城市生活垃圾无氧热裂解转化技术的展望

陶邦彦,潘卫国,陈鸽飞

(1.上海发电设备成套设计研究院,上海200240； 2.上海电力学院,上海200090；3.上海弘和环保科技有限公司,上海200434)

城市生活垃圾无氧热裂解转化技术的展望

陶邦彦1,潘卫国2,陈鸽飞3

(1.上海发电设备成套设计研究院,上海200240； 2.上海电力学院,上海200090；3.上海弘和环保科技有限公司,上海200434)

为解决城市生活垃圾减量化、无害化、资源化,采用无氧热裂解转化技术,并在100 t/d生活垃圾(生物质)模块示范装置上实践。结果表明：该技术可直接消纳不经过分选的生活垃圾,没有废气、污水和二次污染,但可转化为可燃气、裂化油、碳和电资源的运行效果。

生物质；垃圾处理；无氧热裂解；产业化

三十多年来,随着我国国民经济的持续发展,加快了城镇化建设,于是城市生活垃圾产出量剧增,而处理城市垃圾的环保技术与装备的发展远远跟不上城市“垃圾围城”的速度。

寻找无害化处理城市生活垃圾方式,将城市生活垃圾以及农业、林业等各类有机废弃物转化为有资源价值的油、气、炭,实现零污染、零排放是环保工作者追求的目标。城市生活垃圾无氧热裂解气化处理装置及其工艺技术［1］经过100 t/d生活垃圾(生物质)处理模块示范装置的运行实践,证实这正是城镇化建设中的新技术、新装备。

1 垃圾处理中存在的问题

目前城市生活垃圾处理技术中存在的问题［2］有：

(1)堆肥。堆肥是最早处理垃圾的一种办法,使部分垃圾变成可利用的肥料,但仅适用于小规模生活垃圾量的处理,且这种转化肥料对土壤的盐化危险可能更大。

(2)生物填埋发酵腐烂气化技术。该技术属填埋处理方式,通过生物菌类长时期腐烂垃圾,实现消纳。由于处理简单、费用低而被广泛应用,但垃圾转化仅限于生物质有机物,产生的沼气、渗滤液、残渣等污染物渗透土壤、污染地下水和空气,且占用大量土地。

(3)氧化(焚烧)分解技术。焚烧处理为目前生活垃圾减量化的主要手段。垃圾焚烧发电装备的引进、国产化装备的推广,缓解了垃圾的处理,在一定程度上实现低效的资源化；但是仍存在二次污染的问题,投资和运行成本昂贵。

(4)不完全氧化(贫氧)热解气化技术。国外城市生活垃圾的气化热解技术与装备,费用昂贵。国内采用的生活垃圾干馏技术和装备,仅局限于小容量的危险品处理处置。

用于生物质的热裂解技术是当前生物质能研究的前沿技术,也是国内研究的重点。根据反应温度和加热速度的不同,生物质热解工艺可分为慢速、常规、快速或集中闪速。低于600℃的中等温度及中等反应速率(0.1～1℃/s)的常规热裂解可制成一定比例的气体、液体和固体产品；快速热裂解大致在10～200℃/s的升温速率,小于5 s的气体停留时间；闪速热裂解相比于快速热裂解的反应条件更为严格,气体停留时间通常小于1 s,升温速率要求大于100℃/s,并以相同的冷却速率对产物进行快速冷却。

生物质原料在缺氧的条件下,被快速加热到较高反应温度,从而引发了大分子的分解,产生了小分子气体和可凝结性挥发分以及少量焦炭产物。通过快速或闪速热裂解方式制得气态生物油,经快速冷却凝结成深棕色或深黑色液体生物油或焦油,并有刺激性的焦味。

在生物质热裂解的各种工艺中,一般认为在常压下的快速热裂解是生产液体燃料的最为经济的方法。

其工艺流程为：原料干燥、粉碎→快速热裂解反应→分离炭和灰→液体的收集。

虽然贫氧裂解研究取得了进步,但要处理大规模的城市生活垃圾,似乎鞭长莫及,且设备控制要求高。

显然,贫氧裂解还原技术具有很大的发展前景,资源转化度高,影响环境小,但仅限于生物质,不适应日产量大、地域分布广的城市生活垃圾处理。

2 无氧热裂解转化处理技术

我国自主研发的城市生活垃圾无氧热裂解转化处理技术在上海金山生活垃圾处理示范基地100 t/d装置上成功地处理了数千吨垃圾,其工艺技术的合理性和成熟性得到了充分证明。

