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垃圾處理方式隨著技術(shù)的更新和發(fā)展逐漸優(yōu)化，從一開始的填埋，到生物質(zhì)利用，再到現(xiàn)在減量化效果最好的焚燒，每一步的技術(shù)更新都引領(lǐng)著行業(yè)的發(fā)展方向。和垃圾焚燒一樣，能做到真正3R原則的處理方式，是垃圾熱解法。但據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)垃圾主要以填埋、焚燒和堆肥為主。填埋是目前的主要處理方式，占比近一半，焚燒占12%左右，堆肥不到10%，仍有30%的生活垃圾未能處理。那么為什么和垃圾焚燒一樣能達(dá)到3R原則的垃圾熱解技術(shù)卻沒能占得市場先機(jī)呢?我們先來了解什么是垃圾熱解技術(shù)。

最新的城市村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣化技術(shù)

定義及作用原理

熱解法和焚燒法是兩個完全不同的過程。焚燒是一個放熱過程，而熱解需要吸收大量熱量。焚燒的主要產(chǎn)物是二氧化碳和水，而熱解的主要產(chǎn)物是可燃的低分子化合物：氣態(tài)的氫氣、甲烷、一氧化碳;液態(tài)的甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有機(jī)物及焦油、溶劑油等。固態(tài)的主要是焦炭和炭黑。

熱解法是利用垃圾中有機(jī)物的熱不穩(wěn)定性，在無氧或缺氧條件下對其進(jìn)行加熱蒸餾，使有機(jī)物產(chǎn)生裂解，經(jīng)冷凝后形成各種新的氣體、液體和固體，從中提取燃料油、可燃?xì)獾倪^程。熱解產(chǎn)率取決于原料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理形態(tài)和熱解的溫度與速度。

熱分解過程由于供熱方式、產(chǎn)品形態(tài)、熱解爐結(jié)構(gòu)等方面的不同，熱解方式各異。

按熱解溫度不同，1000ºC以上稱為高溫?zé)峤猓?00 -700ºC稱為中溫?zé)峤猓?00ºC以下稱為低溫?zé)峤狻?/p>

最新的城市村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣化技術(shù)

按供熱方式不同，分為直接加熱法和間接加熱法。直接加熱法指垃圾部分直接燃燒，或向熱解反應(yīng)器提供空氣、富氧或純氧作為補(bǔ)充燃料。純氧作催化劑會產(chǎn)生CO2、H2O等氣體，其混在熱解可燃?xì)庵�，稀釋了可燃�(xì)猓瑫�降低熱解氣的熱效�?yīng)。采用空氣作催化劑則含大量N2，更稀釋了可燃?xì)�，使熱解可燃�(xì)獾臒嶂荡蟠蠼档�。以美國城市垃圾實驗�?shù)據(jù)為例，用空氣作催化劑其熱值一般在5500KJ/m3左右，而采用純氧一般在11000KJ/m3左右。間解加熱法可利用干墻式導(dǎo)熱或一種中間介質(zhì)來做傳熱。產(chǎn)熱值可達(dá)18630 KJ/m3，相當(dāng)于用空氣作氧化劑的直接加熱法產(chǎn)生熱值的三倍多，完全可當(dāng)成燃?xì)庵苯永�用�?/p>

與直接焚燒法相比，垃圾熱解有以下優(yōu)點：

（１）在熱解過程中廢棄物的有機(jī)物成分能轉(zhuǎn)化成可利用能量形式，其經(jīng)濟(jì)性更好;熱解產(chǎn)生的燃?xì)庖暺錈嶂档母叩涂芍苯尤紵�或和其它高熱值燃料混合燃燒，反�?yīng)過程產(chǎn)生焦油視其性質(zhì)可制成燃料或提取化工原料。

（２）熱解焚燒系統(tǒng)的二次污染小，可簡化污染控制問題，對環(huán)境更加安全;熱解法產(chǎn)生的煙氣量比直接焚燒法少，特別是煙氣中重金屬、二惡英類等污染物的含量較少，有利于煙氣的凈化，降低了二次污染物的排放水平，因而是一種安全的垃圾處理方法。

工藝組成

熱解工藝主要包括移動床熱解、流化床熱解、旋轉(zhuǎn)床熱解等。其中移動床熱解技術(shù)代表的系統(tǒng)有新日鐵系統(tǒng)、Purox系統(tǒng)和Torrax系統(tǒng)，流化床代表系統(tǒng)是荏原-工技院及月島機(jī)械分別開發(fā)的雙塔循環(huán)流化床系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)床熱解則是由北京神霧集團(tuán)研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的熱解工藝。

