生活垃圾低溫熱解項目開發(fā)

云南浩辰環(huán)保科技有限公司 謝立灝

一、前言

在我國，現(xiàn)階段主要的生活來及處理有三種，分別是填埋、焚燒、堆肥。填埋主要是為了解決城市中大量生活垃圾堆放的方式，尤其針對新型材料所制造出來的生活垃圾，大量生活垃圾在填埋場會產(chǎn)生生物、化學、物理等有機變化，通過分解，從而達到無害化或者對規(guī)模的減少；焚燒是將生活垃圾防止高溫爐內(nèi)，讓可燃物在焚燒過程中轉(zhuǎn)變成為能量，用于居民日常生活發(fā)電和供暖所需；堆肥是將生活垃圾集中堆積，在55℃-70℃條件下，經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)生的微生物做分解，將垃圾中有機物分解成為養(yǎng)分，在經(jīng)過堆肥后，會讓生活垃圾變成無味、衛(wèi)生的腐殖質(zhì)，從而有效解決垃圾問題并可再利用的目的。近些年，在生活水平和質(zhì)量不斷飛速發(fā)展背景下，城市中固體垃圾所含的有機物越來越高，尤其各種包裝中的廢塑料等，這種高熱值垃圾在逐漸增多。在焚燒過程中，廢塑料垃圾會導致爐內(nèi)過熱，減少焚燒爐使用年限，同時經(jīng)過焚燒，塑料垃圾還會產(chǎn)生有毒物質(zhì)。隨著廢塑料垃圾的不斷增多，如何處理這類垃圾成為全球關(guān)注的重點。許多國家都開始制定相關(guān)法律法規(guī)，禁止廢塑料垃圾做焚燒處理。而在這種情況下，熱解處理生活垃圾的技術(shù)重新成為研究重點，成為我國廢物資源化科技工程規(guī)劃的重點內(nèi)容之一。所謂熱解，主要是通過物質(zhì)在受到高溫后，發(fā)生化學分解效應。在熱解過程中不需要催化劑的融入，也不需要其他能量介入，是在貧氧或絕氧的還原性氣氛下進行的分解反應，產(chǎn)生的SOx、HCl、NOx較少；煙氣中煙塵較少，低溫熱解產(chǎn)生的二噁英少。廢物中重金屬等有害成分大部分被固定在固型炭和炭黑中。與焚燒法處理生活垃圾相比，熱解技術(shù)雖然污染物排放量，特別是二噁英的含量低，在一定程度上減少熱解煙氣對大氣環(huán)境造成的二次污染，但不能說熱解法處理生活垃圾沒有污染產(chǎn)生，應該看到熱解煙氣是一種集固態(tài)粉塵、半固態(tài)焦油以及熱解氣于一體的復合污染物，對環(huán)境有一定危害。

二、生活垃圾熱解技術(shù)

（一）熱解技術(shù)原理

熱解法主要是通過垃圾內(nèi)部的有機物對熱具有不穩(wěn)定的作用，在無氧和缺氧的條件下，對垃圾做熱蒸餾。這個過程會產(chǎn)生化學反應，讓垃圾內(nèi)部的有機物生成裂解。裂解后，大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成小分子，再通過冷凝做霧化、氣化和固化。在這個過程中要持續(xù)吸收熱量，熱量可以持續(xù)讓垃圾產(chǎn)生化學反應，產(chǎn)生的物質(zhì)為低分子化合物，并且具有可燃性。例如，氣化產(chǎn)物通常會生產(chǎn)一氧化碳、甲烷、氫氣；液體產(chǎn)物通常生成乙醛、丙酮等，固化產(chǎn)物為炭黑、固型炭。還原條件下Cr3+不會轉(zhuǎn)化為Cr6+。

通常情況下，無機物所做的熱解反應相對有機物要簡單許多，在有機物做熱解時，會發(fā)生其他反應伴隨著，因此產(chǎn)生的產(chǎn)物組成會較為繁瑣。如在石油烴裂解時，除了原有的烯烴，產(chǎn)物還會含有聚合、縮合等其他反應，從而生成如焦油等其他產(chǎn)物。熱解產(chǎn)率取決于原料的物理、化學性質(zhì)、加熱速率、物料粒度、物料含水率、反應溫度、加熱條件、熱解爐結(jié)構(gòu)、反應時間等。

