一种农村垃圾治理方案的探索——分布式垃圾热解碳化模块化处理设备的应用探讨

唐 杰

中铁市政环境建设有限公司 上海 200331

在国家政策的指导下，从十五计划开始，生活垃圾治理领域，在引进国外技术的同时积极探索和实践，先后进行了卫生填埋、垃圾焚烧发电的推广应用，在处置技术和工艺装备方面取得了巨大的进步。在此基础上，推行垃圾分类回收、再生资源利用实现综合处理，处理技术向精细化更进一步，提高资源利用率的同时，我国垃圾处理“减量化、资源化、无害化”水平也逐步提高。目前已经建成的一大批符合国家相关标准的卫生填埋场和焚烧发电厂对垃圾治理和环境保护发挥了巨大作用。但是这些技术对于农村垃圾的治理是不适用的，农村垃圾的治理还缺乏一种针对性强，兼具实效性和长效性的方法，从根本上解决农村垃圾的系列问题。

1 农村垃圾的现状和特点

农村生活垃圾产生量和堆积量逐年增多，“垃圾围村”现象严重，与城市垃圾相比，农村地域面积广，垃圾产生源分散，农村所采用的分散式就地消纳处理方式已经不能适应形势发展的需要。随着中国经济的发展和“美丽乡村”战略的提出，广大农村的环境问题愈发凸出。每年近2亿t的农村生活垃圾，尚无有效处置方式，随意丢弃、掩埋造成了巨大环境隐患。近年来，农村生活垃圾的污染与治理正逐渐引起社会越来越广泛的关注。国家不断出台政策来健全农村垃圾收运处置体系。2017年党的十九大报告指出“继续改善人居环境，其中垃圾和污水处理应列为当前的难点和亟须解决的重点问题”，2021年2月21日的中央一号文件指出“建设一批有机废弃物综合处置利用设施。健全农村人居环境设施管护机制”，2022年2月中央一号文件《中共中央国务院关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》再次指出“扎实有序做好乡村发展、乡村建设、乡村治理重点工作”。相关政策持续的出台，表明农村生活垃圾治理的严重性和紧迫性。

响应政府号召，同时为了实现农村人居环境与农村经济协调发展的目标，需要对农村客观条件进行精准把握，研发一种适应农村地区垃圾处理的工艺设备和技术。随着城乡差距的拉近，农村生活垃圾处理相关问题与城市存在一定的共性，又有着鲜明的特性，需要针对性的展开分析研究制定对策。农村垃圾和客观环境主要有五个方面显著的特点：

1.1 农村生活垃圾趋向城市化

随着城市化的发展，农村和城市之间人口流动频繁，商品供应充足加上物流便捷，农村生活垃圾成分呈现城市化的趋势。

1.2 垃圾分布范围广

农村土地面积占国土面积90%，常住农村人口占总人口42%，农村人口以村落的形式分布，垃圾点多面广，集中收储成本高。

1.3 人口空心化

青壮年劳动力外流，常住人口以50岁以上中老年人和18岁以下的学龄人口为主，专业技术人员较少，操作维护工艺复杂设备的劳动力资源不足。

1.4 垃圾成分差异性大、热值低，产量波动较大

由于地域特点不同，农村产业结构呈现多样化的特点。因此垃圾成分差别较大，再加上农村地面硬化率低，在垃圾收集、处理的过程中不可避免混入渣土，总体上相对城市垃圾而言有机质含量较低，综合热值低。另外因为垃圾产量是和人口相伴而生的，垃圾产量随着人口的波动而波动。如开农村特色旅游经济活跃的乡村，平时垃圾产量少，节假日垃圾产量大；农闲时，垃圾产量少，农忙时，在外务工人员返乡，垃圾产量增大。而连续稳定运行的垃圾处理系统对垃圾的热值、垃圾供应的规模和稳定性都有要求[1]。

相对而言，城市生活垃圾比较容易集中，收运体系成熟，运输半径小，垃圾产量比较平稳，适合集中规模化处理。而农村垃圾点多面广，集中收储成本高；现有垃圾处理技术，工艺复杂专业性要求较高，而在空心化的乡村缺乏专业技术人员，运行维护难度大，违规排放风险高。而且由于农村垃圾产量的波动性，也要求处理设备运行具有一定灵活性。同时，绝大部分农村的财政能力，无法承受规模较大的建设和运行成本。

因此针对农村垃圾分布特点和客观条件，开发一种工艺简便，排放达标，运行安全，投资少的农村垃圾处理设备，才能更契合农村生活垃圾处理的实际，在真正意义上实现技术落地。

2 垃圾治理技术的现状

现有生活垃圾处理技术主要以卫生填埋和焚烧发电为主，另外还有垃圾气化和垃圾热解碳化等技术。

垃圾填埋分为原生垃圾集中收运以后的直接填埋，和对其他处理方法处理以后形成的产物的最终填埋。卫生填埋的占地面积大、且容易造成二次污染，不适合用于农村垃圾处理。2020年7月31日，国家发改委、住建部、生态环境部联合印发《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》中指出“2023年基本实现原生生活垃圾零填埋。原则上地级以上城市以及具备焚烧处理能力的县(市、区)，不再新建原生生活垃圾填埋场”，所以在未来的发展中，生活垃圾直接填埋在农村将不可持续的。