2.1 工作原理

该技术模仿自然界石油、煤炭、天然气的形成过程,建立还原的逆反应过程。在适当反应温度、时间、键激活和还原环境条件下,使各类有机物质大分子裂解转化成基本小分子；在无氧、还原剂的条件下,实现将生物质从“碳水”转化为“碳氢”的工程化的突变；将这些物质按其物理性质分类收集,获得“油、气、炭”类资源物质。

2.2 工艺流程

垃圾处理前无需分拣(除大尺寸东西外),送入垃圾储存仓,由齿状刮条将垃圾分批间断地送入输送带,由输送带通向裂解的反应釜。整个工艺流程见图1。

图1 城市生活垃圾无氧裂解工艺流程

垃圾工厂配置计算机集中控制系统、内燃机发电系统、气油水收集和分配系统、碳渣系统、生产水和曝气水池系统以及洁净可燃气储气罐等。生产过程中可实现动力源自给自足,无需外界提供工业用水、电能；生产过程中没有新生有害物,即无废气、废液、废物等排放污染物。

2.3 工艺特性

一个示范性生产装置,可连续自动运行,每天消纳垃圾100 t,一年可消纳垃圾约3万t。

2.3.1 工艺优点

(1)不产生有毒有害物质,即零排放。

(2)零能耗(自用垃圾产生的可燃气供热、发电,多余电可输出)。

(3)多联产(可燃气、油、水、碳粉及铺路渣等)。

每吨生活垃圾可转化出裂化油约10～30 kg、生物炭100～150 kg、可燃气100～120 m3,其中油的热值约4.18×104kJ/kg以上,炭的热值约8 360～12 540 kJ/kg。

2.3.2 设备运行特点

(1)模仿人体肠胃的“蠕动”方式,传送并消化生活垃圾。

(2)装置内采用非均向加热,完成裂解转化过程。

(3)解决工业用水问题,将垃圾本身携带的水分在处理过程中消毒、蒸馏,供处理厂循环使用。

(4)运用隔氧技术,解决了装置自身的安全问题。

整个生产过程已经实现计算机控制下的连续生产运行,设计过程全程监控,裂化油自动分离收集。

系统运行只要有垃圾,产生的可燃气体直接引回反应釜,作为处理垃圾的能源。在垃圾热值较高时,系统所用电、水都可自已补给；而燃料油和炭粒可供应市场,或用作锅炉、炉窑的能源,比现有设备运营费用低约50%。

2.3.3 主要创新特色

(1)设计理念创新。

通过工艺优化组合,将生产过程中生成的废气、废水等用自力密闭再循环的方式自我消化利用,既较好地解决生产的物耗及能耗的问题,又杜绝生产过程对环境的有害排放。

(2)开辟“化垃圾为资源”的创新路径。

城市生活垃圾→(无氧热裂解工艺)→可燃气、油、炭及无毒固体。

(3)生态环境的创新。

垃圾处理没有排烟烟囱,排出的沙砾金属无毒无害,循环回用的处理水除炭黑颗粒外无油垢污泥,无臭味,利用自然曝气沉淀,使工厂环境变成湿地绿洲,彻底改变垃圾处理“气臭、水污、房脏、灰毒、易爆”的状况。

3 100 t/d示范装置

在100 t/d示范装置上应用无氧热裂解转化处理技术,其工艺流程为：

(1)进料端：工厂之内设置一个垃圾车运隧道,垃圾进入4×25 t/d料仓。

(2)处理端：设4个可燃气加热的反应釜,每个反应釜由减速电机驱动绞龙,以蠕动方式运送物料,不断推向下游釜。料仓内垃圾为当天或前天送来的新鲜垃圾,没有经过发酵,所以料仓内不产生渗滤水；工艺分离水以及系统清扫水利用人工湿地沉淀循环使用。整个系统为无氧中温裂解工艺,不产生氧化反应,只有还原反应过程,在大分子链节处催化激活,使之断裂成小分子的气、油、炭、水。

