鄉(xiāng)村生活垃圾熱解氣化處理的工藝研究與裝備開發(fā)

周偉春

摘要：為就地?zé)o害化處理偏遠鄉(xiāng)村的生活垃圾，提出一種熱解氣化處理生活垃圾的工藝路線;并基于此工藝路線進行了裝備開發(fā)。重點闡述了裝備的主要結(jié)構(gòu)、參數(shù)及性能。結(jié)果表明：該工藝路線及裝備開發(fā)具有處理量適合、排放達標(biāo)、投資較小、操作簡單的技術(shù)特點，滿足偏遠鄉(xiāng)村經(jīng)濟環(huán)保處理生活垃圾的應(yīng)用需求。相比集中處理偏遠鄉(xiāng)村生活垃圾的模式，可以節(jié)約轉(zhuǎn)運成本、避免二次污染，為我國農(nóng)村生活垃圾的處理提供了參考。

關(guān)鍵詞：生活垃圾;熱解氣化;工藝;裝備

中圖分類號：X705

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492 f 2022）02-0162-04

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展，鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化水平不斷提高，一方面農(nóng)村居民的生活垃圾產(chǎn)生量隨之增加。2019年我國農(nóng)村生活垃圾已達2.99億噸[1]，且以每年8%-10%的速度增長[2]。另一方面，農(nóng)村生活理念的巨大變化造成了垃圾成分日趨復(fù)雜，部分垃圾無法白然降解，處理難度也隨之大大增加。

十九大以來，我國提出的美麗鄉(xiāng)（村）鎮(zhèn)建設(shè)六大內(nèi)容之一的生態(tài)環(huán)境建設(shè)量化指標(biāo)做出明確要求，規(guī)定鄉(xiāng)（村）鎮(zhèn)垃圾無害化處理率須達80%以上[3]。目前，我國農(nóng)村生活垃圾正在大力推行“村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運、縣處理”的治理模式，無害化處理率大大提高。但我國領(lǐng)土遼闊，丘陵占國土面積67%[4]，農(nóng)村居住人口分散，這種集中治理模式對于運距較長、道路不便的偏遠村鎮(zhèn)存在著轉(zhuǎn)運成本過高，轉(zhuǎn)運過程易造成二次污染等實際問題[5]。因此，做為集中處理模式的有效補充，相對規(guī)模較小、環(huán)保達標(biāo)、投資較低、操作簡單的生活垃圾就地?zé)o害化處理裝備在農(nóng)村市場受到了廣泛關(guān)注和積極推廣。為解決此實際問題，本文提出并說明了一種熱解氣化處理生活垃圾的工藝路線，重點介紹了基于此工藝路線的裝備開發(fā)。

1 工藝路線

通過對處理核心技術(shù)的實地調(diào)研與充分比較，確定鄉(xiāng)村生活垃圾熱解氣化的工藝路線如圖1所示。具體為：垃圾分選一粉碎一熱解氣化處理一消石灰壓縮注入煙氣一脫酸一催化型金屬濾筒過濾一除塵一噴氨與煙氣混合一脫硝一一氧化碳催化處理一引風(fēng)機一煙囪排放。

1.1 熱解氣化工藝

生活垃圾熱解氣化是指將其中的有機物在無氧或缺氧條件下加熱分解的過程。該過程是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，包括大分子鍵的斷裂，異構(gòu)化和小分子的聚合等反應(yīng)，最后生成各種較小的分子[6]。在相同熱解環(huán)境溫度下，不同物質(zhì)其熱重分析、熱重導(dǎo)數(shù)各不相同，垃圾中有機成分在還原氣氛下與氣化劑（氧氣、二氧化碳、水蒸氣等）反應(yīng)生成可燃?xì)怏w（氫氣、一氧化碳、甲烷、非甲烷烴類等）、焦油和灰渣[7-10]。通過部分燃燒反應(yīng)焚毀掉焦油和固態(tài)碳放熱，在常壓或負(fù)壓情況下，使垃圾中有機物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，剩下不能燃燒分解的灰渣通過排渣口排出。熱解氣化過程發(fā)生的反應(yīng)主要包括：C+O2→CO2; C+H2O→CO+H2; 2C+O2→2CO; C+2H2→CH4;CH4+H2O→ CO+3H2。