垃圾焚烧发电技术通过对垃圾分类，对热值较高的垃圾成分进行焚烧，产生的热量转化为高温蒸汽，驱动涡轮机带动发电机进行发电，优点是占地少，减量化程度高，通过发电实现了资源化利用；但是投资规模大，工艺设施复杂，需要专业的技术人员进行操作、维护和管理，而农村既缺少资金，也缺少相关的技术和管理人才，为了保障垃圾焚烧发电系统正常运行，稳定集中的垃圾供应也是至关重要的环节，对于垃圾点多面广的农村，垃圾集中收运的代价将十分巨大[2]。

所谓垃圾气化技术，是指采用气化的方法，在高温状态下将垃圾气化熔融和分解，垃圾中的有机物可以转化为合成气（主要为CO和H2），而无机物则可以转化为玻璃体灰渣。由于垃圾气化技术相对于其他垃圾处理技术要复杂，投资明显较高，同时由于一般垃圾水分含量较高、无机物较多、热值较低，导致采用垃圾气化技术建设的项目经济性一般不好。因此，垃圾气化技术项目的经济性问题成为了当前制约垃圾气化技术推广和应用的主要因素。

碳化热解技术，该技术起源于木炭制作，现在仍然用于从煤、木材、油页岩中提炼出可燃的气体、液体和固体。国外也有将该项及时应用到远洋船舶上的垃圾处理的案例。其原理在无氧状态下加热，利用高温使生活垃圾中有机高分子的化学键发生断裂，释放出各种挥发份的反应过程。在热解过程中，中间产物存在着两种变化趋势：一是从大分子变成小分子的裂解过程；二是小分子聚合成较大分子的缩聚过程。热解产物主要有以下几种：热解气，包括一些低分子碳氢化合物如氢气、甲烷、一氧化碳等；热解油，这里一部分热解油可作为燃料油使用，它们在常温下为液态，主要有乙酸、丙酮、甲醇化合物；热解油气组分是热值丰富的可燃气体，是热解过程重要的能源补充。热解炭：热解炭大部分以炭黑形式存在，此外还存在一些无机物质，基本实现了有机物的稳定化无害化[3]。

反应原理如下：

有机固体废物→（H2、CH4、CO、CO2等）气体+（有机酸、焦油等）有机液体+炭黑+灰渣

垃圾热解碳化工艺的主要优点在于：热解碳化反应是吸热反应，对物料无热值要求，适应性广；在缺氧条件下分解，温室气体——二氧化碳排放少；废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在固体炭黑中；热解过程中产生的可燃气体可以回收为反应过程提供热源，处理产物得到无害化和资源化利用；由于在热解过程中保持了还原环境，氮氧化物等污染物产出量少，也限制了剧毒物质二噁英的生成。

综合以上对各种垃圾处理工艺的对比，结合农村生活垃圾成分地区差异大、季节性影响大、分布面积广、资金短缺、专业技术人员少等诸多因素，城市垃圾处理的工艺和设备难以移植到农村。因此根据农村垃圾的分布和自身特点，我们选择热解碳化作为工艺路线，在结构和功能上进行量身定做，研发了农村垃圾碳化热解成品化装备。

3 以垃圾热解碳化成品化装备为核心的农村垃圾处理方案

以垃圾热解碳化成品化装备为核心，在前端与预处理单元组合，垃圾经过收储、破碎、筛分和堆滤后，再送入热解设备中进行处理，形成一套完整的农村垃圾处理方案（如图1所示）。

图1 农村垃圾处理方案

在预处理单元，生活垃圾经过地磅称重后送至储料区，再通过输送机进入破碎筛分装置。经过筛分后的筛上物主要是有机物和可燃物（厨余、塑料、橡胶、废纸、竹木和皮革等），并送入多床层热解炉中热解。分离出的无机残渣（碎玻璃、石块、砖头等）集中外运填埋，废金属进行资源回收。垃圾产生的臭气优先送入热解炉作为助燃空气，剩余部分送入尾气净化系统，去除尾气中臭气等污染物后达标排放。该预处理工艺设备全程封闭、数字化控制，且机械化、自动化程度较高，很大程度上减少了人员配置。

3.1 垃圾热解碳化成品化装备

碳化热解设备时整套方案的核心，工艺过程为：装料—加热升温—热解排出高温气—剩余固体物出料。系统组成包括：热解炉膛及反应釜、装卸料装置、辐射管燃烧器及供热系统、尾气处理系统以及控制系统等功能部分组成（如图2所示）。

