王曉偉

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)鐵路快速發(fā)展、客運(yùn)量持續(xù)增長(zhǎng)和人民生活水平的不斷提高，鐵路站車生活垃圾量和比重也在逐步上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)2015年全路產(chǎn)生50萬(wàn)噸以上的垃圾量，對(duì)運(yùn)輸安全、環(huán)境衛(wèi)生等造成壓力[1-3]。2017年3月18號(hào)國(guó)務(wù)院辦公廳頒布的《關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)國(guó)家發(fā)改委住建部生活垃圾分類制度實(shí)施方案的通知》指出，遵循垃圾減量、無(wú)害和資源化原則，在實(shí)施強(qiáng)制分類城市中回收利用率達(dá)到35%以上，其中強(qiáng)制實(shí)施的對(duì)象包括車站。因此，針對(duì)垃圾分類后的處理技術(shù)新模式(如集中式和分散式)或?qū)⒈恢匦乱?guī)劃考慮，如鼓勵(lì)餐廚垃圾就地消納處理，該政策將進(jìn)一步完善和拉動(dòng)垃圾處理整套裝備市場(chǎng)。

1 鐵路站車生活垃圾處置處理主要問題

目前，鐵路站車生活垃圾處置處理面臨的主要問題包括以下方面。

1.1 回收處理設(shè)施不足

目前，尚無(wú)儲(chǔ)備垃圾分選、減量、無(wú)害和資源化回收處理設(shè)施，如PE/PET類塑料垃圾分類分選回收設(shè)備、餐廚垃圾收集處理設(shè)施等，需每年繳納一定的垃圾處理費(fèi)和輸運(yùn)費(fèi)，政府強(qiáng)制垃圾分類的實(shí)施可能還會(huì)增收垃圾分類費(fèi)。

1.2 垃圾成分及區(qū)域存在差異

站車生活垃圾成分及區(qū)域性差異較大，鐵路站車生活垃圾基本是以可燃成分為主，如食物殘?jiān)?、塑料包裝類和紙屑等，約占90%以上，其熱值高和回收價(jià)值大。

1.3 新技術(shù)處理模式亟待推出

鐵路站車生活垃圾處理特點(diǎn)與要求尚缺乏系統(tǒng)研究，其處置技術(shù)模式的選擇仍缺乏科學(xué)依據(jù)，亟需尋找低成本、風(fēng)險(xiǎn)可控、環(huán)境可持續(xù)的處置技術(shù)模式。

目前，中小站區(qū)尤其是偏遠(yuǎn)站區(qū)，垃圾產(chǎn)生量較小且市政回收輸運(yùn)條件欠缺或輸送成本過高，需自行處理，因不允許直接填埋或露天焚燒，亟需推出新的技術(shù)處理模式，如清潔低能耗中小型分散式垃圾處理技術(shù)。

1.4 生活垃圾處置水平有待提高

《綠色鐵路客站評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)垃圾收集分類和處置處理提出了明確要求，而鐵路生活垃圾處置處理水平薄弱是目前我國(guó)鐵路建設(shè)“綠色車站”“智慧鐵路”的重要制約因素。

綜上，亟需系統(tǒng)開展站車生活垃圾特點(diǎn)與處置要求差異性研究，提出和構(gòu)建鐵路站車分散式生活垃圾處置處理技術(shù)體系，為提高鐵路垃圾處理的無(wú)害化、減量化和資源化技術(shù)水平，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，完善鐵路生活垃圾輸運(yùn)處理和綠色站車建設(shè)等提供支撐。

2 垃圾熱解氣化技術(shù)及應(yīng)用

2.1 原理與特點(diǎn)

熱解是在無(wú)氧或缺氧的條件下，受熱后分解為液體油、可燃?xì)怏w和焦炭3種產(chǎn)品[4-5]。熱解氣化技術(shù)早在19世紀(jì)初就得以應(yīng)用，在過去的10～15年時(shí)間里，熱解氣化技術(shù)已經(jīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)技術(shù)[6]。

垃圾熱解主要分為催化熱解、共熱解、慢熱解、中速熱解和快熱解[7-8]，該技術(shù)因其優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到應(yīng)用。雖然熱解過程中產(chǎn)生的焦油導(dǎo)致管路的堵塞或結(jié)焦而使設(shè)備停運(yùn)，后續(xù)的維護(hù)、清理非常復(fù)雜，但是垃圾熱解氣化技術(shù)無(wú)論在控制常規(guī)污染物還是二噁英等方面都有望達(dá)到極低水平[1]。

