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        熱解氣化工藝在農(nóng)村生活垃圾處理中的相關(guān)問題探討

        2024-06-16 06:12:29
        環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊 2024年3期
        關(guān)鍵詞:探討存在問題

        收稿日期:2023-09-10

        作者簡(jiǎn)介:包云(1980-),女,碩士研究生,高級(jí)工程師,工作于云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,從事環(huán)境保護(hù)相關(guān)研究工作。

        通信作者:高向杰(1982-),男,碩士研究生,高級(jí)工程師,工作于云南省市政工程質(zhì)量監(jiān)督站,從事市政工程相關(guān)研究工作。

        包云 陳潔 房鎮(zhèn) 魏嬌 尹滔 丁曉濤 楊黎 高向杰

        摘 要:熱解氣化工藝用于處理農(nóng)村生活垃圾,對(duì)農(nóng)村生活垃圾的減容、減量起到了巨大作用,但在工程實(shí)踐中也面臨一些如選址、無(wú)相關(guān)設(shè)計(jì)建設(shè)規(guī)范、運(yùn)行管理困難等問題。本文擬通過相關(guān)工程案例對(duì)熱解氣化工藝在農(nóng)村生活垃圾處理中存在的問題進(jìn)行探討,為類似工程提供參考和借鑒。

        關(guān)鍵詞:農(nóng)村生活垃圾;熱解氣化工藝;? 工程實(shí)踐;存在問題;? 探討

        中圖分類號(hào):X705文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1673-9655(2024)03-00-05

        0 引言

        農(nóng)村生活垃圾由于居民較為分散的原因,其處理和管理存在一定的難度。據(jù)管東興[1]等人調(diào)查顯示,我國(guó)農(nóng)村平均每天每人產(chǎn)生0.86 kg生活垃圾,依此類推“十三五”期間,我國(guó)平均每年將產(chǎn)生1.7億t左右的農(nóng)村生活垃圾,其數(shù)量巨大,如果處理處置不當(dāng),會(huì)對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興、建設(shè)宜居宜業(yè)的美麗鄉(xiāng)村造成一定影響。

        目前,國(guó)內(nèi)外主要采用填埋、堆肥、沼氣發(fā)酵、焚燒、熱解氣化、水泥窯協(xié)同處置等生活垃圾處置技術(shù),這些技術(shù)既可以單獨(dú)使用,也可以組合使用,最終都可以實(shí)現(xiàn)生活垃圾的減量化、無(wú)害化、資源化[2]。農(nóng)村生活垃圾處理方式主要有簡(jiǎn)易填埋、隨意堆積和就地焚燒等[3],其中,隨意堆積、簡(jiǎn)易填埋不僅容易滋生蚊蟲,降雨后的滲濾液會(huì)隨徑流污染地表水體、土壤;露天焚燒燃燒不充分,無(wú)煙塵收集處理環(huán)節(jié),產(chǎn)生大量的二噁英等有毒有機(jī)污染物,容易對(duì)環(huán)境造成二次污染。

        我國(guó)從“十二五”期間開始,逐步在農(nóng)村地區(qū)設(shè)置小型熱處理爐(氣化焚燒爐、焚燒爐、熱解氣化爐等)用于分散處理農(nóng)村生活垃圾,相關(guān)的工程實(shí)踐表明小型熱處理爐具備投資運(yùn)行成本較低、維護(hù)方便、減容減量化效果明顯等優(yōu)點(diǎn)[4]。雖然小型熱處理爐已在工程實(shí)踐中得到了相關(guān)應(yīng)用,但也存在一些不足。本文結(jié)合工程案例對(duì)當(dāng)前使用比較廣泛的熱解氣化工藝處理農(nóng)村生活垃圾實(shí)踐中存在的一些問題進(jìn)行探討,為后續(xù)的熱解氣化工藝處理農(nóng)村生活提供參考借鑒。

        1 熱解氣化簡(jiǎn)介

        熱解氣化法與焚燒法是兩個(gè)完全不同的過程,熱解氣化是在一個(gè)缺少氧氣或者空氣的狀態(tài)下進(jìn)行的吸熱反應(yīng),而焚燒是在氧氣充足條件進(jìn)行的放熱反應(yīng)。垃圾熱解氣化工藝主要是利用垃圾中具有熱不穩(wěn)定性的有機(jī)物,在熱解爐中無(wú)氧或缺氧狀態(tài)下加熱蒸餾有機(jī)物,使其發(fā)生裂解,冷卻后形成新的固體(灰渣),并從中提取可燃?xì)狻⑷剂嫌偷倪^程。