图2 设备组成

热解炉膛是一个相对封闭的空间，由钢结构和保温隔热材料组成，内部支架收纳由耐热材料制作的反应釜，反应釜是装载垃圾的容器，具有导热性能良好，膨胀系数小的特点；供热系统由辐射管燃烧器、天然气管路、助燃空气管路、热解气管路等组成。

设备的运行过程如下，首先将垃圾通过反应釜装入炉膛，关闭炉门和密封装置。启动程序运行。在热解反应开始以前，首先经过干燥环节。即物料中的外部水分和毛细结构吸附的水分被首先加热蒸发，将物质中的结构水除去，水分析出结束且物料达到一定温度后，进入热解阶段，热解本身是一个复杂且同时发生多种化学反应的过程。包含有机大分子的键断裂，有机分子的异构化和小分子的聚合等反应，最后生成各种较小的分子。在垃圾处理过程中，根据不同温度条件下的反应特点，优化工艺参数，过程中按照温度-时间曲线精确控制，提高热解气转化率，尽量依靠物料热解燃气，提供热能维持后续热解反应直至完成，达到减少外部能源消耗，实现最大的能源利用效率。

该设备具有以下特点：

垃圾减量比率超过80%；采用序批式处理工艺不受物料产量限制，通过设置储料池调节垃圾产量波动和一次处理能力之间的关系；炉膛采用固定床——反应釜加热，对物料不产生扰动，减少飞灰生成；采用模块化设计，撬装式集成，可根据处理能力需要不同进行灵活配置，方便安装，减少土建投资，可实现快速安装，降低项目实施成本；利用热解产生的高热值可燃物，维持反应直至结束，降低外部能源消耗；系统通过程序控制，操作简便，对人的依赖少；废气废水达标排放；废渣可直接进行填埋，也可根据当地条件进行资源化利用。利用物联网技术，实现远程调试，后续运营期可望通过云监管，流动维保的管理方式，提升专业技术人员的工作效率[4]。

3.2 典型工程应用案例

我们在山东汶上县建设了一套日处理能力为20t的农村生活垃圾处理站（如图3所示），完成了热解碳化设备各项性能的试验。通过对进场垃圾、垃圾最终产物进行称重，获得垃圾的减量比率，同时邀请第三方检测机构在反应各个阶段对产生的废气、废渣和废水进行取样，检测分析，不同批次垃圾处理减量比率在80～90%范围波动，检出物的浓度均低于相关污染控制标准。该工程投资成本约为255万元，通过在不同时段对不同批次垃圾处理能耗统计，垃圾电耗31.7kwh/t，液化气平均消耗18.3kg/t，如果按照电费0.6元/kwh、液化气7元/kg计算，平均处理成本约合147元/t。

图3 农村生活垃圾处理站

4 前景预测

根据国家统计局的数据“截止2019年底，乡村常住人口55162万人，2019年农村生活垃圾产生量约2亿t。”可以推算农村地区每天产生垃圾总数约55万t。每人每天的垃圾产量约为1kg。

考虑农村地区差异性因素，城市周边和远离城市的农村差异（城乡结合地区可以建立城乡一体化的生活垃圾管理系统）；考虑项目经济支持能力差异；人口密集的农村和人口稀少的农村。综合这些因素，初步考虑50%的农村地区有条件应用垃圾碳化处理技术，约有27.5万t/天的垃圾需要进行处理。按照处理能力20t/天的设备估算，需要1.4万套农村垃圾处理站同时正常工作才能消纳新生垃圾。考虑设备利用率90%，设备完好率90%，市场需要1.7万套农村垃圾处理站[5]。

结合研发过程掌握的数据进行估算，如果一套垃圾碳化处理设备投资成本约200万元，一套垃圾处理站总投资约为260万元。进而推算出建设投资市场规模在442亿元人民币，设备销售市场容量在340亿元。如果政策扶持引导，引入社会资本投资运营，参照垃圾填埋和焚烧的收费标准，垃圾处理运营市场容量约在250亿元人民币。这是三个百亿级的市场。

目前农村垃圾处置相关技术，运营方式仍处在探索阶段，行业集中度不高，竞争尚不充分。目前我们已经完成农村垃圾热解碳化成品化装备研发，并成功应用于农村垃圾处理示范站项目中。知识产权方面，申请发明专利4项，已授权2项，实用新型专利授权12项。

5 结语

十九大报告强调乡村振兴战略，提出“产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕”的总体要求。2021年脱贫攻坚战取得全面胜利，中国步入从扶贫到振兴的新奋斗起点。随着农村经济和生活水平持续提高，环境问题越来越受到社会各界的关注。

提升农村人居环境，对垃圾进行治理必须立足于农村实际，同时达到绿色环保的排放要求，才能具有实效性和长效性。相信为农村量体定制的分布式垃圾碳化热解模块化处理设备，经过后续技术迭代提升，一定会创造可观的经济效益，社会效益和生态效益，为农村环境提升发挥重要作用。