移動床熱解

最新的城市村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣化技術(shù)   新日鐵系統(tǒng)工藝流程圖

新日鐵系統(tǒng)Nippon Steel

該系統(tǒng)是將熱解和熔融一體化的設(shè)備，通過控制爐溫和供氧條件，使垃圾在同一爐體內(nèi)完成干燥、熱解、燃燒和熔融。干燥段溫度約為300℃，熱解段溫度為300～1000℃，熔融段溫度為1700～1800℃，可燃燒性氣體熱值6276-10460 kJ/m3。投料口采用雙重密封閥結(jié)構(gòu)，可燃性氣體導(dǎo)入二燃室進(jìn)一步燃燒.并利用尾氣的余熱發(fā)電�；以�中殘存的熱解固相產(chǎn)物——炭黑與從爐下部通入的空氣在燃燒區(qū)發(fā)生燃燒反應(yīng)，通過添加焦炭來補(bǔ)充碳源。

Purox系統(tǒng)

又稱為U.C.C.純氧高溫?zé)岱纸夥�，由Union Carbide 公司開發(fā)的。采用豎式熱解爐，破碎后的垃圾從塔頂投料口進(jìn)入.依靠垃圾的自重在由上向下移動的過程中，完成垃圾的干燥和熱解。底部燃燒溫度：1650℃。

該系統(tǒng)主要的能量消耗是垃圾破碎過程和1t垃圾熱解需要的0.2t氧氣的制造過程。該系統(tǒng)每處理1kg垃圾可以產(chǎn)生熱值為11168kJ/m3的可燃性氣體0.712m3，該氣體以90%的效率在鍋爐中燃燒回收熱量，系統(tǒng)總體的熱效率為58%。

最新的城市村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣化技術(shù)         Purox系統(tǒng)工藝流程圖

Torrax系統(tǒng)

由氣化爐、二燃室、一次空氣預(yù)熱器、熱回收系統(tǒng)和尾氣凈化系統(tǒng)構(gòu)成。垃圾不經(jīng)預(yù)處理直接投入豎式氣化爐中。垃圾干燥和熱解所需的熱量由爐底部通入的預(yù)熱至1000℃的空氣和炭黑燃燒提供。二次燃燒室溫度1400℃，出口氣體溫度1150～1250℃。

垃圾熱值的大約35%用于助燃空氣的加熱和設(shè)施所需電力的供應(yīng)，提供給余熱鍋爐的熱量達(dá)57%，即相當(dāng)于垃圾熱值的大約37%作為蒸汽得到回收。

最新的城市村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣化技術(shù)       Torrax系統(tǒng)工藝流程圖

 

兩種移動床技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

移動床熱解爐一般為豎式的桶裝或柱狀，為了達(dá)到良好的傳熱效果，防止出現(xiàn)垃圾受熱不均，難以完成反應(yīng)的情況，其爐體設(shè)計不能過大，因此只能進(jìn)行小規(guī)模處理，單爐規(guī)模一般小于400噸/天。移動床主要依靠垃圾自身重力完成移動，由于我國垃圾不分選，垃圾組分復(fù)雜，粒度不均，在移動中容易架橋、堵塞，另外移動床容易產(chǎn)生結(jié)焦問題，這些都導(dǎo)致移動床很難實現(xiàn)長時間的連續(xù)運行，停爐檢修頻繁。

流化床熱解

雙塔循環(huán)式流動床熱解工藝

該工藝由荏原-工技院及月島機(jī)械分別開發(fā)。二者共同點都是將熱分解及燃燒反應(yīng)分開在兩個塔中進(jìn)行。裝置由熱解器和燃燒器組成。

雙塔循環(huán)式流動床熱解工藝的優(yōu)點是燃燒的廢氣不進(jìn)入產(chǎn)品氣體中，因此可得高熱值燃料氣(1.67×104~1.88×104kJ/m3);在燃燒爐內(nèi)熱媒體向上流動，可防止熱媒體結(jié)塊;因炭燃燒需要的空氣量少，向外排出廢氣少;在硫化床內(nèi)溫度均一，可以避免局部過熱;由于燃燒溫度低，產(chǎn)生的NOx少，特別適合于處理熱塑性塑料含量高的垃圾的熱解;可以防止結(jié)塊。