        熱解氣化一般為兩個(gè)過程反應(yīng)。第一反應(yīng)過程為在受熱條件下,可燃固廢首先發(fā)生一次裂解,析出揮發(fā)分、焦油和甲烷、氧氣等氣體產(chǎn)物;第二反應(yīng)過程可分為小分子物質(zhì)二次反應(yīng)和大分子二次反應(yīng),其產(chǎn)物主要是可燃低分子化合物,如固態(tài)的有焦炭和炭黑,氣態(tài)的有CO、H2、CH4,液態(tài)的有焦油、醋酸、丙酮、乙醛和甲醇等。一個(gè)完整的熱解氣化系統(tǒng)由進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)器、回收凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[2]。

        熱解氣化過程見圖1。

        根據(jù)相關(guān)研究[6-8]及工程實(shí)例,熱解氣化法處理生活垃圾的主要優(yōu)點(diǎn)有:

        (1)熱解氣化過程中可將垃圾中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可利用的焦油、可燃?xì)怏w,實(shí)現(xiàn)能量循環(huán),節(jié)約輔助燃料,經(jīng)濟(jì)性較好。

        (2)熱解氣化反應(yīng)在無(wú)氧或缺氧環(huán)境中進(jìn)行,抑制了重金屬氧化物的生成,部分金屬氧化物是有毒有機(jī)物質(zhì)形成的催化劑,從而減少了有毒有機(jī)物質(zhì)的生成和排放。同時(shí)熱解氣化條件下過量空氣系數(shù)較低,煙氣量較小,NOX、SO2、HCl 等污染物排放也較少,減少煙氣處理設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)。

        (3)垃圾在較低溫度下熱解,爐渣能固定大部分有害成分,減少了煙氣中有害成分對(duì)環(huán)境的二次污染。

        (4)占地面積小、易于選址,土建投資少。同時(shí)操作簡(jiǎn)便,普通工人可通過培訓(xùn)均能操作,維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單。

        2 熱解氣化處理農(nóng)村生活垃圾的工程案例及問題探討

        2.1 工程案例應(yīng)用

        本工程采用小型熱解氣化工藝處理云南某地農(nóng)村生活垃圾,該地生活垃圾的規(guī)模為30 t/d,設(shè)計(jì)安裝2臺(tái)熱解氣化設(shè)備,每臺(tái)的處理能力為15 t/d,

        根據(jù)廠家提供的熱解氣化設(shè)備進(jìn)行熱解站的布置,熱解站平面布置圖、設(shè)備間平面布置圖、工藝流程圖見圖2。

        從圖2可以看出,熱解站需要根據(jù)地形情況進(jìn)行布置,主要由熱解氣化設(shè)備間、回車場(chǎng)、業(yè)務(wù)樓、進(jìn)場(chǎng)道路及消防水池等部分組成?;剀噲?chǎng)的設(shè)置一方面是考慮到垃圾運(yùn)輸車運(yùn)輸垃圾的需要,同時(shí)也考慮到消防車輛進(jìn)入的需要。業(yè)務(wù)樓是考慮到熱解站工作人員工作、生活需要進(jìn)行設(shè)置。進(jìn)場(chǎng)道路是要便于垃圾運(yùn)輸車的運(yùn)輸需要進(jìn)行設(shè)置。消防水池是考慮到站區(qū)的室外消防需要進(jìn)行設(shè)置。

        從圖3熱解氣化設(shè)備間平面布置圖中可以看出,熱解氣化工藝的設(shè)備主要由垃圾熱解爐、急冷器、二燃室、脫硫脫酸塔、濕式電除塵器、循環(huán)水池、循環(huán)水泵、加藥裝置等組成,其中垃圾熱解爐是處理生活垃圾的主要部分,其半封閉性結(jié)構(gòu)主要是營(yíng)造一個(gè)缺氧或無(wú)氧的環(huán)境進(jìn)行熱解氣化,其余設(shè)備主要用來處理熱解后產(chǎn)生的污染物,使之達(dá)標(biāo)排放,針對(duì)本工程的熱解氣化設(shè)備工藝流程圖見圖4。