在低溫和低速的加熱過程下，會有大量時間讓有機分子做分解，并且分解是在其較為薄弱的接點，而這種分解會重新結(jié)合成為固體，并具有熱穩(wěn)定性。要想再得到進一步的分解就會有難度，這樣就會導致產(chǎn)生大量的固物。當運用高溫、高速的加熱方法后，有機物的結(jié)構(gòu)就會發(fā)生大量的裂變，從而生成的是低分子有機物，產(chǎn)生的物質(zhì)也是氣體形式。而對于有機物的原料中含有粒度比較大的，在熱分解中溫度要均勻，并且要增加傳熱的時長，中心內(nèi)部加熱速度可以低于表面的加熱速度，經(jīng)過長時間傳輸，就會產(chǎn)生氣體或者液體，而在生成氣體和液體時同樣還會發(fā)生不同的二次反應。從這些就可以看出，熱解在加熱有機分子上，實質(zhì)會生產(chǎn)裂解，從而由大分子裂解成小分子，在中過程中還會包含許多化學和物理轉(zhuǎn)化過程。

（二）熱解分類

1.按溫度分類

熱解方式按溫度分高溫、中溫和低溫。其溫度范圍眾說不一，本文針將600℃以上為高溫，250℃～600℃為中溫，250℃以下為低溫。

2.按供熱方式分類

一種是直接加熱法，即利用部分垃圾直接燃燒或向熱解爐提供補充燃料產(chǎn)生的熱。一種是間解加熱法，即利用中間介質(zhì)傳熱。

（三）低溫磁化熱解技術(shù)的技術(shù)特點

氧氣是一種磁化率很大的順磁性物質(zhì)。磁場是零時候，隨著熱溫度的特有作用，讓分子發(fā)生無規(guī)律的磁矩。由于受到外磁場的影響，磁矩也會隨著外磁場的取向游走，極性會與外磁場平行，導致磁場強化，讓空氣中的氧氣活性通過磁化得到提高，就可做到燃燒垃圾所使用的空氣量的降低，減少燃燒過程中會產(chǎn)生的氣體和煙霧。在被處理的固體廢物同樣也可以受到磁化，在磁化能作用下，固體廢物內(nèi)部的有機物組分的分子內(nèi)聚力有所降低，從而提高了熱解的能力，使熱解保特較低的熱解溫度，二惡英的產(chǎn)生很少。

低溫磁化技術(shù)具有以下幾方面的技術(shù)優(yōu)勢：對生活垃圾組分變化的適應性強，對垃圾的成分要求不高，在發(fā)生波動時也能自動維持熱解。熱解溫度達到250℃，能夠殺滅垃圾中的病原體等生物污染物，實現(xiàn)無害化處理，低溫熱解爐頂出口煙氣溫度控制在40～60℃之間。熱解過程產(chǎn)生的焦油混入垃圾中，在熱解爐內(nèi)熱解處理。實踐證明，本項技術(shù)由于低溫熱解的溫度控制在250℃左右，避開了垃圾熱解處理的二噁英生成窗口溫度為300-750℃（從頭合成反應300-450℃，前驅(qū)物合成400-750℃），產(chǎn)生的NOx量也較少，同時熱解過程中煙氣在爐內(nèi)停留的時間較長，并經(jīng)過垃圾層的過濾，熱解產(chǎn)生的氯離子絕大部份被附著在灰渣上，直接減少和抑制了二噁英的產(chǎn)生量；煙氣再經(jīng)過電除塵凈化作用，能夠有效的去除煙氣顆粒物，大氣污染物排放達標。煙氣量小，流速低，設(shè)備投資和運行成本低。

三、熱解技術(shù)在農(nóng)村垃圾處理的應用

將農(nóng)村垃圾收集轉(zhuǎn)運到城鎮(zhèn)集中進行無害化處理的成本較高，對于偏遠的農(nóng)村山區(qū)，不可能采取這種方式。相比較而言，分散處理如果采用衛(wèi)生填埋方式，一次性投資大、選址條件要求高、管理難度大和處理成本高，即使是簡易堆放也給農(nóng)村環(huán)境造成了極大困擾。作為垃圾減量化的方式之一，熱解處理技術(shù)逐漸成為山區(qū)和丘陵地帶農(nóng)村生活垃圾處理自發(fā)的主要發(fā)展方向，但亟待規(guī)范。目前應用于農(nóng)村垃圾處理技術(shù)主要包括簡易焚燒、高（中）溫熱解和低溫熱解等幾種方式。

（一）簡易焚燒

目前，簡易焚燒處理生活垃圾在農(nóng)村中應用廣泛。工藝流程為簡易焚燒+水膜除塵，焚燒爐采用農(nóng)村土爐或簡易工業(yè)鍋爐，農(nóng)村土爐多采用磚混結(jié)構(gòu)，沒有風量、溫度控制裝置，垃圾在爐中為自燃狀態(tài)，簡易工業(yè)鍋爐一般具有簡易的控制裝置，如調(diào)節(jié)風量的裝置。爐膛溫度可達到1000℃以上，能夠最大程度實現(xiàn)減量化，但是燃燒溫度極不穩(wěn)定；多數(shù)煙氣通過煙囪直接排放，少數(shù)設(shè)施安裝了煙氣簡易處理裝置，主要通過水膜除塵的方式去除煙氣中的顆粒物和有害物質(zhì)。

