浅析垃圾热解气化处理相关技术

  垃圾处理方式随着技术的更新和发展逐渐优化，从一开始的填埋，到生物质利用，再到现在减量化效果最好的焚烧，每一步的技术更新都引领着行业的发展方向；和垃圾焚烧一样，能做到真正3R原则的处理方式，是垃圾热解法。但据统计，国内垃圾主要以填埋、焚烧和堆肥为主；填埋是目前的主要处理方式，占比近一半，焚烧占12%左右，堆肥不到10%，仍有30%的生活垃圾未能处理；那么为什么和垃圾焚烧一样能达到3R原则的垃圾热解技术却没能占得市场先机呢？我们先来了解什么是垃圾热解技术。

1、定义及作用原理：热解法和焚烧法是两个完全不同的过程。焚烧是一个放热过程，而热解需要吸收大量热量；焚烧的主要产物是二氧化碳和水，而热解的主要产物是可燃的低分子化合物：气态的氢气、甲烷、一氧化碳；液态的甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等。固态的主要是焦炭和炭黑。

     热解法是利用垃圾中有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下对其进行加热蒸馏，使有机物产生裂解，经冷凝后形成各种新的气体、液体和固体，从中提取燃料油、可燃气的过程。热解产率取决于原料的化学结构、物理形态和热解的温度与速度；热分解过程由于供热方式、产品形态、热解炉结构等方面的不同，热解方式各异；按热解温度不同，1000ºC以上称为高温热解，600 -700ºC称为中温热解，600ºC以下称为低温热解。按供热方式不同，分为直接加热法和间接加热法。直接加热法指垃圾部分直接燃烧，或向热解反应器提供空气、富氧或纯氧作为补充燃料。纯氧作催化剂会产生CO2、H2O等气体，其混在热解可燃气中，稀释了可燃气，会降低热解气的热效应；采用空气作催化剂则含大量N2，更稀释了可燃气，使热解可燃气的热值大大降低。
以美国城市垃圾实验数据为例，用空气作催化剂其热值一般在5500KJ/m3左右，而采用纯氧一般在11000KJ/m3左右。间解加热法可利用干墙式导热或一种中间介质来做传热。产热值可达18630 KJ/m3，相当于用空气作氧化剂的直接加热法产生热值的三倍多，完全可当成燃气直接利用。 与直接焚烧法相比，垃圾热解有以下优点：
(1)在热解过程中废弃物的有机物成分能转化成可利用能量形式，其经济性更好；热解产生的燃气视其热值的高低可直接燃烧或和其它高热值燃料混合燃烧，反应过程产生焦油视其性质可制成燃料或提取化工原料。
(2)热解焚烧系统的二次污染小，可简化污染控制问题，对环境更加安全；热解法产生的烟气量比直接焚烧法少，特别是烟气中重金属、二恶英类等污染物的含量较少，有利于烟气的净化，降低了二次污染物的排放水平，因而是一种安全的垃圾处理方法。
      2、工艺组成：热解工艺主要包括移动床热解、流化床热解、旋转床热解等。其中移动床热解技术代表的系统有新日铁系统、Purox系统和Torrax系统，流化床代表系统是荏原-工技院及月岛机械分别开发的双塔循环流化床系统，旋转床热解则是由北京神雾集团研发的具有自主知识产权的热解工艺。
       1）移动床热解：:新日铁系统Nippon Steel该系统是将热解和熔融一体化的设备，通过控制炉温和供氧条件，使垃圾在同一炉体内完成干燥、热解、燃烧和熔融。干燥段温度约为300℃，热解段温度为300～1000℃，熔融段温度为1700～1800℃，可燃烧性气体热值6276-10460 kJ/m3。投料口采用双重密封阀结构，可燃性气体导入二燃室进一步燃烧．并利用尾气的余热发电。灰渣中残存的热解固相产物——炭黑与从炉下部通入的空气在燃烧区发生燃烧反应，通过添加焦炭来补充碳源。新日铁系统工艺流程图
       2）Purox系统又称为U.C.C.纯氧高温热分解法，由Union Carbide 公司开发的。采用竖式热解炉，破碎后的垃圾从塔顶投料口进入．依靠垃圾的自重在由上向下移动的过程中，完成垃圾的干燥和热解。底部燃烧温度：1650℃。该系统主要的能量消耗是垃圾破碎过程和1t垃圾热解需要的0.2t氧气的制造过程。该系统每处理1kg垃圾可以产生热值为11168kJ/m3的可燃性气体0.712m3，该气体以90％的效率在锅炉中燃烧回收热量，系统总体的热效率为58％，Purox系统工艺流程图

