垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置的設(shè)計*

□ 李 凱 □ 陳銀清 □ 黎 明 □ 葉 寧

1.廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院 廣東茂名 525000

2.高州市中亮機械制造有限公司 廣東茂名 525200

1 設(shè)計背景

隨著社會經(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)中投顧問發(fā)布的《2018—2022年中國生活垃圾處理行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報告》數(shù)據(jù)顯示，2016年全國生活垃圾清運量約為21 500.5萬t，比上年增長12.3%。盡管近年來國家高度重視環(huán)境保護(hù)問題，生活垃圾處理和污水防治工作已取得長足發(fā)展，但是，在我國城市垃圾產(chǎn)量不斷增加的同時，生活垃圾的分類、回收和處理能力與發(fā)展水平仍相對滯后，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：填埋處理法占用土地面積大，對環(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；焚燒處理法產(chǎn)生的二 英對空氣污染嚴(yán)重，是導(dǎo)致群體事件的罪魁禍?zhǔn)祝依速M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、勞動強度大、效率低、可資源化空間小、對環(huán)境都有不同程度污染等問題［1-6］。

熱裂解指在無氧或低氧環(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。

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，熱裂解設(shè)備存在進(jìn)料慢、投資大、密封性差、傳熱效率低等問題。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，為確保生活垃圾得到及時、高效、無害化處置，亟需一種處理成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、可大規(guī)模應(yīng)用的垃圾處理裝置［7-12］。

2 設(shè)計要求

為滿足垃圾處理的減量化、無害化及資源化，設(shè)計出密封性高、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)計方案需滿足以下要求。

（1）熱裂解控制工藝創(chuàng)新設(shè)計。需保證垃圾在裂解過程中達(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、成本高等問題。

（2）資源回收利用系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計供熱系統(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)過程中實現(xiàn)氣體回收供熱，實現(xiàn)動力能源自給自足，不產(chǎn)生新生有害物，無廢氣、廢液、廢物等排放污染物。

（3）密封設(shè)計。確保在高溫狀態(tài)下不會發(fā)生自燃。整體生產(chǎn)過程必須保證垃圾在高溫裂解中不會與空氣接觸，進(jìn)而避免發(fā)生燃燒。

（4）智能控制設(shè)計。設(shè)計安裝垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置自動化操作系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)備，對設(shè)備的原料流量、主機速度、物料溫度、氣體流量、混合油流速及所需溫度進(jìn)行控制，對整機溫度、氣體濃度、混合油溫度等設(shè)置安全報警，達(dá)到全面的智能自動管理。

3 工藝原理

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、成本高等問題。

為了更好地解決以上問題，根據(jù)反應(yīng)溫度和加熱速度的不同，對熱裂解垃圾處理工藝進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計新工藝，工藝流程如圖1所示。

（1）粗碎。將垃圾送入第一粉碎機中粉碎處理，分揀出石頭、磚塊及泥沙等無機物。

（2）磁選。使用除鐵器或磁選機去除磁性金屬。

（3）篩分。使用篩分裝置對經(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進(jìn)行處理，得到有機垃圾料。

（7）預(yù)熱處理。將有機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)計合理、結(jié)構(gòu)簡單，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、無害化及減量化的要求，實現(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。

4 總體設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置整機由驅(qū)動裝置、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。

5 關(guān)鍵部件

5.1 驅(qū)動裝置

垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置連續(xù)進(jìn)料驅(qū)動裝置的動力部分設(shè)計有四套驅(qū)動電機。垃圾由上料輸送機送至進(jìn)料斗，再通過進(jìn)料螺桿送至預(yù)熱段爐體。進(jìn)料螺桿的驅(qū)動選用帶減速箱的星形異步電動機，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。進(jìn)料螺桿驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳動鏈短，因而傳動效率高，維修安裝方便。雖然可調(diào)速范圍小，但可通過增加變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，實現(xiàn)無級調(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，便于實現(xiàn)連續(xù)送料，由電機通過皮帶輪將動力傳至減速箱。送料螺桿驅(qū)動裝置可調(diào)速范圍廣，可根據(jù)實際需要設(shè)計減速器箱體，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造成本高，驅(qū)動裝置可保證每天24 h連續(xù)運行。送料螺桿設(shè)計有聯(lián)軸器、耐高溫軸承、氣體離合器等。

5.2 裂解裝置

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、實時監(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)計可控溫度的氣體燃燒室，通過智能電子控溫系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)燃燒溫度，另備有安全合格的氣體儲備罐收集多余氣體。

裂解段的裂解過程中將產(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，不會產(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，機外整體加裝不銹鋼板密封，最后泄漏出來的氣體及煙霧在不銹鋼殼體里經(jīng)強力抽風(fēng)送至燃燒室，在高溫中燃燒掉。

設(shè)計垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置自動化操作系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)備，對設(shè)備的原料流量、主機速度、物料溫度、氣體流量、混合油流速所需溫度進(jìn)行控制，對整機溫度、氣體濃度、混合油溫度等進(jìn)行安全報警，達(dá)到全面的智能自動化管理。

5.3 供熱系統(tǒng)

供熱系統(tǒng)由燃燒室、裂解殘渣送進(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。垃圾熱裂解處理過程中會產(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程中所需加溫?zé)崃康闹饕獊碓础；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)

6 裝置的應(yīng)用

垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置能實現(xiàn)生活垃圾處理規(guī)模化、連續(xù)化、減量化、無害化及資源化，實現(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，無需外加輔助能源。垃圾在入爐前基本不需要分選，運作成本低，1 t垃圾處理費用低于40元。裝置適應(yīng)性強，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。

7 裝置特點

垃圾熱裂解高效轉(zhuǎn)化裝置具有如下特點。

（1）裂解工藝合理、簡單。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、無害化及減量化要求，實現(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)計為三段——預(yù)熱段、裂解段和降溫段，主機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)計熱能循環(huán)利用系統(tǒng)。系統(tǒng)采用燃燒機提供熱能，垃圾熱裂解分解得到的氣體、裂解殘渣回收后再燃燒，為熱裂解提供熱能。同時，垃圾熱裂解分解得到的裂解炭和爐渣可用作制磚的原料。