城市生活垃圾热解气化研究进展

方少曼，李 娟，文 琛

（深圳市环境科学研究院，广东 深圳 518001）

1 引言

近年来，中国一些主要城市的生活垃圾产生率一直在增加，而且有200多个城市被垃圾所包围。我国大中城市年产垃圾1亿t以上，绝大部分堆积在城郊，未经处理，垃圾堆存量逾70多亿t，侵占土地面积达5亿m2［1］。生活垃圾不仅仅是一种废弃物，垃圾里的有机物质也是一种主要的可再生资源。垃圾的处理不仅是一个重要的环境问题，同样也是资源再利用的问题。

目前，我国的城市生活垃圾处理处置技术最常用的是卫生填埋和露天堆放，占总处理量的79.2%，其次是堆肥化，占总处理量的18.8%，少量的采用焚烧技术，约占总处理量的2%［2］。在垃圾处理的这些方法中，填埋处置操作简单、适应性广，但浪费土地资源，而且存在潜在的二次污染；堆肥处理周期长，处理量小，产品难销。焚烧技术有其显著的减量减容特点及热能回收利用的优势，但焚烧过程中会产生大量的酸性气体、重金属和二噁英等。而垃圾热裂解气化处理方法可以杜绝二噁英类物质的产生，并且具有减容量大、无害化彻底、资源化充分、二次污染小等特点，正日益受到关注和重视［3～4］。

2 城市生活垃圾裂解技术

2.1 城市生活垃圾热解技术的原理

城市垃圾热解是在无氧或缺氧条件下，利用热能使其成分发生化合键断裂、异构化和小分子聚合等反应，由大分子有机物转化为小分子燃料气、焦油和焦炭。对于含有高热值可燃物的垃圾（如废纸、塑料及其他有机物）可采用热解方法进行处理。热解产生的燃气呈中性，在无氧或低氧条件，可以杜绝二噁英类物质的产生。热解过程如下。

2.2 城市生活垃圾裂解技术的研究进展

裂解技术用于手工业已有很长的历史，木材和煤的干馏、重油裂解生产各种燃料油等早为人们所知。但将裂解技术应用到固体废弃物制造燃料，还是近几十年的事，并被认为是一种很有前途的垃圾处理方式。

W.K.Buah［5］等在固定床中裂解由城市生活垃圾制备的垃圾衍生燃料（RDF），在400～700℃裂解，气体产品高位热值（HHV）达5.1～16.7MJ／Nm3，裂解油热值和轻质燃油接近；S.Galvagno［6］等研究了废旧轮胎在其它参数不变、裂解温度在550～680℃之间变化时裂解产物的变化规律。结果表明，在研究范围内，温度对挥发物总产量影响不大，但对挥发分形态的比率影响较大；M.N.Islam［7］等研究了利用生物质燃烧供热的外加热式固定床裂解城市生活垃圾（碎轮胎、废塑料和废纸）的工艺，主要产物为裂解油，实验采用数种检测方法表征裂解油的燃料特性如粘度、pH值、闪点、倾点和高位热值，其性能类似于石油衍生产品，主要是烷烃、烯烃和芳香烃，裂解油未检测到氮氯元素，可以用作碳氢燃料。

国内许多学者对城市生活垃圾裂解也进行了大量的研究。包向军［8］等利用自行开发的蓄热式燃烧技术，提出一种新型垃圾处理技术；多室蓄热式垃圾裂解工艺，其特点是采用间壁式加热设备裂解垃圾，可以产生高热值的裂解气；宋玉银［9］等利用回转窑研究了城市垃圾裂解产气规律，有机质转化率达80%以上，转炉在600℃时工况最佳，所产燃气的热值一般都在13800kJ／Nm3以上，可以作为民用和工业用燃料。

3 城市生活垃圾气化技术

3.1 城市生活垃圾气化技术的原理

城市生活垃圾气化是将垃圾中有机成分在还原气氛下与气化剂（空气、O2、水蒸气等）反应生成燃气（H2、CO、CH4等）焦油和灰渣的过程。通过部分燃烧反应放热或外加热提供气化所需的热量，在常压或加压情况下，使垃圾中有机物转化成燃气，剩下的焦油和灰渣排出。上面所讲的垃圾热解技术是垃圾气化技术的一种特殊情况，即不存在气化剂的条件下所进行的垃圾处理。

气化过程主要发生以下化学反应［11～13］：

以上反应均为可逆反应，气体产物中可燃组分（CO、H2、CH4）的含量取决于反应温度、压力及反应物的浓度。通常情况下，C与O2的放热反应提供生活垃圾气化过程所需的能量。

