乡村生活垃圾热解气化处理的工艺研究与装备开发

2022-04-09周伟春

机电工程技术 2022年2期

周伟春

摘要：为就地无害化处理偏远乡村的生活垃圾，提出一种热解气化处理生活垃圾的工艺路线;并基于此工艺路线进行了装备开发。重点阐述了装备的主要结构、参数及性能。结果表明：该工艺路线及装备开发具有处理量适合、排放达标、投资较小、操作简单的技术特点，满足偏远乡村经济环保处理生活垃圾的应用需求。相比集中处理偏远乡村生活垃圾的模式，可以节约转运成本、避免二次污染，为我国农村生活垃圾的处理提供了参考。

关键词：生活垃圾;热解气化;工艺;装备

中图分类号：X705

文献标志码：A

文章编号：1009-9492 f 2022）02-0162-04

0 引言

随着我国社会经济高速发展，乡村城镇化水平不断提高，一方面农村居民的生活垃圾产生量随之增加。2019年我国农村生活垃圾已达2.99亿吨[1]，且以每年8%-10%的速度增长[2]。另一方面，农村生活理念的巨大变化造成了垃圾成分日趋复杂，部分垃圾无法白然降解，处理难度也随之大大增加。

十九大以来，我国提出的美丽乡（村）镇建设六大内容之一的生态环境建设量化指标做出明确要求，规定乡（村）镇垃圾无害化处理率须达80%以上[3]。目前，我国农村生活垃圾正在大力推行“村收集、镇转运、县处理”的治理模式，无害化处理率大大提高。但我国领土辽阔，丘陵占国土面积67%[4]，农村居住人口分散，这种集中治理模式对于运距较长、道路不便的偏远村镇存在着转运成本过高，转运过程易造成二次污染等实际问题[5]。因此，做为集中处理模式的有效补充，相对规模较小、环保达标、投资较低、操作简单的生活垃圾就地无害化处理装备在农村市场受到了广泛关注和积极推广。为解决此实际问题，本文提出并说明了一种热解气化处理生活垃圾的工艺路线，重点介绍了基于此工艺路线的装备开发。

1 工艺路线

通过对处理核心技术的实地调研与充分比较，确定乡村生活垃圾热解气化的工艺路线如图1所示。具体为：垃圾分选一粉碎一热解气化处理一消石灰压缩注入烟气一脱酸一催化型金属滤筒过滤一除尘一喷氨与烟气混合一脱硝一一氧化碳催化处理一引风机一烟囱排放。

1.1 热解气化工艺

生活垃圾热解气化是指将其中的有机物在无氧或缺氧条件下加热分解的过程。该过程是一个复杂的化学反应过程，包括大分子键的断裂，异构化和小分子的聚合等反应，最后生成各种较小的分子[6]。在相同热解环境温度下，不同物质其热重分析、热重导数各不相同，垃圾中有机成分在还原气氛下与气化剂（氧气、二氧化碳、水蒸气等）反应生成可燃气体（氢气、一氧化碳、甲烷、非甲烷烃类等）、焦油和灰渣[7-10]。通过部分燃烧反应焚毁掉焦油和固态碳放热，在常压或负压情况下，使垃圾中有机物转化为可燃气体，剩下不能燃烧分解的灰渣通过排渣口排出。热解气化过程发生的反应主要包括：C+O2→CO2; C+H2O→CO+H2; 2C+O2→2CO; C+2H2→CH4;CH4+H2O→ CO+3H2。

1.2 烟气处理工艺

采用“前端削减+过程抑制+末端处理”的烟气控制技术。垃圾入炉前，通过初步分选减少塑料、纺织物等垃圾成份入炉处理;垃圾热解过程中，采用限氧控温技术使热解处理温度保持在240-300℃，从源头有效遏制二嗯英等的产生[10]，大大减少末端处理的投入以达到环保低耗的目的。烟气排放前，采用“干法脱酸+金属滤筒过滤+脱硝+一氧化碳催化”相结合的末端处理工艺，严格控制硫化物、氮氧化物、二嗯英、粉尘等有毒有害物质排放。

