生活垃圾热解气化燃烧试验研究

刘全美，常加富，张兆玲，徐鹏举，于杰，董磊(山东百川同创能源有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

2019年全国生活垃圾清运量24 206.2万吨，较2018年增长6.16%[1]。目前，生活垃圾主要有卫生填埋、焚烧和堆肥等无害化处理方式。填埋占用有限的土地资源，并且未使垃圾真正减量，对于日益增长的生活垃圾需要巨大的填埋场地，致使多地新建填埋场选址困难甚至无地可填。2019年我国城市生活垃圾无害化处理量24 012.8万吨，其中焚烧量达12 174.2万吨，焚烧处理占全部无害化处理比例超过50%，其中大中型集中式直燃焚烧发电与中小型分布式热解气化焚烧是生活垃圾无害化减量化处理的主要方式。

对于人口较少的县域城镇地区或丘陵山区，生活垃圾产生量较少，如果建设集中焚烧发电项目投资成本较高，且需要垃圾原料长距离运输，目前主要采用热解气化工艺减量化处理生活垃圾。然而，在当前尚未大规模实施分类收集、处置或分类比较粗放的背景下，收集清运的生活垃圾成分复杂、含水率波动范围大，并且为控制投资一般不在热解气化处置前设置独立的垃圾干燥处理环节。现有的中小型分布式生活垃圾热解气化焚烧系统多采用固定床式的焖烧工艺，且烟气净化处理工艺简陋，造成垃圾处理量有限，不能连续稳定运行，二燃室温度、灰渣热灼减率及烟气排放等指标难以达到生活垃圾焚烧处理技术规范要求。

基于一种垃圾热解气化焚烧系统及工艺(202010737281.4)专利技术[2]，建立热解气化燃烧平台，以城镇生活垃圾为原料进行减量化试验研究，供中小型生活垃圾的无害化焚烧处理工程应用参考。

1 试验设计

1.1 试验原料

生活垃圾原料取自山东省某城镇垃圾转运站，先经简易筛分去除大体积的砖瓦土块等不燃部分，后将其余原料粉碎至粒径≤10 cm备用。

参考CJ/T 313—2009对垃圾中的主要组分进行物理分析，由表1中的分析数据可知，生活垃圾原料中含量较高的有橡塑类、纺织类和不可燃类，3类成分的比例均在22%～26%。因生活习惯与生活环境的差异，与城市生活垃圾相比，城镇生活垃圾中的厨余类与纸类含量较少，而废旧衣物纺织类与砖瓦陶瓷灰土等不可燃类含量明显偏高。

表1 原料物理组成分析 单位：%

表2为对垃圾原料工业分析与元素分析的测试数据，因经过初步分选，原料中的灰分含量较低，但较高的水分含量对垃圾热值的影响较大。

1.2 试验装置

试验工艺流程如图1所示，系统主要包括进料机构、垃圾热解气化焚烧炉、换热器、烟气净化装置、点火燃烧器及辅助燃烧器。垃圾热解气化焚烧炉包括一体成型的干燥段、热解段、气化段、灰渣燃尽段与二次燃烧段，其中干燥段、热解段与气化段依次相接，且底部为连续向下倾斜的通道通至灰渣燃尽区，且倾斜程度逐级增大，并设置由相间布置的活动炉排片与固定炉排片组成机械式往复炉排，以便于带动固体灰渣向炉体下游运动；二次燃烧段位于灰渣燃尽段的上部，且在其内部设置折流与扰流装置，用于热解气化气体及灰渣灼烧烟气的二次燃烧，保证气体组分的均匀混合并具备较充足的反应时间。点火燃烧器火焰口设于焚烧炉干燥段垃圾原料入口处，用于点火起炉时整体预热炉膛温度；辅助燃烧器火焰口设于热解气化气体及灰渣灼烧烟气进入二次燃烧段的入口处，起炉及停炉阶段或运行不稳定时需要开启辅助燃烧器，保持二次燃烧段温度达标与燃烧稳定。

图1 试验平台工艺流程示意图

原料在焚烧炉内相应腔室内依次经过干燥、热解、气化、灰渣灼烧和气体二次燃烧过程，灰渣由排渣口排出，烟气经换热器换热后进入净化系统净化后排放。为了应对垃圾原料中水分含量较高的问题，在焚烧炉干燥区顶部设置开孔的管道并负压抽取炉内干化蒸发的水分，经干化废气出口排至冷凝器，去除水分的废气作为部分空气源经换热器预热后供给焚烧炉助燃，避免废气可能造成的二次污染。

