周偉春

摘要：為就地?zé)o害化處理偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的生活垃圾，提出一種熱解氣化處理生活垃圾的工藝路線;并基于此工藝路線進(jìn)行了裝備開發(fā)。重點(diǎn)闡述了裝備的主要結(jié)構(gòu)、參數(shù)及性能。結(jié)果表明：該工藝路線及裝備開發(fā)具有處理量適合、排放達(dá)標(biāo)、投資較小、操作簡(jiǎn)單的技術(shù)特點(diǎn)，滿足偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)環(huán)保處理生活垃圾的應(yīng)用需求。相比集中處理偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村生活垃圾的模式，可以節(jié)約轉(zhuǎn)運(yùn)成本、避免二次污染，為我國(guó)農(nóng)村生活垃圾的處理提供了參考。

關(guān)鍵詞：生活垃圾;熱解氣化;工藝;裝備

中圖分類號(hào)：X705

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492 f 2022）02-0162-04

0 引言

隨著我國(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，一方面農(nóng)村居民的生活垃圾產(chǎn)生量隨之增加。2019年我國(guó)農(nóng)村生活垃圾已達(dá)2.99億噸[1]，且以每年8%-10%的速度增長(zhǎng)[2]。另一方面，農(nóng)村生活理念的巨大變化造成了垃圾成分日趨復(fù)雜，部分垃圾無(wú)法白然降解，處理難度也隨之大大增加。

十九大以來(lái)，我國(guó)提出的美麗鄉(xiāng)（村）鎮(zhèn)建設(shè)六大內(nèi)容之一的生態(tài)環(huán)境建設(shè)量化指標(biāo)做出明確要求，規(guī)定鄉(xiāng)（村）鎮(zhèn)垃圾無(wú)害化處理率須達(dá)80%以上[3]。目前，我國(guó)農(nóng)村生活垃圾正在大力推行“村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)、縣處理”的治理模式，無(wú)害化處理率大大提高。但我國(guó)領(lǐng)土遼闊，丘陵占國(guó)土面積67%[4]，農(nóng)村居住人口分散，這種集中治理模式對(duì)于運(yùn)距較長(zhǎng)、道路不便的偏遠(yuǎn)村鎮(zhèn)存在著轉(zhuǎn)運(yùn)成本過(guò)高，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程易造成二次污染等實(shí)際問(wèn)題[5]。因此，做為集中處理模式的有效補(bǔ)充，相對(duì)規(guī)模較小、環(huán)保達(dá)標(biāo)、投資較低、操作簡(jiǎn)單的生活垃圾就地?zé)o害化處理裝備在農(nóng)村市場(chǎng)受到了廣泛關(guān)注和積極推廣。為解決此實(shí)際問(wèn)題，本文提出并說(shuō)明了一種熱解氣化處理生活垃圾的工藝路線，重點(diǎn)介紹了基于此工藝路線的裝備開發(fā)。

1 工藝路線

通過(guò)對(duì)處理核心技術(shù)的實(shí)地調(diào)研與充分比較，確定鄉(xiāng)村生活垃圾熱解氣化的工藝路線如圖1所示。具體為：垃圾分選一粉碎一熱解氣化處理一消石灰壓縮注入煙氣一脫酸一催化型金屬濾筒過(guò)濾一除塵一噴氨與煙氣混合一脫硝一一氧化碳催化處理一引風(fēng)機(jī)一煙囪排放。

1.1 熱解氣化工藝

生活垃圾熱解氣化是指將其中的有機(jī)物在無(wú)氧或缺氧條件下加熱分解的過(guò)程。該過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，包括大分子鍵的斷裂，異構(gòu)化和小分子的聚合等反應(yīng)，最后生成各種較小的分子[6]。在相同熱解環(huán)境溫度下，不同物質(zhì)其熱重分析、熱重導(dǎo)數(shù)各不相同，垃圾中有機(jī)成分在還原氣氛下與氣化劑（氧氣、二氧化碳、水蒸氣等）反應(yīng)生成可燃?xì)怏w（氫氣、一氧化碳、甲烷、非甲烷烴類等）、焦油和灰渣[7-10]。通過(guò)部分燃燒反應(yīng)焚毀掉焦油和固態(tài)碳放熱，在常壓或負(fù)壓情況下，使垃圾中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，剩下不能燃燒分解的灰渣通過(guò)排渣口排出。熱解氣化過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)主要包括：C+O2→CO2; C+H2O→CO+H2; 2C+O2→2CO; C+2H2→CH4;CH4+H2O→ CO+3H2。