簡易焚燒垃圾減量化達到90%以上，技術(shù)簡單、建設(shè)成本低、管理相對容易，因此在西部、南部省份有較多的應用。此技術(shù)存在的最大問題是煙氣和廢水達標排放困難，是國家明文要求逐漸淘汰的技術(shù)。

（二）高（中）溫垃圾熱解技術(shù)

高（中）溫熱解處理技術(shù)具有較為成熟的垃圾處理工藝流程，主要流程如下過程所示：

預處理→進料→預干燥→一燃室、二燃室→爐排→余熱鍋爐→引風機→煙囪→自動控制系統(tǒng)組成。在垃圾燃燒過程中，通常也會分成兩個部分：第一，是在缺氧狀態(tài)下，做燃燒和熱解氣化，這個過程在一燃室做，溫度控制為750℃左右，這個溫度可以讓不能揮發(fā)的可燃物起到完全燃燒的作用，可揮發(fā)性的可燃氣體會進入二燃室；第二，過氧燃燒，這個過程是在二燃室做，溫度要比一燃室高，控制在900-1100℃，通過一燃室進入的可燃氣體可以和高溫空氣做結(jié)合，從而達到完全燃燒。

此技術(shù)能夠較大程度減量農(nóng)村生活垃圾，減量化達到90%以上，配備了較為成熟的煙氣和廢水處理裝置，能夠改善二次污染的影響，在一些經(jīng)濟較發(fā)達的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)得到應用。由于垃圾熱解溫度提供了二噁英合成條件，但并未配備急冷設(shè)施，同時由于成本原因二噁英治理裝置不太可能長期運行，因此普遍存在二噁英排放不達標的現(xiàn)象。該技術(shù)存在的最大問題建設(shè)成本投入較高、運行成本大，污染物控制不穩(wěn)定，上述因素是該技術(shù)在基層鄉(xiāng)村地區(qū)廣泛推廣應用的瓶頸。

（三）低溫熱解技術(shù)

在做低溫熱解過程中，首先對垃圾要做分類處理，將不能低溫熱解的垃圾清除，例如陶瓷、金屬等，剩下的垃圾在做低溫熱解，熱解爐頂端有進料口，垃圾從進料口送入就可以。根據(jù)農(nóng)村偏遠地區(qū)的需求，低溫熱解技術(shù)逐漸在一些偏遠農(nóng)村、海島得到應用。工藝流程相對比較簡單，一般由熱解爐、煙氣處理設(shè)施構(gòu)成，熱解爐爐膛溫度控制在250℃以下，排煙溫度控制在80℃以下，煙氣處理設(shè)施一般為水噴淋除塵。由于低溫熱解煙氣量小，煙氣中有毒有害污染物的產(chǎn)生量相對較小，煙氣處理設(shè)施能實現(xiàn)達標排放，用電負荷也不高，因此農(nóng)村低溫垃圾熱解技術(shù)具有較好的前景，目前已經(jīng)在一些地方得到示范應用。低溫熱解技術(shù)的優(yōu)點：對生活產(chǎn)生的有機垃圾可以在處理后，達到95%以上的灰分減量，起到較高的減量化成效；在環(huán)境上也有極大益處，可以分解成無煙無味無色氣體，對周圍環(huán)境不會造成影響和污染，而且分解后的物質(zhì)大部分是礦物質(zhì)成分，對其還可以作為肥料和土壤改良劑的二次利用；分解中還會重新產(chǎn)生能源，這些能源可以起到發(fā)電、供暖等作用，并且不受天氣和地域影響，有較高的適應性。不過這種技術(shù)也存在規(guī)模比較小的缺陷，從人工上料、扒料、捅料和除渣，機械化程度低，勞動強度偏大，廢水處理困難。

四、生活垃圾低溫磁化熱解技術(shù)開發(fā)

為了掌握生活垃圾低溫熱解規(guī)律，經(jīng)過省內(nèi)調(diào)研，我們開發(fā)了低溫磁化熱解爐。熱解爐外形尺寸為2.6×1.5×1.9m，雙面加料，設(shè)有扒渣門和捅料門，磁化進風口，廢氣凈化采用電除塵器，進行了半工業(yè)化實驗。