3）Torrax系统由气化炉、二燃室、一次空气预热器、热回收系统和尾气净化系统构成；垃圾不经预处理直接投入竖式气化炉中，垃圾干燥和热解所需的热量由炉底部通入的预热至1000℃的空气和炭黑燃烧提供；二次燃烧室温度1400℃，出口气体温度1150～1250℃；垃圾热值的大约35％用于助燃空气的加热和设施所需电力的供应，提供给余热锅炉的热量达57％，即相当于垃圾热值的大约37％作为蒸汽得到回收。Torrax系统工艺流程图

      3、两种移动床技术经济性比较
      1）移动床热解炉一般为竖式的桶装或柱状，为了达到良好的传热效果，防止出现垃圾受热不均，难以完成反应的情况，其炉体设计不能过大，因此只能进行小规模处理，单炉规模一般小于400吨/天。移动床主要依靠垃圾自身重力完成移动，由于我国垃圾不分选，垃圾组分复杂，粒度不均，在移动中容易架桥、堵塞，另外移动床容易产生结焦问题，这些都导致移动床很难实现长时间的连续运行，停炉检修频繁。
      2）流化床热解双塔循环式流动床热解工艺，该工艺由荏原-工技院及月岛机械分别开发；二者共同点都是将热分解及燃烧反应分开在两个塔中进行。装置由热解器和燃烧器组成。双塔循环式流动床热解工艺的优点是燃烧的废气不进入产品气体中，因此可得高热值燃料气（1.67×104~1.88×104kJ/m3）；在燃烧炉内热媒体向上流动，可防止热媒体结块；因炭燃烧需要的空气量少，向外排出废气少；在硫化床内温度均一，可以避免局部过热；由于燃烧温度低，产生的NOx少，特别适合于处理热塑性塑料含量高的垃圾的热解；可以防止结块。

双塔循环式流动床热解工艺流程图

      3）旋转床热解技术：北京某科技公司历经5年的专项攻关，今年在垃圾热解技术上取得重大突破，其热解处理新工艺系统主要包括预处理系统、热解系统、流化床气化系统、油气分离净化系统、尾气净化系统、污水处理系统等；该技术采用绝氧热解原理，即上文所说的间接加热法，无氧气存在，从原理上阻止了二噁英的产生，按照每天200吨处理规模计算，利用其蓄热式旋转床热解技术，每年可从垃圾中提取燃气949万标立，其热值高于4500kcal/Nm3，提取燃油584t，热值高于5000 kcal/kg，最终剩余的无机物残渣热灼减率低于1%，实现了垃圾的资源高效利用；该技术应用目前垃圾热解气化技术和应用主要集中在日本和北美，但是经济性问题应该是热解气化项目在国内难以开花的最重要原因；目前垃圾热解气化技术应用还处于起步阶段，世界上已建成的工厂数量仅约120个左右，回顾垃圾处理行业的发展可以看出，整个行业经历了三个发展阶段：

第一阶段，是垃圾填埋时期，这是最原始，相对最简单的垃圾处理方式。

第二阶段为，好氧堆肥、厌氧消化的发展。 前几年厌氧消化因垃圾成分问题、技术引进不适应问题、处理规模小等问题，困扰、制约着行业发展，但现在随着国内技术研究的深入和餐厨垃圾市场的关注，生物质利用方面逐渐发展起来。

第三阶段，完全资源化、减量化阶段，即国际上常说的WTE waste to energy 阶段，虽然目前的垃圾热解气化技术还有很多的不足，比如投资额高，运行不稳定，尾渣处理有一定难度等，但就行业发展而言，垃圾焚烧、垃圾热解和气化是最好的3R原则体现方式，因此必定是行业发展方向。