热解气化工艺在农村生活垃圾处理中的相关问题探讨

收稿日期：2023-09-10

作者简介：包云（1980-），女，硕士研究生，高级工程师，工作于云南省生态环境科学研究院，从事环境保护相关研究工作。

通信作者：高向杰（1982-），男，硕士研究生，高级工程师，工作于云南省市政工程质量监督站，从事市政工程相关研究工作。

包云 陈洁 房镇 魏娇 尹滔 丁晓涛 杨黎 高向杰

摘 要：热解气化工艺用于处理农村生活垃圾，对农村生活垃圾的减容、减量起到了巨大作用，但在工程实践中也面临一些如选址、无相关设计建设规范、运行管理困难等问题。本文拟通过相关工程案例对热解气化工艺在农村生活垃圾处理中存在的问题进行探讨，为类似工程提供参考和借鉴。

关键词：农村生活垃圾；热解气化工艺；  工程实践；存在问题；  探讨

中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）03-00-05

0 引言

农村生活垃圾由于居民较为分散的原因，其处理和管理存在一定的难度。据管东兴[1]等人调查显示，我国农村平均每天每人产生0.86 kg生活垃圾，依此类推“十三五”期间，我国平均每年将产生1.7亿t左右的农村生活垃圾，其数量巨大，如果处理处置不当，会对我国实现乡村振兴、建设宜居宜业的美丽乡村造成一定影响。

目前，国内外主要采用填埋、堆肥、沼气发酵、焚烧、热解气化、水泥窑协同处置等生活垃圾处置技术，这些技术既可以单独使用，也可以组合使用，最终都可以实现生活垃圾的减量化、无害化、资源化[2]。农村生活垃圾处理方式主要有简易填埋、随意堆积和就地焚烧等[3]，其中，随意堆积、简易填埋不仅容易滋生蚊虫，降雨后的渗滤液会随径流污染地表水体、土壤；露天焚烧燃烧不充分，无烟尘收集处理环节，产生大量的二噁英等有毒有机污染物，容易对环境造成二次污染。

我国从“十二五”期间开始，逐步在农村地区设置小型热处理炉（气化焚烧炉、焚烧炉、热解气化炉等）用于分散处理农村生活垃圾，相关的工程实践表明小型热处理炉具备投资运行成本较低、维护方便、减容减量化效果明显等优点[4]。虽然小型热处理炉已在工程实践中得到了相关应用，但也存在一些不足。本文结合工程案例对当前使用比较广泛的热解气化工艺处理农村生活垃圾实践中存在的一些问题进行探讨，为后续的热解气化工艺处理农村生活提供参考借鉴。

1 热解气化简介

热解气化法与焚烧法是两个完全不同的过程，热解气化是在一个缺少氧气或者空气的状态下进行的吸热反应，而焚烧是在氧气充足条件进行的放热反应。垃圾热解气化工艺主要是利用垃圾中具有热不稳定性的有机物，在热解炉中无氧或缺氧状态下加热蒸馏有机物，使其发生裂解，冷却后形成新的固体（灰渣），并从中提取可燃气、燃料油的过程。

热解气化一般为两个过程反应。第一反应过程为在受热条件下，可燃固废首先发生一次裂解，析出挥发分、焦油和甲烷、氧气等气体产物；第二反应过程可分为小分子物质二次反应和大分子二次反应，其产物主要是可燃低分子化合物，如固态的有焦炭和炭黑，气态的有CO、H2、CH4，液态的有焦油、醋酸、丙酮、乙醛和甲醇等。一个完整的热解气化系统由进料系统、反应器、回收净化系统、控制系统等组成[2]。

热解气化过程见图1。

根据相关研究[6-8]及工程实例，热解气化法处理生活垃圾的主要优点有：

（1）热解气化过程中可将垃圾中的有机物转化成可利用的焦油、可燃气体，实现能量循环，节约辅助燃料，经济性较好。

（2）热解气化反应在无氧或缺氧环境中进行，抑制了重金属氧化物的生成，部分金属氧化物是有毒有机物质形成的催化剂，从而减少了有毒有机物质的生成和排放。同时热解气化条件下过量空气系数较低，烟气量较小，NOX、SO2、HCl 等污染物排放也较少，减少烟气处理设备投资及运行费。

