生活垃圾氣碳耦合熱解燃燒處理技術的研究與應用

張釗　王征宇　陳偉　陳科

摘 要：【目的】解決鄉鎮農村生活垃圾產量分散、熱值低、含水量大、地域性特征明顯等問題。【方法】采用一種氣碳耦合熱解燃燒處理新技術，通過對來料垃圾的連續干燥、熱解，使可燃氣和固態碳耦合燃燒，延長可燃組分在高溫區停留時間，保持爐膛溫度在850℃以上，提高對垃圾水分含量波動的適用性。以湖北某鄉鎮生活垃圾處理站為例，利用基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術的無害化處理爐系統（10t/d型）處理農村生活垃圾。【結果】解決了傳統熱解氣化處理過程中因燃燒不充分而導致的二噁英等有害污染物的產生問題，可燃組分在高溫區停留時間延長。【結論】該處理爐系統可適應分散式生活垃圾處理需求，煙氣和爐渣中的各項指標均滿足國家標準要求，特別是煙氣中的CO可實現近零排放，是處理鄉鎮農村生活垃圾的理想方案。同時，基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術的無害化處理爐系統，可用來處理工業垃圾、市政污泥等其他類型固體廢棄物。

關鍵詞：鄉鎮農村；生活垃圾；氣碳耦合；熱解燃燒；處理爐；無害化

引言

我國鄉鎮超過3萬個，行政村超過50萬個，每年農村生活垃圾產生量超過1億噸。我國農村生活垃圾每日人均產生量為0.034-3kg，平均值為0.649kg，中值為0.521kg[1]。農村生活垃圾人均產生量受經濟水平、產業結構、季節因素、燃料結構和家庭收入的影響呈不同的特征[2]。

鄉鎮農村生活垃圾主要特點：一是成分中灰土及廚余垃圾比例高、含水率較高，熱值相比城市生活垃圾低，且垃圾中難以降解的成分多，地域性特征明顯。其中，我國村鎮生活垃圾組成主要為有機垃圾占40%-50%，含廚余垃圾、作物秸稈等；無機垃圾占20%-40%，含灰渣、磚石等。南方地區有機垃圾占比高于北方地區，可回收垃圾含量呈由南向北遞減的趨勢，西北及東北地區冬季嚴寒，需要大量燒煤，因此北方地區的垃圾中煤渣較多，其次是廚余垃圾[3]。二是鄉鎮農村地域廣大、垃圾產量分散。全國1347個縣域，75%的縣城生活垃圾產量小于190t/d，遠低于大型垃圾焚燒發電要求，且很大一部分地區人口密度小于66人/ km2，轉運距離大于20km，集中運輸成本增加并增加二次污染風險。

國家從頂層規劃支持綠色環保產業發展，并確定其支柱發展地位，明確綠色環保產業發展方向，通過政策支持、財政引導、立法監督等方式給予綠色環保產業大力扶持。《城鎮生活垃圾分類和處理設施補短板強弱項實施方案》《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》[4-5]等均對鄉鎮農村因地制宜就近開展小型生活垃圾焚燒設施試點提供了明確的政策支持。

1 鄉鎮、農村生活垃圾處理現狀

2021年10月1日，GB/T 51435-2021《農村生活垃圾收運和處理標準》實施，標準中規定農村生活垃圾分類、收集、運輸和處理的技術選擇應以本地區的社會經濟發展水平、自然條件為基礎，結合技術水平、垃圾量和種類合理確定，應做到技術成熟、經濟合理、便于運行、保護環境。標準對于垃圾處理提出了兩種主要的方式，一是垃圾轉運距離較短的地區，可選擇“村組保潔、鄉鎮轉運、縣市處理”模式；二是垃圾運輸距離較長的地區，可選擇“村組保潔、鄉鎮轉運和區域處理”模式。標準中規定了2-5類垃圾分類形式及其對應的處理途徑，對于分類為“其他垃圾”的可采用小型衛生填埋場、區域性生活垃圾焚燒設施進行處理。區域性生活垃圾焚燒設施一般由鄉鎮一級單位建設，服務周邊自然村[6]。

目前鄉鎮農村生活垃圾主要處理方式有衛生填埋、堆肥、焚燒等。衛生填埋方式成本低、方便易行、對垃圾適應性強，一些土地資源充足的地區使用較多，但存在污染地下水資源風險，需占據大量土地資源，且垃圾轉運費用高并存在轉運過程中的二次污染問題；堆肥處理方式成本低、操作簡便，可實現資源的再利用，但存在垃圾處理量小、處理周期長等問題；焚燒處理方法處理量大，減容減量效果好，可消滅垃圾中的病原菌，但對垃圾熱值有要求，焚燒過程中會產生二次污染物。對比以上鄉鎮農村生活垃圾處理方式的優缺點，考慮國家的相關政策支持，焚燒將是鄉鎮農村生活垃圾相對而言較合適的處理方式，但從規模和垃圾組分來說，鄉鎮農村生活垃圾處理與城市垃圾焚燒發電是不同的。