雙塔循環(huán)式流動床熱解工藝流程圖

旋轉(zhuǎn)床熱解

北京神霧集團(tuán)歷時5年的專項攻關(guān)，今年在垃圾熱解技術(shù)上取得重大突破。神霧熱解處理新工藝系統(tǒng)主要包括預(yù)處理系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)、流化床氣化系統(tǒng)、油氣分離凈化系統(tǒng)、尾氣凈化系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等。該技術(shù)采用絕氧熱解原理，即上文所說的間接加熱法，無氧氣存在，從原理上阻止了二噁英的產(chǎn)生。

按照每天200噸處理規(guī)模計算，利用神霧集團(tuán)的蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解技術(shù)，每年可從垃圾中提取燃?xì)?49萬標(biāo)立，其熱值高于4500kcal/Nm3，提取燃油584t，熱值高于5000 kcal/kg，最終剩余的無機(jī)物殘渣熱灼減率低于1%，實現(xiàn)了垃圾的資源高效利用。

技術(shù)應(yīng)用

目前垃圾熱解氣化技術(shù)和應(yīng)用主要集中在日本和北美。2007年4月，日本建成了新日鐵最大的垃圾熱解氣化廠(Shin Moji Plant)，總處理量達(dá)到720t/d。

日本Shin Moji Plant

加拿大Enerkem公司承建的埃德蒙頓(Edmonton)垃圾熱解氣化廠于2014年6月4日運行，總投資約1億美元，能把60%的生活垃圾轉(zhuǎn)換成生物燃料和低分子化合物，每年處理量為10萬噸，則日處理量約為274t/d，產(chǎn)生生物燃料3800萬升，每年為本地區(qū)創(chuàng)造6500萬美元的經(jīng)濟(jì)價值。以本項目計算，其噸投資將近$40萬/d，幾乎比國內(nèi)垃圾焚燒投資多了一個美元符號。經(jīng)濟(jì)性問題應(yīng)該是熱解氣化項目在國內(nèi)難以開花的最重要原因。

加拿大埃德蒙頓垃圾熱解氣化廠

2015年5月，中國核建、中稷瑞威和綠潔泰能聯(lián)合推出的第五代垃圾熱解氣化發(fā)電技術(shù)。此技術(shù)每100噸垃圾處理僅需占用10畝地，相較于焚燒垃圾處理技術(shù)和垃圾生物填埋處理技術(shù)節(jié)約土地50%-200%。每噸垃圾發(fā)電量350度左右，相較于其他垃圾發(fā)電技術(shù)發(fā)電效率提高50%左右。

2016年1月22日，河北省廊坊市霸州市昌隆新能源有限公司的6萬t/a的垃圾熱解處理項目建成投產(chǎn)。該公司采用了北京神霧集團(tuán)二十余項專利成果自主知識產(chǎn)權(quán)集成的“生活垃圾熱解技術(shù)”處理垃圾。

霸州市垃圾熱解項目

國外垃圾熱解氣化公司技術(shù)及應(yīng)用表

從表中可以看出新日鐵公司的固定床直接熱解法應(yīng)用實例最多，相關(guān)處理廠達(dá)到了33個。

目前，垃圾熱解氣化技術(shù)應(yīng)用還處于起步階段，世界上已建成的工廠數(shù)量僅約120個左右。

回顧垃圾處理行業(yè)的發(fā)展可以看出，整個行業(yè)經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。第一階段，是垃圾填埋時期，這是最原始，相對最簡單的垃圾處理方式。第二階段為，好氧堆肥、厭氧消化的發(fā)展。 前幾年厭氧消化因垃圾成分問題、技術(shù)引進(jìn)不適應(yīng)問題、處理規(guī)模小等問題，困擾、制約著行業(yè)發(fā)展，但現(xiàn)在隨著國內(nèi)技術(shù)研究的一步步深入和餐廚垃圾市場的關(guān)注，生物質(zhì)利用方面逐漸發(fā)展起來。第三階段，完全資源化、減量化階段，即國際上常說的WTE waste to energy 階段。雖然目前的垃圾熱解氣化技術(shù)還有很多的不足，比如投資額高，運行不穩(wěn)定，尾渣處理有一定難度等，但就行業(yè)發(fā)展而言，垃圾焚燒、垃圾熱解和氣化是最好的3R原則體現(xiàn)方式，因此必定是行業(yè)發(fā)展方向。