（3）垃圾在较低温度下热解，炉渣能固定大部分有害成分，减少了烟气中有害成分对环境的二次污染。

（4）占地面积小、易于选址，土建投资少。同时操作简便，普通工人可通过培训均能操作，维护保养简单。

2 热解气化处理农村生活垃圾的工程案例及问题探讨

2.1 工程案例应用

本工程采用小型热解气化工艺处理云南某地农村生活垃圾，该地生活垃圾的规模为30 t/d，设计安装2台热解气化设备，每台的处理能力为15 t/d，

根据厂家提供的热解气化设备进行热解站的布置，热解站平面布置图、设备间平面布置图、工艺流程图见图2。

从图2可以看出，热解站需要根据地形情况进行布置，主要由热解气化设备间、回车场、业务楼、进场道路及消防水池等部分组成。回车场的设置一方面是考虑到垃圾运输车运输垃圾的需要，同时也考虑到消防车辆进入的需要。业务楼是考虑到热解站工作人员工作、生活需要进行设置。进场道路是要便于垃圾运输车的运输需要进行设置。消防水池是考虑到站区的室外消防需要进行设置。

从图3热解气化设备间平面布置图中可以看出，热解气化工艺的设备主要由垃圾热解炉、急冷器、二燃室、脱硫脱酸塔、湿式电除尘器、循环水池、循环水泵、加药装置等组成，其中垃圾热解炉是处理生活垃圾的主要部分，其半封闭性结构主要是营造一个缺氧或无氧的环境进行热解气化，其余设备主要用来处理热解后产生的污染物，使之达标排放，针对本工程的热解气化设备工艺流程图见图4。

从工艺流程图可以看出，热解气化炉之后的急冷器、二燃室、脱硫脱酸塔、湿式电除尘器、循环水池、加药装置均为处理热解炉尾气而设置，工艺设计上较为完善，考虑较为全面。此类热解气化设备较前几年使用的简易焚烧炉更为安全环保，操作较为方便，因此，在云南用于处理农村生活垃圾有一定的市场占有量。

相关数据显示，我国城市生活垃圾的处理方式主要以填埋为主，其次为焚烧[5]，而对于农村生活垃圾，由以前的简易丢弃到现在使用热解气化进行处理，已得到很大改进。但查阅相关文献发现，热解气化工艺处理生活垃圾主要用于处理农村生活垃圾，大规模用于城市生活垃圾处理的工程案例还较少，本文对热解气化工艺处理农村生活垃圾在工程实践中存在的一些问题进行探讨。

2.2 设计标准和设计规范的探讨

由于生活垃圾的填埋、焚烧处理在工程实践上应用时间久远和比较成熟，因此，这两种处理方法不管从工程设计、工程管理、工程运营上，还是从尾气控制、环境保护等方面都有较成熟的行业标准、行业规范及操作手册。而生活垃圾热解气化工艺主要用于农村生活垃圾处理，而且是近十年左右才开始从理论研究推广到工程实践，其工程设计、工程管理、工程运营、环境保护等方面还缺少相关标准、规范及实践工程经验的支撑。

（1）在本工程案例中，热解气化处理农村生活垃圾站址总图布置采用的工程设计标准是参考垃圾焚烧或垃圾填埋进行的，要设置进场道路、回车场、室外消防设施等，但是热解气化工艺与焚烧工艺原理不同，服务的对象也不同，处理的垃圾量也较小（热解气化主要针对分散的农村居民），因此，其工程设计标准应该与垃圾焚烧有所区别。笔者认为其设计标准和等级可以降低，如果垃圾运输车辆为1 t左右的小型垃圾车或农用车，进场道路设置为6 m宽的道路，可以不设置回车场，避免占地过大。进场道路从节约工程投资的角度出发，道路等级可以降低，采用一般的碎石路面即可。

（2）热解站选址一般距离居民点较为偏远，若业务楼没有工作人员经常性驻扎，只作为物资堆放的空间，则业务楼可以进行简易设置，采用轻钢结构或者砖混结构即可；若距离周边居民点较近（热解站设置在居民点安全防护距离外），从事工作的工作人员为本村居民，那么业务楼可以不进行设置，但是热解站周边的围墙必须设置，以确保热解站安全。同时，业务楼内部房间的除了设置办公室、食堂、厕所外，是否要设置在线监测间监测尾气的排放（目前无相关规范或标准明确热解站的尾气排放需要设置在线监测设施），也是需要相关规范标准进行明确的。