2 试验结果

2.1 运行温度

试验平台设计处理量500 kg/h，起炉时首先开启点火燃烧器与辅助燃烧器，待炉温达到预定温度后将初步分拣与粉碎预处理的垃圾原料通过进料系统供给热解气化焚烧炉，逐渐增大垃圾进料量达到额定值，并逐步调小燃烧器输出功率直至完全关闭。温度监测点T1、T2位置分别对应于焚烧炉热解与气化反应区，T3、T4分别位于焚烧炉气体二次燃烧反应区的入口与出口。以垃圾原料开始入炉为始点，焚烧炉各测点的温度数据如图2所示。

图2 运行温度曲线

垃圾入炉后，随着进料量的增多与辅助燃烧器输出功率的调小，焚烧炉运行温度略有下降，约2 h后进料量达到设计额定值并完全关闭燃烧器停止额外热量的补充，此时焚烧炉基本达到正常工作状态并可保持连续稳定运行。由温度变化曲线可以看出，由于垃圾原料的繁杂多样性，焚烧炉运行温度会有一定程度的变化，但各测点温度的波动区间基本在50 ℃范围内，整体处于稳定可控状态，热解与气化反应区运行温度分别是约450 ℃、620 ℃，而气体二次燃烧区的运行温度则处于较高的870～940 ℃之间，符合垃圾焚烧相关标准规范二燃室850 ℃以上的温度要求，且正常工作状态下无需补充外部热源，具有良好的经济性。

利用高温烟气换取的热空气作为干化介质与助燃配风，提供蒸发垃圾中水分所需的热量，并为垃圾热解气化与燃烧补充部分热源，实现了垃圾燃烧热量的直接回收利用，提高了热量利用效率，并且可以保证足够的干燥风穿透垃圾料层携带出蒸发的水分，保证后续的热解气化及二次燃烧反应的稳定均匀，避免了因局部原料水分过大可能出现的反应熄火或者需要提供额外燃料的问题，提高了对高含水率垃圾物料处置的适应性。

2.2 烟气测试

以垃圾原料开始入炉为始点，在烟气净化系统前的烟道测试取样点检测烟气主要组分，重点关注反应焚烧炉过量空气系数和对烟气净化工艺影响较大的烟气组分，包括氧气、一氧化碳与氮氧化物，其变化曲线如图3所示。

图3 烟气主要组分测试曲线

由图3烟气检测结果可知，垃圾入炉起始阶段，由于辅助燃烧机的运行提供了温度保障，为保证垃圾原料的充分分解燃烧，焚烧炉过量空气系数较大，烟气中的O2浓度达到13%以上。随着焚烧炉进入稳定工作状态，O2浓度逐渐趋于稳定，虽然运行中为保证焚烧炉的正常工作对于配风量进行了微调，但O2浓度基本可以保持在9%～10%。从图3中还可以看出，正常工作状态下，焚烧炉烟气中的CO可以保持在20 mg/m3以下，NOx稳定在约200 mg/m3的较低水平，表明不需净化处理烟气中的CO、NOx指标即可满足排放限值，热解气化与燃烧均在低氧控氧的环境中运行，在温度上也保证了氮氧化物、一氧化碳甚至重金属及二噁英污染物的低生成率，验证了采用“热解气化+燃烧”工艺焚烧处理生活垃圾具有显著的环保性。

2.3 焚烧炉渣热灼减率

根据GB 18485—2014中要求的检测方法并参考HJ/T 20—1998，对焚烧炉稳定运行阶段排出的炉渣进行取样测试热灼减率。平行取样5组测试的焚烧炉渣热灼减率结果分别是1.23%、1.18%、0.92%、1.56%、1.27%。假设热灼减率以1.5%估算，垃圾经过热解气化燃烧工艺处理后，除无机灰分成分之外的质量减少率为：

由焚烧炉渣热灼减率测试计算数据可知，垃圾热解气化燃烧工艺完全可以满足焚烧炉渣热灼减率≤5%的标准规范要求，且对于垃圾原料中除无机灰分成分外的质量减少率达99.69%，表明垃圾原料在焚烧炉内经过干燥、热解气化、灰渣灼烧及气体二次燃烧，有机质已基本燃尽，可实现生活垃圾固体废弃物的最大程度减量化。

生活垃圾在炉内热解气化与燃烧分步进行并相互耦合，可实现对垃圾物料的扰动，使得反应充分均匀，促使固体可燃物在排渣前完全燃烧，实现垃圾原料的最大减量化。

3 结语

以中小型城镇生活垃圾快速无害化减量处置为背景，采用集“干化+热解气化+灰渣灼烧+气体二次燃烧”为一体的工艺装置进行试验研究，验证了技术工艺的可行性及经济与环保特性，为城镇生活垃圾的即时无害化减量处置提供了新途径。