韓景超 王正發(fā) 劉雙龍

摘要：城市生活垃圾的處理已成為困擾城市發(fā)展的一個嚴(yán)重問題，但城市生活垃圾也是一種可利用的資源，且利用價值很高。本文主要概述了我國城市生活垃圾處理現(xiàn)狀及傳統(tǒng)垃圾處理方式的特點，重點介紹了國內(nèi)外城市生活垃圾制氣技術(shù)進展，為城市生活垃圾減量化、無害化、資源化綜合處理提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾;制氣技術(shù);厭氧消化;熱解氣化

中圖分類號：X384 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）12-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.032

Research on gasification technology of municipal solid waste

Han Jingchao，Wang Zhengfa，Liu Shuanglong

（Powerchina Eco-environmental Group Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518102，China）

Abstract：The treatment of municipal solid waste （MSW） has become a serious problem which has troubled the urban development. However MSW is also an available resource and its utilization value is very high.This paper summarizes the present situation and traditional treatment approach of MSW in China，introduces mainly the development of gasification technology of MSW at home and abroad， and the feasibility of the application of gasification technology is analysed to provide guidance for reduction， harmless and recycling treatment of MSW.

Key words：Municipal solid waste;Gasification technology;Anaerobic digestion;Pyrolysis gasification

隨著城市化進程的不斷加快，城市生活垃圾數(shù)量急劇上升，其造成的環(huán)境污染已成為各國所共同面臨的問題，“垃圾圍城”已成為亟待解決的城市頑疾之一，對其無害化處理和資源化利用已成為促進經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境達到可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一[1]。目前，我國傳統(tǒng)垃圾處理方式以填埋為主、堆肥和焚燒為輔[2]，但三種處理方式各有優(yōu)劣，已不能滿足日益增長且復(fù)雜的城市垃圾處理要求。因此，探索適合我國城市生活垃圾特性并效果顯著的新型垃圾處理技術(shù)，對于解決我國日益嚴(yán)峻的垃圾處理問題尤為重要，能夠合理確定生活垃圾處理的技術(shù)發(fā)展路線，為城市環(huán)境衛(wèi)生規(guī)劃和政府在環(huán)衛(wèi)上的投資方向，以及各級領(lǐng)導(dǎo)決策作參考，為城市生活垃圾資源化、無害化處理提供指導(dǎo)。

1 我國城市生活垃圾處理現(xiàn)狀

城市生活垃圾是指城市居民在日常生活中或者為城市日常生活提供服務(wù)的活動中產(chǎn)生的，在一定時間和地點無法利用而被丟棄的污染環(huán)境的固體、半固體廢棄物質(zhì)[3]。隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化進程不斷加快，垃圾產(chǎn)生量與日俱增，處理處置問題日益嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計，全國城市生活垃圾的累積堆存量已達到70億t，占地面積80多萬畝，且以每年8%～10%的速度持續(xù)增長[4]。目前，我國600多座大中城市中，已有2/3陷入垃圾包圍之中，“垃圾圍城”已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會問題，嚴(yán)重影響我國城市居住環(huán)境，制約著我國經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展。

我國的垃圾在源頭基本沒有實行分類收集，而是混合收集和混合運輸，處理方式上主要以填埋為主，堆肥和焚燒為輔。根據(jù)2012-2016年的中國統(tǒng)計年鑒可知，我國城市生活垃圾衛(wèi)生填埋比例在逐年遞減，焚燒比例在逐年遞增。2015年全國生活垃圾衛(wèi)生填埋占比為63.7%，焚燒占比34.3%，其他方式占比為2.0%，見圖1。

鑒于單一的垃圾處理工藝不能滿足混合收集生活垃圾的處理需要，生活垃圾綜合處理工藝已成為國內(nèi)外研究的熱點，而生物垃圾綜合處理工藝主要的技術(shù)是機械生物處理技術(shù)。本文主要從定義、適用對象、減量化效果、資源化效果、技術(shù)優(yōu)勢、技術(shù)缺陷等方面，對衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒和機械生物處理技術(shù)4種處理方式進行對比，見表1。

2 城市生活垃圾制氣技術(shù)研究

通過以上分析可知，衛(wèi)生填埋操作簡單、技術(shù)成熟，但占地面積大，容易滋生病菌;堆肥成本低廉，能改良土壤，但處理周期長、肥效低;焚燒減量減容明顯、適用性廣，但存在二噁英、重金屬污染等問題;機械生物處理技術(shù)可作為生活垃圾預(yù)處理技術(shù)提高垃圾處置效率，但在我國目前還未大規(guī)?；瘧?yīng)用及推廣，因此，為解決日益嚴(yán)峻的垃圾問題，有必要尋找適應(yīng)社會發(fā)展的新的替代技術(shù)。垃圾制氣技術(shù)便應(yīng)運而生，比較成熟的技術(shù)主要有厭氧消化制氣和熱解氣化制氣，特別是熱解氣化制氣以其控污效果好、減量減容明顯、資源回收利用率高，被譽為最為行之有效的垃圾處理方式，是焚燒最具潛力的替代技術(shù)之一[1]。

