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        城市生活垃圾無氧熱裂解轉(zhuǎn)化技術(shù)的展望

        2015-10-17 01:40:28陶邦彥潘衛(wèi)國陳鴿飛
        發(fā)電設(shè)備 2015年3期
        關(guān)鍵詞:生活

        陶邦彥,潘衛(wèi)國,陳鴿飛

        (1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院,上海200240; 2.上海電力學院,上海200090;3.上海弘和環(huán)保科技有限公司,上海200434)

        城市生活垃圾無氧熱裂解轉(zhuǎn)化技術(shù)的展望

        陶邦彥1,潘衛(wèi)國2,陳鴿飛3

        (1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院,上海200240; 2.上海電力學院,上海200090;3.上海弘和環(huán)??萍加邢薰?上海200434)

        為解決城市生活垃圾減量化、無害化、資源化,采用無氧熱裂解轉(zhuǎn)化技術(shù),并在100 t/d生活垃圾(生物質(zhì))模塊示范裝置上實踐。結(jié)果表明:該技術(shù)可直接消納不經(jīng)過分選的生活垃圾,沒有廢氣、污水和二次污染,但可轉(zhuǎn)化為可燃氣、裂化油、碳和電資源的運行效果。

        生物質(zhì);垃圾處理;無氧熱裂解;產(chǎn)業(yè)化

        三十多年來,隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,加快了城鎮(zhèn)化建設(shè),于是城市生活垃圾產(chǎn)出量劇增,而處理城市垃圾的環(huán)保技術(shù)與裝備的發(fā)展遠遠跟不上城市“垃圾圍城”的速度。

        尋找無害化處理城市生活垃圾方式,將城市生活垃圾以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)等各類有機廢棄物轉(zhuǎn)化為有資源價值的油、氣、炭,實現(xiàn)零污染、零排放是環(huán)保工作者追求的目標。城市生活垃圾無氧熱裂解氣化處理裝置及其工藝技術(shù)[1]經(jīng)過100 t/d生活垃圾(生物質(zhì))處理模塊示范裝置的運行實踐,證實這正是城鎮(zhèn)化建設(shè)中的新技術(shù)、新裝備。

        1 垃圾處理中存在的問題

        目前城市生活垃圾處理技術(shù)中存在的問題[2]有:

        (1)堆肥。堆肥是最早處理垃圾的一種辦法,使部分垃圾變成可利用的肥料,但僅適用于小規(guī)模生活垃圾量的處理,且這種轉(zhuǎn)化肥料對土壤的鹽化危險可能更大。

        (2)生物填埋發(fā)酵腐爛氣化技術(shù)。該技術(shù)屬填埋處理方式,通過生物菌類長時期腐爛垃圾,實現(xiàn)消納。由于處理簡單、費用低而被廣泛應(yīng)用,但垃圾轉(zhuǎn)化僅限于生物質(zhì)有機物,產(chǎn)生的沼氣、滲濾液、殘渣等污染物滲透土壤、污染地下水和空氣,且占用大量土地。

        (3)氧化(焚燒)分解技術(shù)。焚燒處理為目前生活垃圾減量化的主要手段。垃圾焚燒發(fā)電裝備的引進、國產(chǎn)化裝備的推廣,緩解了垃圾的處理,在一定程度上實現(xiàn)低效的資源化;但是仍存在二次污染的問題,投資和運行成本昂貴。

        (4)不完全氧化(貧氧)熱解氣化技術(shù)。國外城市生活垃圾的氣化熱解技術(shù)與裝備,費用昂貴。國內(nèi)采用的生活垃圾干餾技術(shù)和裝備,僅局限于小容量的危險品處理處置。

        用于生物質(zhì)的熱裂解技術(shù)是當前生物質(zhì)能研究的前沿技術(shù),也是國內(nèi)研究的重點。根據(jù)反應(yīng)溫度和加熱速度的不同,生物質(zhì)熱解工藝可分為慢速、常規(guī)、快速或集中閃速。低于600℃的中等溫度及中等反應(yīng)速率(0.1~1℃/s)的常規(guī)熱裂解可制成一定比例的氣體、液體和固體產(chǎn)品;快速熱裂解大致在10~200℃/s的升溫速率,小于5 s的氣體停留時間;閃速熱裂解相比于快速熱裂解的反應(yīng)條件更為嚴格,氣體停留時間通常小于1 s,升溫速率要求大于100℃/s,并以相同的冷卻速率對產(chǎn)物進行快速冷卻。

