房科靖，熊祖鴻，魯 敏，李繼青，黎 濤

分散式垃圾熱解氣化處理工程示范——鄉(xiāng)村垃圾解決方案*

房科靖1,2,3?，熊祖鴻1,2,3，魯 敏1,2,3，李繼青1,2,3，黎 濤1,2,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

新農(nóng)村建設(shè)以“美麗鄉(xiāng)村”的理念實(shí)行。我國(guó)領(lǐng)土廣闊，大部分為山區(qū)丘陵，人口密度存在巨大差異，山區(qū)鄉(xiāng)村人口居住較為分散、道路交通不便，各地區(qū)發(fā)展不均衡。鄉(xiāng)村垃圾無(wú)害化處理問(wèn)題急需合理解決，但偏遠(yuǎn)山區(qū)鄉(xiāng)村無(wú)法滿足建設(shè)垃圾發(fā)電廠的最低垃圾量。針對(duì)鄉(xiāng)村垃圾處理存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)融合了多項(xiàng)專利技術(shù)的分散式垃圾熱解氣化處理工藝，并以該工藝建設(shè)工程示范。工程示范整套設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，煙氣排放量遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18485-2014的規(guī)定，其中NO≤ 17 mg/Nm3、CO ≤ 10 mg/Nm3、SO2≤ 6 mg/Nm3、HCL ≤ 3 mg/Nm3。結(jié)果表明，該工程示范實(shí)現(xiàn)了鄉(xiāng)村垃圾無(wú)害化處置，有效保障了鄉(xiāng)村居民的身心健康和生態(tài)安全。

分散式；垃圾；鄉(xiāng)村；熱解氣化；工程示范

0 引 言

黨的十八大報(bào)告明確提出“要努力建設(shè)美麗中國(guó)，實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展”，第一次提出了城鄉(xiāng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展共建“美麗中國(guó)”的全新概念，依據(jù)美麗中國(guó)的理念第一次提出了要建設(shè)“美麗鄉(xiāng)村”的奮斗目標(biāo)，新農(nóng)村建設(shè)以“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)的提法首次在國(guó)家層面明確提出[1]。

近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化水平不斷提高，鄉(xiāng)村居民生活垃圾的產(chǎn)生量也隨之增加，政府對(duì)農(nóng)村垃圾處理的投資規(guī)模也逐年遞增，2019年我國(guó)農(nóng)村居民生活垃圾產(chǎn)生量高達(dá)52.2億t，農(nóng)村垃圾處理投資規(guī)模達(dá)到387.74億元（見(jiàn)圖1）；農(nóng)村生產(chǎn)生活理念發(fā)生巨大變化，垃圾成分日趨復(fù)雜化，部分垃圾已無(wú)法通過(guò)自然降解去除，處理難度大大增加[2]；農(nóng)村垃圾隨意傾倒，難以集中收集處理，農(nóng)村環(huán)保監(jiān)管能力薄弱，導(dǎo)致農(nóng)村垃圾無(wú)害化處理的問(wèn)題日趨嚴(yán)重。

目前，我國(guó)正在大力推進(jìn)農(nóng)村生活垃圾無(wú)害化治理，推廣傳統(tǒng)的集中處理模式——“村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)、縣處理”。但我國(guó)領(lǐng)土廣闊，大部分為山區(qū)丘陵，人口密度存在巨大差異，山區(qū)農(nóng)村人口居住較為分散、道路交通不便，各地區(qū)發(fā)展不均衡，這種治理模式對(duì)于運(yùn)距較長(zhǎng)、道路不便的村鎮(zhèn)存在垃圾運(yùn)輸成本高，垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的泄漏、管理不當(dāng)，還會(huì)造成二次污染，難以持續(xù)良性運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題[4-5]。因此，鄉(xiāng)村分散式生活垃圾熱處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，開(kāi)始在全國(guó)范圍示范和推廣，特別在西北山區(qū)農(nóng)村地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，可有效解決農(nóng)村垃圾無(wú)害化處理的難題（見(jiàn)圖2）。

