垃圾处理及其热解气化技术应用现状

＊孔晶 李宣 陈正件* 黄广禧 王馨雪 张献

（1.珠海中科先进技术研究院有限公司 广东 519000 2.广州市醇美环保科技有限公司 广东 511400 3.珠海市泰如天和企业管理咨询有限公司 广东 519000）

随着城市居民生活水平的不断提高，城市生活垃圾成分也随之不断的发生着变化，尤其体现在含水量上。目前全球对垃圾的污染及其控制已采取各种措施，诸如填埋、堆肥、热处理、机械处理等等，但世界各国垃圾总量还是在不可避免的增长，尤其体现在城市垃圾中的有机成分的增长[1]。城市生活垃圾处理不当时，将会对大气、土壤、水体、人体健康等造成严重危害。然而其含有大量的碳氢资源，若被适当处理合理利用进而形成可再生资源，将城市生活垃圾进行无害化、减量化、能源化处理以及实现垃圾的资源化循环利用，可为国家乃至全球能源危机贡献力量[2]。

热解气化法能显著减少生活垃圾的体积，残渣比例较低，若将垃圾充分利用可获得高价值的资源化产品，比如燃料油、可燃气体等，其二次污染小，投资和运行费用较低。该法对垃圾成分的适应性强，几乎不会造成二次污染，因此，热解气化法处理生活垃圾具有较佳的应用前景。

1.国外城市生活垃圾处理现状

随着全球科技与经济的迅猛发展以及土地资源的紧缺，各种垃圾处理技术也随之不断发展，以美国、日本、德国、瑞典、丹麦等发达国家为代表，其生活垃圾处理已逐步由填埋，转变为采用焚烧法处理和热解气化处理。在城市垃圾处理方面，美国因其地域辽阔，填埋处置率较高，美国采用填埋法占56%，焚烧占14%，其它则进行回收利用。日本对于城市生活垃圾的处理则主要采用焚烧技术，该国垃圾焚烧发电技术处于世界领先水平，其垃圾焚烧处理量占垃圾总产量的75%以上[3]。德国拥有较完善的城市生活垃圾分类处理方式，其可生物质降解物质约占该国城市生活垃圾总量的20%～60%，可回收垃圾送入相关的工厂进行循环利用，可生物降解物质主要采用堆肥或其他方式处理，采用热处理或机械生物处理方式进行其余城市生活垃圾的处理，接着，处理后残渣会进行填埋处理[4-5]。

因此，各国需要结合本国的土地资源、垃圾占比、垃圾成分等，有针对性的发展城市生活垃圾处理工艺。从实现垃圾无资源化、能源化的角度出发，开发特有的符合本国国情的垃圾处理方式，例如各类垃圾气化工艺。

2.国内城市生活垃圾处理现状

根据2020年中国统计年鉴数据显示[6]（如图1），近五年来，全国城市生活垃圾无害化处理率逐年增加，到2019年达99.2%，全国城市生活垃圾清运量2.421亿吨，从图1可以看出，2019年卫生填埋、焚烧处理和其他处理比例分别占45.59%、50.70%和3.71%。城市生活垃圾焚烧厂有389座，处理能力45.6万吨/日，实际处理量1.2亿吨/年。

图1 近五年全国城市生活垃圾无害化处理情况

我国的生活垃圾处理方式主要是填埋、堆肥和热处理三大技术[7]，其中主要的热处理技术分为焚烧技术和热解气化两种。从资源化、能源利用的角度，较于焚烧技术，热解气化技术燃烧温度较均匀，二次污染小，可以将城市生活垃圾转化为较为稳定的气、液、固三种类型产品加以利用；从二次污染的角度，热解气化从原理上减少了二噁英的产生，尤其是在1000℃的高温气化条件下，可以有效分解二噁英等有害物质。目前，根据我国的国情，研究人员正在开发适合我国国情的热解气化生活垃圾处理技术。

表1 近五年全国城市生活垃圾处理情况[6]

3.城市生活垃圾热解气化技术

城市生活垃圾热解气化技术历史较短，由于研究目的和方式的不同，釆用的热解气化设备结构也不尽相同[8]。根据炉型结构可以分为回转窑、固定床（移动床）、和流化床[9]。