        從工藝流程圖可以看出,熱解氣化爐之后的急冷器、二燃室、脫硫脫酸塔、濕式電除塵器、循環(huán)水池、加藥裝置均為處理熱解爐尾氣而設(shè)置,工藝設(shè)計(jì)上較為完善,考慮較為全面。此類熱解氣化設(shè)備較前幾年使用的簡(jiǎn)易焚燒爐更為安全環(huán)保,操作較為方便,因此,在云南用于處理農(nóng)村生活垃圾有一定的市場(chǎng)占有量。

        相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)城市生活垃圾的處理方式主要以填埋為主,其次為焚燒[5],而對(duì)于農(nóng)村生活垃圾,由以前的簡(jiǎn)易丟棄到現(xiàn)在使用熱解氣化進(jìn)行處理,已得到很大改進(jìn)。但查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),熱解氣化工藝處理生活垃圾主要用于處理農(nóng)村生活垃圾,大規(guī)模用于城市生活垃圾處理的工程案例還較少,本文對(duì)熱解氣化工藝處理農(nóng)村生活垃圾在工程實(shí)踐中存在的一些問題進(jìn)行探討。

        2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的探討

        由于生活垃圾的填埋、焚燒處理在工程實(shí)踐上應(yīng)用時(shí)間久遠(yuǎn)和比較成熟,因此,這兩種處理方法不管從工程設(shè)計(jì)、工程管理、工程運(yùn)營(yíng)上,還是從尾氣控制、環(huán)境保護(hù)等方面都有較成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范及操作手冊(cè)。而生活垃圾熱解氣化工藝主要用于農(nóng)村生活垃圾處理,而且是近十年左右才開始從理論研究推廣到工程實(shí)踐,其工程設(shè)計(jì)、工程管理、工程運(yùn)營(yíng)、環(huán)境保護(hù)等方面還缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)的支撐。

        (1)在本工程案例中,熱解氣化處理農(nóng)村生活垃圾站址總圖布置采用的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是參考垃圾焚燒或垃圾填埋進(jìn)行的,要設(shè)置進(jìn)場(chǎng)道路、回車場(chǎng)、室外消防設(shè)施等,但是熱解氣化工藝與焚燒工藝原理不同,服務(wù)的對(duì)象也不同,處理的垃圾量也較?。峤鈿饣饕槍?duì)分散的農(nóng)村居民),因此,其工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該與垃圾焚燒有所區(qū)別。筆者認(rèn)為其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和等級(jí)可以降低,如果垃圾運(yùn)輸車輛為1 t左右的小型垃圾車或農(nóng)用車,進(jìn)場(chǎng)道路設(shè)置為6 m寬的道路,可以不設(shè)置回車場(chǎng),避免占地過大。進(jìn)場(chǎng)道路從節(jié)約工程投資的角度出發(fā),道路等級(jí)可以降低,采用一般的碎石路面即可。

        (2)熱解站選址一般距離居民點(diǎn)較為偏遠(yuǎn),若業(yè)務(wù)樓沒有工作人員經(jīng)常性駐扎,只作為物資堆放的空間,則業(yè)務(wù)樓可以進(jìn)行簡(jiǎn)易設(shè)置,采用輕鋼結(jié)構(gòu)或者磚混結(jié)構(gòu)即可;若距離周邊居民點(diǎn)較近(熱解站設(shè)置在居民點(diǎn)安全防護(hù)距離外),從事工作的工作人員為本村居民,那么業(yè)務(wù)樓可以不進(jìn)行設(shè)置,但是熱解站周邊的圍墻必須設(shè)置,以確保熱解站安全。同時(shí),業(yè)務(wù)樓內(nèi)部房間的除了設(shè)置辦公室、食堂、廁所外,是否要設(shè)置在線監(jiān)測(cè)間監(jiān)測(cè)尾氣的排放(目前無(wú)相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)明確熱解站的尾氣排放需要設(shè)置在線監(jiān)測(cè)設(shè)施),也是需要相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確的。

