馬明生， 李興杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

0 引言

目前，機(jī)械爐排爐垃圾焚燒是世界各國普遍采用的生活垃圾處理技術(shù)。生活垃圾焚燒存在能量轉(zhuǎn)化率低(13%～24%)，鍋爐腐蝕嚴(yán)重和管束結(jié)焦的問題。并且生活垃圾組成復(fù)雜，焚燒過程中會產(chǎn)生大量有害氣體(SOx、HCl、HF及NOx)、CO2溫室氣體及揮發(fā)性有機(jī)物(多環(huán)芳烴(PAH)、多氯聯(lián)苯類(PCBs)及多氯代二惡英類物質(zhì))。

采用熱解技術(shù)處置生活垃圾可以有效解決換熱器腐蝕、結(jié)焦以及有害氣體產(chǎn)生的問題[1]。熱解處理規(guī)?？尚⌒突?，適用于小城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村生活垃圾處理[2]。熱解過程中，反應(yīng)器內(nèi)為高溫還原性氣氛，可有效降低PCDD/F和NOx形成、焦油氣化成小分子化合物，從根本上解決結(jié)焦問題。熱解產(chǎn)出的氣體大部分為可燃性氣體，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)爐窯加熱、蒸汽發(fā)電及內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，亦可作為原料制取合成天然氣[3]。

歐洲和日本在熱解工藝和裝備開發(fā)方面起步早，開發(fā)出了多種類型熱解工藝，并實施了工程化應(yīng)用。但熱解工藝相對于焚燒工藝原料適應(yīng)性差，對原料的含水率、無機(jī)物含量要求相對苛刻。本文敘述了生活垃圾熱解工藝的原理和反應(yīng)器的工作原理，并就幾種熱解工藝進(jìn)行了對比。

1 工藝原理

1.1 反應(yīng)機(jī)理

熱解過程的基本原理是有機(jī)物質(zhì)在加熱過程中分解成固體碳、液體和氣體以及水。反應(yīng)機(jī)理如下：

CxHyOz+Q→固體碳+液態(tài)燃料+合成氣+水

(1)

式(1)中的Q是熱解過程消耗的熱能，表示為：

Q=Q1+Q2+Q3

(2)

其中：Q1為物料的蒸發(fā)熱，Q1=W×2 260 kJ/kg，W為物料的含水率。

Q2為熱解耗熱，表示為：

(3)

式(3)中，Cp,m、Cp,ch、Cp,v分別表示原料中干基物料、固體碳及揮發(fā)份的比熱容， J/(kg-1·℃)；mM、mch及mp,v分別表示干基物料、固體碳及揮發(fā)份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。式中前三項為物料加熱和熱解過程所需熱量，Qp為熱解過程的反應(yīng)熱， J/kg。通常采用差示掃描熱分析(DSC)或差熱分析(DTA)測試并分析熱解過程所需熱能。

Q3為熱解反應(yīng)器熱損失，J/kg。

1.2 生活垃圾熱解工藝條件

生活垃圾組成復(fù)雜，由廢紙、廢紡織物、園林廢物、餐廚垃圾、廢塑料及少量金屬、玻璃等多種廢物組成。 其中廢紙、廢紡織物、廢塑料和園林垃圾等物料由于熱值高能夠在熱解過程中轉(zhuǎn)化為燃料。餐廚垃圾含有大量水分，會增加熱解過程能耗，因此應(yīng)采取相應(yīng)措施降低熱解原料中餐廚垃圾含量[1]。

生活垃圾熱解過程中，原料一般不經(jīng)預(yù)熱直接裝入反應(yīng)器中，經(jīng)過逐步加熱后達(dá)到預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行熱解。根據(jù)反應(yīng)器所能提供的工藝條件，加熱速率可表示為：

其中：HR為加熱速率，℃/s；ΔT為反應(yīng)器內(nèi)壁與物料溫度差，℃；α為反應(yīng)器內(nèi)熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；m為單位反應(yīng)器壁面上物料質(zhì)量，kg/m2；cp為物料的比熱容，J/(kg·℃)。

由式(4)可知，熱解過程中物料的加熱速率主要由反應(yīng)器類型所決定的。

大量試驗研究表明，生活垃圾熱解溫度范圍一般選取在300～900 ℃之間，其中在500～550 ℃范圍內(nèi)熱解產(chǎn)物主要為液態(tài)燃料，溫度高于700 ℃條件下熱解產(chǎn)物主要為可燃?xì)?。由于生活垃圾組成復(fù)雜，熱解過程中會產(chǎn)出多種大分子及小分子化合物，其中焦油和蠟質(zhì)產(chǎn)物影響熱解產(chǎn)物的品質(zhì)；提高熱解溫度或延長保溫時間，能夠促進(jìn)這類物質(zhì)分解為小分子化合物，進(jìn)而提高產(chǎn)物品質(zhì)?？紤]到能耗這一重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此需根據(jù)設(shè)定的熱解產(chǎn)物組成選取適當(dāng)?shù)臒峤鉁囟燃氨貢r間工藝參數(shù)。

