方少曼,李 娟,文 琛
(深圳市環(huán)境科學(xué)研究院,廣東 深圳 518001)
近年來,中國一些主要城市的生活垃圾產(chǎn)生率一直在增加,而且有200多個城市被垃圾所包圍。我國大中城市年產(chǎn)垃圾1億t以上,絕大部分堆積在城郊,未經(jīng)處理,垃圾堆存量逾70多億t,侵占土地面積達(dá)5億m2[1]。生活垃圾不僅僅是一種廢棄物,垃圾里的有機(jī)物質(zhì)也是一種主要的可再生資源。垃圾的處理不僅是一個重要的環(huán)境問題,同樣也是資源再利用的問題。
目前,我國的城市生活垃圾處理處置技術(shù)最常用的是衛(wèi)生填埋和露天堆放,占總處理量的79.2%,其次是堆肥化,占總處理量的18.8%,少量的采用焚燒技術(shù),約占總處理量的2%[2]。在垃圾處理的這些方法中,填埋處置操作簡單、適應(yīng)性廣,但浪費土地資源,而且存在潛在的二次污染;堆肥處理周期長,處理量小,產(chǎn)品難銷。焚燒技術(shù)有其顯著的減量減容特點及熱能回收利用的優(yōu)勢,但焚燒過程中會產(chǎn)生大量的酸性氣體、重金屬和二噁英等。而垃圾熱裂解氣化處理方法可以杜絕二噁英類物質(zhì)的產(chǎn)生,并且具有減容量大、無害化徹底、資源化充分、二次污染小等特點,正日益受到關(guān)注和重視[3~4]。
城市垃圾熱解是在無氧或缺氧條件下,利用熱能使其成分發(fā)生化合鍵斷裂、異構(gòu)化和小分子聚合等反應(yīng),由大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子燃料氣、焦油和焦炭。對于含有高熱值可燃物的垃圾(如廢紙、塑料及其他有機(jī)物)可采用熱解方法進(jìn)行處理。熱解產(chǎn)生的燃?xì)獬手行?,在無氧或低氧條件,可以杜絕二噁英類物質(zhì)的產(chǎn)生。熱解過程如下。
裂解技術(shù)用于手工業(yè)已有很長的歷史,木材和煤的干餾、重油裂解生產(chǎn)各種燃料油等早為人們所知。但將裂解技術(shù)應(yīng)用到固體廢棄物制造燃料,還是近幾十年的事,并被認(rèn)為是一種很有前途的垃圾處理方式。
W.K.Buah[5]等在固定床中裂解由城市生活垃圾制備的垃圾衍生燃料(RDF),在400~700℃裂解,氣體產(chǎn)品高位熱值(HHV)達(dá)5.1~16.7MJ/Nm3,裂解油熱值和輕質(zhì)燃油接近;S.Galvagno[6]等研究了廢舊輪胎在其它參數(shù)不變、裂解溫度在550~680℃之間變化時裂解產(chǎn)物的變化規(guī)律。結(jié)果表明,在研究范圍內(nèi),溫度對揮發(fā)物總產(chǎn)量影響不大,但對揮發(fā)分形態(tài)的比率影響較大;M.N.Islam[7]等研究了利用生物質(zhì)燃燒供熱的外加熱式固定床裂解城市生活垃圾(碎輪胎、廢塑料和廢紙)的工藝,主要產(chǎn)物為裂解油,實驗采用數(shù)種檢測方法表征裂解油的燃料特性如粘度、pH值、閃點、傾點和高位熱值,其性能類似于石油衍生產(chǎn)品,主要是烷烴、烯烴和芳香烴,裂解油未檢測到氮氯元素,可以用作碳?xì)淙剂稀?/p>
國內(nèi)許多學(xué)者對城市生活垃圾裂解也進(jìn)行了大量的研究。包向軍[8]等利用自行開發(fā)的蓄熱式燃燒技術(shù),提出一種新型垃圾處理技術(shù);多室蓄熱式垃圾裂解工藝,其特點是采用間壁式加熱設(shè)備裂解垃圾,可以產(chǎn)生高熱值的裂解氣;宋玉銀[9]等利用回轉(zhuǎn)窯研究了城市垃圾裂解產(chǎn)氣規(guī)律,有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)80%以上,轉(zhuǎn)爐在600℃時工況最佳,所產(chǎn)燃?xì)獾臒嶂狄话愣荚?3800kJ/Nm3以上,可以作為民用和工業(yè)用燃料。