城市生活垃圾气化采用的技术路线种类繁多，可从不同的角度对其进行分类［12］。按照气化剂种类的不同可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、水蒸气-氧气混合气化和水蒸气-空气混合气化、氢气气化等；根据采用的气化反应器的不同又可分为固定床气化、流化床气化和旋转床气化等；根据供热方式的不同可分为直接加热法和间接加热法；另外，还可以根据气化规模的大小、气化反应压力的不同对气化技术进行分类。

3.2 城市生活垃圾气化处理技术现状

城市生活垃圾气化技术的研究开始于20世纪70年代，当时的目的是为了解决世界性石油危机，希望找到新的能替代石油的能源。但由于成本高昂，故停滞了研究和开发。随着当前化石能源逐渐的枯竭，寻找新的能源途径再次受到关注。

T.H.Kwak［13］等基于 Thermoselect工艺，于1200℃温度下，以3t／d的中试规模处理能力空气气化城市生活垃圾，产生的合成气热值为8.0～10.2MJ／Nm3，其中CO和 H2浓度可分别达到27%～40%和36%～40%，由于高温和急冷却处理，气相和液相中二噁英和呋喃等多氯化合物被有效去除，浓度仅仅为0.03ng-TE／Nm3，远低于韩国排放标准0.1ng～TE／Nm3。熊祖鸿［14］等进行了以空气为气化剂的下吸式气化炉处理城市生活垃圾的研究。实验结果表明，在750～900℃条件下进行气化，效果最佳，所得的可燃气体热值为4600kJ／kg，燃气焦油含量为2.0g／m3，其中CO和H2浓度可分别达到9%～12%和14%～18%。吴家正、闻望［15，16］等对城市垃圾流化床气化制气进行了小实验阶段的研究，并对上海市生活垃圾气化处理法综合利用的前景进行了技术经济分析，提出了将垃圾中的有机物制气和无机物制砖的方法。

4 城市生活垃圾热解气化新工艺

目前国内对垃圾的热解研究主要采用内热式热解气化，由于内热式热解气化过程中大量空气进入炉内，和垃圾焚烧一样容易产生二噁英污染。同时，其热解燃气中含有氮气和CO2，其燃气热值低，利用的局限性大。另一方面垃圾热解是强吸热反应，需要外加热源对垃圾进行加热，如采用煤加热，则易产生二次污染污染；采用电和煤气加热，则成本较高。所以，生活垃圾外热式热解的外加热源是难题。

对此，笔者开发了一套基于城市生活垃圾的生物质粉体燃烧的外热式生活垃圾热解气化一体系统。该系统利用了生物质粉体为燃料，采用外加热的方式提供气化过程所需的热量，并选用水蒸气作为气化剂，生物质粉体燃烧室炉膛温度可控制在1100℃左右，气化所得的可燃气体热值为13MJ／Nm3左右。

4.1 工艺流程

该生物质粉体供热城市生活垃圾外热式热解工艺包括生活垃圾预处理系统、生物质粉体直接燃烧供热系统、热解装置、热解气体净化系统以及残留碳“水煤气”化系统等5个部分。其工艺流程图见图1。

图1 生物质粉体供热城市生活垃圾外热式热解气化新工艺流程

城市垃圾经过初选和破碎，从物料入口进入预热干燥室，在干燥室中依靠从燃烧室上升的烟气余热直接加热干燥，并在振动电机的作用下向下运动。预热干燥后的垃圾由物料推进器横向推入垃圾热解室，与生物质粉体燃烧室产生的高温进行气-固热交换，其热量以间接换热的形式加热生活垃圾，热解室中垃圾的最高温度可升高至1100℃，而大部分垃圾在700～800℃时能绝氧热分解，余热烟气通过烟气总上升管进入垃圾预热室，垃圾受热蒸发的水分从烟气出口排出。垃圾在热解室中受热分解后产生的可燃气体从热解室上部引出，进入旋风除尘器，经过除尘净化后的热解气进入冷却器，在冷却器中得到冷却和净化并与冷凝液分离。经过除尘和冷却净化后的燃气作为燃料向系统外输出。

焦油和污水可以采用萃取分离，焦油可以制作原料油或作为化工原料。热解结束后，垃圾热解残留物由推进器向热解室下部推进，与热解室底部上升的水蒸气在高温下发生“水煤气”化反应生成CO和氢气，剩下的不能分解的无机物质（炉渣）从炉渣出口排入到水封槽。