        (3)消防水池的設(shè)置需要斟酌,若熱解站的設(shè)置距離村莊較遠(yuǎn),周邊基本無(wú)居民,同時(shí)業(yè)務(wù)樓采用簡(jiǎn)易設(shè)置,無(wú)人員常駐,對(duì)消防水池補(bǔ)水比較麻煩,可以從居民點(diǎn)敷設(shè)給水管進(jìn)行補(bǔ)水(由于水壓、距離的原因,從居民點(diǎn)敷設(shè)給水管不一定能實(shí)現(xiàn)),也可以消防車?yán)ㄟ^水泵接合器進(jìn)行補(bǔ)水(距離縣城較遠(yuǎn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或村莊,不一定配備消防車,所以實(shí)現(xiàn)起來也較困難)。因此,從室外消防角度出發(fā),建議熱解站站址選擇在距離居民點(diǎn)較遠(yuǎn),人煙稀少的地方時(shí),室外消防水池可以不設(shè)置,多配備一些干粉滅火設(shè)施即可。

        熱解站面對(duì)基礎(chǔ)條件較差的廣大農(nóng)村時(shí),采用較高標(biāo)準(zhǔn)或等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的熱解站可能由于先天基礎(chǔ)條件不具備,相關(guān)設(shè)施即使配備后,在以后的運(yùn)營(yíng)中也起不到任何作用,而且還會(huì)造成工程投資浪費(fèi),因此,需要出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行明確,明確設(shè)計(jì)等級(jí)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

        2.3 環(huán)境影響探討

        生活垃圾的熱解氣化過程會(huì)產(chǎn)生氣態(tài)的一氧化碳、氫氣、甲烷及二噁英等大氣有害物質(zhì),通過本工程案例中的工藝流程圖,可以看出熱解氣化爐后面需配備相關(guān)尾氣處理設(shè)施,但濕法洗滌對(duì)二噁英的去除能力較低[9-11]。

        云南、廣西、廣東等地12座典型小型農(nóng)村生活垃圾熱處理爐煙氣中二噁英排放濃度結(jié)果表明[4],與我國(guó)現(xiàn)行的《GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》比較,僅有1座小型熱處理爐煙氣中二噁英排放濃度低于該標(biāo)準(zhǔn)要求:0.1 ngI-TEQ/Nm3,

        其余11個(gè)小型熱處理爐煙氣中二噁英排放濃度均遠(yuǎn)高于0.1 ngI-TEQ/Nm3。但該標(biāo)準(zhǔn)為焚燒工藝的污染控制標(biāo)準(zhǔn),并未規(guī)定小型熱解氣化爐污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述,對(duì)于工程應(yīng)用的小型生活垃圾熱解氣化處理爐來說,采用現(xiàn)行的

        《GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》來判別,二噁英較難達(dá)標(biāo)排放。綜合相關(guān)文獻(xiàn),分析造成的原因是由于熱解排放煙氣凈化系統(tǒng)簡(jiǎn)單,管理不善,間歇式進(jìn)料方式,運(yùn)行工況不穩(wěn)定,導(dǎo)致煙氣中二噁英排放濃度較高。

        同時(shí),根據(jù)工程實(shí)踐及相關(guān)研究[4],熱解氣化爐處理規(guī)模小,多數(shù)建設(shè)在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū),其排放煙氣中的污染物大部分未納入地方環(huán)境主管部門監(jiān)控的范圍,并且煙氣中的二噁英和重金屬監(jiān)測(cè)技術(shù)復(fù)雜、費(fèi)用較高,因此,一般在工程實(shí)踐中,管理部門對(duì)農(nóng)村生活垃圾的減量化、減容化方面的關(guān)注較多,對(duì)煙氣的達(dá)標(biāo)排放則關(guān)注較小。由于熱解運(yùn)行工況與焚燒過程有明顯的差異,運(yùn)行過程中二噁英和重金屬的排放還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[12-14]。