（3）消防水池的设置需要斟酌，若热解站的设置距离村庄较远，周边基本无居民，同时业务楼采用简易设置，无人员常驻，对消防水池补水比较麻烦，可以从居民点敷设给水管进行补水（由于水压、距离的原因，从居民点敷设给水管不一定能实现），也可以消防车拉水通过水泵接合器进行补水（距离县城较远的乡镇或村庄，不一定配备消防车，所以实现起来也较困难）。因此，从室外消防角度出发，建议热解站站址选择在距离居民点较远，人烟稀少的地方时，室外消防水池可以不设置，多配备一些干粉灭火设施即可。

热解站面对基础条件较差的广大农村时，采用较高标准或等级进行设计的热解站可能由于先天基础条件不具备，相关设施即使配备后，在以后的运营中也起不到任何作用，而且还会造成工程投资浪费，因此，需要出台相关标准规范进行明确，明确设计等级和设计标准。

2.3 环境影响探讨

生活垃圾的热解气化过程会产生气态的一氧化碳、氢气、甲烷及二噁英等大气有害物质，通过本工程案例中的工艺流程图，可以看出热解气化炉后面需配备相关尾气处理设施，但湿法洗涤对二噁英的去除能力较低[9-11]。

云南、广西、广东等地12座典型小型农村生活垃圾热处理炉烟气中二噁英排放浓度结果表明[4]，与我国现行的《GB 18485—2014生活垃圾焚烧污染控制标准》比较，仅有1座小型热处理炉烟气中二噁英排放浓度低于该标准要求：0.1 ngI-TEQ/Nm3，

其余11个小型热处理炉烟气中二噁英排放浓度均远高于0.1 ngI-TEQ/Nm3。但该标准为焚烧工艺的污染控制标准，并未规定小型热解气化炉污染物排放标准。综上所述，对于工程应用的小型生活垃圾热解气化处理炉来说，采用现行的

《GB 18485—2014生活垃圾焚烧污染控制标准》来判别，二噁英较难达标排放。综合相关文献，分析造成的原因是由于热解排放烟气净化系统简单，管理不善，间歇式进料方式，运行工况不稳定，导致烟气中二噁英排放浓度较高。

同时，根据工程实践及相关研究[4]，热解气化炉处理规模小，多数建设在偏远的农村地区，其排放烟气中的污染物大部分未纳入地方环境主管部门监控的范围，并且烟气中的二噁英和重金属监测技术复杂、费用较高，因此，一般在工程实践中，管理部门对农村生活垃圾的减量化、减容化方面的关注较多，对烟气的达标排放则关注较小。由于热解运行工况与焚烧过程有明显的差异，运行过程中二噁英和重金属的排放还处于实验室研究阶段[12-14]。

通过二噁英的排放可以看出，《GB 18485—2014生活垃圾焚烧污染控制标准》列举的污染物排放标准不一定适合这种小型热解气化炉，目前针对与焚烧工艺有明显差异的热解气化工艺，其各方面的专门排放标准如烟气污染物控制标准、灰渣污染物控制标准、废水排放标准等都未有指定，如果采用焚烧工艺的各项环境保护标准来要求热解工艺的话，既要达到排放标准，又要实现农村生活垃圾的无害化、减量化的目标，即使可以达标，但是后期运营成本也会很高。因此，要合理规范有效的使用热解气化设备，就要加快出台小型热解气化炉的相关排放标准，降低其带来的环境风险。

2.4 后期运营探讨

热解设备间所配备的急冷器、二燃室、脱硫脱酸塔、湿式电除尘器、循环水池、加药装置等就如一个工业厂房，设备多而且有些设备比较专业，不是一般人员就能操作维修的，面对农村多数没有通过专门培训的工作人员，部分农村以前所建设的污水处理设施经过几年运行后基本处于停滞状态，运营后没人清掏维护，设施荒芜。

因此，热解气化设备要发挥处理农村生活垃圾减容、减量、无害化的作用，需要配备专业人员进行管理，确保热解设备运行工况稳定，这是广大农村面临的一个难题。热解气化设备的运行可以委托专业运营公司进行管理，又会面临专业管理公司投资回报、企业收益的问题，需要企业与政府之间进行谈判，达到两者的平衡点，既要保证企业的合理收益，又要完成政府公益性的工作。两者采用的合作方式，笔者认为可以采取目前比较流行的PPP合作方式，也可以采用政府只委托运营的模式进行。