该系统在稳定运行的条件下，燃烧室炉膛温度可控制在1100℃左右，烟气列管内的温度达850～950℃。当烟气列管温度为950℃时，通水蒸气气化所得的可燃气体组分为：H236.98%、CO 27.37%、CO220.78%、CH49.94%、其它4.93%，热值为11.31MJ／Nm3。

4.2 工艺特点

（1）系统供热采用生物质粉体燃烧技术，解决了垃圾外热式热解外加热源的难题，可以减少对煤或电等常规能源的依赖，向外多供煤气，增加系统的经济效益。

（2）热解过程中没有O2的参与，烟气中不含二噁英类物质。使用水蒸气为气化剂，生成的燃气中不含来源于空气的氮气，燃气热值高，而且能与热解残留下来的固定碳进一步反应生成CO和氢气，提高垃圾热解气化率。

（3）热解气采用管壳式水冷冷却器间接冷却，能大幅度减少废水的产生量，也有利于焦油的分离提取，有利于系统的后续处理。

5 结语

垃圾热解处理是垃圾气化处理的一种特殊的情况，在无氧或绝氧、不存在气化剂的环境下对垃圾进行热处理。城市生活垃圾的热解气化是新型的垃圾处理技术，它具有高效的能源利用率和良好的环保特性。结合垃圾热解气化技术，并利用生物质粉体外热式垃圾热解气化，所获得的可燃气体具有较高的热值。此工艺可以对垃圾进行稳定化无害化处理和资源化利用，有着广阔的发展前景。

［1］蒋剑春，戴伟娣，应 浩.城市垃圾气化试验研究初探［J］.可再生能源，2003（2）：14～17.

［2］王 华.二噁英零排放化城市生活垃圾焚烧技术［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［3］Jackson D V.Resources recovery，agricultural industrial and municipal waste management［M］.London：Mech Engr Pub Ltd，1992.

［4］Heek K H，Strobel B O，Wanzl W.Coal utilization processes and their application to waste recycling and biomass conversion［J］.Fuel，1994，73（7）：1135～1143.

［5］Groscarth H M，Almeida A De，Banen A，et al，Total costs and benefits of biomass in selected regions of the European Union［J］.Energy，2000，25（11）：1081～1095.

［6］Buah W K，Cunliffe A M，Williams P T.Process safetynd environmental protection［J］.Trans Cheme，Part B，2007，85（B5）：450～457.

［7］Galvagno S，Casu S，Casabianea T.Pyrolysis process for the treatment of scrap tyres：preliminary experimental results［J］.Waste Management，2002（22）：917～923.

［8］Islam M N，Beg M R A，Islam M R.Pyrlytic oil from fixed bed pyrolysis of municipal solid waste and its characterizaton ［J］.Renewable Energy，2005（30）：413～420.

［9］包向军，蔡九菊，罗光前，等.新型蓄热式城市垃圾裂解技术［J］.冶金能源，2003，22（3）：44～48.

［10］宋玉银.城市有机固体废弃物的裂解研究［J］.环境科学与技术，1992，10（3）：9～13.

［11］McKendry P.Energy production from biomass（part3）：gasification technologies［J］.Bioresource Tecnology，2002，83（1）：55～63.

［12］Maoyun H，Bo X，Shiming L，et al，Hydrogen-rich gas from catalytic steam gasification of municipal solid waste（MSW）：Influence of steam to MSW ratios and weight hourly space velocity on gas production and composition［J］.Int J Hydrogen Energy，2009（34）：2174～2183.

［13］Maoyun H，Bo X，Zhiquan H，Syngas production from catalytic gasification of waste polyethylene：Influence of temperature on gas yield and composition［J］，Int J Hydrogen Energy，2009（34）：1342～1348.

［14］刘荣厚.生物质能工程［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［15］Kwak T H，Maken S，Park W，et al，Environmental aspects of gasification of koreanmunicipal solid waste in a pilot plant［J］.Fuel，2006（85）：2012～2017.

［16］熊祖鸿，戴伟娣，吴创之，等.下吸式气化炉处理城市生活垃圾［J］.环境污染治理技术与设备，2005，6（8）：75～78.

［17］吴家正，闻 望，王宝生，等.城市生活垃圾原料性质对干馏及气化过程的影响［J］.同济大学学报，1989，17（1）：113～122.

［19］闻 望，魏敦松，庄永茂.城市生活垃圾气化制气的研究［J］.煤气与热力，1992，12（4）：4～7.