2.1 厭氧消化制氣

2.1.1 工作原理

厭氧消化制氣是指在無氧條件下，垃圾中的有機物在厭氧菌作用下轉(zhuǎn)化為甲烷的生物化學(xué)過程。在消化過程中，大分子有機物被降解，轉(zhuǎn)化為簡單、穩(wěn)定的物質(zhì)，同時釋放能量，最終轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，還有少量的NH3、H2、H2S、N2。厭氧消化制氣過程可分為4個階段：水解階段、酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段[5]。

2.1.2 主要工藝

厭氧消化制氣在國外已得到廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，截止到目前已有100多家垃圾處理廠采用厭氧消化工藝，并且年處理能力都在2 500t以上，主要分布在德國、丹麥、澳大利亞等國家。典型工藝包括VALORGA干法厭氧消化工藝、BRV干法厭氧消化工藝、Kompogas工藝等，典型工藝主要技術(shù)對比見表2。

2.1.3 應(yīng)用情況

厭氧消化制氣技術(shù)在國外應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，在日本有機垃圾的厭氧消化處理成為有機垃圾處理的一種新的趨勢;在美國，目前較為成熟的厭氧消化系統(tǒng)日處理能力為100t左右，可產(chǎn)生12 000m3左右的生物氣體、25t優(yōu)質(zhì)有機肥;由于沼氣發(fā)電受到上網(wǎng)和電力需求、電價等的限制，歐洲國家對生物氣體進行凈化處理，提高甲烷含量，利用沼氣發(fā)電機發(fā)電或凈化處理后加壓裝罐，生產(chǎn)天然氣汽車燃料，也可接入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)用于民用燃?xì)?，提高其利用附加值[6]。

國內(nèi)厭氧消化技術(shù)起步較晚，最近20多年才有較大發(fā)展，主要集中在高濃度有機廢水處理、污泥消化、糞便處理等，城市生活垃圾厭氧制氣還處于初始階段，但與國外相比在垃圾的收集和分類意識、技術(shù)以及設(shè)備等方面都有不小差距。其中北京董村分類垃圾綜合處理廠采用多項國際先進的垃圾厭氧消化處理技術(shù)，利用垃圾經(jīng)厭氧消化處理后產(chǎn)生沼氣發(fā)電，其中干式厭氧處理生活垃圾380t/d，濕式厭氧處理生活垃圾400t/d，具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。深圳市下坪生活垃圾填埋氣制取天然氣項目于2014年開始建設(shè)，是目前國內(nèi)建成的最大的生活垃圾填埋氣制取天然氣項目，已收集填埋氣總量超過3.5億m3，為國內(nèi)填埋場填埋氣的利用和節(jié)能減排提供了典型示范，項目的成功實施將成為中國填埋氣制取天然氣的標(biāo)桿。

2.2 熱解氣化制氣

2.2.1 工作原理

熱解氣化制氣是指通過一個特殊設(shè)計的專用反應(yīng)器—氣化爐，把城市廢棄物轉(zhuǎn)化成一種可燃的混合氣體和無害的惰性灰渣（只占原廢棄物重量的15%，減重量主要取決于垃圾中無機物含量），產(chǎn)生的氣體可用于發(fā)電或其他的清潔能源。氣化爐內(nèi)反應(yīng)過程大致可分為4個區(qū)域[7]，其主要反應(yīng)過程如圖3所示。

2.2.2 主要工藝

熱解氣化制氣技術(shù)作為一種新型的垃圾減量化、無害化、資源化技術(shù)，在發(fā)達國家得到了迅速發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。典型工藝有固定床氣化工藝、流化床氣化工藝、回轉(zhuǎn)窯氣化工藝等[8]，主要技術(shù)對比見表3。

2.2.3 應(yīng)用情況

熱解氣化制氣技術(shù)是在垃圾焚燒技術(shù)的基礎(chǔ)之上進行升級改造，形成的一種新型垃圾資源化處理技術(shù)，已經(jīng)被歐美發(fā)達國家應(yīng)用到商業(yè)中。20世紀(jì)70年代，美國將《固體廢物法》改為《資源再生法》，鼓勵從垃圾中回收燃料油和可燃?xì)?。與常規(guī)的垃圾處理方法相比，垃圾氣化具有能源回收率高、二次污染小、煙氣量小、后處理設(shè)備簡單，且氣化與熔融技術(shù)的結(jié)合使得在對垃圾的有機成分加以利用的同時，可對無機成分進行穩(wěn)定化、無害化和資源化利用，從而根本上解決了二噁英和重金屬等二次污染問題，有著廣闊的發(fā)展前景。但國外發(fā)達國家研發(fā)的氣化技術(shù)主要是針對本國熱值高、有效分類的垃圾特點，在不添加輔助燃料并用空氣助燃的情況下，一般要求生活垃圾的熱值高于6 500kJ/kg，而我國城市生活垃圾熱值普遍在4 000kJ/kg左右，因此，國外研發(fā)的垃圾氣化技術(shù)并不完全適合我國垃圾高水分、低熱值和未有效分類的特點[1]。