圖1 農(nóng)村垃圾產(chǎn)生量和處理投資規(guī)模[3]

圖2 集中和分散式垃圾處理對(duì)比

1 鄉(xiāng)村分散式垃圾熱處理工藝設(shè)計(jì)

1.1 鄉(xiāng)村分散式垃圾熱處理核心技術(shù)的選擇

垃圾熱處理技術(shù)最主要的優(yōu)勢(shì)是減容率可達(dá)到80%～90%，且重量可減少70%～80%[6]。熱處理過(guò)程可消滅垃圾中的細(xì)菌，達(dá)到控制疾病傳播的目的，同時(shí)還可回收垃圾中的能量，轉(zhuǎn)化為可供居民使用的熱水或蒸汽。因此，熱處理技術(shù)充分符合垃圾處理的“減量化、無(wú)害化、資源化”原則[7]，已逐步成為城市生活垃圾無(wú)害化處理的主力軍。

垃圾熱處理技術(shù)主要包括層狀燃燒技術(shù)、流化態(tài)燃燒技術(shù)及熱解氣化燃燒技術(shù)，相對(duì)應(yīng)的爐型為機(jī)械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐及熱解氣化燃燒爐[8]。層狀燃燒技術(shù)和流化態(tài)燃燒技術(shù)可統(tǒng)稱為直接燃燒技術(shù)，垃圾與空氣直接充分混合燃燒，該技術(shù)存在燃燒過(guò)程控制復(fù)雜、燃燒不充分、二次污染物產(chǎn)生量大和處置成本高等問(wèn)題，主要適用于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的大中小城市群體；熱解氣化處理技術(shù)是指有機(jī)質(zhì)在缺氧或無(wú)氧的條件下，通過(guò)加熱的方式充分分解，產(chǎn)生以H2、CH4、CO為主要成分的低熱值可燃?xì)?，該技術(shù)的二次污染物產(chǎn)生量少，處理成本低，環(huán)境效益好，主要適用于人口較少和分布不集中的縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村、島嶼的垃圾無(wú)害化處理（見(jiàn)表1）。

表1 熱處理技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

鄉(xiāng)村生活垃圾的組分基本與城市生活垃圾相同，組分比例上存在差異。大部分地區(qū)鄉(xiāng)村生活垃圾廚余占比較大，有機(jī)物含量高，含水率較高，大多數(shù)鄉(xiāng)村生活垃圾產(chǎn)生量低于50 t/d，小于集中式焚燒爐處理的最小規(guī)模，收集點(diǎn)與大型焚燒處理廠的平均距離大于50 km，雖然生活垃圾焚燒處理的相關(guān)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定焚燒規(guī)模不能小于 150 t/d，但由于小型生活垃圾焚燒爐、熱解爐等，具有垃圾減量化效果顯著、投資建設(shè)費(fèi)用低、選址靈活、投資費(fèi)用低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已在我國(guó)多地廣泛建設(shè)使用；結(jié)合直接燃燒技術(shù)和熱解氣化燃燒技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比（表1），垃圾熱解氣化燃燒技術(shù)更適合處理鄉(xiāng)村分散式生活垃圾。

1.2 工程工藝技術(shù)要點(diǎn)

以垃圾熱解氣化燃燒技術(shù)為核心，集成了垃圾前段預(yù)處理、熱解氣化燃燒裝置、多旋轉(zhuǎn)內(nèi)部水冷爐排、多點(diǎn)多角度進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、爐內(nèi)霧化噴淋結(jié)構(gòu)、煙氣急速降溫冷凝、煙氣凈化、自動(dòng)化控制等多項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了鄉(xiāng)村分散式生活垃圾熱解氣化處理工程示范，工程技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 鄉(xiāng)村分散式垃圾熱解氣化處理工藝技術(shù)路線