國內鄉鎮農村生活垃圾焚燒處理技術主要有簡易焚燒、熱解焚燒、流化燃燒等，其中熱解焚燒又因熱解溫度不同而分為低溫熱解和高溫熱解等形式。簡易焚燒主要以燜燒爐為主，垃圾通常間歇式進入簡易焚燒爐內有組織地燃燒，焚燒爐通常是手動操作燃燒爐；簡易焚燒設施大多配置二燃室和旋風除塵器、噴淋塔等簡單的煙氣處理裝置，但通常有焚燒溫度不高且波動大、二次污染明顯的問題。流化燃燒是利用爐底分布板吹出的高溫熱風將中間媒介即床料進行流化，使床料懸浮起呈沸騰狀，輔助燃料將床料加熱至850℃，入爐垃圾在床料的帶動下在爐內成流化狀態，垃圾與高溫的床料接觸、傳熱進行燃燒的技術。流化燃燒的技術關鍵是床料層與垃圾流化、床料與垃圾接觸、傳熱，流化燃燒的代表爐型是流化床焚燒爐[7]，該技術多用于大型垃圾焚燒發電廠；熱解焚燒設施包括簡易熱解氣化爐、二段式熱解爐等，這類焚燒爐多由預處理、進料、干燥、燃燒室、二燃室及簡易自動化控制系統等裝置組成，大多配置了簡易的煙氣凈化裝置，但不夠完善。熱解氣化爐多為上吸式熱解氣化焚燒爐，有立式和多室燃燒爐型，存在以下主要問題：一是該類設備處理過程不能隨時開倉添料，不便實現垃圾連續進料連續處理；二是該類型爐利用燃燒煙氣逆流加熱物料，產生的可燃氣中焦油含量很高，焦油氣冷凝容易黏附粉塵堵塞管道，影響設備壽命；三是焦油氣燃燒存在不充分、易產生二噁英。下吸式熱解氣化焚燒爐由爐排下方引出煙氣，由于流經灰渣層，煙氣中攜帶的粉塵量大，增加了后續煙氣凈化的難度。故一般熱解焚燒設施不具備污染物達標排放所需的燃燒技術條件。由于鄉鎮農村生活垃圾產量逐漸增加，隨著國家對垃圾填埋的規劃及相關部委提出2023年基本實現原生生活垃圾“零填埋”方案，村鎮乃至縣域小型垃圾焚燒爐將得到快速發展，故研究適用于鄉鎮農村生活垃圾處理的處理技術及裝備是非常必要的。

2 氣碳耦合熱解燃燒處理技術

2.1 技術原理

在缺氧條件下，利用高溫使生活垃圾中有機高分子的化學鍵發生斷裂，釋放出各種揮發份，其產物為低分子可燃氣體（H2、CH4、CO、CO2、NH3、H2S、H2O、SO2等），液態有機物（芳烴類物質、甲醇、丙酮、乙酸、乙醛）以及焦油等有機液體，焦炭或炭黑、灰渣等碳化物。液態有機物（芳烴類物質、甲醇、丙酮、乙酸、乙醛）以及焦油等有機液體通過與高溫殘碳混合在熱解腔內在高溫條件下進一步熱解，最終裂解為低分子可燃氣體和碳化物[8]。最終低分子可燃氣體與碳化物在燃燒腔內形成氣碳耦合燃燒。熱解氣化過程產生熱解氣由上爐排向下穿出進入燃燒爐膛腔燃燒。上爐排翻下的碳化物（垃圾熱解過程中產生）在下爐排上燃燒，上下爐排間形成對沖燃燒火焰，熱解氣與碳化物在燃燒爐膛腔內形成氣碳耦合燃燒，實現可燃組分保持高溫區（≥850℃）較長時間的停留（≥2s），以確保煙氣中有機污染物和二噁英最大程度分解，降低排出煙氣中的污染物濃度，同時提高對垃圾含水率變化的適應性。

2.2 技術實現途徑

垃圾料從垃圾料倉通過對開閥門加料至干燥腔，由對輪給料機構向下進入熱解腔，通過熱解腔內溫度傳感器采集熱解腔內溫度，并由此溫度控制對輪給料器下料速度，控制熱解腔內垃圾及炭層的總厚度。部分高溫煙氣通過煙氣內循環系統進入熱解腔上部，通過垃圾及炭層使熱解腔內垃圾迅速升溫，同時使炭化產生的揮發份能及時排到爐膛腔進行燃燒，上爐排可以通氣及落炭，也可以清理殘渣。