城市生活垃圾氣化是將垃圾中有機(jī)成分在還原氣氛下與氣化劑(空氣、O2、水蒸氣等)反應(yīng)生成燃?xì)猓℉2、CO、CH4等)焦油和灰渣的過程。通過部分燃燒反應(yīng)放熱或外加熱提供氣化所需的熱量,在常壓或加壓情況下,使垃圾中有機(jī)物轉(zhuǎn)化成燃?xì)?,剩下的焦油和灰渣排出。上面所講的垃圾熱解技術(shù)是垃圾氣化技術(shù)的一種特殊情況,即不存在氣化劑的條件下所進(jìn)行的垃圾處理。
氣化過程主要發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)[11~13]:
以上反應(yīng)均為可逆反應(yīng),氣體產(chǎn)物中可燃組分(CO、H2、CH4)的含量取決于反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物的濃度。通常情況下,C與O2的放熱反應(yīng)提供生活垃圾氣化過程所需的能量。
城市生活垃圾氣化采用的技術(shù)路線種類繁多,可從不同的角度對其進(jìn)行分類[12]。按照氣化劑種類的不同可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣-氧氣混合氣化和水蒸氣-空氣混合氣化、氫氣氣化等;根據(jù)采用的氣化反應(yīng)器的不同又可分為固定床氣化、流化床氣化和旋轉(zhuǎn)床氣化等;根據(jù)供熱方式的不同可分為直接加熱法和間接加熱法;另外,還可以根據(jù)氣化規(guī)模的大小、氣化反應(yīng)壓力的不同對氣化技術(shù)進(jìn)行分類。
城市生活垃圾氣化技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)70年代,當(dāng)時的目的是為了解決世界性石油危機(jī),希望找到新的能替代石油的能源。但由于成本高昂,故停滯了研究和開發(fā)。隨著當(dāng)前化石能源逐漸的枯竭,尋找新的能源途徑再次受到關(guān)注。
T.H.Kwak[13]等基于 Thermoselect工藝,于1200℃溫度下,以3t/d的中試規(guī)模處理能力空氣氣化城市生活垃圾,產(chǎn)生的合成氣熱值為8.0~10.2MJ/Nm3,其中CO和 H2濃度可分別達(dá)到27%~40%和36%~40%,由于高溫和急冷卻處理,氣相和液相中二噁英和呋喃等多氯化合物被有效去除,濃度僅僅為0.03ng-TE/Nm3,遠(yuǎn)低于韓國排放標(biāo)準(zhǔn)0.1ng~TE/Nm3。熊祖鴻[14]等進(jìn)行了以空氣為氣化劑的下吸式氣化爐處理城市生活垃圾的研究。實驗結(jié)果表明,在750~900℃條件下進(jìn)行氣化,效果最佳,所得的可燃?xì)怏w熱值為4600kJ/kg,燃?xì)饨褂秃繛?.0g/m3,其中CO和H2濃度可分別達(dá)到9%~12%和14%~18%。吳家正、聞望[15,16]等對城市垃圾流化床氣化制氣進(jìn)行了小實驗階段的研究,并對上海市生活垃圾氣化處理法綜合利用的前景進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,提出了將垃圾中的有機(jī)物制氣和無機(jī)物制磚的方法。
目前國內(nèi)對垃圾的熱解研究主要采用內(nèi)熱式熱解氣化,由于內(nèi)熱式熱解氣化過程中大量空氣進(jìn)入爐內(nèi),和垃圾焚燒一樣容易產(chǎn)生二噁英污染。同時,其熱解燃?xì)庵泻械獨夂虲O2,其燃?xì)鉄嶂档?,利用的局限性大。另一方面垃圾熱解是強吸熱反?yīng),需要外加熱源對垃圾進(jìn)行加熱,如采用煤加熱,則易產(chǎn)生二次污染污染;采用電和煤氣加熱,則成本較高。所以,生活垃圾外熱式熱解的外加熱源是難題。
