楊俊波，李 軍，蘇明舟，丁振亮

(中國天楹股份有限公司上海分公司，上海 200235)

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日本垃圾氣化處理技術(shù)探討

楊俊波，李 軍，蘇明舟，丁振亮

(中國天楹股份有限公司上海分公司，上海 200235)

摘要：指出了城市生活垃圾的氣化是一種新型的垃圾處理技術(shù)，具有高效的能源利用率和良好的環(huán)保特性。日本的垃圾氣化技術(shù)將氣化和熔融技術(shù)相結(jié)合以其嚴(yán)格的污染控制、顯著的減容性和高效的資源回收率等優(yōu)點(diǎn)成為垃圾氣化應(yīng)用技術(shù)的代表。綜述了日本城市生活垃圾氣化處理技術(shù)的原理、工藝流程及其發(fā)展現(xiàn)狀，具體對(duì)兩種主要垃圾氣化反應(yīng)器的特點(diǎn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾；結(jié)渣氣化；流化床

1引言

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速以及物質(zhì)消費(fèi)的日趨上升，城市生活垃圾(MSW)急劇增加，從而對(duì)生態(tài)和社會(huì)環(huán)境造成了沉重的壓力。傳統(tǒng)的垃圾處理方式主要集中在填埋和焚燒。垃圾氣化技術(shù)是指在缺氧的條件下以高溫加熱垃圾，將垃圾轉(zhuǎn)化為合成氣，有效成分包括一氧化碳和氫氣，經(jīng)過過濾后燃燒產(chǎn)生能量或轉(zhuǎn)化為甲烷、乙醇或合成柴油等燃料。但是，近些年垃圾氣化技術(shù)在歐洲、澳洲和北美的應(yīng)用效果都差強(qiáng)人意。

當(dāng)許多學(xué)者還在質(zhì)疑垃圾氣化技術(shù)的環(huán)保性和能源利用效率的時(shí)候，日本已經(jīng)用良好的規(guī)?；瘧?yīng)用表明垃圾氣化是一項(xiàng)具有強(qiáng)大實(shí)用性和市場(chǎng)前景的垃圾處理技術(shù)。

2日本垃圾氣化技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)2013年的資料數(shù)據(jù)顯示，日本在運(yùn)行的垃圾氣化機(jī)組為122座，每年處理城市生活垃圾或垃圾衍生燃料(RDF)6 915 870 t，且有9座新機(jī)組在建，預(yù)計(jì)可增加年垃圾處理量1 047 300 t[1]。

在日本，有多家公司掌握了成熟的垃圾氣化技術(shù)，并具備電廠建造資質(zhì)，其中較大的廠商包括新日鐵、日本荏原、日本鋼鐵工程公司等在內(nèi)的6家公司負(fù)責(zé)建造了70%以上的垃圾氣化電站。

3固定爐垃圾結(jié)渣氣化技術(shù)

3.1技術(shù)介紹

固定式氣化爐是最為常見的一種氣化反應(yīng)裝置。整個(gè)氣化發(fā)電流程主要包括垃圾輸送裝置、氣化爐、余熱鍋爐、煙氣處理系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)組成。氣化技術(shù)的基礎(chǔ)裝置為一個(gè)立式固定床氣化爐。與常規(guī)氣化技術(shù)不同之處在于，該氣化爐底部增加了灰熔融區(qū)域。在氣化爐的底部，通入富氧空氣，促進(jìn)焦炭和垃圾中殘余的碳燃燒產(chǎn)生大量熱，可使溫度最高可到1 800 ℃，使底部的無機(jī)材料包括灰和金屬熔化。飛灰熔融結(jié)渣，其化學(xué)特性被惰化，有害的重金屬被包裹著玻璃體結(jié)構(gòu)中，滲出性很小。熔融后的底渣回收后可作為基建的填充材料。

觀察圖1氣化爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，垃圾從頂部進(jìn)入氣化爐，同時(shí)加入焦炭和石灰石，空氣從底部向上噴。最上層的反應(yīng)區(qū)溫度在200～300 ℃，往下溫度越高，進(jìn)入熱解氣化區(qū)域。產(chǎn)生的合成氣從氣化爐上方排出。在氣化爐的底部，通入富氧空氣(氧濃度36%以上)，焦炭和垃圾中殘余的碳燃燒產(chǎn)生大量熱，溫度大大提高，使底部的灰和金屬熔化。石灰石有利于各種金屬更好的形成熔融態(tài)，也有助于減少HCl的生成。

尾部污染控制系統(tǒng)使用干式煙氣脫硫，煙氣經(jīng)過布袋除塵器后，使用SCR系統(tǒng)噴氨處理，控制NOx的生成，使之滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。相較傳統(tǒng)焚燒爐，結(jié)渣氣化爐需要加入焦炭來升高溫度形成熔融區(qū)，且富氧空氣的注入也使機(jī)組的廠用電大大提升。

3.2技術(shù)應(yīng)用

日本福岡地區(qū)某電廠應(yīng)用該技術(shù)運(yùn)行至今情況良好，年垃圾處理量216 000 t，鍋爐產(chǎn)生蒸汽參數(shù)39.2 bar，400 ℃，配套透平機(jī)組容量23.5 MW，發(fā)電效率23%。

