生活垃圾热解工艺现状

马明生， 李兴杰

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

0 引言

目前，机械炉排炉垃圾焚烧是世界各国普遍采用的生活垃圾处理技术。生活垃圾焚烧存在能量转化率低(13%～24%)，锅炉腐蚀严重和管束结焦的问题。并且生活垃圾组成复杂，焚烧过程中会产生大量有害气体(SOx、HCl、HF及NOx)、CO2温室气体及挥发性有机物(多环芳烃(PAH)、多氯联苯类(PCBs)及多氯代二恶英类物质)。

采用热解技术处置生活垃圾可以有效解决换热器腐蚀、结焦以及有害气体产生的问题[1]。热解处理规模可小型化，适用于小城镇及乡村生活垃圾处理[2]。热解过程中，反应器内为高温还原性气氛，可有效降低PCDD/F和NOx形成、焦油气化成小分子化合物，从根本上解决结焦问题。热解产出的气体大部分为可燃性气体，可广泛应用于工业炉窑加热、蒸汽发电及内燃机发电，亦可作为原料制取合成天然气[3]。

欧洲和日本在热解工艺和装备开发方面起步早，开发出了多种类型热解工艺，并实施了工程化应用。但热解工艺相对于焚烧工艺原料适应性差，对原料的含水率、无机物含量要求相对苛刻。本文叙述了生活垃圾热解工艺的原理和反应器的工作原理，并就几种热解工艺进行了对比。

1 工艺原理

1.1 反应机理

热解过程的基本原理是有机物质在加热过程中分解成固体碳、液体和气体以及水。反应机理如下：

CxHyOz+Q→固体碳+液态燃料+合成气+水

(1)

式(1)中的Q是热解过程消耗的热能，表示为：

Q=Q1+Q2+Q3

(2)

其中：Q1为物料的蒸发热，Q1=W×2 260 kJ/kg，W为物料的含水率。

Q2为热解耗热，表示为：

(3)

式(3)中，Cp,m、Cp,ch、Cp,v分别表示原料中干基物料、固体碳及挥发份的比热容， J/(kg-1·℃)；mM、mch及mp,v分别表示干基物料、固体碳及挥发份的质量分数，%。式中前三项为物料加热和热解过程所需热量，Qp为热解过程的反应热， J/kg。通常采用差示扫描热分析(DSC)或差热分析(DTA)测试并分析热解过程所需热能。

Q3为热解反应器热损失，J/kg。

1.2 生活垃圾热解工艺条件

生活垃圾组成复杂，由废纸、废纺织物、园林废物、餐厨垃圾、废塑料及少量金属、玻璃等多种废物组成。 其中废纸、废纺织物、废塑料和园林垃圾等物料由于热值高能够在热解过程中转化为燃料。餐厨垃圾含有大量水分，会增加热解过程能耗，因此应采取相应措施降低热解原料中餐厨垃圾含量[1]。

生活垃圾热解过程中，原料一般不经预热直接装入反应器中，经过逐步加热后达到预设温度进行热解。根据反应器所能提供的工艺条件，加热速率可表示为：

其中：HR为加热速率，℃/s；ΔT为反应器内壁与物料温度差，℃；α为反应器内热导率，W/(m·℃)；m为单位反应器壁面上物料质量，kg/m2；cp为物料的比热容，J/(kg·℃)。

由式(4)可知，热解过程中物料的加热速率主要由反应器类型所决定的。

大量试验研究表明，生活垃圾热解温度范围一般选取在300～900 ℃之间，其中在500～550 ℃范围内热解产物主要为液态燃料，温度高于700 ℃条件下热解产物主要为可燃气。由于生活垃圾组成复杂，热解过程中会产出多种大分子及小分子化合物，其中焦油和蜡质产物影响热解产物的品质；提高热解温度或延长保温时间，能够促进这类物质分解为小分子化合物，进而提高产物品质。考虑到能耗这一重要技术经济指标，因此需根据设定的热解产物组成选取适当的热解温度及保温时间工艺参数。

2 热解反应器

目前，已开发的热解反应器有回转窑式、流化床式、转鼓式、移动床式四类，其中回转窑式反应器及转鼓式反应器已应用于工程实践；流化床反应器及移动床式反应器尚处于实验室研究阶段。

德国是最早开展生活垃圾热解工艺开发的国家， 1983年在Burgau-Unterknöringen建成RWE-ConTherm工艺示范生产线。近30年来，世界各国相继开发了多种生活垃圾热解技术，并有多个技术实现了商业化应用，但从目前生活垃圾处置技术市场占有率来看，热解技术仍处于孵育期，尚未大范围应用。

热解工艺系统由热解装置、可燃气燃烧换热装置和蒸汽发电装置组成。一般来说，商业应用的热解工艺系统由原料预处理、热解装置、热解产物处理装置及烟气处理等子系统组成。

3 热解工艺

3.1 EDDITh工艺

EDDITh工艺，由法国Thide Enviroment S.A.公司和法国石油研究所联合开发，采用热空气干躁物料—外热回转窑热解—可燃气燃烧蒸汽发电技术处理生活垃圾，工艺流程如图1所示。