        生物質(zhì)原料在缺氧的條件下,被快速加熱到較高反應(yīng)溫度,從而引發(fā)了大分子的分解,產(chǎn)生了小分子氣體和可凝結(jié)性揮發(fā)分以及少量焦炭產(chǎn)物。通過快速或閃速熱裂解方式制得氣態(tài)生物油,經(jīng)快速冷卻凝結(jié)成深棕色或深黑色液體生物油或焦油,并有刺激性的焦味。

        在生物質(zhì)熱裂解的各種工藝中,一般認為在常壓下的快速熱裂解是生產(chǎn)液體燃料的最為經(jīng)濟的方法。

        其工藝流程為:原料干燥、粉碎→快速熱裂解反應(yīng)→分離炭和灰→液體的收集。

        雖然貧氧裂解研究取得了進步,但要處理大規(guī)模的城市生活垃圾,似乎鞭長莫及,且設(shè)備控制要求高。

        顯然,貧氧裂解還原技術(shù)具有很大的發(fā)展前景,資源轉(zhuǎn)化度高,影響環(huán)境小,但僅限于生物質(zhì),不適應(yīng)日產(chǎn)量大、地域分布廣的城市生活垃圾處理。

        2 無氧熱裂解轉(zhuǎn)化處理技術(shù)

        我國自主研發(fā)的城市生活垃圾無氧熱裂解轉(zhuǎn)化處理技術(shù)在上海金山生活垃圾處理示范基地100 t/d裝置上成功地處理了數(shù)千噸垃圾,其工藝技術(shù)的合理性和成熟性得到了充分證明。

        2.1 工作原理

        該技術(shù)模仿自然界石油、煤炭、天然氣的形成過程,建立還原的逆反應(yīng)過程。在適當反應(yīng)溫度、時間、鍵激活和還原環(huán)境條件下,使各類有機物質(zhì)大分子裂解轉(zhuǎn)化成基本小分子;在無氧、還原劑的條件下,實現(xiàn)將生物質(zhì)從“碳水”轉(zhuǎn)化為“碳氫”的工程化的突變;將這些物質(zhì)按其物理性質(zhì)分類收集,獲得“油、氣、炭”類資源物質(zhì)。

        2.2 工藝流程

        垃圾處理前無需分揀(除大尺寸東西外),送入垃圾儲存?zhèn)},由齒狀刮條將垃圾分批間斷地送入輸送帶,由輸送帶通向裂解的反應(yīng)釜。整個工藝流程見圖1。

        圖1 城市生活垃圾無氧裂解工藝流程

        垃圾工廠配置計算機集中控制系統(tǒng)、內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)、氣油水收集和分配系統(tǒng)、碳渣系統(tǒng)、生產(chǎn)水和曝氣水池系統(tǒng)以及潔凈可燃氣儲氣罐等。生產(chǎn)過程中可實現(xiàn)動力源自給自足,無需外界提供工業(yè)用水、電能;生產(chǎn)過程中沒有新生有害物,即無廢氣、廢液、廢物等排放污染物。

        2.3 工藝特性

        一個示范性生產(chǎn)裝置,可連續(xù)自動運行,每天消納垃圾100 t,一年可消納垃圾約3萬t。

        2.3.1 工藝優(yōu)點

        (1)不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì),即零排放。

        (2)零能耗(自用垃圾產(chǎn)生的可燃氣供熱、發(fā)電,多余電可輸出)。

        (3)多聯(lián)產(chǎn)(可燃氣、油、水、碳粉及鋪路渣等)。

        每噸生活垃圾可轉(zhuǎn)化出裂化油約10~30 kg、生物炭100~150 kg、可燃氣100~120 m3,其中油的熱值約4.18×104kJ/kg以上,炭的熱值約8 360~12 540 kJ/kg。

