城市生物质垃圾燃气化及预处理工艺、设备研究

李宇宸，梁德栋

（1.北京中环博宏环境资源科技有限公司，北京 100102；2.北京北控京奥建设有限公司，北京 102115）

近年来，随着城市化水平的不断提升，城市气源不足问题日益成为影响市民生产生活的重要因素。2017年12月15日至20日，环境保护部派出2 000多人组成的839个工作组，对京津冀及周边的“2+26”城市的“煤改气”“煤改电”进行拉网式检查后，发现一些地方存在气源不足引发市民取暖困难的问题[1]。积极开发和利用生物质能源，对缓解能源短缺、保障国家能源安全和实现节能减排目标具有重大意义。

近年来，随着居民生活水平的提高，固体废物产生量超过了70亿t，60%以上是生物质废物，其中，15亿t的生物质废物处于无控排放状态，城市生物质废物带来的环境问题亟待解决。生物质燃气是将生物质废物处理转化为可再生能源和资源，体现了减排和清洁效应，在缓解能源不足问题的同时，也解决了环境污染问题。目前，瑞典、丹麦、奥地利、德国和美国的生物质气化技术处于世界领先水平，实现了生物质气化的商业化应用和规模化经营。我国的生物质气化主要由气化发电和农村气化供气组成。随着近年来的探索和应用，我国的生物质气化发电正朝着产业规模化方向发展，但也存在气化效率偏低、燃气质量和气化设备的燃料适应性较差等问题[2]。

1　国内外生物质燃气化技术现状

城市生物质气化在世界范围内都得到了广泛的应用，也取得了很大成就。生物质气化设备规模较大，自动化程度高，工艺复杂，生物质气化主要应用于供热、发电和合成液体燃料方面，气化炉和示范工厂也达到了商业应用标准。

1.1　国外生物质燃气化技术现状

瑞典、丹麦、奥地利、美国以及加拿大等国的生物质燃气化技术已经处于世界领先水平，实现商业化应用和规模化经营。20世纪80年代末90年代初，欧洲和美国的生物质燃气化技术主要采取上吸式和下吸式固定床气化炉实现发电和供热需要，但应用规模较小。近年来，随着生物质燃气化规模越来越大，大中型气化发电系统多采用常压循环流化床工艺，原料的适应性好，在生物质燃气化技术研究和应用方面建立了一批示范或商业工程，如表1所示[3]。

表1　国外典型气化工艺及应用

从国外生物质燃气化的发展和应用现状来看，生物质气化混合燃烧技术应用于煤电厂，将生物质气化获取的可燃气体输送到锅炉，并与煤混燃，实现生物质燃气化的商业运行。

1.2　国内生物质燃气化技术现状

目前，我国生物质气化已经解决了一些关键性技术，并应用于气化发电和气化供气。其中，气化燃气工业锅炉/窑炉应用、干馏气化，以及其他技术都还处于起步阶段。气化供气和气化工业应用技术方面取得了一定成就，开发出了木屑、稻壳、秸秆等生物质为原料的固定床和流化床气化炉，并成功研制出从400 kWe到10 MWe的不同规格气化发电装置。此外，应用生物质气化技术建设集中供气系统满足居民炊事和采暖用气也都投入实际应用中。1994年，山东省桓台县东潘村建成我国第一个生物质气化集中供气。随后，北京、天津、黑龙江、吉林等地陆续推广和应用生物质气化技术。常州运达印染、珠海丽珠合成制药以及深圳华美钢铁等都实现了生物质气化燃气工业锅炉和窑炉的实际应用。

与燃煤相比，生物质燃气能源的单位热量成本高，但明显低于天然气、燃料油等化石能源单位热量成本。应用城市生物质垃圾进行气化应用，能够有效缓解城市生物质垃圾污染的现实压力，变废为宝，实现资源的再生利用。此外，生物质气化符合城市生物质资源相对集中特点，具有较强的实际应用价值和市场发展前景。

2　城市生物质垃圾燃气化预处理技术

近年来，厌氧消化技术取得了长足发展，尤其一些基于细胞固定化技术的新型高效厌氧反应器在高浓度有机废水处理领域取得了良好的应用效果。但是，城市生物质垃圾具有高固体含量、固液分离效果差等特点，需要先对生物质垃圾实施改性预处理，以改善其流动性、固液分离特性，使有机物从固相向液相转移，并利用新型高效基质截留型高固体厌氧反应器，实现消化过程固体基质停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）有效分离，从而提升厌氧消化系统的有机负荷率和消化效率，如图1所示。其中，物理法预处理主要是通过改变生物质原料物理结构以增加纤维素与酶接触的表面积，从而提升生物质中纤维素的利用率。常见的物理法预处理主要有机械粉碎、物理-化学法（如水热预处理工艺）。

