城市生活垃圾制气技术研究

韩景超 王正发 刘双龙

摘要：城市生活垃圾的处理已成为困扰城市发展的一个严重问题，但城市生活垃圾也是一种可利用的资源，且利用价值很高。本文主要概述了我国城市生活垃圾处理现状及传统垃圾处理方式的特点，重点介绍了国内外城市生活垃圾制气技术进展，为城市生活垃圾减量化、无害化、资源化综合处理提供指导。

关键词：城市生活垃圾;制气技术;厌氧消化;热解气化

中图分类号：X384 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）12-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.032

Research on gasification technology of municipal solid waste

Han Jingchao，Wang Zhengfa，Liu Shuanglong

（Powerchina Eco-environmental Group Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518102，China）

Abstract：The treatment of municipal solid waste （MSW） has become a serious problem which has troubled the urban development. However MSW is also an available resource and its utilization value is very high.This paper summarizes the present situation and traditional treatment approach of MSW in China，introduces mainly the development of gasification technology of MSW at home and abroad， and the feasibility of the application of gasification technology is analysed to provide guidance for reduction， harmless and recycling treatment of MSW.

Key words：Municipal solid waste;Gasification technology;Anaerobic digestion;Pyrolysis gasification

隨着城市化进程的不断加快，城市生活垃圾数量急剧上升，其造成的环境污染已成为各国所共同面临的问题，“垃圾围城”已成为亟待解决的城市顽疾之一，对其无害化处理和资源化利用已成为促进经济和生态环境达到可持续发展的重要措施之一[1]。目前，我国传统垃圾处理方式以填埋为主、堆肥和焚烧为辅[2]，但三种处理方式各有优劣，已不能满足日益增长且复杂的城市垃圾处理要求。因此，探索适合我国城市生活垃圾特性并效果显著的新型垃圾处理技术，对于解决我国日益严峻的垃圾处理问题尤为重要，能够合理确定生活垃圾处理的技术发展路线，为城市环境卫生规划和政府在环卫上的投资方向，以及各级领导决策作参考，为城市生活垃圾资源化、无害化处理提供指导。

1 我国城市生活垃圾处理现状

城市生活垃圾是指城市居民在日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物质[3]。随着我国经济高速发展，城市化进程不断加快，垃圾产生量与日俱增，处理处置问题日益严峻。据统计，全国城市生活垃圾的累积堆存量已达到70亿t，占地面积80多万亩，且以每年8%～10%的速度持续增长[4]。目前，我国600多座大中城市中，已有2/3陷入垃圾包围之中，“垃圾围城”已经成为严重的社会问题，严重影响我国城市居住环境，制约着我国经济和社会可持续发展。

我国的垃圾在源头基本没有实行分类收集，而是混合收集和混合运输，处理方式上主要以填埋为主，堆肥和焚烧为辅。根据2012-2016年的中国统计年鉴可知，我国城市生活垃圾卫生填埋比例在逐年递减，焚烧比例在逐年递增。2015年全国生活垃圾卫生填埋占比为63.7%，焚烧占比34.3%，其他方式占比为2.0%，见图1。

鉴于单一的垃圾处理工艺不能满足混合收集生活垃圾的处理需要，生活垃圾综合处理工艺已成为国内外研究的热点，而生物垃圾综合处理工艺主要的技术是机械生物处理技术。本文主要从定义、适用对象、减量化效果、资源化效果、技术优势、技术缺陷等方面，对卫生填埋、堆肥、焚烧和机械生物处理技术4种处理方式进行对比，见表1。

2 城市生活垃圾制气技术研究

通过以上分析可知，卫生填埋操作简单、技术成熟，但占地面积大，容易滋生病菌;堆肥成本低廉，能改良土壤，但处理周期长、肥效低;焚烧减量减容明显、适用性广，但存在二噁英、重金属污染等问题;机械生物处理技术可作为生活垃圾预处理技术提高垃圾处置效率，但在我国目前还未大规模化应用及推广，因此，为解决日益严峻的垃圾问题，有必要寻找适应社会发展的新的替代技术。垃圾制气技术便应运而生，比较成熟的技术主要有厌氧消化制气和热解气化制气，特别是热解气化制气以其控污效果好、减量减容明显、资源回收利用率高，被誉为最为行之有效的垃圾处理方式，是焚烧最具潜力的替代技术之一[1]。