1.2.1 干法脫酸工艺

工艺路线采用干法脱酸技术[11]，在完全干燥无水的条件下完成，不产生废水和排放“白烟”的现象，减少了末端处理的投入。工艺采用消石灰做为脱酸碱剂，脱酸的具体过程为：脱酸碱剂进入碱剂储仓后，通过压缩空气将一定粒径（500-600目）的消石灰粉体注入烟道中，与烟气中SOx、HCl、HF反应生成CaS03或CaS04、CaCl2、CaF2等固态粉状形态的酸式盐。反应后的酸式盐在后续工艺中被金属滤筒过滤装置有效过滤，防止其在烟道或管道内结垢堵塞。主要反应过程如下：Ca（ OH ）2+2HCI→ CaCl2+2H 2O;Ca（ OH ）2+SO 2→CaSO3+2H 2O;Ca（ OH ）2+2HF→ CaF2+2H2O。

1.2.2 脱硝工艺

工艺采用20%浓度的氨水（尿素溶液）作为还原剂，使其在烟道内与烟气充分混合，烟气中的NOXx与NH3发生氧化还原反应生成N2和H20完成烟气脱硝[12]。主要反应为：2CO（ NH2 ）2+4NO+O2→4N2+2CO2+4H2O;4NH3+4NO+O2→4N2 +6H2O。

2 装备开发

基于以上工艺路线，本生活垃圾热解气化处理装备主要由下列几部分组成：粉碎装置、上料装置、热解气化装置、烟气处理系统、排放系统、智能控制系统等。装备整体外形示意如图2所示。其中，粉碎装置由破碎机及辅助机构组成，处理后的垃圾颗粒度小于或等于300 mmx100 mm，以便热解充分。上料装置主要由传送带或抓斗、进料机构组成。根据项目实际情况，利用传送带或抓斗将垃圾转入送料斗，再由液压油缸驱动推铲将垃圾送入到炉膛内部，有效避免垃圾进料不匀现象，提高热解效率。在进料斗的末端设有隔挡门，防止炉膛内的火势及烟气回流。以下重点介绍热解气化装置、烟气处理系统及智能控制系统。

2.1 热解气化装置

热解气化装置是本套装备的核心部分。其主要由炉膛、吊篮机构、搅动机构、排渣机构、出渣箱、观察门、供气系统、操作平台等组成，整体外形如图3-4所示。垃圾热解过程在炉膛中完成，炉膛容积及尺寸根据装备的额定处理能力确定。炉膛内壁衬有耐火蓄热材料;中壁衬隔热物料，这样既维持了炉膛内热解温度的稳定，又起到隔热的作用以保证炉体外壁不会过热，减少热能损失。炉膛设有上观察门做为自动监控系统的补充，可通过此观察门人为应急察看炉膛内垃圾的处理状况，以便调整作业;下观察门则主要用于察看炉渣状况并方便排渣链板的检修。炉膛周壁设置有测温及调节元件，其与智能控制系统和供气系统配合作业，可根据炉膛内的温度高低，自动调节供气系统，进而维持炉膛内垃圾的热解温度保持在240-300℃。炉膛内部结构如图5所示。其内部采用自主专利的吊篮结构[13]设计，并由搅动电机驱动搅动机构按设定程序对炉膛内的垃圾进行有规律地搅动，既让垃圾受热均匀以提升热解处理效率，同时确保炉渣下掉通畅。热解处理后的炉渣自行掉落至排渣链板上，随排渣链板的运行被收集至出渣箱，并由螺旋机构排出。炉渣需定期收集转运，可就近填埋处理，亦可资源化利用于苗木栽植、制砖及铺路等。

