生活垃圾气碳耦合热解燃烧处理技术的研究与应用

张钊，王征宇，陈伟，陈科

（重庆航天机电设计院，重庆 400039）

引言

我国乡镇超过3万个，行政村超过50万个，每年农村生活垃圾产生量超过1亿吨。我国农村生活垃圾每日人均产生量为0.034-3kg，平均值为0.649kg，中值为0.521kg[1]。农村生活垃圾人均产生量受经济水平、产业结构、季节因素、燃料结构和家庭收入的影响呈不同的特征[2]。

乡镇农村生活垃圾主要特点：一是成分中灰土及厨余垃圾比例高、含水率较高，热值相比城市生活垃圾低，且垃圾中难以降解的成分多，地域性特征明显。其中，我国村镇生活垃圾组成主要为有机垃圾占40%-50%，含厨余垃圾、作物秸秆等；无机垃圾占20%-40%，含灰渣、砖石等。南方地区有机垃圾占比高于北方地区，可回收垃圾含量呈由南向北递减的趋势，西北及东北地区冬季严寒，需要大量烧煤，因此北方地区的垃圾中煤渣较多，其次是厨余垃圾[3]。二是乡镇农村地域广大、垃圾产量分散。全国1347个县域，75%的县城生活垃圾产量小于190t/d，远低于大型垃圾焚烧发电要求，且很大一部分地区人口密度小于66人/ km2，转运距离大于20km，集中运输成本增加并增加二次污染风险。

国家从顶层规划支持绿色环保产业发展，并确定其支柱发展地位，明确绿色环保产业发展方向，通过政策支持、财政引导、立法监督等方式给予绿色环保产业大力扶持。《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》[4-5]等均对乡镇农村因地制宜就近开展小型生活垃圾焚烧设施试点提供了明确的政策支持。

1 乡镇、农村生活垃圾处理现状

2021年10月1日，GB/T 51435-2021《农村生活垃圾收运和处理标准》实施，标准中规定农村生活垃圾分类、收集、运输和处理的技术选择应以本地区的社会经济发展水平、自然条件为基础，结合技术水平、垃圾量和种类合理确定，应做到技术成熟、经济合理、便于运行、保护环境。标准对于垃圾处理提出了两种主要的方式，一是垃圾转运距离较短的地区，可选择“村组保洁、乡镇转运、县市处理”模式；二是垃圾运输距离较长的地区，可选择“村组保洁、乡镇转运和区域处理”模式。标准中规定了2-5类垃圾分类形式及其对应的处理途径，对于分类为“其他垃圾”的可采用小型卫生填埋场、区域性生活垃圾焚烧设施进行处理。区域性生活垃圾焚烧设施一般由乡镇一级单位建设，服务周边自然村[6]。

目前乡镇农村生活垃圾主要处理方式有卫生填埋、堆肥、焚烧等。卫生填埋方式成本低、方便易行、对垃圾适应性强，一些土地资源充足的地区使用较多，但存在污染地下水资源风险，需占据大量土地资源，且垃圾转运费用高并存在转运过程中的二次污染问题；堆肥处理方式成本低、操作简便，可实现资源的再利用，但存在垃圾处理量小、处理周期长等问题；焚烧处理方法处理量大，减容减量效果好，可消灭垃圾中的病原菌，但对垃圾热值有要求，焚烧过程中会产生二次污染物。对比以上乡镇农村生活垃圾处理方式的优缺点，考虑国家的相关政策支持，焚烧将是乡镇农村生活垃圾相对而言较合适的处理方式，但从规模和垃圾组分来说，乡镇农村生活垃圾处理与城市垃圾焚烧发电是不同的。