2.1 厌氧消化制气

2.1.1 工作原理

厌氧消化制气是指在无氧条件下，垃圾中的有机物在厌氧菌作用下转化为甲烷的生物化学过程。在消化过程中，大分子有机物被降解，转化为简单、稳定的物质，同时释放能量，最终转化为甲烷和二氧化碳，还有少量的NH3、H2、H2S、N2。厌氧消化制气过程可分为4个阶段：水解阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段[5]。

2.1.2 主要工艺

厌氧消化制气在国外已得到广泛应用，据统计，截止到目前已有100多家垃圾处理厂采用厌氧消化工艺，并且年处理能力都在2 500t以上，主要分布在德国、丹麦、澳大利亚等国家。典型工艺包括VALORGA干法厌氧消化工艺、BRV干法厌氧消化工艺、Kompogas工艺等，典型工艺主要技术对比见表2。

2.1.3 应用情况

厌氧消化制气技术在国外应用已相当广泛，在日本有机垃圾的厌氧消化处理成为有机垃圾处理的一种新的趋势;在美国，目前较为成熟的厌氧消化系统日处理能力为100t左右，可产生12 000m3左右的生物气体、25t优质有机肥;由于沼气发电受到上网和电力需求、电价等的限制，欧洲国家对生物气体进行净化处理，提高甲烷含量，利用沼气发电机发电或净化处理后加压装罐，生产天然气汽车燃料，也可接入城市燃气管网用于民用燃气，提高其利用附加值[6]。

国内厌氧消化技术起步较晚，最近20多年才有较大发展，主要集中在高浓度有机废水处理、污泥消化、粪便处理等，城市生活垃圾厌氧制气还处于初始阶段，但与国外相比在垃圾的收集和分类意识、技术以及设备等方面都有不小差距。其中北京董村分类垃圾综合处理厂采用多项国际先进的垃圾厌氧消化处理技术，利用垃圾经厌氧消化处理后产生沼气发电，其中干式厌氧处理生活垃圾380t/d，湿式厌氧处理生活垃圾400t/d，具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。深圳市下坪生活垃圾填埋气制取天然气项目于2014年开始建设，是目前国内建成的最大的生活垃圾填埋气制取天然气项目，已收集填埋气总量超过3.5亿m3，为国内填埋场填埋气的利用和节能减排提供了典型示范，项目的成功实施将成为中国填埋气制取天然气的标杆。

2.2 热解气化制气

2.2.1 工作原理

热解气化制气是指通过一个特殊设计的专用反应器—气化炉，把城市废弃物转化成一种可燃的混合气体和无害的惰性灰渣（只占原废弃物重量的15%，减重量主要取决于垃圾中无机物含量），产生的气体可用于发电或其他的清洁能源。气化炉内反应过程大致可分为4个区域[7]，其主要反应过程如图3所示。

2.2.2 主要工艺

热解气化制气技术作为一种新型的垃圾减量化、无害化、资源化技术，在发达国家得到了迅速发展，技术日趋成熟。典型工艺有固定床气化工艺、流化床气化工艺、回转窑气化工艺等[8]，主要技术对比见表3。

2.2.3 应用情况

热解气化制气技术是在垃圾焚烧技术的基础之上进行升级改造，形成的一种新型垃圾资源化处理技术，已经被欧美发达国家应用到商业中。20世纪70年代，美国将《固体废物法》改为《资源再生法》，鼓励从垃圾中回收燃料油和可燃气。与常规的垃圾处理方法相比，垃圾气化具有能源回收率高、二次污染小、烟气量小、后处理设备简单，且气化与熔融技术的结合使得在对垃圾的有机成分加以利用的同时，可对无机成分进行稳定化、无害化和资源化利用，从而根本上解决了二噁英和重金属等二次污染问题，有着广阔的发展前景。但国外发达国家研发的气化技术主要是针对本国热值高、有效分类的垃圾特点，在不添加辅助燃料并用空气助燃的情况下，一般要求生活垃圾的热值高于6 500kJ/kg，而我国城市生活垃圾热值普遍在4 000kJ/kg左右，因此，国外研发的垃圾气化技术并不完全适合我国垃圾高水分、低热值和未有效分类的特点[1]。

