□ 李 凱 □ 陳銀清 □ 黎 明 □ 葉 寧
1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東茂名 525000
2.高州市中亮機(jī)械制造有限公司 廣東茂名 525200
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快,居民生活中產(chǎn)生的垃圾逐年增加。據(jù)中投顧問(wèn)發(fā)布的《2018—2022年中國(guó)生活垃圾處理行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示,2016年全國(guó)生活垃圾清運(yùn)量約為21 500.5萬(wàn)t,比上年增長(zhǎng)12.3%。盡管近年來(lái)國(guó)家高度重視環(huán)境保護(hù)問(wèn)題,生活垃圾處理和污水防治工作已取得長(zhǎng)足發(fā)展,但是,在我國(guó)城市垃圾產(chǎn)量不斷增加的同時(shí),生活垃圾的分類、回收和處理能力與發(fā)展水平仍相對(duì)滯后,生活垃圾的處理技術(shù)非常薄弱。目前,生活垃圾常規(guī)的處理方法主要包括衛(wèi)生填埋法、堆肥法、焚燒法及熱裂解等。這些方法分別存在不同的缺點(diǎn):填埋處理法占用土地面積大,對(duì)環(huán)境污染大,易造成土壤板結(jié)和地下水水質(zhì)變壞,并且垃圾處置周期長(zhǎng);焚燒處理法產(chǎn)生的二 英對(duì)空氣污染嚴(yán)重,是導(dǎo)致群體事件的罪魁禍?zhǔn)?,且浪費(fèi)大量可回收利用的資源。此外,這些方法普遍存在處理成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、可資源化空間小、對(duì)環(huán)境都有不同程度污染等問(wèn)題[1-6]。
熱裂解指在無(wú)氧或低氧環(huán)境下,物質(zhì)被加熱升溫引起分子分解,產(chǎn)生焦炭、燃油和可燃?xì)怏w產(chǎn)物的過(guò)程。熱裂解技術(shù)是當(dāng)前垃圾處理研究的前沿技術(shù),也是行業(yè)研究的重點(diǎn)。
目前垃圾熱裂解多采用在特定的裂解爐中使用催化劑進(jìn)行低溫下催化裂解,垃圾量越大,需要的催化劑越多,而現(xiàn)有的催化劑一般都較為昂貴,由此使得垃圾處理成本高,不適于大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí),熱裂解設(shè)備存在進(jìn)料慢、投資大、密封性差、傳熱效率低等問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題,為確保生活垃圾得到及時(shí)、高效、無(wú)害化處置,亟需一種處理成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可大規(guī)模應(yīng)用的垃圾處理裝置[7-12]。
為滿足垃圾處理的減量化、無(wú)害化及資源化,設(shè)計(jì)出密封性高、物料受熱效果好、能連續(xù)作業(yè)且裂解產(chǎn)品能回收再利用的垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置,設(shè)計(jì)方案需滿足以下要求。
(1)熱裂解控制工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)。需保證垃圾在裂解過(guò)程中達(dá)到充分的分解,解決現(xiàn)工藝存在的進(jìn)料慢、密封性差、傳熱效率低、資源再利用率低、成本高等問(wèn)題。
(2)資源回收利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)供熱系統(tǒng)、氣液分離回收系統(tǒng)、油水分離回收系統(tǒng)、炭渣系統(tǒng)。生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)氣體回收供熱,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力能源自給自足,不產(chǎn)生新生有害物,無(wú)廢氣、廢液、廢物等排放污染物。
(3)密封設(shè)計(jì)。確保在高溫狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生自燃。整體生產(chǎn)過(guò)程必須保證垃圾在高溫裂解中不會(huì)與空氣接觸,進(jìn)而避免發(fā)生燃燒。
(4)智能控制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)安裝垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置自動(dòng)化操作系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)備,對(duì)設(shè)備的原料流量、主機(jī)速度、物料溫度、氣體流量、混合油流速及所需溫度進(jìn)行控制,對(duì)整機(jī)溫度、氣體濃度、混合油溫度等設(shè)置安全報(bào)警,達(dá)到全面的智能自動(dòng)管理。