2 熱解反應(yīng)器

目前，已開發(fā)的熱解反應(yīng)器有回轉(zhuǎn)窯式、流化床式、轉(zhuǎn)鼓式、移動床式四類，其中回轉(zhuǎn)窯式反應(yīng)器及轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器已應(yīng)用于工程實踐；流化床反應(yīng)器及移動床式反應(yīng)器尚處于實驗室研究階段。

德國是最早開展生活垃圾熱解工藝開發(fā)的國家， 1983年在Burgau-Unterkn?ringen建成RWE-ConTherm工藝示范生產(chǎn)線。近30年來，世界各國相繼開發(fā)了多種生活垃圾熱解技術(shù)，并有多個技術(shù)實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，但從目前生活垃圾處置技術(shù)市場占有率來看，熱解技術(shù)仍處于孵育期，尚未大范圍應(yīng)用。

熱解工藝系統(tǒng)由熱解裝置、可燃?xì)馊紵龘Q熱裝置和蒸汽發(fā)電裝置組成。一般來說，商業(yè)應(yīng)用的熱解工藝系統(tǒng)由原料預(yù)處理、熱解裝置、熱解產(chǎn)物處理裝置及煙氣處理等子系統(tǒng)組成。

3 熱解工藝

3.1 EDDITh工藝

EDDITh工藝，由法國Thide Enviroment S.A.公司和法國石油研究所聯(lián)合開發(fā)，采用熱空氣干躁物料—外熱回轉(zhuǎn)窯熱解—可燃?xì)馊紵羝l(fā)電技術(shù)處理生活垃圾，工藝流程如圖1所示。

圖1 EDDITh工藝流程

生活垃圾經(jīng)干燥后含水率控制在10%左右；干燥物料經(jīng)注塞泵推入熱解爐，在450～550 ℃條件下熱解產(chǎn)出可燃?xì)夂凸腆w碳。生產(chǎn)實踐表明，1EDDITh工藝流程t生活垃圾經(jīng)過熱解后可產(chǎn)出400 kg可燃?xì)?熱值為12 MJ/kg)和240 kg固體碳(熱值為16 MJ/kg)。產(chǎn)出的可燃?xì)獠糠钟糜跓峤鉅t加熱，部分與固體碳經(jīng)燃燒后發(fā)電。該工藝已投入工業(yè)化應(yīng)用，其中代表性工程2003年建于法國Arras，年處理生活垃圾5萬t。

3.2 熱解- 粉煤燃燒聯(lián)合工藝

上個世紀(jì)80年代開始，德國著手開發(fā)生活垃圾熱解- 粉煤燃燒焚燒發(fā)電聯(lián)合處理工藝，采用熱解手段處理生活垃圾產(chǎn)出可燃?xì)饧敖固?，可燃物單?dú)焚燒或作為燃煤鍋爐燃料焚燒后通過蒸汽輪機(jī)發(fā)電。代表性工藝為PYROPLEQ和ConTherm工藝。

PYROPLEQ工藝由法國TECHNIP工程公司開發(fā)。該工藝采用外熱式回轉(zhuǎn)窯作為熱解裝置處理生活垃圾，熱解溫度為450～500 ℃。熱解產(chǎn)出的可燃?xì)庾鳛槿剂辖?jīng)燃燒后產(chǎn)生溫度1 200 ℃的熱煙氣，部分熱煙氣作為熱源加熱回轉(zhuǎn)窯，部分煙氣經(jīng)過余熱鍋爐換熱后進(jìn)行蒸汽發(fā)電。該工藝可處理生活垃圾、廢塑料、焦化廢渣及市政污泥等固體廢物，在奧地利、德國、意大利、韓國及瑞士已商業(yè)化應(yīng)用。

ConTherm工藝由德國RWE Energie AG公司開發(fā)，生活垃圾和廢塑料分別破碎后混合作為原料，在回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行熱解處理。熱處理制度為原料在500～500 ℃溫度段停留1 h。熱解可燃?xì)馑腿肴济哄仩t燃燒，蒸汽輪機(jī)發(fā)電；收塵獲取的焦粉作為原料配入粉煤中噴入燃煤鍋爐燃燒。熱解渣經(jīng)過篩分及分選回收有價金屬。該工藝應(yīng)用于德國Hamm電廠，處理規(guī)模為10萬t混合生活垃圾。