1.2 煙氣處理工藝

采用“前端削減+過(guò)程抑制+末端處理”的煙氣控制技術(shù)。垃圾入爐前，通過(guò)初步分選減少塑料、紡織物等垃圾成份入爐處理;垃圾熱解過(guò)程中，采用限氧控溫技術(shù)使熱解處理溫度保持在240-300℃，從源頭有效遏制二嗯英等的產(chǎn)生[10]，大大減少末端處理的投入以達(dá)到環(huán)保低耗的目的。煙氣排放前，采用“干法脫酸+金屬濾筒過(guò)濾+脫硝+一氧化碳催化”相結(jié)合的末端處理工藝，嚴(yán)格控制硫化物、氮氧化物、二嗯英、粉塵等有毒有害物質(zhì)排放。

1.2.1 干法脫酸工藝

工藝路線采用干法脫酸技術(shù)[11]，在完全干燥無(wú)水的條件下完成，不產(chǎn)生廢水和排放“白煙”的現(xiàn)象，減少了末端處理的投入。工藝采用消石灰做為脫酸堿劑，脫酸的具體過(guò)程為：脫酸堿劑進(jìn)入堿劑儲(chǔ)倉(cāng)后，通過(guò)壓縮空氣將一定粒徑（500-600目）的消石灰粉體注入煙道中，與煙氣中SOx、HCl、HF反應(yīng)生成CaS03或CaS04、CaCl2、CaF2等固態(tài)粉狀形態(tài)的酸式鹽。反應(yīng)后的酸式鹽在后續(xù)工藝中被金屬濾筒過(guò)濾裝置有效過(guò)濾，防止其在煙道或管道內(nèi)結(jié)垢堵塞。主要反應(yīng)過(guò)程如下：Ca（ OH ）2+2HCI→ CaCl2+2H 2O;Ca（ OH ）2+SO 2→CaSO3+2H 2O;Ca（ OH ）2+2HF→ CaF2+2H2O。

1.2.2 脫硝工藝

工藝采用20%濃度的氨水（尿素溶液）作為還原劑，使其在煙道內(nèi)與煙氣充分混合，煙氣中的NOXx與NH3發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成N2和H20完成煙氣脫硝[12]。主要反應(yīng)為：2CO（ NH2 ）2+4NO+O2→4N2+2CO2+4H2O;4NH3+4NO+O2→4N2 +6H2O。

2 裝備開發(fā)

基于以上工藝路線，本生活垃圾熱解氣化處理裝備主要由下列幾部分組成：粉碎裝置、上料裝置、熱解氣化裝置、煙氣處理系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等。裝備整體外形示意如圖2所示。其中，粉碎裝置由破碎機(jī)及輔助機(jī)構(gòu)組成，處理后的垃圾顆粒度小于或等于300 mmx100 mm，以便熱解充分。上料裝置主要由傳送帶或抓斗、進(jìn)料機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，利用傳送帶或抓斗將垃圾轉(zhuǎn)入送料斗，再由液壓油缸驅(qū)動(dòng)推鏟將垃圾送入到爐膛內(nèi)部，有效避免垃圾進(jìn)料不勻現(xiàn)象，提高熱解效率。在進(jìn)料斗的末端設(shè)有隔擋門，防止?fàn)t膛內(nèi)的火勢(shì)及煙氣回流。以下重點(diǎn)介紹熱解氣化裝置、煙氣處理系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)。