傳統(tǒng)垃圾熱裂解處理工藝流程為:原料干燥→粉碎→快速熱裂解反應(yīng)→分離炭和灰→液體收集。這一工藝存在進(jìn)料慢、密封性差、傳熱效率低、資源再利用率低、成本高等問(wèn)題。
為了更好地解決以上問(wèn)題,根據(jù)反應(yīng)溫度和加熱速度的不同,對(duì)熱裂解垃圾處理工藝進(jìn)行創(chuàng)新,設(shè)計(jì)新工藝,工藝流程如圖1所示。
(1)粗碎。將垃圾送入第一粉碎機(jī)中粉碎處理,分揀出石頭、磚塊及泥沙等無(wú)機(jī)物。
(2)磁選。使用除鐵器或磁選機(jī)去除磁性金屬。
(3)篩分。使用篩分裝置對(duì)經(jīng)磁選處理的垃圾進(jìn)行篩分,去除密度大的沙子、泥土及石粒。
(4)細(xì)碎。將經(jīng)篩分處理的垃圾送入第二粉碎機(jī)中再次粉碎。
▲圖1 新工藝流程
(5)脫水。城市生活產(chǎn)生的垃圾水分比重較大,通過(guò)壓榨方式去除垃圾中的大部分水分。
(6)干燥。在進(jìn)入下一道工序前需先干燥,以免水分影響垃圾的預(yù)熱及裂解。將脫水后的垃圾送入干燥機(jī)進(jìn)行處理,得到有機(jī)垃圾料。
(7)預(yù)熱處理。將有機(jī)垃圾料送入垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置密封、貧氧的預(yù)熱段中,在250~450℃的溫度下滅菌并部分分解。在250~450℃的溫度下,有機(jī)垃圾料中的含鹵物質(zhì)完全分解,并消滅所有的細(xì)菌,從而實(shí)現(xiàn)分解有害物質(zhì)、殺菌消毒的目的。
(8)高溫裂解。將經(jīng)預(yù)熱處理的有機(jī)垃圾料送入垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置密封、貧氧、高溫的裂解段中,在900~1 100℃的溫度下完全裂解,得到混合氣體、焦油及焦炭。
新工藝設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,得到的可燃?xì)怏w回收用做熱裂解能源,產(chǎn)物焦炭、焦油可收集再用,創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)利益,充分達(dá)到垃圾的資源化、無(wú)害化及減量化的要求,實(shí)現(xiàn)垃圾處理的零排放及垃圾處理產(chǎn)物再利用的效益最大化。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置整機(jī)由驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)料裝置、預(yù)熱段、裂解段、降溫段及回收裝置等組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置連續(xù)進(jìn)料驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力部分設(shè)計(jì)有四套驅(qū)動(dòng)電機(jī)。垃圾由上料輸送機(jī)送至進(jìn)料斗,再通過(guò)進(jìn)料螺桿送至預(yù)熱段爐體。進(jìn)料螺桿的驅(qū)動(dòng)選用帶減速箱的星形異步電動(dòng)機(jī),其結(jié)構(gòu)如圖3所示。進(jìn)料螺桿驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、傳動(dòng)鏈短,因而傳動(dòng)效率高,維修安裝方便。雖然可調(diào)速范圍小,但可通過(guò)增加變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速,實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速[13]。
預(yù)熱段、裂解段、降溫段的送料螺桿直接貫穿爐體內(nèi)部,便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)送料,由電機(jī)通過(guò)皮帶輪將動(dòng)力傳至減速箱。送料螺桿驅(qū)動(dòng)裝置可調(diào)速范圍廣,可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)減速器箱體,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,制造成本高,驅(qū)動(dòng)裝置可保證每天24 h連續(xù)運(yùn)行。送料螺桿設(shè)計(jì)有聯(lián)軸器、耐高溫軸承、氣體離合器等。
裂解裝置包括預(yù)熱段、裂解段、降溫段等,具體有密封裝置、耐高溫抽風(fēng)裝置、實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置、設(shè)備外圍附屬能源回收裝置及能源再利用裝置。
