一种生活垃圾热解气化技术路线的应用探讨

姚海涛

摘  要：本文探讨了一种生活垃圾热解气化处理的技术路线，关键工艺有两处。一是生活垃圾压榨预处理，降低入炉垃圾含水率，提高热值，进而提高热解产物产量;二是热解后再气化，高温空气气化提高热值。

关键词：生活垃圾;压榨预处理;热解气化

1 引言

生活垃圾造成的污染问题，是世界各国面临的重大环境问题之一。垃圾处理主要解决垃圾的最终去路，是垃圾治理的重难点。

生活垃圾处理技术有三大类：填埋、堆肥和热处置。2020年9月，我国提出的“双碳”目标，要求发展绿色低碳循环经济，加强固废资源化高效利用，具体包括减少垃圾填埋，实现高比例资源化[1];填埋占用土地资源，不能减容减量，只适合易腐、可降解有机物，不能处理全部生活垃圾;且周期长、处理量小，产品需求有限，限制了堆肥技术的规模应用。

热处置可分为焚烧和热解气化两种。从污染物排放角度，直接焚烧的不充分引起二次污染，特别是二噁英的排放;热解在缺氧条件下进行，从原理上减少二噁英生成，在环保要求日益严格的今天，热解气化有着广泛发展的技术优势。

2 热解气化技术介绍

2.1 热解技术

相关实验研究表明，对塑料类固废，热解温度和加热方式影响热解产物产量、产物分布;提高热解温度，可提高产气率、碳转化率和热效率，700～800℃范围，基本达到最大值。对纸类固废，热解最佳温度在600～700℃。对木料类，热解温度、停留时间对热解气成分和热解油的产量及组分有重要影响，最佳热解温度在400～600℃。

对于多组分的生活垃圾，随热解温度提高，热解时间缩短，总产气率增加，热解气热值增加，在600℃达到最大值。颗粒尺寸小，燃气产率提高，焦油、焦炭减少，可燃气中H2、CO更高。

2.2 气化技术

含氧气化的热量来自于物料自身燃烧放热，过量空气系数和气化温度是影响因素。气化产物中CO、CO2含量较高，CH4、H2含量低;随气化温度提高，CO、CH4、H2含量增加，CO2含量减少;随氧气量增加，CO含量增加，H2、CH4略有下降，CO2先降后升。

水蒸气气化气中含大量的H2，但需外来热源维持气化反应热。S/M（水蒸气/生活垃圾质量之比）是气化气组分的影响因素。随S/M提高，H2、CO2含量增加，CO、CH4急剧减少;提高气化温度，可增加H2、CO含量。

3 技术路线探讨

3.1 总体工艺

本次提出的技术路线参考国内外固废热解气化的实验研究[2]和相关定型产品，选取并优化参数，组合国内成熟产品。

具体的工艺路线如下：生活垃圾→压榨预处理→干组分计量破碎→干燥→热解→气化→净化提质→发电。

3.2 主要工艺技术

3.2.1压榨预处理

原生生活垃圾含水率高、热值低，后续热处置需耗费大量热，使得热效率不高。本技术路线先压榨预处理，利用25-50MPa的机械压力将生活垃圾中的有机质、水分与塑料、纸张等无机质进行分离，得到含水率低于35%的干组分和含水率高于80%的湿组分，干湿组分分离比约为6：4～5：5。压榨后的湿组分，有机成分高，后续可进行热水解等资源化利用，本文不过多论述。

压榨预处理可直接处理进站垃圾，不需分仓熟化，减少垃圾暴露时间和储存空间，控制恶臭气体泄露及渗滤液产生。

3.2.2干燥

干组分破碎后进入干燥工序。干燥使进入热解器的物料含水率降低到5%以下，减少热解能耗，提高热解反应温度，使反应更彻底。干燥热源由焚烧发电后的高温烟气提供。干燥工艺采用内加热+外上下夹套加热+螺旋推进的卧式干燥器。

相关研究表明，物料粒径一致的条件下，螺旋干燥器的旋转频率是干燥系统换热效率的主要因素。旋转过慢，物料与换热壁面接触时间长，吸热有限;旋转过快，接触时间短，来不及有效吸热。合适的旋转频率，约为1.65rpm（5Hz），综合换热系数最大，换热效率最佳。

3.2.3热解反应

干燥后物料进入热解器，反应器基本构造与干燥器类同。热解反应热源来自于高温气化气换热。通过进料量及旋转速度控制物料温升速率，进而影响热解反应。

热解产物主要包括热解气、焦油、半焦和水蒸气。物料升温中，气相产率上升;650℃时，气相产物热值最高达18.03MJ/Nm3。液相產率下降。固相产率在550℃后，保持平稳。同时，温升速率提高，气相、液相产物热值提高，固相产物热值降低。本次技术路线选择650℃作为热解反应温度。热解气的主要组分为CH4、CO2、CO、H2;焦油中有机组分为脂肪烃、单环芳烃、多环芳烃、含氧烃、取代烃、芳香腈五类。

3.2.4气化反应

气化器采用下吸式结构[3]，以空气为气化剂。物料进口设置在顶部，从上到下依次设有物料层、氧化层、还原层、灰渣层以及气化气出口。炉内设有物料支撑排放架，用于控制固气混合物的排放与流量控制。气化强度通过热解产物进炉量和气化剂流量控制。

热解产物从顶部进入气化器，与高温气化剂空气接触，在氧化层燃烧形成1100℃的高温层，使热解产物参与还原反应，最终生成CO、H2、烷烯炔类等。焦油气化效率最高，气化气中H2最高，随后为CO2和CO。

4 结论与建议

压榨预处理使垃圾处理减量最大可达50%，同时降低含水率、提高热值，有益于后续热处置工艺，具有较高应用价值。

热解反应前增加干燥工序，降低含水率，减少热解阶段能耗，提高热解反应温度，促进热解反应。热解耗热来自高温气化气冷却，做到了余热合理利用。气化耗热来自热解气燃烧放热，不需外来热源，即可维持反应。

本技术路线热解温度为650℃，气化温度为800-1000℃，产气量较传统工艺增加5-8%，热值达到18-23MJ/m3。

参考文献

[1]“碳达峰、碳中和战略及路径”项目组.碳中和背景下中国碳达峰路径分析[J].中国工程科学，20217（12）：1673-1677.

[2]袁浩然，鲁涛等.城市生活垃圾热解气化技术研究进展[J].化工进展，2012，31（2）：421-427.

[3]曹桦钊，邓晨等.超高热值垃圾热解气化下吸式出风口应用研究[J].环境卫生工程，2019，27（01）：54-57.