圖2 ConTherm工藝流程

3.3 SIEMENS Schwel-Brenn工藝

SIMENS Schwel-Brenn工藝由生活垃圾熱解碳化、可燃物燃燒和蒸汽發(fā)電三個工序組成。工藝流程如圖3所示。

圖3 SIEMENS Schwel-Brenn工藝流程

固廢物料由螺旋給料器送入外熱式熱解裝置，熱解裝置由內(nèi)部可轉(zhuǎn)動腔體和外部固定腔體組成，由熱風(fēng)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉃闊峤庋b置提供熱源。物料在450 ℃缺氧條件下完成干燥和熱解全過程，熱解產(chǎn)物為可燃?xì)?、焦炭和爐渣。爐渣經(jīng)過水淬后篩分處理，粗顆粒渣后續(xù)分選回收金屬和非金屬物料，細(xì)顆粒產(chǎn)物主要為含碳固體(>30%)。熱解產(chǎn)出的可燃?xì)夂凸腆w含碳物料在燃燒爐內(nèi)混合燃燒，熱煙氣溫度為1 300 ℃(空氣過剩系數(shù)為1.2～1.3)，熱煙氣經(jīng)余熱鍋爐熱交換產(chǎn)出蒸汽并發(fā)電。根據(jù)測算，采用該工藝處理1 t生活垃圾可以產(chǎn)出550 kWh電能。

該工藝處理規(guī)模為200 kg/h的試驗場于1988在德國Ulm-Wiblingen建成。1997年德國Furth建成了首條處理規(guī)模為10萬t/a的示范工廠。日本三井造船株式會社在該工藝基礎(chǔ)上開發(fā)了三井R21工藝，并從1994年開始先后在橫濱、八女和國分建設(shè)了年處理8萬t、7萬t和7萬t的生活垃圾熱解生產(chǎn)線，運(yùn)行至今。

3.4 我國生活垃圾熱解技術(shù)現(xiàn)狀

我國生活垃圾處理先后經(jīng)歷了無序填埋、集中填埋、潔凈焚燒三個階段，其中潔凈焚燒技術(shù)是近20年來才開始逐漸發(fā)展起來[4]。上世紀(jì)80年代，我國農(nóng)業(yè)固廢處理領(lǐng)域開始了農(nóng)村廢物熱解技術(shù)研究，但尚無應(yīng)用的報道。近年來，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)開展了大量實驗研究工作，對生活垃圾、污泥等城市固廢和秸稈、廢木材等農(nóng)村固廢熱解機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，但只停留于實驗室規(guī)模和放大實驗規(guī)模，尚無商業(yè)應(yīng)用的報道[5]。

相對于早在上世紀(jì)90年代已建成生活垃圾熱解工業(yè)裝置并運(yùn)行的歐洲及日本，我國在此領(lǐng)域起步晚，且商業(yè)運(yùn)行難度大，有報道稱北京神霧集團(tuán)在北京昌平建設(shè)了50 t的中試試驗工廠，在河北霸州建設(shè)的200 t規(guī)模的示范樣板工程現(xiàn)處于試運(yùn)行階段。

我國生活垃圾熱解技術(shù)發(fā)展緩慢，落地難的原因，筆者認(rèn)為有如下幾個方面：

(1)生活垃圾熱值低，在我國城市生活垃圾屬于多組成的混合垃圾，有機(jī)質(zhì)含量低，無機(jī)物(水、無機(jī)鹽)含量高[6]，采用熱解手段很難實現(xiàn)熱平衡，而且由于垃圾組成不穩(wěn)定，產(chǎn)出的熱解氣熱值不穩(wěn)定且可燃?xì)饨M成波動大。

(2)熱解工藝系統(tǒng)較機(jī)械爐排焚燒系統(tǒng)復(fù)雜，熱解產(chǎn)物為可燃性氣體，存在諸多安全隱患，需要結(jié)合區(qū)域生活垃圾組成特點，在摸索并掌握工藝參數(shù)基礎(chǔ)上才能有效開展工業(yè)應(yīng)用[7]。

4 結(jié)論

(1)熱解技術(shù)由于采用隔絕氧氣外加熱方式處理生活垃圾，可大幅度降低有害氣體(NOx、SOx、PCDDs、VOCs)的產(chǎn)生。

(2)熱解裝置有回轉(zhuǎn)窯式、流化床式、固定床式三種類型，回轉(zhuǎn)窯是目前唯一應(yīng)用于工程實踐的裝置，其他兩類主要應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域。

(3)歐洲及日本在上世紀(jì)80年代開始生活垃圾熱解工藝及系統(tǒng)裝置的研究工作，開發(fā)了多種工藝方案并應(yīng)用于工程實踐。我國在此領(lǐng)域起步晚。