3 结论

处理好农村生活垃圾问题是实现乡村振兴，全面建成小康社会的需要，也是改善农村居民生活的需要。面对居民分散的农村，小型热解气化炉（一般处理规模为每天几t垃圾至20t垃圾左右）具有减容、减量、无害化处理生活垃圾的功能，同时选址较灵活、投资运行费用低等优点，因此，热解气化炉是集中焚烧发电厂（处理规模至少为300 t/d以上）的有益补充，是处理农村生活垃圾的一种有效方式。

但热解气化工艺用于处理生活垃圾的工程实践时间不长，相关的行业标准、规范、环境保护标准还不完善，需要在工程实践中不断总结经验，尽快制定符合实践情况的行业标准、规范，从而提高热解气化工艺的实践使用水平，真正服务好广大农村。

参考文献：

[1] 管东兴，邱诚.农村生活垃圾问题现状及对策探讨[J].中国资源综合利用，2008，26（8）：29-31.

[2] 孙婷.广西农村生活垃圾处理绩效评估与收运决策研究[D].南宁：广西大学， 2017.

[3] 管东兴，彭剑飞，邱诚，等.我国农村生活垃圾处理技术探讨[J].资源开发与市场，2009，25（1）：19-22.

[4] 雷鸣.小型农村生活垃圾热处理炉二噁英及重金属的排放特性及控制研究[D].广州：华南理工大学， 2017.

[5] 张强.生活垃圾热解气化处理工艺开发与过程模拟分析[D].天津：天津大学， 2014.

[6] Christopher S， Avenell C， Ignacio Sainz-Diaz， et al. Solid waste pyrolysis in a pilot-scale batch pyrolyser[J]. Fuel， 1996， 75（10）： 1167-1174.

[7] Kwak T.H， Maken S， Lee S，et al. Environmental aspects of gasification of Korean municipal solid waste in a pilot plant[J]. Fuel， 2006， 85（14-15）： 2012-2017.

[8] 李美玉， 李爱民，王志，等.城市垃圾热解技术探讨[J].劳动安全与健康，2001（3）：33-36.

[9] Andersson S， Kreisz S， Hunsinger H. Dioxin removal： adiox for wet scrubbers and dryabsorbers[J]. Filtration & Separation， 2005， 42（10）： 22-25.

[10] Choi K， Lee D， Osako M， et al. The prediction of PCDD/DF levels in wet scrubbers associated with waste incinerators [J]. Chemosphere， 2007， 66（6）： 1131-1137.

[11] L thgren C J， Bavel B V. Dioxin emissions after installation of a polishing wet scrubber in a hazardous waste incineration facility[J]. Chemosphere， 2005， 61（3）： 405-412.

[12] Fiedler H. Thermal formation of PCDD/PCDF： A survey[J]. Environmental Engineering Science， 1998， 15（1）： 49-58.

[13] Fu J， Li X， Chen T， et al. PCDD/Fs suppression by sulfur--amine/ammonium compounds[J]. Chemosphere， 2015， 123（5）： 9-16.

[14] Ruokoj A Rvi P， Aatamila M， Tuppurainen K， et al. Effect of urea on fly ash PCDD/F concentrations in different particle sizes[J]. Chemosphere， 2001， 43（4）： 757-762.

Exploration of Related Issues to Pyrolysis Gasification Process in Rural Domestic Refuse Manage

BAO Yun1， CHEN Jie2， FANG Zhen3， WEI Jiao5， YIN Tao4， DING Xiao-tao4， YANG Li4， GAO Xiang-jie2

（1. Yunnan Research Academy of Eco-environmental Sciences， Kunming Yunnan 650034， China）

Abstract： The emerging pyrolysis gasification technology has been utilized for rural domestic refuse treatment， significantly reducing its volume and quantity. However， this technology faced challenges in engineering practices， such as site selection， lack of relevant design and construction standards， and difficulties in operational management. This paper explored the issues encountered in the application of pyrolysis gasification technology for rural domestic refuse treatment through relevant engineering case studies， providing references and insights for similar projects.

Key words： rural domestic refuse; pyrolysis gasification process; engineering practices; problems; explore