2.1　机械破碎预处理工艺

采取非均相复杂固态/半固态物料的预处理技术，从而保障厌氧消化的进料质量，结合有机固体的强化水解技术，进一步促进有机固体的溶解，提升城市生物质物料的生化降解效果。

图1　城市生物质垃圾燃气化工艺流程

城市垃圾生物质具有非均相复杂固态/半固态特性，采用“研磨机+锤式粉碎机”两级破碎工艺，先对生物质废物进行研磨破碎，待破碎后再通过锤式粉碎机粉碎浆化。这样可以使生物质废物体积减少，并具有一定的流动性，从而为下一步水热处理奠定基础。

2.2　水热预处理工艺及影响因素分析

城市生物质垃圾主要包括餐厨垃圾、果蔬垃圾、市政污泥等固相有机物质，通过水热预处理的热作用打破固相有机物的细胞结构，实现固相有机物水解。水热预处理后，将生物质溶解率、黏度、固液分离性等多项理化性质作为评价指标，探讨水热条件在城市生物垃圾预处理中的特点和规律。其中，水解率用来描述预处理过程中固相有机物的水解效果。VSS水解率、蛋白质水解率、多糖水解率及纤维水解率均可以采用式（1）计算：

式中，SA为水解率，%；A0为原始有机物含量，g/kg；A为预处理后有机物含量，g/kg。

2.2.1水热条件对固相有机物溶解影响

用VSS浓度表示城市生物质废物中固相有机物含量。其中，VSS水解率可以用来评价物料中固体有机物的水解液化程度。不同水热温度及水热时间条件下生物质垃圾VSS水解率呈现出不同的变化特点：随着水热温度升高和水热时间延长，污泥的VSS水解率提升，在170℃/60 min时，VSS水解率达到60%，大部分固相有机物转移为液相；而餐厨和果蔬的水热温度为150℃时，VSS浓度变化不大，VSS水解率低于20%，此时水解作用不明显，而当水热温度达到175℃时，VSS水解率会随着反应时间延长而提升，在反应时间为60 min时达到60%，此时大部分有机物转移为液相。

在热水解的过程中，固体有机物随着液化水解，液相中的溶解性COD（SCOD）浓度会逐渐增加，在总COD（TCOD）中的占比也逐渐增加，并随着生物质垃圾中有机物溶解和水解，固相中有机物会逐渐转移为液相，液相中SCOD浓度增加。污泥中SCOD随水热温度和水热时间增加而增加，CSOD/TCOD最高为45%；餐厨/果蔬垃圾，水热温度为150℃时，SCOD浓度和原始物料相差不大，当水热温度为175℃时，SCOD浓度随着时间延长而逐渐升高，反应时间为60 min时达到129.54 g/L的最高值，此时SCOD/TCOD为71.62%，大部分有机物会以液相存在，有利于提升后续厌氧消化速率。

2.2.2水热预处理对生物质垃圾理化性质影响

在优化水热条件下（175℃/60 min），以厨余垃圾、果蔬垃圾和市政污泥为研究对象，对城市生物质垃圾水热前后的理化性质进行进一步的分析。在水热前后，分析城市生物质废物溶解性有机物的分子量分布，对于未水热的城市生物质废物，溶解性有机物在各分子量阶段基本呈平均分布，水热后MW＞10 kDa的大分子有机物的浓度明显增加。水热后，餐厨垃圾、果蔬垃圾以及市政污泥中MW＞10 kDa的溶解性糖类分别占总溶解性糖的76.7%、81.4%和83.2%；MW＞10 kDa的溶解性蛋白质分别占总溶解性蛋白质的73.1%、81.5%和87.1%。生物质废物中分子量＞300 kDa的有机物主要为多糖或多肽等，因此，水热后大分子溶解性有机物含量的增加证明水热预处理能够促进颗粒有机物的水解。此外，水热预处理能够破坏生物质废物的细胞结构，促进胞内有机物的释放。

