城市生活垃圾高温热解气化技术的工业化应用

＊李宣 孔晶 刘凌雯 王馨雪 黄广禧 陈正件,2*

（1.珠海中科先进技术研究院有限公司 广东 519085 2.中科萱嘉医养（珠海）健康科技有限公司 广东 519085 3.广州市醇美环保科技有限公司 广东 511400）

目前国内发展日新月异，工业化程度快速提高，生产规模快速扩张和能源大量消耗产生了巨量的废弃物，一线城市的“垃圾围城”最为严重[1]。根据中国统计年鉴2020年数据显示，我国2020年产生的城市生活垃圾重量为2.42亿吨，目前城市内固体垃圾排放量仍然以每年9%～11%[2]的速度增加，给城市的运作带来了极大的压力，但无害化垃圾处理工厂数量仅为1183家，无害化处理能力约为87万吨，生活垃圾无害化处理率为99.2%。我国主要垃圾处理方式为卫生填埋、堆肥和焚烧[3-4]，但存在效率低、环境污染大、占地大、成本高等不足，目前已经无法满足新形势下我国对垃圾的处理要求[5]。

热解气化技术区别于传统的填埋、堆肥处理、机械回收、焚烧来处理城市生活垃圾，能显著减少城市生活垃圾的质量和体积，二次污染小，投资和运行费用低，可燃气体回收利用率高、产生能源可循环再利用、可获得高附加值的燃料油等资源化产品等优点。本文就热解气化技术处理一般城市生活垃圾的国内研究进展和应用现状进行阐述。

1.城市生活垃圾高温热解气化技术

城市生活垃圾热解气化技术是指在少氧环境下，垃圾中的有机大分子物质发生热解、氧化、重整等一系列过程，产生H2、CO、CO2和低碳链的碳氢化合物等小分子的生产技术。城市生活垃圾热解气化技术按照产气处理手段分成两大类，第一类是采用超过1200℃高温将城市生活垃圾中的大分子有机物热解为以H2、CO为主的合成气，合成气通过处理去除焦油、灰尘等污染物后，用以燃气轮机发电、制作化工产品、燃料电池发电等。第二类是城市生活垃圾热解气化后形成的合成气不经过纯化，直接进行燃烧。气化作为可燃城市生活垃圾热处置的中间处理过程，反应温度通常为600～900℃。

热解可以分为三个阶段[6]：脱水阶段（室温-200℃），有机物脱除的水分包括游离水和结合水；干馏阶段（250～500℃），在缺氧条件下，升高温度，大分子有机物裂解为小分子物质析出，原料质量损失较明显；气化阶段（500～1200℃），大分子气化产物、液态和固态的化合物裂解为CH4、CO、H2和CO2等。二次热解主要有脱氢、裂解、缩聚、氢化等，并且各个反应无明显界限，多数是交叉进行，该过程质量损失较小，这一阶段主要为C-C键和C-H键的进一步裂解[7]。

2.城市生活垃圾高温热解气化技术的研究应用

城市生活垃圾热解气化技术于20世纪70年代开始研究，主要是解决世界性的能源短缺问题[8]，现如今主要是为了解决“垃圾围城”问题，同时产生能源缓解能源匮乏。在欧美等一些发达国家，已经对固废热解气化技术展开了深入研究，目前已经有全套固废热解气化设备成熟使用[9]，固废热解气化技术在国内起步较晚，发展时间短，但目前也已经取得了较为丰硕的成果。

国内城市生活垃圾热解气化技术主要包含如下几种，分别为立式旋转热解气化焚烧技术、内外热源联合供热热解气化技术、焚烧发电热解气化技术和蓄热式辐射管旋转床热解气化技术等。

3.立式旋转热解气化焚烧技术

立式旋转热解气化焚烧炉（一燃室）从上到下依次为空层、干燥层、热解层、燃烧层、燃烬层、冷却层和排渣层，降低垃圾的热灼减率，进一步提高垃圾热回收率，有利于残渣的综合利用。立式旋转热解气化焚烧技术是目前最为先进、安全的中小吨位垃圾焚烧处理工艺。

辽宁省瓦房店市中部区域生活垃圾收运体系采用“生活垃圾预处理+有机物消解堆肥+可燃物热解气化+塑料造粒”相结合的综合处理工艺[10]，配置了一条处理能力为100t/d的立式旋转热解气化处理线，如图1所示。该项目立式旋转热解气化炉可以有效解决烟气排放污染问题，无害化程度极高，资源化程度高，运行成本低等特点，尤其可以有效抑制二噁英生成[11]。热解气化炉的一燃室温度约为1000℃，二燃室的采用过氧燃烧，温度保持在850～1000℃，烟气停留时间超过2s，能使二噁英的残留量极少[12]。