国内乡镇农村生活垃圾焚烧处理技术主要有简易焚烧、热解焚烧、流化燃烧等，其中热解焚烧又因热解温度不同而分为低温热解和高温热解等形式。简易焚烧主要以焖烧炉为主，垃圾通常间歇式进入简易焚烧炉内有组织地燃烧，焚烧炉通常是手动操作燃烧炉；简易焚烧设施大多配置二燃室和旋风除尘器、喷淋塔等简单的烟气处理装置，但通常有焚烧温度不高且波动大、二次污染明显的问题。流化燃烧是利用炉底分布板吹出的高温热风将中间媒介即床料进行流化，使床料悬浮起呈沸腾状，辅助燃料将床料加热至850℃，入炉垃圾在床料的带动下在炉内成流化状态，垃圾与高温的床料接触、传热进行燃烧的技术。流化燃烧的技术关键是床料层与垃圾流化、床料与垃圾接触、传热，流化燃烧的代表炉型是流化床焚烧炉[7]，该技术多用于大型垃圾焚烧发电厂；热解焚烧设施包括简易热解气化炉、二段式热解炉等，这类焚烧炉多由预处理、进料、干燥、燃烧室、二燃室及简易自动化控制系统等装置组成，大多配置了简易的烟气净化装置，但不够完善。热解气化炉多为上吸式热解气化焚烧炉，有立式和多室燃烧炉型，存在以下主要问题：一是该类设备处理过程不能随时开仓添料，不便实现垃圾连续进料连续处理；二是该类型炉利用燃烧烟气逆流加热物料，产生的可燃气中焦油含量很高，焦油气冷凝容易黏附粉尘堵塞管道，影响设备寿命；三是焦油气燃烧存在不充分、易产生二噁英。下吸式热解气化焚烧炉由炉排下方引出烟气，由于流经灰渣层，烟气中携带的粉尘量大，增加了后续烟气净化的难度。故一般热解焚烧设施不具备污染物达标排放所需的燃烧技术条件。由于乡镇农村生活垃圾产量逐渐增加，随着国家对垃圾填埋的规划及相关部委提出2023年基本实现原生生活垃圾“零填埋”方案，村镇乃至县域小型垃圾焚烧炉将得到快速发展，故研究适用于乡镇农村生活垃圾处理的处理技术及装备是非常必要的。

2 气碳耦合热解燃烧处理技术

2.1 技术原理

在缺氧条件下，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，其产物为低分子可燃气体（H2、CH4、CO、CO2、NH3、H2S、H2O、SO2等），液态有机物（芳烃类物质、甲醇、丙酮、乙酸、乙醛）以及焦油等有机液体，焦炭或炭黑、灰渣等碳化物。液态有机物（芳烃类物质、甲醇、丙酮、乙酸、乙醛）以及焦油等有机液体通过与高温残碳混合在热解腔内在高温条件下进一步热解，最终裂解为低分子可燃气体和碳化物[8]。最终低分子可燃气体与碳化物在燃烧腔内形成气碳耦合燃烧。热解气化过程产生热解气由上炉排向下穿出进入燃烧炉膛腔燃烧。上炉排翻下的碳化物（垃圾热解过程中产生）在下炉排上燃烧，上下炉排间形成对冲燃烧火焰，热解气与碳化物在燃烧炉膛腔内形成气碳耦合燃烧，实现可燃组分保持高温区（≥850℃）较长时间的停留（≥2s），以确保烟气中有机污染物和二噁英最大程度分解，降低排出烟气中的污染物浓度，同时提高对垃圾含水率变化的适应性。

2.2 技术实现途径

垃圾料从垃圾料仓通过对开阀门加料至干燥腔，由对轮给料机构向下进入热解腔，通过热解腔内温度传感器采集热解腔内温度，并由此温度控制对轮给料器下料速度，控制热解腔内垃圾及炭层的总厚度。部分高温烟气通过烟气内循环系统进入热解腔上部，通过垃圾及炭层使热解腔内垃圾迅速升温，同时使炭化产生的挥发份能及时排到炉膛腔进行燃烧，上炉排可以通气及落炭，也可以清理残渣。

燃烧后的高温烟气一小部分用内循环对垃圾进行加热，大部分则通过二燃室进行再次燃烧。由于热解腔内将垃圾热解为大量的可燃气体和碳，进入燃烧室进行燃烧，碳的燃烧和可燃气的燃烧耦合，使燃烧室内能维持高温和稳定燃烧。气碳耦合热解燃烧式处理炉结构的技术方案如图1所示。

图1 气炭耦合热解燃烧式处理炉示意图

3 基于气碳耦合热解燃烧处理技术的处理炉系统

3.1 基于气碳耦合热解燃烧处理技术的处理炉系统工艺流程图

送入处理站的生活垃圾经人工初选、破碎机破碎后，存储于自动卸料仓内，通过上料装置输送入处理炉进行处理，排出烟气采用“降温、除尘、脱酸净化、吸附过滤”的处理方式达到排放要求。炉渣由出渣系统输送至堆场外运，系统处理工艺流程如图2所示。