2.2.3水热预处理对生物质垃圾工程特性影响

在水热过程中，固体有机物的水解液化能够有效改善生物质垃圾的黏度，改善生物质垃圾的脱水性。在优化水热条件下（175℃/60 min）下，生物质垃圾的黏度明显改善，如表2所示。黏度是厌氧消化系统设计和运行的主要经济技术指标，黏度降低能够显著改善流动性，城市生物质废物在输送过程中系统的受阻力和物料搅拌所需动力会减少，从而降低设备的能耗。

表2　水热前后城市生物质垃圾黏度变化

在优化水热条件下（175℃/60 min）下，采用压滤法测试水热前后城市生物质的脱水性能，对于压滤装置，压滤条件为1 MPa/40 min。经计算，餐厨垃圾、果蔬垃圾、市政污泥压滤后，其泥饼含水率分别为66.5%、68.1%和80.0%，水热后其泥饼的含水率分别为46.7%、55.1%和60.4%，水热过程有效地提高了物料的脱水性能，生物质的黏度明显降低，物料脱水性能也得到明显的改善。

3　城市生物质垃圾燃气化预处理设备

3.1　城市生物质垃圾破碎系统设备

针对城市生物质垃圾的物料特性，对其经过预处理系统进行破碎后的效果进行粒径分布研究，选择了三种尺寸的筛网（10 mm×10 mm、5 mm×5 mm、3 mm×3 mm），一定量的物料破碎后按孔径从大到小过筛称重计算比例，得到破碎后物料颗粒的粒径分布百分比。分别对物料经过一级破碎和两种二级破碎后的粒径分布进行过筛，按照先大尺寸过筛，筛上物称重，筛下物再进行下一尺寸过筛，如此继续。

图2　预处理破碎系统的物料破碎粒径分布

由图2可知，经过辊式的一级破碎后，物料大部分在5 mm以上，其中10 mm以上的比例最大，占40%；而辊式的二级破碎后大部分物料粒径仍在3 mm以上，其中有30%集中在5～10 mm；破碎效果最佳的一级辊式+二级锤式破碎工艺可使3 mm以下的物料达到85%。

3.2　水热强化水解预处理设备设计

为促进水热强化水解预处理工艺的顺利开展，试验时开发建设了水热闪蒸设备，对生物质废物进行水热闪蒸强化水解处理。其设备应用原理为：破碎浆化后的城市生物质废料通过压缩空气进入水热反应器中，每个水热反应器都经过了“进料+一次蒸汽加热+原蒸汽加热+水热反应+一次闪蒸+二次闪蒸+出料”七个步骤，然后进入储料罐，为后期的生物质燃气化做好准备。

水热强化水解预处理设备主要是由间歇式污泥浆化反应器、间歇式水热反应器、控制单元设备以及污泥水热系统工艺组成的优化组合[4]。其中，水热浆化反应器的设计开发，针对强制搅拌、加热与稀释作用，都能降低城市生物质废物的黏度，提高系统能稳定输送的固体浓度，水热浆化反应器采用闪蒸乏汽返混预热浆化、蒸汽与机械协同搅拌，浆化反应器采用单层、高速机械搅拌，利用污泥剪切稀化特性，达到改善物质废物流动性效果。水热反应器应采用塔式无搅拌装置，选择长径比大、裙座，具备运行稳定、占地面积小等优势。

4　结语

生物质预处理技术是热解前期的重要基础性步骤，既有物理法、化学法，也有物理-化学法。不同的预处理方式对生物质化学组分、结构不同程度的改变，使其在热解过程中和热解产物分布上有所差异。在研究预处理方法来提高生物质热解效率时，人们既要考虑工艺技术的成熟稳定性，也要考虑实际应用效果。生物质预处理的研究还需要重点做好以下几方面。

一是加大城市生物质垃圾的预处理效率和设备简易化研究，做好成本控制；二是除了物理法（如粉碎、干燥等）外，还要深入分析化学法（如脱灰、添加金属盐、有机溶剂以及离子液体等预处理技术）、物理-化学法（如蒸汽爆破、烘焙、水热等预处理技术）、生物法等预处理技术的作用机理及其对生物热解特性产生的影响，以不断完善现有预处理方法；三是研究多学科交叉技术，积极探索新的生物质垃圾预处理技术，使生物质热解反应朝预期的控制方向发展，提高生物质热解速率，获得更多目标产物。