2.1 熱解氣化裝置

熱解氣化裝置是本套裝備的核心部分。其主要由爐膛、吊籃機(jī)構(gòu)、攪動(dòng)機(jī)構(gòu)、排渣機(jī)構(gòu)、出渣箱、觀察門、供氣系統(tǒng)、操作平臺(tái)等組成，整體外形如圖3-4所示。垃圾熱解過(guò)程在爐膛中完成，爐膛容積及尺寸根據(jù)裝備的額定處理能力確定。爐膛內(nèi)壁襯有耐火蓄熱材料;中壁襯隔熱物料，這樣既維持了爐膛內(nèi)熱解溫度的穩(wěn)定，又起到隔熱的作用以保證爐體外壁不會(huì)過(guò)熱，減少熱能損失。爐膛設(shè)有上觀察門做為自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充，可通過(guò)此觀察門人為應(yīng)急察看爐膛內(nèi)垃圾的處理狀況，以便調(diào)整作業(yè);下觀察門則主要用于察看爐渣狀況并方便排渣鏈板的檢修。爐膛周壁設(shè)置有測(cè)溫及調(diào)節(jié)元件，其與智能控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)配合作業(yè)，可根據(jù)爐膛內(nèi)的溫度高低，自動(dòng)調(diào)節(jié)供氣系統(tǒng)，進(jìn)而維持爐膛內(nèi)垃圾的熱解溫度保持在240-300℃。爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。其內(nèi)部采用自主專利的吊籃結(jié)構(gòu)[13]設(shè)計(jì)，并由攪動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪動(dòng)機(jī)構(gòu)按設(shè)定程序?qū)t膛內(nèi)的垃圾進(jìn)行有規(guī)律地?cái)噭?dòng)，既讓垃圾受熱均勻以提升熱解處理效率，同時(shí)確保爐渣下掉通暢。熱解處理后的爐渣自行掉落至排渣鏈板上，隨排渣鏈板的運(yùn)行被收集至出渣箱，并由螺旋機(jī)構(gòu)排出。爐渣需定期收集轉(zhuǎn)運(yùn)，可就近填埋處理，亦可資源化利用于苗木栽植、制磚及鋪路等。

2.2 煙氣處理系統(tǒng)

煙氣處理系統(tǒng)主要由脫硫裝置、催化型金屬過(guò)濾裝置、脫硝裝置、一氧化碳催化裝置、引風(fēng)及排放裝置等組成。煙氣從熱解氣化爐膛的煙氣出口引出，溫度為240-300℃，無(wú)需冷卻。熱解過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣首先通過(guò)脫硫裝置，利用壓縮空氣將500-600目的消石灰粉體注人煙氣，通過(guò)系列反應(yīng)完成煙氣的脫酸處理形成固態(tài)粉狀形態(tài)的酸性鹽。脫酸后的煙氣連同粉塵、酸性鹽等一起進(jìn)入催化型金屬過(guò)濾裝置過(guò)濾，以有效去除煙氣中的粉塵、二嗯英和重金屬。金屬過(guò)濾裝置裝置是本煙氣處理系統(tǒng)的技術(shù)核心，其工作原理如圖6所示。裝置中的高溫金屬濾筒采用極精細(xì)金屬纖維絲通過(guò)無(wú)紡鋪制、真空燒結(jié)、靜壓等工藝而制成。具有抗熱震特性（不受熱脹冷縮影響）.且耐高溫、耐腐蝕、本體有剛性，不需要框架支撐。產(chǎn)品的過(guò)濾效率大于或等于99%;且過(guò)濾精度高，可實(shí)現(xiàn)5 mg/Nm3以下超凈排放。高溫金屬濾筒的主要技術(shù)參數(shù)為：（1）濾筒尺寸：機(jī)30 mmx3 000 mm;（2）濾筒材質(zhì)：316 L不銹鋼;（3）連續(xù)工作溫度：250-350℃;（4）清灰方式：自動(dòng)脈沖清灰;（5）濾筒數(shù)量：50-120個(gè)（根據(jù)煙氣量確定）;（6）可用年限：5年。相比布袋除塵，此裝置既滿足環(huán)保要求，且更經(jīng)久耐用、減少危廢，運(yùn)行成本大大減少。煙氣經(jīng)催化型金屬過(guò)濾裝置過(guò)濾后，利用脫硝裝置將氨水均勻噴人煙氣，按工藝流程與煙氣充分混合后通過(guò)氧化還原反應(yīng)完成脫硝處理;再經(jīng)一氧化碳催化裝置對(duì)煙氣中的CO進(jìn)行有效處理后，最終由引風(fēng)機(jī)將煙氣從煙囪中達(dá)標(biāo)排放。煙氣處理系統(tǒng)運(yùn)行前后的直觀效果對(duì)比如圖7所示，視覺(jué)上無(wú)煙塵，味覺(jué)上無(wú)異味。