同時(shí)，生活垃圾經(jīng)篩選后，篩上物用于熱解，篩下物(如食品殘?jiān)?可用于堆肥，不僅提高熱解氣的品質(zhì)，而且可望真正徹底實(shí)現(xiàn)鐵路站車生活垃圾的無(wú)害化和資源化[9-10]。

2.2 生活垃圾熱解氣化影響因素

2.2.1 氣化媒介的影響

氣化媒介為空氣時(shí)，空氣當(dāng)量比(ER)是一個(gè)重要的氣化器設(shè)計(jì)參數(shù)，它是一個(gè)實(shí)際空燃比與理論空燃比之間的比值，關(guān)系為

ER(<1.0)氣化=實(shí)際空氣量/理論空氣量=ER(>1.0)燃燒

燃?xì)赓|(zhì)量與ER值有直接關(guān)系，ER值過低(<0.2)會(huì)使垃圾不能完全氣化、碳含量過高和燃?xì)鉄嶂档偷?。ER太高會(huì)使熱解氣產(chǎn)出中CO、H2再次氧化為CO2、H2O，使熱值降低。實(shí)際氣化時(shí)，ER值一般在0.2～0.3之間[10]。

對(duì)于上吸式氣化爐，低ER值可以使焦油產(chǎn)量最大化，ER值過高會(huì)使產(chǎn)氣過度氧化，出口溫度過高。

媒介量可由2個(gè)參數(shù)確定：一是計(jì)算垃圾熱解氣化理論空氣量，然后由ER值確定實(shí)際空氣量；二是根據(jù)垃圾成分分析，由S/C(硫/碳)比值確定蒸汽加入量，空氣/水蒸氣高比值可產(chǎn)生氣體H2、CO2和CH4的成分較少，高位發(fā)熱量較低，但CO含量很高[10]。因此，鐵路站車?yán)鵁峤庋b置可以采用較為經(jīng)濟(jì)的空氣蒸汽混合作為氣化媒介。

2.2.2 催化劑對(duì)熱解性能的影響

催化劑能夠根據(jù)要求有效控制熱解氣化產(chǎn)物的形成，催化熱解產(chǎn)氣的催化劑種類很多，主要以CaO和稀有金屬為主。目前，多采用實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的小型上吸式垃圾固定床水蒸氣氣化爐，研究不同CaO催化劑比例對(duì)熱解氣的組成及焦油產(chǎn)量等的影響[11-12]。納米催化劑價(jià)格昂貴，技術(shù)尚不成熟，使用鉀氧化物作為催化劑后，垃圾殘留物可能會(huì)造成土壤鹽堿化；而CaO價(jià)格低廉，并且有利于焦油的裂解。因此，CaO在垃圾熱解時(shí)運(yùn)用比較廣泛。

2.2.3 催化劑對(duì)除焦油特性的影響

焦油是一種十分復(fù)雜的混合物，現(xiàn)在已測(cè)量出的就有幾百種物質(zhì)[13]，包括酚、酮、醛、酸、芳香族化合物等，其成分隨著物料種類、反應(yīng)條件變化而變化[14]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了兩段式分部氣化，將物料熱解和氣化分開進(jìn)行，可以保證焦油的充分裂解[15-16]，其中上吸式固定床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱效率高，但焦油產(chǎn)量大，熱解過程中焦油會(huì)諸塞管道、過濾器。

有多種去除焦油的辦法[17]，如機(jī)械法、熱分解法、催化裂解法及等離子體法等，其中催化裂解法是去除效率最高、經(jīng)濟(jì)性最好的方法[10]。白云石成本低，是目前應(yīng)用最普遍的催化劑[18-19]。

2.2.4 垃圾含水率的影響

垃圾含水率對(duì)富氫化和熱解效果等有不同程度的影響。水蒸氣對(duì)垃圾熱解特性的影響及特定熱解工況下垃圾最佳含水率的確定，對(duì)垃圾熱解工藝的簡(jiǎn)化和能源消耗的減少具有重要意義[10]。