图1 固体垃圾高温热解气化炉工艺流程图[13]

立式旋转热解气化焚烧技术具有如下优势：一是设计科学合理，结构简单紧凑，重量轻，易布置，建设周期短；二是炉排工作在低温区域，避免了高温对炉排的热影响，降低了设备制造成本；三是产生的烟气量少，降低了二次污染的排放及治理成本；四是减少了二噁英的生成；五是运行稳定，进、出料便捷可控；六是安全、经济的垃圾处理技术；七是适应性强，应用范围广，易实现自动化控制，运行能耗和成本低；八是投资低，经济效益好；九是热效率更高，热灼减率更低。

4.内外热源联合供热热解气化技术

内外热源联合供热热解设备由主热解炉、副热解炉、可燃气体冷却器、焦油馏分塔、可燃气体过滤器、燃气存贮器及垃圾灰处理器组成，设备工艺流程见图2。该设备垃圾日处理可以达到5t，并且已投入使用。

图2 内热源与外热源联合供热热解气化技术工艺流程图

主热解炉包含燃烧室和热解炉膛，热源采用是煤和垃圾炭在燃烧室产生的热量。燃烧室的体积较大，气流运动不稳定，位置不同，温度略有差异。燃烧室底部的温度在800～1000℃之间变化。燃烧室的中上部温度基本可以保持在600～700℃。热解炉膛内温度稳定。炉膛内的垃圾以螺旋线形式向前推进，方便垃圾内部温度均匀。同时热解气在未热解的垃圾空隙中穿行，使炉膛内的温度分布比较均匀。

5.焚烧发电热解气化技术

驻马店市生活垃圾无害化综合处理再生利用项目[14]，垃圾采用“高热值组分热解气化+余热发电上网”的组合工艺，并预留300t/d的生产线为后期扩建容量，发电系统如图3所示。

图3 垃圾发电系统原理图

该垃圾处理工程垃圾焚烧采用4条热解气化生产线，每一条生产线配2台热解气化炉和1台二燃室、一台余热锅炉和1套独立的烟气净化设施。将二燃室布置在热解炉烟气出口层处，能有效节省占地空间，缩短热解气体行程，减少散热和动力损失。二燃室出口与余热锅炉衔接紧密，可节省布置空间，减少烟气能量损失。

6.蓄热式辐射管旋转床热解气化技术

神雾环保技术股份有限公司采用旋转床用于垃圾热解，固体垃圾经过干燥、挥发分析、高分子裂解三个阶段[18]。采用隔绝空气加热，有效避免二噁英的生成，能有效实现垃圾无害化处理。

该项目垃圾处理量达到了6万t/a，操作时7200h每年，操作弹性60%～120%，主要包括以下系统：（1）200t/d生活垃圾预处理系统；（2）110t/d旋转床热解系统；（3）65000m3/d流化床气化系统；（4）1200m3/h油气分离净化系统；（5）100t/d污水处理系统；（6）15000m3/h尾气净化系统[15]。

固体垃圾经称重后进入垃圾处理料坑，进行分选：分选出的无机杂质进行填埋；金属收集后提纯对外销售；有机质和可燃物进行破碎后进旋转床热解，热解产油气进行油气分离，所产生的热解气作为产品对外销售，旋转床产生的固体炭和油气分离净化产生的焦油送去流化床气化，流化床气化产生的洁净的气化气作为旋转床燃气，旋转床产生的烟气直接达标排放，如图4所示。

图4 蓄热式辐射管旋转床垃圾处理工艺流程图[18]

7.结论与展望

国外针对城市生活垃圾热解气化技术已经可以实现二噁英等有毒物质的零排放，但工艺复杂，运行成本高，不适用国内环境。目前，国内的固体垃圾热解气化技术已经逐渐从实验室走向工业化，但规模小，适用于村落等，可以有效解决农村固体垃圾的处理问题。目前还需进一步研究针对我国大城市固体垃圾的热解气化技术的研究推广，从而解决当前许多大城市如上海、广州、深圳、北京等面临的垃圾围城问题。

城市生活垃圾热解气化技术需要根据当地的垃圾产生种类调整运行参数才能实现对垃圾的有效利用，也能实现垃圾最大程度上的减量化和回收利用。因此，在改进热解气化设备工艺方面，可以建立起良好的工程实践管理体系，建立良好的数据模型，可以根据垃圾的成分比例做出相应的工艺参数调整，同时也对热解气化设备进行参数评估。