垃圾前段預(yù)處理系統(tǒng)包括破碎、輸送、儲(chǔ)存、上料，系統(tǒng)采用全封閉式，內(nèi)部長(zhǎng)期保持微負(fù)壓，防止臭氣外漏；垃圾破碎之前需進(jìn)行簡(jiǎn)易的篩選，去除大件的無(wú)機(jī)物，通過(guò)破碎機(jī)破碎成大小均勻的垃圾顆粒置于儲(chǔ)存?zhèn)}，最終通過(guò)上料裝置送入熱解氣化爐。

熱解氣化燃燒裝置[9]內(nèi)部分為熱解氣化室和燃燒室，垃圾進(jìn)入熱解氣化室，完成熱解氣化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w（H2、CO、CH4、CH），可燃?xì)馔ㄟ^(guò)引風(fēng)機(jī)，進(jìn)入燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分燃燒，可燃?xì)庠谌紵覂?nèi)燃燒溫度高于850℃且停留時(shí)間超過(guò)2 s，可促進(jìn)二噁英等污染物的徹底分解；燃燒室爐頂采用尿素噴淋的方式，去除煙氣中的NO。

多旋轉(zhuǎn)內(nèi)部水冷爐排[10]是氣化爐的核心部件，垃圾需要在爐排上發(fā)生熱解氣化反應(yīng)，由于垃圾成分復(fù)雜、物性差異較大，爐排通常在高溫、高壓、易磨損、易腐蝕的環(huán)境下工作，特別是高溫對(duì)金屬材料的影響較大，多旋轉(zhuǎn)內(nèi)部水冷爐排有效解決了高溫對(duì)爐排的影響，大大延長(zhǎng)了爐排的使用壽命。

多點(diǎn)多角度進(jìn)氣結(jié)構(gòu)[9]可改善氣化爐內(nèi)的流場(chǎng)分布、湍流強(qiáng)度及湍流動(dòng)能分布，以使有機(jī)固廢顆粒濃度分布均勻且停留時(shí)間長(zhǎng)，增加有機(jī)固廢顆粒與氣體分子之間的碰撞頻率，提高垃圾的碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率。

爐內(nèi)霧化噴淋結(jié)構(gòu)可改善垃圾顆粒的吸熱性能，提高上升燃?xì)馀c干燥區(qū)垃圾顆粒的傳熱效率，大幅降低燃?xì)鉁囟?，促使燃?xì)庵械闹刭|(zhì)及部分輕質(zhì)焦油組分冷凝回流，于熱解區(qū)內(nèi)進(jìn)行二次裂解。霧化噴淋尿素可降低氮氧化物含量，同時(shí)大幅降低氣化爐出口燃?xì)獾慕褂蜐舛?，還能促進(jìn)大部分焦油分子進(jìn)行二次裂解，提高垃圾的能源利用率。

煙氣急速降溫冷凝結(jié)構(gòu)可使煙氣短時(shí)間內(nèi)降低到180℃，煙氣與換熱介質(zhì)采用間接換熱的方式，避免產(chǎn)生二次污染，換熱介質(zhì)通過(guò)冷卻塔散熱，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

煙氣凈化結(jié)構(gòu)包括活性炭吸附、布袋除塵器、脫酸塔。煙氣經(jīng)過(guò)活性炭吸附塔和布袋除塵器，可有效去除煙氣中的二噁英和重金屬，經(jīng)過(guò)脫酸塔去除煙氣中的酸性物質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)煙氣達(dá)標(biāo)排放。

2 鄉(xiāng)村分散式垃圾熱解氣化處理工程示范

利用上文中設(shè)計(jì)的熱解氣化處理工藝，選取甘肅省武威市古浪縣土門鎮(zhèn)為工程示范點(diǎn)，見(jiàn)圖4。設(shè)計(jì)額定處理量為10 t/d，選取的示范點(diǎn)符合山區(qū)農(nóng)村人口居住較為分散、道路交通不便、各地區(qū)發(fā)展不均衡等特點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量、垃圾產(chǎn)生量和檢測(cè)分析結(jié)果（見(jiàn)表2和表3）進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、安裝調(diào)試、運(yùn)行與檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，煙氣排放符合國(guó)家生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)[11]中的要求（見(jiàn)表4）；爐渣產(chǎn)生量約為原料的10%～15%，符合生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)[12]中的規(guī)定，可直接填埋處理。鄉(xiāng)村分散式垃圾熱解氣化處理系統(tǒng)工程示范具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的飛灰量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接焚燒法，降低了飛灰處理成分；