適當(dāng)?shù)暮蕦?duì)垃圾的富氫化有促進(jìn)作用。目前部分垃圾氣化工藝中，為增加氣態(tài)產(chǎn)物量而對(duì)干燥后的垃圾再次通入水蒸氣的方法，不但使設(shè)備復(fù)雜化，還造成了能源浪費(fèi)。因此，將具有一定含水率的垃圾直接用于熱解氣化更為合適。高含水率條件下熱解產(chǎn)氫量明顯高于干污泥熱解產(chǎn)氫量[20]，高溫使所含水分蒸發(fā)變?yōu)樗魵?，并參與水汽重整、水煤氣反應(yīng)及半焦氣化，從而使氣態(tài)產(chǎn)物及氣態(tài)產(chǎn)物中的氫氣比例相較于干生物質(zhì)熱解高[21-22]。

2.3 生活垃圾熱解氣化中污染物的控制

新型的垃圾焚燒技術(shù)污染較小。Babushok V I等[23]指出，當(dāng)燃燒工況良好情況下，氣相反應(yīng)生成的二英會(huì)大大減少。煤所產(chǎn)生的SO2能夠抑制二英的形成，當(dāng)SO2存在時(shí)，SO2與Cl2、水分反應(yīng)生成HCl，從而減少氯化作用，進(jìn)而抑制二英的生成。

Liu W J等[25]研究了電子產(chǎn)品與生物質(zhì)(鋸屑)混合后再添加入溴化阻燃劑熱解產(chǎn)油的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)單獨(dú)熱解時(shí)，焦油產(chǎn)量分別是53.1%和46.3%，而混合熱解后產(chǎn)油為62.3%。熱解油中含有多種芳香族混合物，塑料中的溴化物濃縮于熱解油中，后期凈化處理也很方便。

3 結(jié)論與建議

3.1 生活垃圾熱解氣化技術(shù)存在的問題

垃圾熱解氣化技術(shù)雖然具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但仍存在一些問題。

(1)熱解爐的選取仍然缺乏資料，具體尺寸，特別是針對(duì)于適合站車小型化生活垃圾的熱解氣化設(shè)備，尚未形成行業(yè)內(nèi)的設(shè)計(jì)規(guī)范，需要開展系列研究確定。

(2)未深入研究和研發(fā)適合鐵路站車生活垃圾特點(diǎn)的熱解氣化技術(shù)及其設(shè)備。缺少針對(duì)鐵路站車生活垃圾特點(diǎn)的預(yù)處理、分類和后續(xù)資源化處理技術(shù)研究。

(3)鐵路站車生活垃圾產(chǎn)量相對(duì)較低，垃圾分選裝置與選型尚不明確，需要研究確定。

(4)垃圾熱解氣化爐連續(xù)運(yùn)行尚不穩(wěn)定。由于進(jìn)料方式的原因，垃圾熱解氣化時(shí)容易偏燒；此外，氣化爐高溫氣固分離技術(shù)不完善，熱解氣化爐氯腐蝕現(xiàn)象可能會(huì)較為嚴(yán)重。

3.2 鐵路站車生活垃圾熱解技術(shù)研究應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)

(1)從頂層設(shè)計(jì)層面，應(yīng)針對(duì)性提出適合鐵路站車生活垃圾可自消納的綜合處理新技術(shù)模式，開展垃圾無(wú)害化、減量化和資源化關(guān)鍵技術(shù)深化系統(tǒng)研究，以有利于后續(xù)研發(fā)清潔能源和高值低環(huán)境污染的熱解氣化處理成套裝備，實(shí)現(xiàn)資源化技術(shù)與裝備的統(tǒng)一，形成鐵路生活垃圾中小型綜合處理技術(shù)方案和成套工藝體系。

(2)加強(qiáng)鐵路站車生活垃圾分選管理與預(yù)處理技術(shù)。我國(guó)鐵路站車生活垃圾含有多種組分、形態(tài)存在差異，需要在熱解氣化工序前進(jìn)行預(yù)處理，將可燃垃圾進(jìn)行分離，并改善其顆粒大小、均勻性和流動(dòng)性，提高后續(xù)熱解氣化的速率和效率、改善輸送性和攪拌性能。

(3)構(gòu)建處理規(guī)模小、運(yùn)行操作簡(jiǎn)便、投資省的鐵路站車生活垃圾高值化成套熱解氣化技術(shù)與中小型處理裝備。針對(duì)站車生活垃圾多種組分和含水率高的特點(diǎn)，研發(fā)推廣特定爐型床體的垃圾熱解氣化工藝。通過垃圾預(yù)處理技術(shù)、高效熱解技術(shù)、氣化過程污染控制技術(shù)及焦油處置技術(shù)等，形成適用于鐵路站車?yán)鴼饣幚淼募杉夹g(shù)及設(shè)計(jì)方法。