图2 气碳耦合热解燃烧处理工艺流程图

3.2 工艺流程

基于气碳耦合热解燃烧处理技术的处理炉系统主要由操作控制系统（系统电气控制）、前处理系统、处理炉系统（气碳耦合燃烧处理炉）、烟气处理系统、出渣系统等组成。

（1）前处理系统

前处理系统由垃圾行车抓斗、分选输送机、破碎机、存储自动卸料仓等组成。

其工作流程是：垃圾车送来的垃圾倾倒入垃圾储坑内，垃圾在储坑存放，发酵失水，分离出大部分渗沥液，同时垃圾储坑可以达到调节收运量和应急存储的目的，避免垃圾源头堆积无法清运。

利用行车抓斗将储坑内垃圾送至分选输送机上进行人工简易分选，选出金属、纸板、塑料、玻璃等可回收利用的物品售卖增收，挑出不可燃砖石等物品随炉渣一起填埋处理，挑出电池、电子产品等危废品单独存放并移交专业危废品处理单位处理，沙发、家具等大件可燃物品由破碎机破碎至200mm以下颗粒后，存储于自动料仓内，通过上料装置输送至处理炉。

（2）处理炉系统

处理炉装置由起炉助燃装置、进料斗、密封闸门、干燥腔、热解气化腔、上炉排、燃烧炉膛腔、可拆式下炉排、二燃室、出烟口和自动排炉渣装置组成。处理炉整体为多腔室炉体结构：二燃室与干燥腔、热解气化腔、燃烧炉膛腔集成一体，燃烧室的炉衬为蓄热体，炉膛燃烧产生的热量可充分传导至二燃室、干燥腔与热解气化腔，确保了燃烧处理的高温工况与热能充分利用。

处理炉工作原理：经过预处理后的生活垃圾进入干燥仓后，利用燃烧室产生的热量，干燥较高含水率的生活垃圾。根据热解温度实时控制调节垃圾的干燥速度，使进入热解腔内垃圾干燥且含水率相对稳定。

干燥后的垃圾进入热解腔，受炉膛辐射及烟气加热至450-550℃进行热解，通过上炉排动作使热解产生的挥发份能及时排到炉膛腔进行燃烧，燃烧后的高温烟气一小部分用于内循环对垃圾进行加热，大部分则通过二燃室二次供风后继续燃烧。由于热解腔内将垃圾热解为大量的可燃气体和碳化物，进入燃烧室与一次供风形成特定的涡旋燃烧模型，还原性碳化物和可燃气相互作用燃烧，形成气碳燃烧耦合，提高燃烧温度、维持燃烧稳定工况，同时还原气体抑制二噁英类污染物的产生，从源头上降低了二噁英类物质的产生。整个过程由闭环控制（主要控制参数温度、料层厚度）的组合炉排和供风（含给料器、上炉排和下炉排）自动完成。

（3）烟气处理系统

烟气处理系统组成：气碳耦合热解燃炉二燃室排出的高温烟气中含有大量的粉尘、酸性气体等有害物质，需要通过烟气处理系统将其净化，达到标准后排放。烟气处理系统主要由烟气降温换热分系统、组合式烟温调节装置、预脱酸装置、活性炭喷射、布袋除尘器、湿法脱酸分系统及引风排放等设备组成。

烟气处理工艺设计方案：根据小型垃圾处理烟气量小且波动较大、二燃室出口烟气温度不稳定、周边环境对热量需求不大等特点，采用烟气处理工艺流程为：高温烟气→间壁式水冷降温→活性炭吸附→布袋除尘→湿法脱酸→引风排放。

（4）出渣系统

出渣系统采用风冷和水冷相结合的方式对炉渣进行降温和增湿，既防止了大量蒸汽进入炉内，增加烟气中水分含量，又防止了扬尘污染环境。

4 应用情况

在湖北某地生活垃圾处理站应用基于气碳耦合热解燃烧处理技术的无害化处理炉系统处理当地生活垃圾，垃圾站收集的生活垃圾特性变化较大，厨余垃圾及作物垃圾居多，含水率约50%左右。在完成处理炉系统调试后实现连续稳定运行，系统处理能力12t/d（24小时工作制），处理炉热解腔温度在450-550℃，处理炉炉膛温度＞850℃，二燃室温度保持在950℃以上，烟气在高温区停留时间大于2s，垃圾体积减量约为90%-95%，处理炉炉渣主要以玻璃、砖石、金属及其他灰分组成，炉渣的主要化学成分以金属氧化物为主。