1.2 煙氣處理工藝

采用“前端削減+過程抑制+末端處理”的煙氣控制技術(shù)。垃圾入爐前，通過初步分選減少塑料、紡織物等垃圾成份入爐處理;垃圾熱解過程中，采用限氧控溫技術(shù)使熱解處理溫度保持在240-300℃，從源頭有效遏制二嗯英等的產(chǎn)生[10]，大大減少末端處理的投入以達到環(huán)保低耗的目的。煙氣排放前，采用“干法脫酸+金屬濾筒過濾+脫硝+一氧化碳催化”相結(jié)合的末端處理工藝，嚴(yán)格控制硫化物、氮氧化物、二嗯英、粉塵等有毒有害物質(zhì)排放。

1.2.1 干法脫酸工藝

工藝路線采用干法脫酸技術(shù)[11]，在完全干燥無水的條件下完成，不產(chǎn)生廢水和排放“白煙”的現(xiàn)象，減少了末端處理的投入。工藝采用消石灰做為脫酸堿劑，脫酸的具體過程為：脫酸堿劑進入堿劑儲倉后，通過壓縮空氣將一定粒徑（500-600目）的消石灰粉體注入煙道中，與煙氣中SOx、HCl、HF反應(yīng)生成CaS03或CaS04、CaCl2、CaF2等固態(tài)粉狀形態(tài)的酸式鹽。反應(yīng)后的酸式鹽在后續(xù)工藝中被金屬濾筒過濾裝置有效過濾，防止其在煙道或管道內(nèi)結(jié)垢堵塞。主要反應(yīng)過程如下：Ca（ OH ）2+2HCI→ CaCl2+2H 2O;Ca（ OH ）2+SO 2→CaSO3+2H 2O;Ca（ OH ）2+2HF→ CaF2+2H2O。

1.2.2 脫硝工藝

工藝采用20%濃度的氨水（尿素溶液）作為還原劑，使其在煙道內(nèi)與煙氣充分混合，煙氣中的NOXx與NH3發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成N2和H20完成煙氣脫硝[12]。主要反應(yīng)為：2CO（ NH2 ）2+4NO+O2→4N2+2CO2+4H2O;4NH3+4NO+O2→4N2 +6H2O。

2 裝備開發(fā)

基于以上工藝路線，本生活垃圾熱解氣化處理裝備主要由下列幾部分組成：粉碎裝置、上料裝置、熱解氣化裝置、煙氣處理系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等。裝備整體外形示意如圖2所示。其中，粉碎裝置由破碎機及輔助機構(gòu)組成，處理后的垃圾顆粒度小于或等于300 mmx100 mm，以便熱解充分。上料裝置主要由傳送帶或抓斗、進料機構(gòu)組成。根據(jù)項目實際情況，利用傳送帶或抓斗將垃圾轉(zhuǎn)入送料斗，再由液壓油缸驅(qū)動推鏟將垃圾送入到爐膛內(nèi)部，有效避免垃圾進料不勻現(xiàn)象，提高熱解效率。在進料斗的末端設(shè)有隔擋門，防止?fàn)t膛內(nèi)的火勢及煙氣回流。以下重點介紹熱解氣化裝置、煙氣處理系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)。