垃圾從熱解爐上部加料，經(jīng)過干燥階段，熱解階段和氧化階段，有機廢氣和煙塵等從頂部經(jīng)電除塵器排出，焦油落在灰渣上，和炭黑等一起隨灰渣排出。

從多次負荷試車情況來看，生活垃圾預處理是十分重要的。因為生活垃圾千差萬別，形狀、體積、性質(zhì)和類別不一樣，爐內(nèi)熱解溫度難以均衡，從而影響垃圾處理量，不易熱解的玻璃瓶、拉罐、陶瓷和金屬、膠鞋，橡膠管、厚的塑料需要分揀外賣，建筑垃圾和渣土盡量分揀出爐，大塊的泡沫等也最好收集外賣，或搗碎入爐。由于垃圾熱解是吸熱反應，需要熱量，因此采用內(nèi)部加熱方式，采用木柴將底層垃圾點燃。考慮到垃圾干燥時會收縮，需要從爐體的結(jié)構(gòu)上控制邊風不能過盛，同時，垃圾熔融時容易板結(jié)，考慮捅料措施，并從爐體結(jié)構(gòu)上改進，便于垃圾落料，同時考慮熱解爐中心氧化層供氧問題。

試車中不同的垃圾熱解情況不同。企業(yè)單位內(nèi)的垃圾易燃物多，塑料袋多，爐內(nèi)垃圾空隙大，容易冒明火，農(nóng)村社會垃圾種類復雜，焦油產(chǎn)量高，灰渣多，熱解時容易板結(jié)，難操作。

由于篦條間隙開始偏小，未撿出的易拉罐和玻璃瓶漏不下去，堵塞下落的垃圾，后加大篦條間隙，但部分未熱解垃圾會落入爐渣中，增大了爐渣數(shù)量。

由于垃圾人工上料和操作，因此操作顯得十分重要。垃圾需要搗實平整，特別是間隙大的地方需要搗實。及時對冒煙嚴重的位置或明火處用垃圾堵塞，或潑水降溫。熱解爐頂部空隙大的地方容易起明火，要杜絕明火產(chǎn)生和蔓延。同時保證底層垃圾燃燒，提供中上部垃圾熱解的熱量。

經(jīng)過多次工業(yè)化試驗，前后運轉(zhuǎn)436h，產(chǎn)量可達到0.8-1t/d，熱解溫度控制在250℃以下，垃圾容積縮減率93%，重量縮減率25-30%。污染物排放達標，工況風量為2600-3800m3/h。實驗中采用磁化空氣進爐，產(chǎn)量略高。經(jīng)有資質(zhì)的單位檢測，煙塵、二氧化硫、氮氧化物、氯化氫、汞及其化合物、鎘、鉈及其化合物、銻、砷、鉛、鉻、鈷、銅、錳、鎳及其化合物排放均滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》GB18485-2014的限值要求，二噁英經(jīng)有資質(zhì)的單位檢測，垃圾覆蓋較厚，低溫熱解時排放達標，而垃圾覆蓋較薄，明火時有發(fā)生時排放超標。

五、存在問題

（1）由于焦油較多，絕緣子需要及時擦拭才可解決爬電問題。今后需要設(shè)防塵罩，焦油僅僅糊在防塵罩上，并設(shè)保溫箱和加熱管。進線絕緣子也采用垂直吊掛。

（2）垃圾板結(jié)因為垃圾熔融時粘接在一起，需要及時處理，若人工及時出渣和撬戳板結(jié)的垃圾，產(chǎn)量還會提高，但勞動強度大，需要較好的體力。

（3）設(shè)備負荷試車436h，看不出來電除塵器內(nèi)壁焦油對凈化效果有無明顯影響。只要絕緣子上焦油少，高壓就可以達到40kv以上，凈化效果較好。

（4）熱解爐目前為直筒型，影響下料，應改為圓形，杜絕死角。上段呈倒圓臺、便于垃圾干燥預熱收縮，中段為圓柱形，為氧化和熱解段，下部為正圓臺，便于灰渣下料。

（5）由于采用低溫熱解，產(chǎn)量較低，同時人工操作，熱解爐工況難以穩(wěn)定，有時有明火產(chǎn)生，影響電除塵器除塵效果，可能造成二噁英不能穩(wěn)定排放。

六、結(jié)論

經(jīng)過多次負荷試車，只要工況穩(wěn)定，煙氣凈化效果較好，污染物排放達標。但低溫熱解生活垃圾技術(shù)難度很大，國內(nèi)成熟的技術(shù)不多，特別是還沒有產(chǎn)量較高的垃圾低溫熱解成熟技術(shù)，而且，由于人工進料扒料和垃圾的多樣性，爐內(nèi)熱解不均衡，需要加強操作人員的責任心，對入爐垃圾進行分扒，加強觀察，保證熱解溫度穩(wěn)定低于250℃，進而保障煙氣的穩(wěn)定達標排放。