預(yù)熱段、裂解段的爐體結(jié)構(gòu)均采用耐熱鋼制作,設(shè)置耐熱層和保溫層結(jié)構(gòu)。預(yù)熱段內(nèi)的送料螺桿轉(zhuǎn)速低、送料慢,中溫?zé)崃呀猱a(chǎn)生可燃?xì)怏w和混合油。裂解段內(nèi)的送料螺桿轉(zhuǎn)速加快50%,并設(shè)定至最高溫度,加快流速,保證裂解炭的形成和流出。
▲圖2 垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置結(jié)構(gòu)
預(yù)熱段機(jī)體結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置耐高溫抽風(fēng)裝置,鋪設(shè)保溫氣體管道,抽取裂解中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w,設(shè)計(jì)可控溫度的氣體燃燒室,通過(guò)智能電子控溫系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒溫度,另備有安全合格的氣體儲(chǔ)備罐收集多余氣體。
裂解段的裂解過(guò)程中將產(chǎn)生高溫狀態(tài)下的霧狀化混合油,因此設(shè)置了油類收集器,專門收集產(chǎn)生的混合油。在混合油管道中加裝熱風(fēng)裝置,確保油類可在管道流動(dòng),不會(huì)產(chǎn)生凝結(jié),輸送到油類收集器。
預(yù)熱段、裂解段的爐體內(nèi)均設(shè)置有一層防漏氣密封裝置,外面再設(shè)置一層防漏油裝置,裝配完后,機(jī)外整體加裝不銹鋼板密封,最后泄漏出來(lái)的氣體及煙霧在不銹鋼殼體里經(jīng)強(qiáng)力抽風(fēng)送至燃燒室,在高溫中燃燒掉。
設(shè)計(jì)垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置自動(dòng)化操作系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)備,對(duì)設(shè)備的原料流量、主機(jī)速度、物料溫度、氣體流量、混合油流速所需溫度進(jìn)行控制,對(duì)整機(jī)溫度、氣體濃度、混合油溫度等進(jìn)行安全報(bào)警,達(dá)到全面的智能自動(dòng)化管理。
供熱系統(tǒng)由燃燒室、裂解殘?jiān)瓦M(jìn)裝置、可燃?xì)怏w及烴油送進(jìn)裝置、爐渣輸出裝置等組成。垃圾熱裂解處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w、多種成分混合油、爐渣及裂解炭等。氣體通過(guò)回收氣體轉(zhuǎn)換器循環(huán)至燃燒室進(jìn)行燃燒,作為本裂解裝置熱裂解過(guò)程中所需加溫?zé)崃康闹饕獊?lái)源?;旌嫌吞崛『髤R集到回收裝置。爐渣經(jīng)提煉后和裂解炭用作制磚原料。
▲圖3 進(jìn)料螺桿結(jié)構(gòu)
垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置能實(shí)現(xiàn)生活垃圾處理規(guī)?;⑦B續(xù)化、減量化、無(wú)害化及資源化,實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放。裝置設(shè)有熱能循環(huán)利用系統(tǒng),耗能少,無(wú)需外加輔助能源。垃圾在入爐前基本不需要分選,運(yùn)作成本低,1 t垃圾處理費(fèi)用低于40元。裝置適應(yīng)性強(qiáng),日處理能力可在100~500 t的范圍內(nèi)選擇。裝置占地面積小,1 t處理能力建設(shè)用地為40~50 m2。這一裝置已在多家企業(yè)推廣應(yīng)用,效果良好。
垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置具有如下特點(diǎn)。
(1)裂解工藝合理、簡(jiǎn)單。采用低溫段及高溫段裂解方法,得到的可燃?xì)怏w回收用作熱裂解能源。產(chǎn)物焦炭、焦油可收集再利用,創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)效益,充分達(dá)到垃圾的資源化、無(wú)害化及減量化要求,實(shí)現(xiàn)垃圾處理的零排放,以及垃圾處理產(chǎn)物再利用的效益最大化。
(2)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。裝置設(shè)計(jì)為三段——預(yù)熱段、裂解段和降溫段,主機(jī)載體材料采用高溫耐熱鋼,螺桿支撐部件均用進(jìn)口高溫軸承,裂解爐采用三重密封結(jié)構(gòu),主體安裝完畢后,用不銹鋼板在外圍進(jìn)行密封,杜絕氣體的泄漏,保溫、密封效果好。
(3)設(shè)計(jì)熱能循環(huán)利用系統(tǒng)。系統(tǒng)采用燃燒機(jī)提供熱能,垃圾熱裂解分解得到的氣體、裂解殘?jiān)厥蘸笤偃紵?,為熱裂解提供熱能。同時(shí),垃圾熱裂解分解得到的裂解炭和爐渣可用作制磚的原料。