燃燒后的高溫煙氣一小部分用內循環對垃圾進行加熱，大部分則通過二燃室進行再次燃燒。由于熱解腔內將垃圾熱解為大量的可燃氣體和碳，進入燃燒室進行燃燒，碳的燃燒和可燃氣的燃燒耦合，使燃燒室內能維持高溫和穩定燃燒。氣碳耦合熱解燃燒式處理爐結構的技術方案如圖1所示。

3 基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術的處理爐系統

3.1 基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術的處理爐系統工藝流程圖

送入處理站的生活垃圾經人工初選、破碎機破碎后，存儲于自動卸料倉內，通過上料裝置輸送入處理爐進行處理，排出煙氣采用“降溫、除塵、脫酸凈化、吸附過濾”的處理方式達到排放要求。爐渣由出渣系統輸送至堆場外運，系統處理工藝流程如圖2所示。

3.2 工藝流程

基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術的處理爐系統主要由操作控制系統（系統電氣控制）、前處理系統、處理爐系統（氣碳耦合燃燒處理爐）、煙氣處理系統、出渣系統等組成。

（1）前處理系統

前處理系統由垃圾行車抓斗、分選輸送機、破碎機、存儲自動卸料倉等組成。

其工作流程是：垃圾車送來的垃圾傾倒入垃圾儲坑內，垃圾在儲坑存放，發酵失水，分離出大部分滲瀝液，同時垃圾儲坑可以達到調節收運量和應急存儲的目的，避免垃圾源頭堆積無法清運。

利用行車抓斗將儲坑內垃圾送至分選輸送機上進行人工簡易分選，選出金屬、紙板、塑料、玻璃等可回收利用的物品售賣增收，挑出不可燃磚石等物品隨爐渣一起填埋處理，挑出電池、電子產品等危廢品單獨存放并移交專業危廢品處理單位處理，沙發、家具等大件可燃物品由破碎機破碎至200mm以下顆粒后，存儲于自動料倉內，通過上料裝置輸送至處理爐。

（2）處理爐系統

處理爐裝置由起爐助燃裝置、進料斗、密封閘門、干燥腔、熱解氣化腔、上爐排、燃燒爐膛腔、可拆式下爐排、二燃室、出煙口和自動排爐渣裝置組成。處理爐整體為多腔室爐體結構：二燃室與干燥腔、熱解氣化腔、燃燒爐膛腔集成一體，燃燒室的爐襯為蓄熱體，爐膛燃燒產生的熱量可充分傳導至二燃室、干燥腔與熱解氣化腔，確保了燃燒處理的高溫工況與熱能充分利用。

處理爐工作原理：經過預處理后的生活垃圾進入干燥倉后，利用燃燒室產生的熱量，干燥較高含水率的生活垃圾。根據熱解溫度實時控制調節垃圾的干燥速度，使進入熱解腔內垃圾干燥且含水率相對穩定。

干燥后的垃圾進入熱解腔，受爐膛輻射及煙氣加熱至450-550℃進行熱解，通過上爐排動作使熱解產生的揮發份能及時排到爐膛腔進行燃燒，燃燒后的高溫煙氣一小部分用于內循環對垃圾進行加熱，大部分則通過二燃室二次供風后繼續燃燒。由于熱解腔內將垃圾熱解為大量的可燃氣體和碳化物，進入燃燒室與一次供風形成特定的渦旋燃燒模型，還原性碳化物和可燃氣相互作用燃燒，形成氣碳燃燒耦合，提高燃燒溫度、維持燃燒穩定工況，同時還原氣體抑制二噁英類污染物的產生，從源頭上降低了二噁英類物質的產生。整個過程由閉環控制（主要控制參數溫度、料層厚度）的組合爐排和供風（含給料器、上爐排和下爐排）自動完成。

（3）煙氣處理系統

煙氣處理系統組成：氣碳耦合熱解燃爐二燃室排出的高溫煙氣中含有大量的粉塵、酸性氣體等有害物質，需要通過煙氣處理系統將其凈化，達到標準后排放。煙氣處理系統主要由煙氣降溫換熱分系統、組合式煙溫調節裝置、預脫酸裝置、活性炭噴射、布袋除塵器、濕法脫酸分系統及引風排放等設備組成。

煙氣處理工藝設計方案：根據小型垃圾處理煙氣量小且波動較大、二燃室出口煙氣溫度不穩定、周邊環境對熱量需求不大等特點，采用煙氣處理工藝流程為：高溫煙氣→間壁式水冷降溫→活性炭吸附→布袋除塵→濕法脫酸→引風排放。