        2.3.2 設(shè)備運行特點

        (1)模仿人體腸胃的“蠕動”方式,傳送并消化生活垃圾。

        (2)裝置內(nèi)采用非均向加熱,完成裂解轉(zhuǎn)化過程。

        (3)解決工業(yè)用水問題,將垃圾本身攜帶的水分在處理過程中消毒、蒸餾,供處理廠循環(huán)使用。

        (4)運用隔氧技術(shù),解決了裝置自身的安全問題。

        整個生產(chǎn)過程已經(jīng)實現(xiàn)計算機控制下的連續(xù)生產(chǎn)運行,設(shè)計過程全程監(jiān)控,裂化油自動分離收集。

        系統(tǒng)運行只要有垃圾,產(chǎn)生的可燃氣體直接引回反應(yīng)釜,作為處理垃圾的能源。在垃圾熱值較高時,系統(tǒng)所用電、水都可自已補給;而燃料油和炭粒可供應(yīng)市場,或用作鍋爐、爐窯的能源,比現(xiàn)有設(shè)備運營費用低約50%。

        2.3.3 主要創(chuàng)新特色

        (1)設(shè)計理念創(chuàng)新。

        通過工藝優(yōu)化組合,將生產(chǎn)過程中生成的廢氣、廢水等用自力密閉再循環(huán)的方式自我消化利用,既較好地解決生產(chǎn)的物耗及能耗的問題,又杜絕生產(chǎn)過程對環(huán)境的有害排放。

        (2)開辟“化垃圾為資源”的創(chuàng)新路徑。

        城市生活垃圾→(無氧熱裂解工藝)→可燃氣、油、炭及無毒固體。

        (3)生態(tài)環(huán)境的創(chuàng)新。

        垃圾處理沒有排煙煙囪,排出的沙礫金屬無毒無害,循環(huán)回用的處理水除炭黑顆粒外無油垢污泥,無臭味,利用自然曝氣沉淀,使工廠環(huán)境變成濕地綠洲,徹底改變垃圾處理“氣臭、水污、房臟、灰毒、易爆”的狀況。

        3 100 t/d示范裝置

        在100 t/d示范裝置上應(yīng)用無氧熱裂解轉(zhuǎn)化處理技術(shù),其工藝流程為:

        (1)進料端:工廠之內(nèi)設(shè)置一個垃圾車運隧道,垃圾進入4×25 t/d料倉。

        (2)處理端:設(shè)4個可燃氣加熱的反應(yīng)釜,每個反應(yīng)釜由減速電機驅(qū)動絞龍,以蠕動方式運送物料,不斷推向下游釜。料倉內(nèi)垃圾為當天或前天送來的新鮮垃圾,沒有經(jīng)過發(fā)酵,所以料倉內(nèi)不產(chǎn)生滲濾水;工藝分離水以及系統(tǒng)清掃水利用人工濕地沉淀循環(huán)使用。整個系統(tǒng)為無氧中溫裂解工藝,不產(chǎn)生氧化反應(yīng),只有還原反應(yīng)過程,在大分子鏈節(jié)處催化激活,使之斷裂成小分子的氣、油、炭、水。

        (3)輸出端:垃圾的最后產(chǎn)物,除斷裂的小分子物質(zhì)外,還有未反應(yīng)的少量沙礫金屬類,通過撈渣機排出系統(tǒng),集中堆放搬運,供回收金屬。工藝過程產(chǎn)出的可燃氣作為延續(xù)反應(yīng)的能源,加熱垃圾反應(yīng)釜;內(nèi)燃機發(fā)出的電能供驅(qū)動機械的馬達和照明。

        (4)物流:分離后的細顆粒焦炭袋裝出廠;油從管道輸送;可燃氣進儲氣罐,供應(yīng)內(nèi)燃機和反應(yīng)釜;垃圾中的水分補充裂解反應(yīng)。整個系統(tǒng)按照系統(tǒng)反應(yīng)的氣體組分,設(shè)定報警運行上下限,集中控制,不足者補充組分,使用的催化劑也來自工業(yè)垃圾,使之混合生活垃圾進行持續(xù)的催化作用。當垃圾熱值大于5 650 kJ/kg時,多余的可燃氣可供內(nèi)燃氣發(fā)電機組發(fā)電。

