扩大处理规模并实现产业化。