我国垃圾气化方面研究还处于初级阶段，部分大学和研究院已成功研制出了几种垃圾气化处理技术，但偏重机理和基础性研究，不能真正投入到实际应用。

据相关报道，北京宝能科技有限公司已成功突破热解技术的世界性难题，在实现热解装置低成本、高效、大容量连续性运转的基础上，将其应用于城市垃圾分级热解气化，废塑料热解制油，褐煤长焰煤热解提质等项目中，其中城市垃圾分级热解气化技术为公司自主知识产权，相较引进国外技术，投资大幅减少，垃圾热解气化经高温熔融分离后产生的灰渣可回收利用，作为建筑材料或冶金工业添加剂，真正实现无污染、无排放、具有极佳的环保、经济、社会效益。

3 结语

生活垃圾处理已成为困扰城市发展的一个严重问题，也是与民生问题息息相关的一个问题。由于我国饮食习惯的特点及垃圾长期未实行源头分类等问题，造成传统的垃圾处理方式隐藏着严重的社会风险。特别是垃圾焚烧是目前较为流行的垃圾减量化处理技术，但是多地发生过居民抗议垃圾焚烧发电项目事件（即邻避性事件），因此，在推广垃圾焚烧项目时应紧跟环保政策要求，完成“装、树、联”任务，监控并公开污染排放信息，接受群众监督，便于环保部门执法监管，解决项目落地难问题。在完善和改进传统垃圾处理技术的同时，加快推广引进垃圾处理资源化利用新技术，如厌氧消化制气技术和热解气化制气技术;积极探索MBT与垃圾处理技术的有机结合，创新“MBT+”技術模式，切实提高垃圾资源化水平，增强城市生活垃圾科学治理能力。

为保障新技术推广应用，我国应制定出台相应的政策措施，加大科研服务力度，结合我国城市生活垃圾特点，提高生活垃圾处理技术的适用性和技术水平;从源头入手控制和减少垃圾产生量，探索建立包装物强制回收制度;加强垃圾分类宣传和后端管理，提高垃圾资源化利用水平;开发拥有自主知识产权、适合我国垃圾特点的技术和设备等。通过多环节系统化的“组合拳”，切实解决日益严峻的垃圾处理问题，走循环经济发展之路，从而有效提高城市经济效益、稳定内部民生环境，使我国城市的发展向着可持续发展与生态共融的良好方向发展。

参考文献

[1]张春飞，王希，谢斐.城市生活垃圾气化技术研究进展[J].东方电气评论，2014（28）：14-19.

[2]国家发展和改革委员会，建设部，国家环境保护总局.全国城市生活垃圾无害化处理设施建设“十一五”规划[Z].2007.

[3]聂永丰.三废处理工程技术手册（固体废物卷）[M].北京：化学工业出版社，2000.

[4]肖波，汪莹莹，苏琼.垃圾气化处理新技术研究[J].中国资源综合利用，2006，24（10）：18-20.

[5]要玲.城市垃圾厌氧消化技术的研究进展[J].河北化工，2009，32（12）：74-76.

[6]孙英杰，肖学斌，巩新炜.城市生活垃圾资源化技术的探讨[J].青岛建筑工程学院学报，2000，21（1）：57-61.

[7]王亚琢.基于分选的城市生活垃圾综合处理技术研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[8]袁浩然，鲁涛，熊祖鸿，等.城市生活垃圾热解气化技术研究进展[J].化工进展，2012，31（2）：421-427.

收稿日期：2020-10-09

作者简介：韩景超（1985-），男，汉族，硕士研究生，工程师，研究方向为水环境治理工程、标准化等方面工作。