4流化床垃圾氣化

4.1技術(shù)介紹

流化床技術(shù)因其良好的傳熱傳質(zhì)特性以及對(duì)劣質(zhì)燃料的良好的適應(yīng)性，在垃圾處理上有較多的應(yīng)用。日本某公司開發(fā)的雙內(nèi)旋轉(zhuǎn)循環(huán)流化床氣化爐技術(shù)(Twin Internally revolving Fluidized bed Gasifier，TIFG)是借鑒其自有的TIF流化床技術(shù)在氣化技術(shù)上的模塊化應(yīng)用。在設(shè)計(jì)上保證了良好的傳熱傳質(zhì)效果，并結(jié)合了飛灰熔融技術(shù)，形成了一種新的氣化方式。該技術(shù)被大部分日本權(quán)威認(rèn)可，并有許多垃圾氣化電廠投入應(yīng)用[2]。

圖2為雙內(nèi)旋循環(huán)流化床氣化爐的示意圖。該型鍋爐既吸收了循環(huán)流化床顆粒循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)又保留了鼓泡床采用埋管換熱的優(yōu)勢(shì)。其錐形氣體分布板由高風(fēng)速區(qū)和低風(fēng)速區(qū)組成，中部的流化氣速較低，呈移動(dòng)床狀態(tài)，其周圍的流化氣速較高，呈流態(tài)化狀態(tài)，為使流化空氣向燃燒爐中央偏轉(zhuǎn)，在高風(fēng)速區(qū)上部裝有傾斜隔墻，使床內(nèi)形成渦流。氣化爐反應(yīng)溫度在500～600 ℃(傳統(tǒng)垃圾焚燒爐運(yùn)行溫度850～900 ℃)。

氣體由鼓風(fēng)機(jī)從底部通入，切碎的垃圾被投入內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的熱石英砂床層中，有機(jī)成分被轉(zhuǎn)化成合成氣。大塊的不可燃的垃圾如金屬材料，玻璃，石頭等未被氧化或經(jīng)燒結(jié)后，被排出氣化爐底部形成底渣。金屬部分經(jīng)過磁選和漩渦分選可得到鐵基金屬回收利用。產(chǎn)生的合成氣夾帶著顆粒物從氣化爐頂部進(jìn)入一個(gè)回旋氣流

的燃燒室。在這里，合成氣和夾帶粒子被完全燃燒，由于二次風(fēng)的加入，此處的溫度可達(dá)1 350～1 450 ℃。在這樣的溫度條件下，不可燃的飛灰被熔融成熔渣，經(jīng)過水淬后，達(dá)到環(huán)境排放要求。

根據(jù)表1所示，雙內(nèi)旋循環(huán)流化床氣化爐在控制污染物的排放上也有相當(dāng)出色的表現(xiàn)，各項(xiàng)參數(shù)的排放均遠(yuǎn)低于法定限量。且該流化床在氣化模型下的應(yīng)用，產(chǎn)生的煙氣量大大小于傳統(tǒng)垃圾焚燒爐，同時(shí)精簡(jiǎn)了余熱鍋爐和污染控制系統(tǒng)的尺寸。

4.2應(yīng)用示例

TIFG技術(shù)在日本具有廣泛的應(yīng)用，在穩(wěn)定運(yùn)營的同時(shí)，也做到了良好的污染物控制。日本豐橋地區(qū)應(yīng)用TIFG技術(shù)的排放情況如表1所示。

表1　日本某應(yīng)用TIFG技術(shù)的電廠排放情況

5結(jié)語

日本的垃圾處理原則是資源回收利用最大化的同時(shí)，將垃圾的最終填埋量最小化，而把能量的回收利用效率放在次要的位置。對(duì)飛灰和底渣熔融處理會(huì)造成一部分的熱量損失，但是對(duì)于飛灰的無害化處理尤其是二噁英的控制有顯著的效果。

垃圾氣化技術(shù)在學(xué)術(shù)界有比較大的爭(zhēng)議，但日本已經(jīng)進(jìn)行了較大的推廣，且運(yùn)行良好。國內(nèi)這方面尚有較大的應(yīng)用空間，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊M(jìn)利用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Dr Kevin Whiting.WSP Waste to Energy Technical Report[R].London:WSP House，2013:152～174.

[2]蓋志杰.內(nèi)循環(huán)流化床的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006:12～14.

A Brief DiscussiononJapanese Waste Gasification Technology

YangJunbo， Li Jun， SuMingzhou， Ding Zhenliang

(ShanghaiBranch，ChinaTIANYINGInc.，Shanghai200235，China)

Abstract:Gasification of municipal solid wasteis a new option for waste treatment for its good performance on energy utilization and environmental protection.Japanese gasification technologycombinesthe advantage of gasification and melting technology，which has become an outstanding industry example of waste gasification for its good pollution control，remarkable volume reduction and efficient resource recovery.This article introduces the theory of Japanese slagging gasification，technological process and status quo of development.Then，the article mainly discusses the specific features of two kinds of gasification reactor.

Key words:municipal solid waste; slagginggasification; fluidized bed

文章編號(hào)：1674-9944(2016)02-0146-02

中圖分類號(hào)：X799

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：楊俊波(1988—)，男，浙江紹興人，工程師，主要從事垃圾發(fā)電研究及設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-11-03