        (5)設(shè)備啟動、運行:一般情況,設(shè)備啟動需要5~6 h,垃圾從進料到產(chǎn)品輸出約3 h。

        4 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景

        4.1 工程項目

        2012年,廣西靈山“城市生活綠島”工程暨中國首家“垃圾變油炭氣”項目開工,但受資金面影響而順延至今。

        當時的項目設(shè)計指標為:

        (1)參考的設(shè)計指標。

        設(shè)置2條生產(chǎn)線,日處理垃圾能力>200 t/d,年處理垃圾能力達7萬t;占地面積約為33 300 m2。標準型“綠島”的建設(shè)期為10個月。

        項目投資總額為1.5億元人民幣。

        總成本費用約為1 896萬元/年,其中固資折舊費用為675萬元/年,經(jīng)營成本約為456萬元/年,稅收765萬元/年。每噸垃圾處理的全部成本約為161.6元;若不計固資折舊費用,其操作成本僅為65.1元。

        (2)經(jīng)濟性比較。

        以200 t/d模塊化設(shè)計為單位,占地面積約為33 300 m2;若垃圾處理規(guī)模2 000 t/d,僅需用地不到133 000 m2。

        與其他處理方式相比,經(jīng)濟優(yōu)勢明顯:①與填埋法相比,除了環(huán)保優(yōu)勢外,占用土地少,可持續(xù)處理垃圾;②與焚燒法和干餾法相比,建設(shè)與運營費用低,其運行成本約為焚燒法的50%,且多聯(lián)產(chǎn)和碳稅的經(jīng)濟性更為顯著。

        4.2 環(huán)保

        無氧熱裂解轉(zhuǎn)化技術(shù)不產(chǎn)生污染,沒有煙囪廢氣,沒有廢污水,更無二口惡英等有毒有害物,實現(xiàn)零排放、零污染。

        4.3 運行可靠性

        配置機械設(shè)備采用速度低、溫度低的運行條件,有利于延長設(shè)備使用壽命。由于還原反應(yīng),系統(tǒng)不產(chǎn)生腐蝕性現(xiàn)象,確保設(shè)備安全可靠。

        4.4 裝備產(chǎn)業(yè)化

        模塊化裝備的最小容量為200 t/d,既解決城市生活垃圾就地消納,減少垃圾運輸成本;又不影響周邊的生態(tài)環(huán)境和社區(qū)居民的生活。

        按照我國2012年地縣級行政區(qū)劃分,鄉(xiāng)、鎮(zhèn)共計有40 446個。由此可見,模塊化裝備的需求量非常大。

        5 結(jié)語

        通過100 t/d生活垃圾模塊裝置的示范效應(yīng),顯示出無氧熱裂解轉(zhuǎn)化技術(shù)的強大生命力,尤其在城鎮(zhèn)化文明建設(shè)中,大力推廣無氧熱裂解轉(zhuǎn)化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,能大大提高我國城市生活垃圾無害化、資源化處理。

        [1]陳鴿飛,錢雨霖.一種城市生活垃圾無氧熱裂解氣化處理裝置及其工藝技術(shù):中國,200810202669.3[P].2009-06-17.

        [2]陶邦彥.熱電工程與環(huán)保[M].北京:中國電力出版社,2009.

        Discussion on Anaerobic Pyrolysis Technology of Municipal Solid Wastes

        Tao Bangyan1,Pan Weiguo2,Chen Gefei3
        (1.Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China;2.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200290,China;3.Shanghai Honghoo Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200434,China)

        To reduce,recycle and reuse the municipal solid wastes(MSWs),an anaerobic pyrolysis technology was developed for the MSW treatment and dumping,which was applied in a 100 t/d demonstration apparatus.Results show that combustible gas,cracked residue,carbon and electric energy were produced in the process,without generation of waste gas,polluted water and secondary pollution,etc.

        biomass;waste incineration;anaerobic pyrolysis;industrialization

        X705

        A

        1671-086X(2015)03-0231-03

        2014-10-27

        陶邦彥(1946-),男,高級工程師,長期從事火電廠環(huán)保技術(shù)的試驗研究。

        E-mail:taobangan@163.com

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