2.1 熱解氣化裝置

熱解氣化裝置是本套裝備的核心部分。其主要由爐膛、吊籃機構(gòu)、攪動機構(gòu)、排渣機構(gòu)、出渣箱、觀察門、供氣系統(tǒng)、操作平臺等組成，整體外形如圖3-4所示。垃圾熱解過程在爐膛中完成，爐膛容積及尺寸根據(jù)裝備的額定處理能力確定。爐膛內(nèi)壁襯有耐火蓄熱材料;中壁襯隔熱物料，這樣既維持了爐膛內(nèi)熱解溫度的穩(wěn)定，又起到隔熱的作用以保證爐體外壁不會過熱，減少熱能損失。爐膛設(shè)有上觀察門做為自動監(jiān)控系統(tǒng)的補充，可通過此觀察門人為應(yīng)急察看爐膛內(nèi)垃圾的處理狀況，以便調(diào)整作業(yè);下觀察門則主要用于察看爐渣狀況并方便排渣鏈板的檢修。爐膛周壁設(shè)置有測溫及調(diào)節(jié)元件，其與智能控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)配合作業(yè)，可根據(jù)爐膛內(nèi)的溫度高低，自動調(diào)節(jié)供氣系統(tǒng)，進而維持爐膛內(nèi)垃圾的熱解溫度保持在240-300℃。爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。其內(nèi)部采用自主專利的吊籃結(jié)構(gòu)[13]設(shè)計，并由攪動電機驅(qū)動攪動機構(gòu)按設(shè)定程序?qū)t膛內(nèi)的垃圾進行有規(guī)律地攪動，既讓垃圾受熱均勻以提升熱解處理效率，同時確保爐渣下掉通暢。熱解處理后的爐渣自行掉落至排渣鏈板上，隨排渣鏈板的運行被收集至出渣箱，并由螺旋機構(gòu)排出。爐渣需定期收集轉(zhuǎn)運，可就近填埋處理，亦可資源化利用于苗木栽植、制磚及鋪路等。

2.2 煙氣處理系統(tǒng)

煙氣處理系統(tǒng)主要由脫硫裝置、催化型金屬過濾裝置、脫硝裝置、一氧化碳催化裝置、引風(fēng)及排放裝置等組成。煙氣從熱解氣化爐膛的煙氣出口引出，溫度為240-300℃，無需冷卻。熱解過程中產(chǎn)生的煙氣首先通過脫硫裝置，利用壓縮空氣將500-600目的消石灰粉體注人煙氣，通過系列反應(yīng)完成煙氣的脫酸處理形成固態(tài)粉狀形態(tài)的酸性鹽。脫酸后的煙氣連同粉塵、酸性鹽等一起進入催化型金屬過濾裝置過濾，以有效去除煙氣中的粉塵、二嗯英和重金屬。金屬過濾裝置裝置是本煙氣處理系統(tǒng)的技術(shù)核心，其工作原理如圖6所示。裝置中的高溫金屬濾筒采用極精細(xì)金屬纖維絲通過無紡鋪制、真空燒結(jié)、靜壓等工藝而制成。具有抗熱震特性（不受熱脹冷縮影響）.且耐高溫、耐腐蝕、本體有剛性，不需要框架支撐。產(chǎn)品的過濾效率大于或等于99%;且過濾精度高，可實現(xiàn)5 mg/Nm3以下超凈排放。高溫金屬濾筒的主要技術(shù)參數(shù)為：（1）濾筒尺寸：機30 mmx3 000 mm;（2）濾筒材質(zhì)：316 L不銹鋼;（3）連續(xù)工作溫度：250-350℃;（4）清灰方式：自動脈沖清灰;（5）濾筒數(shù)量：50-120個（根據(jù)煙氣量確定）;（6）可用年限：5年。相比布袋除塵，此裝置既滿足環(huán)保要求，且更經(jīng)久耐用、減少危廢，運行成本大大減少。煙氣經(jīng)催化型金屬過濾裝置過濾后，利用脫硝裝置將氨水均勻噴人煙氣，按工藝流程與煙氣充分混合后通過氧化還原反應(yīng)完成脫硝處理;再經(jīng)一氧化碳催化裝置對煙氣中的CO進行有效處理后，最終由引風(fēng)機將煙氣從煙囪中達標(biāo)排放。煙氣處理系統(tǒng)運行前后的直觀效果對比如圖7所示，視覺上無煙塵，味覺上無異味。

