日本垃圾氣化處理技術探討

楊俊波，李 軍，蘇明舟，丁振亮

(中國天楹股份有限公司上海分公司，上海 200235)

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日本垃圾氣化處理技術探討

楊俊波，李 軍，蘇明舟，丁振亮

(中國天楹股份有限公司上海分公司，上海 200235)

摘要：指出了城市生活垃圾的氣化是一種新型的垃圾處理技術，具有高效的能源利用率和良好的環保特性。日本的垃圾氣化技術將氣化和熔融技術相結合以其嚴格的污染控制、顯著的減容性和高效的資源回收率等優點成為垃圾氣化應用技術的代表。綜述了日本城市生活垃圾氣化處理技術的原理、工藝流程及其發展現狀，具體對兩種主要垃圾氣化反應器的特點進行了探討。

關鍵詞：城市生活垃圾；結渣氣化；流化床

1引言

隨著工業化和城市化進程的加速以及物質消費的日趨上升，城市生活垃圾(MSW)急劇增加，從而對生態和社會環境造成了沉重的壓力。傳統的垃圾處理方式主要集中在填埋和焚燒。垃圾氣化技術是指在缺氧的條件下以高溫加熱垃圾，將垃圾轉化為合成氣，有效成分包括一氧化碳和氫氣，經過過濾后燃燒產生能量或轉化為甲烷、乙醇或合成柴油等燃料。但是，近些年垃圾氣化技術在歐洲、澳洲和北美的應用效果都差強人意。

當許多學者還在質疑垃圾氣化技術的環保性和能源利用效率的時候，日本已經用良好的規模化應用表明垃圾氣化是一項具有強大實用性和市場前景的垃圾處理技術。

2日本垃圾氣化技術現狀

根據2013年的資料數據顯示，日本在運行的垃圾氣化機組為122座，每年處理城市生活垃圾或垃圾衍生燃料(RDF)6 915 870 t，且有9座新機組在建，預計可增加年垃圾處理量1 047 300 t[1]。

在日本，有多家公司掌握了成熟的垃圾氣化技術，并具備電廠建造資質，其中較大的廠商包括新日鐵、日本荏原、日本鋼鐵工程公司等在內的6家公司負責建造了70%以上的垃圾氣化電站。

3固定爐垃圾結渣氣化技術

3.1技術介紹

固定式氣化爐是最為常見的一種氣化反應裝置。整個氣化發電流程主要包括垃圾輸送裝置、氣化爐、余熱鍋爐、煙氣處理系統、灰渣處理系統組成。氣化技術的基礎裝置為一個立式固定床氣化爐。與常規氣化技術不同之處在于，該氣化爐底部增加了灰熔融區域。在氣化爐的底部，通入富氧空氣，促進焦炭和垃圾中殘余的碳燃燒產生大量熱，可使溫度最高可到1 800 ℃，使底部的無機材料包括灰和金屬熔化。飛灰熔融結渣，其化學特性被惰化，有害的重金屬被包裹著玻璃體結構中，滲出性很小。熔融后的底渣回收后可作為基建的填充材料。

觀察圖1氣化爐的內部結構，垃圾從頂部進入氣化爐，同時加入焦炭和石灰石，空氣從底部向上噴。最上層的反應區溫度在200～300 ℃，往下溫度越高，進入熱解氣化區域。產生的合成氣從氣化爐上方排出。在氣化爐的底部，通入富氧空氣(氧濃度36%以上)，焦炭和垃圾中殘余的碳燃燒產生大量熱，溫度大大提高，使底部的灰和金屬熔化。石灰石有利于各種金屬更好的形成熔融態，也有助于減少HCl的生成。

尾部污染控制系統使用干式煙氣脫硫，煙氣經過布袋除塵器后，使用SCR系統噴氨處理，控制NOx的生成，使之滿足排放標準。相較傳統焚燒爐，結渣氣化爐需要加入焦炭來升高溫度形成熔融區，且富氧空氣的注入也使機組的廠用電大大提升。

3.2技術應用

日本福岡地區某電廠應用該技術運行至今情況良好，年垃圾處理量216 000 t，鍋爐產生蒸汽參數39.2 bar，400 ℃，配套透平機組容量23.5 MW，發電效率23%。

