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