图1 EDDITh工艺流程

生活垃圾经干燥后含水率控制在10%左右；干燥物料经注塞泵推入热解炉，在450～550 ℃条件下热解产出可燃气和固体碳。生产实践表明，1EDDITh工艺流程t生活垃圾经过热解后可产出400 kg可燃气(热值为12 MJ/kg)和240 kg固体碳(热值为16 MJ/kg)。产出的可燃气部分用于热解炉加热，部分与固体碳经燃烧后发电。该工艺已投入工业化应用，其中代表性工程2003年建于法国Arras，年处理生活垃圾5万t。

3.2 热解- 粉煤燃烧联合工艺

上个世纪80年代开始，德国着手开发生活垃圾热解- 粉煤燃烧焚烧发电联合处理工艺，采用热解手段处理生活垃圾产出可燃气及焦炭，可燃物单独焚烧或作为燃煤锅炉燃料焚烧后通过蒸汽轮机发电。代表性工艺为PYROPLEQ和ConTherm工艺。

PYROPLEQ工艺由法国TECHNIP工程公司开发。该工艺采用外热式回转窑作为热解装置处理生活垃圾，热解温度为450～500 ℃。热解产出的可燃气作为燃料经燃烧后产生温度1 200 ℃的热烟气，部分热烟气作为热源加热回转窑，部分烟气经过余热锅炉换热后进行蒸汽发电。该工艺可处理生活垃圾、废塑料、焦化废渣及市政污泥等固体废物，在奥地利、德国、意大利、韩国及瑞士已商业化应用。

ConTherm工艺由德国RWE Energie AG公司开发，生活垃圾和废塑料分别破碎后混合作为原料，在回转窑进行热解处理。热处理制度为原料在500～500 ℃温度段停留1 h。热解可燃气送入燃煤锅炉燃烧，蒸汽轮机发电；收尘获取的焦粉作为原料配入粉煤中喷入燃煤锅炉燃烧。热解渣经过筛分及分选回收有价金属。该工艺应用于德国Hamm电厂，处理规模为10万t混合生活垃圾。

图2 ConTherm工艺流程

3.3 SIEMENS Schwel-Brenn工艺

SIMENS Schwel-Brenn工艺由生活垃圾热解碳化、可燃物燃烧和蒸汽发电三个工序组成。工艺流程如图3所示。

图3 SIEMENS Schwel-Brenn工艺流程

固废物料由螺旋给料器送入外热式热解装置，热解装置由内部可转动腔体和外部固定腔体组成，由热风炉产生的高温烟气为热解装置提供热源。物料在450 ℃缺氧条件下完成干燥和热解全过程，热解产物为可燃气、焦炭和炉渣。炉渣经过水淬后筛分处理，粗颗粒渣后续分选回收金属和非金属物料，细颗粒产物主要为含碳固体(>30%)。热解产出的可燃气和固体含碳物料在燃烧炉内混合燃烧，热烟气温度为1 300 ℃(空气过剩系数为1.2～1.3)，热烟气经余热锅炉热交换产出蒸汽并发电。根据测算，采用该工艺处理1 t生活垃圾可以产出550 kWh电能。

该工艺处理规模为200 kg/h的试验场于1988在德国Ulm-Wiblingen建成。1997年德国Furth建成了首条处理规模为10万t/a的示范工厂。日本三井造船株式会社在该工艺基础上开发了三井R21工艺，并从1994年开始先后在横滨、八女和国分建设了年处理8万t、7万t和7万t的生活垃圾热解生产线，运行至今。

3.4 我国生活垃圾热解技术现状

我国生活垃圾处理先后经历了无序填埋、集中填埋、洁净焚烧三个阶段，其中洁净焚烧技术是近20年来才开始逐渐发展起来[4]。上世纪80年代，我国农业固废处理领域开始了农村废物热解技术研究，但尚无应用的报道。近年来，国内研究机构开展了大量实验研究工作，对生活垃圾、污泥等城市固废和秸秆、废木材等农村固废热解机理进行系统研究，但只停留于实验室规模和放大实验规模，尚无商业应用的报道[5]。

相对于早在上世纪90年代已建成生活垃圾热解工业装置并运行的欧洲及日本，我国在此领域起步晚，且商业运行难度大，有报道称北京神雾集团在北京昌平建设了50 t的中试试验工厂，在河北霸州建设的200 t规模的示范样板工程现处于试运行阶段。

我国生活垃圾热解技术发展缓慢，落地难的原因，笔者认为有如下几个方面：

(1)生活垃圾热值低，在我国城市生活垃圾属于多组成的混合垃圾，有机质含量低，无机物(水、无机盐)含量高[6]，采用热解手段很难实现热平衡，而且由于垃圾组成不稳定，产出的热解气热值不稳定且可燃气组成波动大。

(2)热解工艺系统较机械炉排焚烧系统复杂，热解产物为可燃性气体，存在诸多安全隐患，需要结合区域生活垃圾组成特点，在摸索并掌握工艺参数基础上才能有效开展工业应用[7]。

4 结论

(1)热解技术由于采用隔绝氧气外加热方式处理生活垃圾，可大幅度降低有害气体(NOx、SOx、PCDDs、VOCs)的产生。

(2)热解装置有回转窑式、流化床式、固定床式三种类型，回转窑是目前唯一应用于工程实践的装置，其他两类主要应用于科学研究领域。

(3)欧洲及日本在上世纪80年代开始生活垃圾热解工艺及系统装置的研究工作，开发了多种工艺方案并应用于工程实践。我国在此领域起步晚。