（2）未經(jīng)處理煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、粉塵低于直接燃燒法，經(jīng)過(guò)處理的煙氣可達(dá)到超低排放；

（3）系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，融合多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，且操作簡(jiǎn)單，檢修周期長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定；

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，且設(shè)備之間相對(duì)獨(dú)立，可根據(jù)實(shí)際情況轉(zhuǎn)運(yùn)地點(diǎn)；

（5）系統(tǒng)投資成本低，約為直接燃燒法的50%；運(yùn)行費(fèi)用約為直接燃燒的40%。

表2 甘肅省武威市古浪縣土門鎮(zhèn)生活垃圾熱值分析結(jié)果

表3 甘肅省武威市古浪縣土門鎮(zhèn)生活垃圾工業(yè)分析結(jié)果

表4 鄉(xiāng)村分散式生活垃圾熱解氣化處理工程煙氣在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

注：檢測(cè)方法均參照生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)（GB18485-2014）。

圖4 甘肅省武威市古浪縣土門鎮(zhèn)垃圾熱解氣化處理工程示范

3 結(jié) 論

鄉(xiāng)村分散式垃圾熱解氣化處理工程可有效解決人口較少的偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村面臨的生活垃圾無(wú)害化處理問(wèn)題，工藝流程融合多項(xiàng)專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煙氣排放NO≤ 17 mg/m3、CO ≤ 10 mg/m3、SO2≤ 6 mg/m3、HCL ≤ 3 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)?？捎行ПＵ相l(xiāng)村居民的身心健康和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，助力“美麗中國(guó)”“美麗鄉(xiāng)村”的建設(shè)。

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[11] 環(huán)境保護(hù)部, 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn): GB18485-2014[S]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版集團(tuán), 2014.

[12] 環(huán)境保護(hù)部, 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn): GB16889-2008[S]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版集團(tuán), 2008.

Demonstration of Decentralized Waste Pyrolysis and Gasification Treatment Project—the Solution of Rural Garbage

FANG Ke-jing1,2,3, XIONG Zu-hong1,2,3, LU Min1,2,3, LI Ji-qing1,2,3, LI Tao1,2,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China)

The new rural construction is carried out with the conception of ‘beautiful countryside’. China has a vast territory, most of which are mountainous and hilly areas. There are huge differences in population density. The rural population living in mountainous areas is scattered, the road traffic is inconvenient, the development of various regions is unequal. Currently, the amount of garbage in mountainous areas cannot meet the minimum amount for the construction of garbage power plant. Harmless treatment of rural garbage still faces many challenges. Considering the existing problems of rural garbage treatment, a decentralized garbage pyrolysis gasification process integrating a number of patented technologies was designed, and a demonstration project was implemented. The whole set of demonstration equipment ran stably, the flue gases emission amounts were NO≤ 17 mg/Nm3, CO ≤ 10 mg/Nm3, SO2≤ 6 mg/Nm3, HCl ≤ 3 mg/Nm3, far less than the national regulations of No.GB18485-2014. Results indicated that, the harmless disposal of rural garbage was realized, and the physical and mental health and ecological safety of residents were effectively guaranteed.

decentralized; garbage; rural; pyrolysis gasification; project demonstration

2095-560X（2021）04-0288-06

TK09；X705

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.04.004

2021-04-26

2021-05-18

中國(guó)工程院院地合作重大項(xiàng)目（2019NXZD4）

房科靖，E-mail：fangkj@ms.giec.ac.cn

房科靖（1990-），男，碩士，工程師，主要從事固廢能源化、資源化利用技術(shù)和危廢處置技術(shù)研究。

熊祖鴻（1975-），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事固廢能源化、資源化利用技術(shù)研究。