(3)输出端：垃圾的最后产物,除断裂的小分子物质外,还有未反应的少量沙砾金属类,通过捞渣机排出系统,集中堆放搬运,供回收金属。工艺过程产出的可燃气作为延续反应的能源,加热垃圾反应釜；内燃机发出的电能供驱动机械的马达和照明。

(4)物流：分离后的细颗粒焦炭袋装出厂；油从管道输送；可燃气进储气罐,供应内燃机和反应釜；垃圾中的水分补充裂解反应。整个系统按照系统反应的气体组分,设定报警运行上下限,集中控制,不足者补充组分,使用的催化剂也来自工业垃圾,使之混合生活垃圾进行持续的催化作用。当垃圾热值大于5 650 kJ/kg时,多余的可燃气可供内燃气发电机组发电。

(5)设备启动、运行：一般情况,设备启动需要5～6 h,垃圾从进料到产品输出约3 h。

4 产业化应用前景

4.1 工程项目

2012年,广西灵山“城市生活绿岛”工程暨中国首家“垃圾变油炭气”项目开工,但受资金面影响而顺延至今。

当时的项目设计指标为：

(1)参考的设计指标。

设置2条生产线,日处理垃圾能力＞200 t/d,年处理垃圾能力达7万t；占地面积约为33 300 m2。标准型“绿岛”的建设期为10个月。

项目投资总额为1.5亿元人民币。

总成本费用约为1 896万元/年,其中固资折旧费用为675万元/年,经营成本约为456万元/年,税收765万元/年。每吨垃圾处理的全部成本约为161.6元；若不计固资折旧费用,其操作成本仅为65.1元。

(2)经济性比较。

以200 t/d模块化设计为单位,占地面积约为33 300 m2；若垃圾处理规模2 000 t/d,仅需用地不到133 000 m2。

与其他处理方式相比,经济优势明显：①与填埋法相比,除了环保优势外,占用土地少,可持续处理垃圾；②与焚烧法和干馏法相比,建设与运营费用低,其运行成本约为焚烧法的50%,且多联产和碳税的经济性更为显著。

4.2 环保

无氧热裂解转化技术不产生污染,没有烟囱废气,没有废污水,更无二口恶英等有毒有害物,实现零排放、零污染。

4.3 运行可靠性

配置机械设备采用速度低、温度低的运行条件,有利于延长设备使用寿命。由于还原反应,系统不产生腐蚀性现象,确保设备安全可靠。

4.4 装备产业化

模块化装备的最小容量为200 t/d,既解决城市生活垃圾就地消纳,减少垃圾运输成本；又不影响周边的生态环境和社区居民的生活。

按照我国2012年地县级行政区划分,乡、镇共计有40 446个。由此可见,模块化装备的需求量非常大。

5 结语

通过100 t/d生活垃圾模块装置的示范效应,显示出无氧热裂解转化技术的强大生命力,尤其在城镇化文明建设中,大力推广无氧热裂解转化技术的产业化,能大大提高我国城市生活垃圾无害化、资源化处理。

［1］陈鸽飞,钱雨霖.一种城市生活垃圾无氧热裂解气化处理装置及其工艺技术：中国,200810202669.3［P］.2009-06-17.

［2］陶邦彦.热电工程与环保［M］.北京：中国电力出版社,2009.

Discussion on Anaerobic Pyrolysis Technology of Municipal Solid Wastes

Tao Bangyan1,Pan Weiguo2,Chen Gefei3
(1.Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China；2.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200290,China；3.Shanghai Honghoo Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200434,China)

To reduce,recycle and reuse the municipal solid wastes(MSWs),an anaerobic pyrolysis technology was developed for the MSW treatment and dumping,which was applied in a 100 t/d demonstration apparatus.Results show that combustible gas,cracked residue,carbon and electric energy were produced in the process,without generation of waste gas,polluted water and secondary pollution,etc.

biomass；waste incineration；anaerobic pyrolysis；industrialization

X705

A

1671-086X(2015)03-0231-03

2014-10-27

陶邦彦(1946-),男,高级工程师,长期从事火电厂环保技术的试验研究。

E-mail：taobangan@163.com