        通過二噁英的排放可以看出,《GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》列舉的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)不一定適合這種小型熱解氣化爐,目前針對(duì)與焚燒工藝有明顯差異的熱解氣化工藝,其各方面的專門排放標(biāo)準(zhǔn)如煙氣污染物控制標(biāo)準(zhǔn)、灰渣污染物控制標(biāo)準(zhǔn)、廢水排放標(biāo)準(zhǔn)等都未有指定,如果采用焚燒工藝的各項(xiàng)環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)來要求熱解工藝的話,既要達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),又要實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活垃圾的無(wú)害化、減量化的目標(biāo),即使可以達(dá)標(biāo),但是后期運(yùn)營(yíng)成本也會(huì)很高。因此,要合理規(guī)范有效的使用熱解氣化設(shè)備,就要加快出臺(tái)小型熱解氣化爐的相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn),降低其帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

        2.4 后期運(yùn)營(yíng)探討

        熱解設(shè)備間所配備的急冷器、二燃室、脫硫脫酸塔、濕式電除塵器、循環(huán)水池、加藥裝置等就如一個(gè)工業(yè)廠房,設(shè)備多而且有些設(shè)備比較專業(yè),不是一般人員就能操作維修的,面對(duì)農(nóng)村多數(shù)沒有通過專門培訓(xùn)的工作人員,部分農(nóng)村以前所建設(shè)的污水處理設(shè)施經(jīng)過幾年運(yùn)行后基本處于停滯狀態(tài),運(yùn)營(yíng)后沒人清掏維護(hù),設(shè)施荒蕪。

        因此,熱解氣化設(shè)備要發(fā)揮處理農(nóng)村生活垃圾減容、減量、無(wú)害化的作用,需要配備專業(yè)人員進(jìn)行管理,確保熱解設(shè)備運(yùn)行工況穩(wěn)定,這是廣大農(nóng)村面臨的一個(gè)難題。熱解氣化設(shè)備的運(yùn)行可以委托專業(yè)運(yùn)營(yíng)公司進(jìn)行管理,又會(huì)面臨專業(yè)管理公司投資回報(bào)、企業(yè)收益的問題,需要企業(yè)與政府之間進(jìn)行談判,達(dá)到兩者的平衡點(diǎn),既要保證企業(yè)的合理收益,又要完成政府公益性的工作。兩者采用的合作方式,筆者認(rèn)為可以采取目前比較流行的PPP合作方式,也可以采用政府只委托運(yùn)營(yíng)的模式進(jìn)行。

        3 結(jié)論

        處理好農(nóng)村生活垃圾問題是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興,全面建成小康社會(huì)的需要,也是改善農(nóng)村居民生活的需要。面對(duì)居民分散的農(nóng)村,小型熱解氣化爐(一般處理規(guī)模為每天幾t垃圾至20t垃圾左右)具有減容、減量、無(wú)害化處理生活垃圾的功能,同時(shí)選址較靈活、投資運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),因此,熱解氣化爐是集中焚燒發(fā)電廠(處理規(guī)模至少為300 t/d以上)的有益補(bǔ)充,是處理農(nóng)村生活垃圾的一種有效方式。

        但熱解氣化工藝用于處理生活垃圾的工程實(shí)踐時(shí)間不長(zhǎng),相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)還不完善,需要在工程實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),盡快制定符合實(shí)踐情況的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,從而提高熱解氣化工藝的實(shí)踐使用水平,真正服務(wù)好廣大農(nóng)村。

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        [14] Ruokoj A Rvi P, Aatamila M, Tuppurainen K, et al. Effect of urea on fly ash PCDD/F concentrations in different particle sizes[J]. Chemosphere, 2001, 43(4): 757-762.

        Exploration of Related Issues to Pyrolysis Gasification Process in Rural Domestic Refuse Manage

        BAO Yun1, CHEN Jie2, FANG Zhen3, WEI Jiao5, YIN Tao4, DING Xiao-tao4, YANG Li4, GAO Xiang-jie2

        (1. Yunnan Research Academy of Eco-environmental Sciences, Kunming Yunnan 650034, China)

        Abstract: The emerging pyrolysis gasification technology has been utilized for rural domestic refuse treatment, significantly reducing its volume and quantity. However, this technology faced challenges in engineering practices, such as site selection, lack of relevant design and construction standards, and difficulties in operational management. This paper explored the issues encountered in the application of pyrolysis gasification technology for rural domestic refuse treatment through relevant engineering case studies, providing references and insights for similar projects.

        Key words: rural domestic refuse; pyrolysis gasification process; engineering practices; problems; explore

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