4流化床垃圾氣化

4.1技術介紹

流化床技術因其良好的傳熱傳質特性以及對劣質燃料的良好的適應性，在垃圾處理上有較多的應用。日本某公司開發的雙內旋轉循環流化床氣化爐技術(Twin Internally revolving Fluidized bed Gasifier，TIFG)是借鑒其自有的TIF流化床技術在氣化技術上的模塊化應用。在設計上保證了良好的傳熱傳質效果，并結合了飛灰熔融技術，形成了一種新的氣化方式。該技術被大部分日本權威認可，并有許多垃圾氣化電廠投入應用[2]。

圖2為雙內旋循環流化床氣化爐的示意圖。該型鍋爐既吸收了循環流化床顆粒循環的優點又保留了鼓泡床采用埋管換熱的優勢。其錐形氣體分布板由高風速區和低風速區組成，中部的流化氣速較低，呈移動床狀態，其周圍的流化氣速較高，呈流態化狀態，為使流化空氣向燃燒爐中央偏轉，在高風速區上部裝有傾斜隔墻，使床內形成渦流。氣化爐反應溫度在500～600 ℃(傳統垃圾焚燒爐運行溫度850～900 ℃)。

氣體由鼓風機從底部通入，切碎的垃圾被投入內部旋轉的熱石英砂床層中，有機成分被轉化成合成氣。大塊的不可燃的垃圾如金屬材料，玻璃，石頭等未被氧化或經燒結后，被排出氣化爐底部形成底渣。金屬部分經過磁選和漩渦分選可得到鐵基金屬回收利用。產生的合成氣夾帶著顆粒物從氣化爐頂部進入一個回旋氣流

的燃燒室。在這里，合成氣和夾帶粒子被完全燃燒，由于二次風的加入，此處的溫度可達1 350～1 450 ℃。在這樣的溫度條件下，不可燃的飛灰被熔融成熔渣，經過水淬后，達到環境排放要求。

根據表1所示，雙內旋循環流化床氣化爐在控制污染物的排放上也有相當出色的表現，各項參數的排放均遠低于法定限量。且該流化床在氣化模型下的應用，產生的煙氣量大大小于傳統垃圾焚燒爐，同時精簡了余熱鍋爐和污染控制系統的尺寸。

4.2應用示例

TIFG技術在日本具有廣泛的應用，在穩定運營的同時，也做到了良好的污染物控制。日本豐橋地區應用TIFG技術的排放情況如表1所示。

表1　日本某應用TIFG技術的電廠排放情況

5結語

日本的垃圾處理原則是資源回收利用最大化的同時，將垃圾的最終填埋量最小化，而把能量的回收利用效率放在次要的位置。對飛灰和底渣熔融處理會造成一部分的熱量損失，但是對于飛灰的無害化處理尤其是二噁英的控制有顯著的效果。

垃圾氣化技術在學術界有比較大的爭議，但日本已經進行了較大的推廣，且運行良好。國內這方面尚有較大的應用空間，可以進行適當的引進利用。

參考文獻：

[1]Dr Kevin Whiting.WSP Waste to Energy Technical Report[R].London:WSP House，2013:152～174.

[2]蓋志杰.內循環流化床的數值模擬與實驗驗[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006:12～14.

A Brief DiscussiononJapanese Waste Gasification Technology

YangJunbo， Li Jun， SuMingzhou， Ding Zhenliang

(ShanghaiBranch，ChinaTIANYINGInc.，Shanghai200235，China)

Abstract:Gasification of municipal solid wasteis a new option for waste treatment for its good performance on energy utilization and environmental protection.Japanese gasification technologycombinesthe advantage of gasification and melting technology，which has become an outstanding industry example of waste gasification for its good pollution control，remarkable volume reduction and efficient resource recovery.This article introduces the theory of Japanese slagging gasification，technological process and status quo of development.Then，the article mainly discusses the specific features of two kinds of gasification reactor.

Key words:municipal solid waste; slagginggasification; fluidized bed

文章編號：1674-9944(2016)02-0146-02

中圖分類號：X799

文獻標識碼：A

作者簡介：楊俊波(1988—)，男，浙江紹興人，工程師，主要從事垃圾發電研究及設備設計工作。

收稿日期：2015-11-03