（4）出渣系統

出渣系統采用風冷和水冷相結合的方式對爐渣進行降溫和增濕，既防止了大量蒸汽進入爐內，增加煙氣中水分含量，又防止了揚塵污染環境。

4 應用情況

在湖北某地生活垃圾處理站應用基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術的無害化處理爐系統處理當地生活垃圾，垃圾站收集的生活垃圾特性變化較大，廚余垃圾及作物垃圾居多，含水率約50%左右。在完成處理爐系統調試后實現連續穩定運行，系統處理能力12t/d（24小時工作制），處理爐熱解腔溫度在450-550℃，處理爐爐膛溫度＞850℃，二燃室溫度保持在950℃以上，煙氣在高溫區停留時間大于2s，垃圾體積減量約為90%-95%，處理爐爐渣主要以玻璃、磚石、金屬及其他灰分組成，爐渣的主要化學成分以金屬氧化物為主。

煙氣排放檢測方面，參照《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014），《惡臭污染物排放標準》（GB14554-1993）中要求[9-10]，按照對有組織排放氣體分析方法對煙氣中各項指標進行檢測。檢測結果顯示，有組織煙氣中顆粒物 1h均值為22.7mg/m3，二氧化硫檢測均值為10.1mg/m3，氮氧化物1h均值為159mg/m3，氯化氫 1h均值為12.1mg/m3，汞、鎘、砷、鉛等重金屬及其合成物均在限定值以下，二噁英類物質測定均值為0.0202ng TEQ/m3均滿足《生活垃圾焚燒污染物控制標準》（GB18485-2014）；煙氣中硫化氫、氨、臭氣濃度均滿足《惡臭污染物排放標準》（GB14554-1993）標準。具體煙氣排放檢測數據如表1所示。

5 討論與展望

5.1 結論

（1）對于鄉鎮、農村的生活垃圾處理，在經濟發達地區、城市周邊主要采取“村收集、鄉（鎮）運輸、縣（市）處理”為主導的方法，在經濟發展水平低、遠離城市、交通不便、環境容量大、特定的地質及氣候條件等鄉鎮、農村及高原地區，其生活垃圾處理將朝著小型焚燒處理方式發展。

（2）氣碳耦含熱解燃燒技術是可使熱解溫度控制在450-550℃，使垃圾轉化為熱解氣和熱解殘碳，熱解氣和熱解殘碳在爐膛內的耦合燃燒，使爐膛溫度保持在850℃以上，二燃室溫度大于950℃，實現了可燃組分在高溫區停留時間大于2s，解決了傳統熱解焚燒處理過程中因爐膛溫度不高燃燒不充分而導致的二噁英等有害污染物的產生問題及焦油氣冷凝黏附粉塵堵塞管道等問題。

（3）基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術的處理爐系統，處理爐采用干燥腔室、熱解氣化腔室、一燃燒腔室、二燃室的爐內集成構型，通過自動控制實現了氣碳耦合燃燒技術的應用，在工程試驗過程中，經三方機構檢驗，系統處理能力滿足使用要求，處理爐熱解腔溫度在450-550℃，處理爐爐膛溫度＞850℃，二燃室溫度保持在950℃以上，垃圾體積減量約大于90%，對垃圾含水率變化適應性強，煙氣排放各項指標均滿足《生活垃圾焚燒污染物控制標準》（GB18485-2014）排放要求，特別是CO可實現近零排放；整個運行過程不需添加輔助燃料便可連續穩定運行。

（4）煙氣中的CO含量可以表征燃燒效率，含量高說明燃燒不充分，二噁英類物質的含量就有可能高，反之亦然。煙氣中的煙塵含量能反映除塵器的除塵效率，在二噁英類物質生成量相同的情況下，煙氣排放量越低，煙氣中的二噁英類物質的含量就越少，故在煙氣中衡量的二噁英類不能做到實時在線監測前，可以通過CO和顆粒物在線監測的數據表征二噁英類物質的排放情況[11]。

5.2 展望

（1）小型生活垃圾焚燒技術將沿著經濟高效的多污染物協同煙氣處理，飛灰產生量少、無廢水產生的綜合處理工藝技術方向發展。

（2）針對現行標準的要求，結合國家對鄉鎮、農村生活垃圾治理的政策導向，小型生活垃圾焚燒處理產品將逐漸要求滿足年8000h運行時間、煙氣在線監測達標排放、設備運行操作簡單的發展趨勢。

（3）應結合鄉鎮農村生活垃圾焚燒的技術發展現狀，系統完善基礎標準、通用標準和專用標準，鼓勵因地制宜制定地方技術標準。

（4）余熱利用對于鄉鎮農村垃圾焚燒爐的穩定、健康、經濟運行有重要意義。

（5）基于氣碳耦合熱解燃燒處理技術的處理爐系統具有燃燒溫度高、來料適應性強等特點，可用于工業垃圾、市政污泥等固體廢棄物處理，是解決鄉鎮農村、工業園區等固體廢棄物處理難題的新方法，具有較好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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基金項目：重慶市九龍坡區科技計劃項目（2021-02-001-Z）。