2.2 烟气处理系统

烟气处理系统主要由脱硫装置、催化型金属过滤装置、脱硝装置、一氧化碳催化装置、引风及排放装置等组成。烟气从热解气化炉膛的烟气出口引出，温度为240-300℃，无需冷却。热解过程中产生的烟气首先通过脱硫装置，利用压缩空气将500-600目的消石灰粉体注人烟气，通过系列反应完成烟气的脱酸处理形成固态粉状形态的酸性盐。脱酸后的烟气连同粉尘、酸性盐等一起进入催化型金属过滤装置过滤，以有效去除烟气中的粉尘、二嗯英和重金属。金属过滤装置装置是本烟气处理系统的技术核心，其工作原理如图6所示。装置中的高温金属滤筒采用极精细金属纤维丝通过无纺铺制、真空烧结、静压等工艺而制成。具有抗热震特性（不受热胀冷缩影响）.且耐高温、耐腐蚀、本体有刚性，不需要框架支撑。产品的过滤效率大于或等于99%;且过滤精度高，可实现5 mg/Nm3以下超净排放。高温金属滤筒的主要技术参数为：（1）滤筒尺寸：机30 mmx3 000 mm;（2）滤筒材质：316 L不锈钢;（3）连续工作温度：250-350℃;（4）清灰方式：自动脉冲清灰;（5）滤筒数量：50-120个（根据烟气量确定）;（6）可用年限：5年。相比布袋除尘，此装置既满足环保要求，且更经久耐用、减少危废，运行成本大大减少。烟气经催化型金属过滤装置过滤后，利用脱硝装置将氨水均匀喷人烟气，按工艺流程与烟气充分混合后通过氧化还原反应完成脱硝处理;再经一氧化碳催化装置对烟气中的CO进行有效处理后，最终由引风机将烟气从烟囱中达标排放。烟气处理系统运行前后的直观效果对比如图7所示，视觉上无烟尘，味觉上无异味。

2.3 智能控制系统

装备采用智能管控一体化解决方案，系统应用PLC结合人机对话控制模式，主要包括：PLC、人机对话显示屏、变频器、温控及调节组件、热功仪表等。考虑到乡村的人员配置和技能水平，本控制系统采用高可靠性与多功能相组合的显示屏人机对话形式。设备运行和控制参数以对话形式在显示屏中显示，以模拟系统工艺流程和设备运行状态。系统对热解温度、电压、电流、供气压力及流量、烟气处理系统自动运行、装备故障预报等可有效监控或自动调节，控制性能达到了智能化、可视化水平。既提高了设备的安全性，又减少了操作人员的劳动强度。控制系统的人机对话面板如图8所示。控制系统简单直观、可靠性高，十分适应于乡村的使用条件，夜间可无人值守运行。

2.4 主要技术参数

装备主要技术参数如表1所示，可根据乡村垃圾处理的覆盖范围及垃圾的实际产生量对装备进行选型。综合考虑乡村的实际需求和运营成本，推荐单台装备的额定处理能力为5-10 t/d。

2.5 主要技术特点

此工艺路线及装备已经过多个项目的实际验证。结合实际反馈，具有如下技术特点。

（1）排放环保达标。装备对二噁英、SOx、NOx、HCl、HF、CO、颗粒物及重金属等有毒有害物质进行了有效处理。经第三方机构检测，二噁英类大于或等于0.013 ng-TEQ/m3、SO2，小于或等于4 mg/m3、NOy小于或等于207 mg/m3、CO小于或等于45 mg/m3、颗粒物小于或等于18.1 mg/m3等，低于国家排放限值。

（2）处理效率较高。一方面，装备采用“吊挂式炉膛结构设计”技术，成倍增加热解层的有效过热面积;另一方面，装备采用限氧控温和保温隔热技术，维持了炉膛内温度的相对稳定;有效提升了垃圾热解处理的效率。

（3）经济效益突出。项目投资规模较小，运营成本较低。垃圾就地化处理模式大大降低了运输设备的投入及转运成本。同时，运营过程中除首次点火借助少量外界能源外，处理过程中无需再添加辅助燃料即可持续稳定运行，

（4）操作简单方便。装备设计合理、结构简单、操作方便，需要配置的运营人员很少且技能要求不高。一般民工经过简单培训即可独立上岗。装备维护费用低，普通技术工人可日常检修维护，符合偏远乡村的运营条件。

3 结束语

随着乡村城镇化和生活水平的不断提高，农村生活垃圾的数量和种类都在逐年增加，垃圾的处理方法也需因地制宜。以上对乡村垃圾热解气化工艺路线及基于此工艺的装备开发做了简介阐述。做为农村生活垃圾集中处理模式的有力补充，该工艺及装备满足了乡村生活垃圾就地化处理的实际需要，具有处理量适合、经济性突出、排放达标、操作简单的特点。为我国偏远乡村、旅游景点、岛屿等分散地域生活垃圾的就地无害化处理提供了一种经济环保的解决方案，有效助力“美丽乡村”的建设。

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