2.3 智能控制系統(tǒng)

裝備采用智能管控一體化解決方案，系統(tǒng)應(yīng)用PLC結(jié)合人機(jī)對(duì)話控制模式，主要包括：PLC、人機(jī)對(duì)話顯示屏、變頻器、溫控及調(diào)節(jié)組件、熱功儀表等。考慮到鄉(xiāng)村的人員配置和技能水平，本控制系統(tǒng)采用高可靠性與多功能相組合的顯示屏人機(jī)對(duì)話形式。設(shè)備運(yùn)行和控制參數(shù)以對(duì)話形式在顯示屏中顯示，以模擬系統(tǒng)工藝流程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)對(duì)熱解溫度、電壓、電流、供氣壓力及流量、煙氣處理系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行、裝備故障預(yù)報(bào)等可有效監(jiān)控或自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制性能達(dá)到了智能化、可視化水平。既提高了設(shè)備的安全性，又減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度?？刂葡到y(tǒng)的人機(jī)對(duì)話面板如圖8所示?？刂葡到y(tǒng)簡(jiǎn)單直觀、可靠性高，十分適應(yīng)于鄉(xiāng)村的使用條件，夜間可無(wú)人值守運(yùn)行。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

裝備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，可根據(jù)鄉(xiāng)村垃圾處理的覆蓋范圍及垃圾的實(shí)際產(chǎn)生量對(duì)裝備進(jìn)行選型。綜合考慮鄉(xiāng)村的實(shí)際需求和運(yùn)營(yíng)成本，推薦單臺(tái)裝備的額定處理能力為5-10 t/d。

2.5 主要技術(shù)特點(diǎn)

此工藝路線及裝備已經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際驗(yàn)證。結(jié)合實(shí)際反饋，具有如下技術(shù)特點(diǎn)。

（1）排放環(huán)保達(dá)標(biāo)。裝備對(duì)二噁英、SOx、NOx、HCl、HF、CO、顆粒物及重金屬等有毒有害物質(zhì)進(jìn)行了有效處理。經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè)，二噁英類大于或等于0.013 ng-TEQ/m3、SO2，小于或等于4 mg/m3、NOy小于或等于207 mg/m3、CO小于或等于45 mg/m3、顆粒物小于或等于18.1 mg/m3等，低于國(guó)家排放限值。

（2）處理效率較高。一方面，裝備采用“吊掛式爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”技術(shù)，成倍增加熱解層的有效過(guò)熱面積;另一方面，裝備采用限氧控溫和保溫隔熱技術(shù)，維持了爐膛內(nèi)溫度的相對(duì)穩(wěn)定;有效提升了垃圾熱解處理的效率。

（3）經(jīng)濟(jì)效益突出。項(xiàng)目投資規(guī)模較小，運(yùn)營(yíng)成本較低。垃圾就地化處理模式大大降低了運(yùn)輸設(shè)備的投入及轉(zhuǎn)運(yùn)成本。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中除首次點(diǎn)火借助少量外界能源外，處理過(guò)程中無(wú)需再添加輔助燃料即可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，

（4）操作簡(jiǎn)單方便。裝備設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，需要配置的運(yùn)營(yíng)人員很少且技能要求不高。一般民工經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可獨(dú)立上崗。裝備維護(hù)費(fèi)用低，普通技術(shù)工人可日常檢修維護(hù)，符合偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的運(yùn)營(yíng)條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化和生活水平的不斷提高，農(nóng)村生活垃圾的數(shù)量和種類都在逐年增加，垃圾的處理方法也需因地制宜。以上對(duì)鄉(xiāng)村垃圾熱解氣化工藝路線及基于此工藝的裝備開發(fā)做了簡(jiǎn)介闡述。做為農(nóng)村生活垃圾集中處理模式的有力補(bǔ)充，該工藝及裝備滿足了鄉(xiāng)村生活垃圾就地化處理的實(shí)際需要，具有處理量適合、經(jīng)濟(jì)性突出、排放達(dá)標(biāo)、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。為我國(guó)偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村、旅游景點(diǎn)、島嶼等分散地域生活垃圾的就地?zé)o害化處理提供了一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的解決方案，有效助力“美麗鄉(xiāng)村”的建設(shè)。

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