2.3 智能控制系統(tǒng)

裝備采用智能管控一體化解決方案，系統(tǒng)應(yīng)用PLC結(jié)合人機對話控制模式，主要包括：PLC、人機對話顯示屏、變頻器、溫控及調(diào)節(jié)組件、熱功儀表等?？紤]到鄉(xiāng)村的人員配置和技能水平，本控制系統(tǒng)采用高可靠性與多功能相組合的顯示屏人機對話形式。設(shè)備運行和控制參數(shù)以對話形式在顯示屏中顯示，以模擬系統(tǒng)工藝流程和設(shè)備運行狀態(tài)。系統(tǒng)對熱解溫度、電壓、電流、供氣壓力及流量、煙氣處理系統(tǒng)自動運行、裝備故障預(yù)報等可有效監(jiān)控或自動調(diào)節(jié)，控制性能達到了智能化、可視化水平。既提高了設(shè)備的安全性，又減少了操作人員的勞動強度?？刂葡到y(tǒng)的人機對話面板如圖8所示。控制系統(tǒng)簡單直觀、可靠性高，十分適應(yīng)于鄉(xiāng)村的使用條件，夜間可無人值守運行。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

裝備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，可根據(jù)鄉(xiāng)村垃圾處理的覆蓋范圍及垃圾的實際產(chǎn)生量對裝備進行選型。綜合考慮鄉(xiāng)村的實際需求和運營成本，推薦單臺裝備的額定處理能力為5-10 t/d。

2.5 主要技術(shù)特點

此工藝路線及裝備已經(jīng)過多個項目的實際驗證。結(jié)合實際反饋，具有如下技術(shù)特點。

（1）排放環(huán)保達標(biāo)。裝備對二噁英、SOx、NOx、HCl、HF、CO、顆粒物及重金屬等有毒有害物質(zhì)進行了有效處理。經(jīng)第三方機構(gòu)檢測，二噁英類大于或等于0.013 ng-TEQ/m3、SO2，小于或等于4 mg/m3、NOy小于或等于207 mg/m3、CO小于或等于45 mg/m3、顆粒物小于或等于18.1 mg/m3等，低于國家排放限值。

（2）處理效率較高。一方面，裝備采用“吊掛式爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計”技術(shù)，成倍增加熱解層的有效過熱面積;另一方面，裝備采用限氧控溫和保溫隔熱技術(shù)，維持了爐膛內(nèi)溫度的相對穩(wěn)定;有效提升了垃圾熱解處理的效率。

（3）經(jīng)濟效益突出。項目投資規(guī)模較小，運營成本較低。垃圾就地化處理模式大大降低了運輸設(shè)備的投入及轉(zhuǎn)運成本。同時，運營過程中除首次點火借助少量外界能源外，處理過程中無需再添加輔助燃料即可持續(xù)穩(wěn)定運行，

（4）操作簡單方便。裝備設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，需要配置的運營人員很少且技能要求不高。一般民工經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可獨立上崗。裝備維護費用低，普通技術(shù)工人可日常檢修維護，符合偏遠鄉(xiāng)村的運營條件。

3 結(jié)束語

隨著鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化和生活水平的不斷提高，農(nóng)村生活垃圾的數(shù)量和種類都在逐年增加，垃圾的處理方法也需因地制宜。以上對鄉(xiāng)村垃圾熱解氣化工藝路線及基于此工藝的裝備開發(fā)做了簡介闡述。做為農(nóng)村生活垃圾集中處理模式的有力補充，該工藝及裝備滿足了鄉(xiāng)村生活垃圾就地化處理的實際需要，具有處理量適合、經(jīng)濟性突出、排放達標(biāo)、操作簡單的特點。為我國偏遠鄉(xiāng)村、旅游景點、島嶼等分散地域生活垃圾的就地?zé)o害化處理提供了一種經(jīng)濟環(huán)保的解決方案，有效助力“美麗鄉(xiāng)村”的建設(shè)。

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