對此,筆者開發(fā)了一套基于城市生活垃圾的生物質(zhì)粉體燃燒的外熱式生活垃圾熱解氣化一體系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了生物質(zhì)粉體為燃料,采用外加熱的方式提供氣化過程所需的熱量,并選用水蒸氣作為氣化劑,生物質(zhì)粉體燃燒室爐膛溫度可控制在1100℃左右,氣化所得的可燃?xì)怏w熱值為13MJ/Nm3左右。
該生物質(zhì)粉體供熱城市生活垃圾外熱式熱解工藝包括生活垃圾預(yù)處理系統(tǒng)、生物質(zhì)粉體直接燃燒供熱系統(tǒng)、熱解裝置、熱解氣體凈化系統(tǒng)以及殘留碳“水煤氣”化系統(tǒng)等5個部分。其工藝流程圖見圖1。
圖1 生物質(zhì)粉體供熱城市生活垃圾外熱式熱解氣化新工藝流程
城市垃圾經(jīng)過初選和破碎,從物料入口進(jìn)入預(yù)熱干燥室,在干燥室中依靠從燃燒室上升的煙氣余熱直接加熱干燥,并在振動電機(jī)的作用下向下運動。預(yù)熱干燥后的垃圾由物料推進(jìn)器橫向推入垃圾熱解室,與生物質(zhì)粉體燃燒室產(chǎn)生的高溫進(jìn)行氣-固熱交換,其熱量以間接換熱的形式加熱生活垃圾,熱解室中垃圾的最高溫度可升高至1100℃,而大部分垃圾在700~800℃時能絕氧熱分解,余熱煙氣通過煙氣總上升管進(jìn)入垃圾預(yù)熱室,垃圾受熱蒸發(fā)的水分從煙氣出口排出。垃圾在熱解室中受熱分解后產(chǎn)生的可燃?xì)怏w從熱解室上部引出,進(jìn)入旋風(fēng)除塵器,經(jīng)過除塵凈化后的熱解氣進(jìn)入冷卻器,在冷卻器中得到冷卻和凈化并與冷凝液分離。經(jīng)過除塵和冷卻凈化后的燃?xì)庾鳛槿剂舷蛳到y(tǒng)外輸出。
焦油和污水可以采用萃取分離,焦油可以制作原料油或作為化工原料。熱解結(jié)束后,垃圾熱解殘留物由推進(jìn)器向熱解室下部推進(jìn),與熱解室底部上升的水蒸氣在高溫下發(fā)生“水煤氣”化反應(yīng)生成CO和氫氣,剩下的不能分解的無機(jī)物質(zhì)(爐渣)從爐渣出口排入到水封槽。
該系統(tǒng)在穩(wěn)定運行的條件下,燃燒室爐膛溫度可控制在1100℃左右,煙氣列管內(nèi)的溫度達(dá)850~950℃。當(dāng)煙氣列管溫度為950℃時,通水蒸氣氣化所得的可燃?xì)怏w組分為:H236.98%、CO 27.37%、CO220.78%、CH49.94%、其它4.93%,熱值為11.31MJ/Nm3。
(1)系統(tǒng)供熱采用生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù),解決了垃圾外熱式熱解外加熱源的難題,可以減少對煤或電等常規(guī)能源的依賴,向外多供煤氣,增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。
(2)熱解過程中沒有O2的參與,煙氣中不含二噁英類物質(zhì)。使用水蒸氣為氣化劑,生成的燃?xì)庵胁缓瑏碓从诳諝獾牡獨?,燃?xì)鉄嶂蹈?,而且能與熱解殘留下來的固定碳進(jìn)一步反應(yīng)生成CO和氫氣,提高垃圾熱解氣化率。
(3)熱解氣采用管殼式水冷冷卻器間接冷卻,能大幅度減少廢水的產(chǎn)生量,也有利于焦油的分離提取,有利于系統(tǒng)的后續(xù)處理。
垃圾熱解處理是垃圾氣化處理的一種特殊的情況,在無氧或絕氧、不存在氣化劑的環(huán)境下對垃圾進(jìn)行熱處理。城市生活垃圾的熱解氣化是新型的垃圾處理技術(shù),它具有高效的能源利用率和良好的環(huán)保特性。結(jié)合垃圾熱解氣化技術(shù),并利用生物質(zhì)粉體外熱式垃圾熱解氣化,所獲得的可燃?xì)怏w具有較高的熱值。此工藝可以對垃圾進(jìn)行穩(wěn)定化無害化處理和資源化利用,有著廣闊的發(fā)展前景。
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