烟气排放检测方面，参照《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014），《恶臭污染物排放标准》（GB14554-1993）中要求[9-10]，按照对有组织排放气体分析方法对烟气中各项指标进行检测。检测结果显示，有组织烟气中颗粒物 1h均值为22.7mg/m3，二氧化硫检测均值为10.1mg/m3，氮氧化物1h均值为159mg/m3，氯化氢 1h均值为12.1mg/m3，汞、镉、砷、铅等重金属及其合成物均在限定值以下，二噁英类物质测定均值为0.0202ng TEQ/m3均满足《生活垃圾焚烧污染物控制标准》（GB18485-2014）；烟气中硫化氢、氨、臭气浓度均满足《恶臭污染物排放标准》（GB14554-1993）标准。具体烟气排放检测数据如表1所示。

表1 烟气排放检测数据

5 讨论与展望

5.1 结论

（1）对于乡镇、农村的生活垃圾处理，在经济发达地区、城市周边主要采取“村收集、乡（镇）运输、县（市）处理”为主导的方法，在经济发展水平低、远离城市、交通不便、环境容量大、特定的地质及气候条件等乡镇、农村及高原地区，其生活垃圾处理将朝着小型焚烧处理方式发展。

（2）气碳耦含热解燃烧技术是可使热解温度控制在450-550℃，使垃圾转化为热解气和热解残碳，热解气和热解残碳在炉膛内的耦合燃烧，使炉膛温度保持在850℃以上，二燃室温度大于950℃，实现了可燃组分在高温区停留时间大于2s，解决了传统热解焚烧处理过程中因炉膛温度不高燃烧不充分而导致的二噁英等有害污染物的产生问题及焦油气冷凝黏附粉尘堵塞管道等问题。

（3）基于气碳耦合热解燃烧处理技术的处理炉系统，处理炉采用干燥腔室、热解气化腔室、一燃烧腔室、二燃室的炉内集成构型，通过自动控制实现了气碳耦合燃烧技术的应用，在工程试验过程中，经三方机构检验，系统处理能力满足使用要求，处理炉热解腔温度在450-550℃，处理炉炉膛温度＞850℃，二燃室温度保持在950℃以上，垃圾体积减量约大于90%，对垃圾含水率变化适应性强，烟气排放各项指标均满足《生活垃圾焚烧污染物控制标准》（GB18485-2014）排放要求，特别是CO可实现近零排放；整个运行过程不需添加辅助燃料便可连续稳定运行。

（4）烟气中的CO含量可以表征燃烧效率，含量高说明燃烧不充分，二噁英类物质的含量就有可能高，反之亦然。烟气中的烟尘含量能反映除尘器的除尘效率，在二噁英类物质生成量相同的情况下，烟气排放量越低，烟气中的二噁英类物质的含量就越少，故在烟气中衡量的二噁英类不能做到实时在线监测前，可以通过CO和颗粒物在线监测的数据表征二噁英类物质的排放情况[11]。

5.2 展望

（1）小型生活垃圾焚烧技术将沿着经济高效的多污染物协同烟气处理，飞灰产生量少、无废水产生的综合处理工艺技术方向发展。

（2）针对现行标准的要求，结合国家对乡镇、农村生活垃圾治理的政策导向，小型生活垃圾焚烧处理产品将逐渐要求满足年8000h运行时间、烟气在线监测达标排放、设备运行操作简单的发展趋势。

（3）应结合乡镇农村生活垃圾焚烧的技术发展现状，系统完善基础标准、通用标准和专用标准，鼓励因地制宜制定地方技术标准。

（4）余热利用对于乡镇农村垃圾焚烧炉的稳定、健康、经济运行有重要意义。

（5）基于气碳耦合热解燃烧处理技术的处理炉系统具有燃烧温度高、来料适应性强等特点，可用于工业垃圾、市政污泥等固体废弃物处理，是解决乡镇农村、工业园区等固体废弃物处理难题的新方法，具有较好的经济效益和社会效益。