(1)回转窑热解气化技术

回转窑热解气化炉[10]如图3所示。垃圾经过稍微破碎分选后直接送至回转窑内低温热解气化，对垃圾的尺寸没有特别的要求，适用性较广。由于在无空气条件下热解气化，其通过热解气化产生的可燃气体热值较高，且该类炉型所产生的炉渣较少且成分相对单一，利于炉渣的排除和后处理。其产生的可燃气可用于炉子本身燃烧供热，减少了热量的流失，无需外加加热，热能利用率高，且将资源得到有效利用，但是回转窑热解气化炉的体积庞大，投资稍大，且有效利用面积小，目前研究者也正在对该类炉型进行不断改造。

图2 回转窑热解气化炉[17]

图3 外热式固定床垃圾热解工艺

(2)固定床热解气化技术

固定床热解气化技术[11]处理城市生活垃圾时，首先需要将垃圾进行预处理：包括分选和破碎压缩成型，降低含水率，一般降低至低于10%。燃烧室温度控制在1300～1500℃之间，在该温度下，垃圾中的有机物开始分解成可燃气体、焦油、半焦。部分蓄热式热解气化炉的燃烧室采用蓄热式燃烧，利用燃烧产生的高温烟气预热空气。产生的气体燃料，可直接用作锅炉的燃料或者混入高热值气体燃料制作城市煤气，产生的灰渣可用作建筑骨料。外热式固定床处理装置较适用于对组成复杂、成分变化较大的城市垃圾，可以充分回收各种资源，包括可燃气体、焦油、半焦等，例如其产生的焦油可以制作原料油或作为化工原料，热解气体一部分送入燃烧室提供热量，另一部分作为外供燃气加以利用；烟气中的粉尘含量、二噁英类的含量较低，且产物中SOx、NOx等产物的生成量少，二次污染小。

(3)流化床热解气化技术

流化床热解气化技术[12]是借着惰性介质（如石英砂）的均匀传热与蓄热效果以达到垃圾热解的目的。图4是一种流化床热解气化炉，城市垃圾加入炉后热分解在短时间内完成，热量由部分燃烧热解产物来供给，流化空气由热解炉下部的供风装置供给。流化床热解气化炉由于介质是悬浮状态，气固间充分混合、接触，整个炉床温度非常均匀，且流化床内的热解反应速度快，可极大改善传热条件和温度控制，该类炉型可以调节相应垃圾处理量且可控制流化气体的体积，对垃圾适用性广，此外设备尺寸要比典型的固定床反应器要小得多，但其热量利用率相对较低，且垃圾前处理要求较高（需要将垃圾颗粒尺寸破碎至小于1cm），如果操作过程控制不当，会产生严重的二次污染。如何避开其不足而充分利用其优点，也成为研究者的考虑方向。

图4 流化床热解气化炉

(4)代表性热解气化装置

在我国，垃圾热解气化技术已经经过几十年的发展，从单纯的焚烧和传统的排炉，以及实验室的研究，中型和大型的热解气化装置逐步进入产业化阶段，根据大量文献资料显示，具有代表性的装置有真空移动床、流化床、两段移动床及回转窑等[13]，尤其是针对废旧塑料，橡胶和固体废弃物的热解设备的开发与产业化，也引起人们的广泛关注和重视[14-16]。目前气化炉内温度较高的还有立式旋转热解气化焚烧、离子体气化等，其详细情况见表2所述。

表2 代表性装置及其基本情况[14-16]

4.热解气化城市生活垃圾处理面临的挑战[17-18]

目前国家对热解气化工艺尚无全面评价标准，难以将热解气化与焚烧加以明显区分，已有的热解气化项目无运行跟踪数据，其运行效果难以评估，需要国家或者行业层面对热解气化项目在政策上提出指导建议。此外，目前我国热解气化设备以小型化设施为主，部分尚处在实验室阶段，规模量较小，其产品再利用和能量回收的较少，而热解气化工艺具备实现生活垃圾资源化大规模利用的潜力，需进一步扩大处理规模并实现产业化。

5.结论

（1）综上所述，热解气化技术在控制二噁英等污染物的排放方面具有显著的优势，其可充分实现垃圾的资源化和能源化利用。我国垃圾热解气化方面的研究成果还不成熟，较多尚处在实验室阶段，规模量较小，研究缺乏系统性，偏重机理与基础研究，还需进一步研究以投入产业化应用中，国家也需进一步完善热解气化相关标准和政策。

（2）通过比较国内外生活垃圾处理现状可得，在垃圾热解气化工艺方面国外已经研制相对成熟和大规模运用的产品，但由于我国生活垃圾热值较低、含水率偏高的特点，且存在垃圾分选不规范等问题，国外热解气化处理工艺并不适应国内城市生活垃圾的处理。因此，开发出符合我国国情、具有独立知识产权的热解气化设备尤为重要。