我國垃圾氣化方面研究還處于初級階段，部分大學(xué)和研究院已成功研制出了幾種垃圾氣化處理技術(shù)，但偏重機理和基礎(chǔ)性研究，不能真正投入到實際應(yīng)用。

據(jù)相關(guān)報道，北京寶能科技有限公司已成功突破熱解技術(shù)的世界性難題，在實現(xiàn)熱解裝置低成本、高效、大容量連續(xù)性運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于城市垃圾分級熱解氣化，廢塑料熱解制油，褐煤長焰煤熱解提質(zhì)等項目中，其中城市垃圾分級熱解氣化技術(shù)為公司自主知識產(chǎn)權(quán)，相較引進國外技術(shù)，投資大幅減少，垃圾熱解氣化經(jīng)高溫熔融分離后產(chǎn)生的灰渣可回收利用，作為建筑材料或冶金工業(yè)添加劑，真正實現(xiàn)無污染、無排放、具有極佳的環(huán)保、經(jīng)濟、社會效益。

3 結(jié)語

生活垃圾處理已成為困擾城市發(fā)展的一個嚴(yán)重問題，也是與民生問題息息相關(guān)的一個問題。由于我國飲食習(xí)慣的特點及垃圾長期未實行源頭分類等問題，造成傳統(tǒng)的垃圾處理方式隱藏著嚴(yán)重的社會風(fēng)險。特別是垃圾焚燒是目前較為流行的垃圾減量化處理技術(shù)，但是多地發(fā)生過居民抗議垃圾焚燒發(fā)電項目事件（即鄰避性事件），因此，在推廣垃圾焚燒項目時應(yīng)緊跟環(huán)保政策要求，完成“裝、樹、聯(lián)”任務(wù)，監(jiān)控并公開污染排放信息，接受群眾監(jiān)督，便于環(huán)保部門執(zhí)法監(jiān)管，解決項目落地難問題。在完善和改進傳統(tǒng)垃圾處理技術(shù)的同時，加快推廣引進垃圾處理資源化利用新技術(shù)，如厭氧消化制氣技術(shù)和熱解氣化制氣技術(shù);積極探索MBT與垃圾處理技術(shù)的有機結(jié)合，創(chuàng)新“MBT+”技術(shù)模式，切實提高垃圾資源化水平，增強城市生活垃圾科學(xué)治理能力。

為保障新技術(shù)推廣應(yīng)用，我國應(yīng)制定出臺相應(yīng)的政策措施，加大科研服務(wù)力度，結(jié)合我國城市生活垃圾特點，提高生活垃圾處理技術(shù)的適用性和技術(shù)水平;從源頭入手控制和減少垃圾產(chǎn)生量，探索建立包裝物強制回收制度;加強垃圾分類宣傳和后端管理，提高垃圾資源化利用水平;開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、適合我國垃圾特點的技術(shù)和設(shè)備等。通過多環(huán)節(jié)系統(tǒng)化的“組合拳”，切實解決日益嚴(yán)峻的垃圾處理問題，走循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展之路，從而有效提高城市經(jīng)濟效益、穩(wěn)定內(nèi)部民生環(huán)境，使我國城市的發(fā)展向著可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)共融的良好方向發(fā)展。

參考文獻

[1]張春飛，王希，謝斐.城市生活垃圾氣化技術(shù)研究進展[J].東方電氣評論，2014（28）：14-19.

[2]國家發(fā)展和改革委員會，建設(shè)部，國家環(huán)境保護總局.全國城市生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)“十一五”規(guī)劃[Z].2007.

[3]聶永豐.三廢處理工程技術(shù)手冊（固體廢物卷）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4]肖波，汪瑩瑩，蘇瓊.垃圾氣化處理新技術(shù)研究[J].中國資源綜合利用，2006，24（10）：18-20.

[5]要玲.城市垃圾厭氧消化技術(shù)的研究進展[J].河北化工，2009，32（12）：74-76.

[6]孫英杰，肖學(xué)斌，鞏新煒.城市生活垃圾資源化技術(shù)的探討[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報，2000，21（1）：57-61.

[7]王亞琢.基于分選的城市生活垃圾綜合處理技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[8]袁浩然，魯濤，熊祖鴻，等.城市生活垃圾熱解氣化技術(shù)研究進展[J].化工進展，2012，31（2）：421-427.

收稿日期：2020-10-09

作者簡介：韓景超（1985-），男，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向為水環(huán)境治理工程、標(biāo)準(zhǔn)化等方面工作。