模塊式城市廢棄物熱解氣化裝置的應(yīng)用
摘要：本文以韓國KENTEC-OPAS公司引進(jìn)挪威先進(jìn)的熱解氣化技術(shù)在亞洲推廣應(yīng)用成功為例，重點(diǎn)介紹模塊式城市廢棄物熱解氣化裝置的主要優(yōu)點(diǎn)及其發(fā)展前景。
1．前言
隨著城市現(xiàn)代化及農(nóng)村城市化進(jìn)程的不斷加速，固體廢棄物的排放量與日俱增，以往廣泛采用的填埋或堆肥處理方法的空間越來越狹窄，而傳統(tǒng)的直接焚燒處理方法（如爐排、流化床、回轉(zhuǎn)窯等）又難以適應(yīng)各國越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求以及可持續(xù)發(fā)展的需要。正是在這種背景之下，近十幾年來，世界各發(fā)達(dá)國家，特別是歐洲的一些發(fā)達(dá)國家一直在尋求一種能減少二次廢棄物（如處理產(chǎn)生的灰渣、煙氣、有害氣體等）的生成，提高能源回收利用的更經(jīng)濟(jì)、更充分回收能源及更有利于環(huán)境（即“三化”—減量化、資源化、無害化）符合可持續(xù)發(fā)展需要的固體廢棄物處理新途徑。于是，一種比傳統(tǒng)的直接焚燒處理方法更理想、更適用于當(dāng)代城市固體廢棄物（包括醫(yī)療垃圾等危險(xiǎn)廢棄物）處理的新型處理技術(shù)—熱解氣化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如同任何一種新技術(shù)產(chǎn)生、發(fā)展、被市場普遍接受需要一個(gè)逐步探索、深化完善的過程一樣，該技術(shù)也正在經(jīng)歷這樣的過程。這種新型垃圾處理技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用型的“熱回收”技術(shù)而推廣應(yīng)用、并正逐步市場化。據(jù)1997年“歐洲垃圾熱解與氣化市場研究報(bào)告”中所說，當(dāng)時(shí)，統(tǒng)計(jì)的市場占有率約5~10%，并預(yù)測到2006年將達(dá)到21%左右。據(jù)說，目前有的發(fā)達(dá)國家開始嚴(yán)格控制新建采用傳統(tǒng)爐排焚燒技術(shù)的垃圾處理廠，而鼓勵(lì)采用熱解氣化技術(shù)。其中，歐洲（德、法、挪威等國）、北美（加拿大、美國）等國家發(fā)展尤為迅速。而近幾年來，韓國在這方面也異軍突起，其中，韓國的KENTEC-OPAS公司在2000年與挪威ORGANIC-POWER公司合作，在引進(jìn)該公司熱解氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)亞洲型垃圾的特點(diǎn)（低熱值、含水量高），加以改進(jìn)提高，于當(dāng)年以BOT方式承包了韓國漢城安陽市博松縣（10萬人口）第一個(gè)示范性垃圾處理廠（處理能力25噸/天），并于2001年6月正式投入運(yùn)行，一舉取得成功。在經(jīng)過嚴(yán)格的測試鑒定后，韓國環(huán)境部長于同年11月6日簽署了“環(huán)境技術(shù)鑒定證書”，對此項(xiàng)技術(shù)給予充分肯定，為其在韓國推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。去年，博松縣政府決定投資在附近的填埋場原址上，再建一座相同規(guī)模的垃圾熱解氣化處理廠，以消除原填埋場對環(huán)境的污染。此外，韓國其它兩個(gè)由政府投資、相同規(guī)模的垃圾處理廠（谷陽、海南）也在建設(shè)之中。2004年已有4個(gè)項(xiàng)目開工建設(shè)。并且，計(jì)劃2005年將另有4個(gè)項(xiàng)目開工建設(shè)。
我們在2003年7月，對韓國KENTEC-OPAS公司在博松縣的示范性熱解氣化垃圾處理廠進(jìn)行了實(shí)地考察，感觸頗深。韓國的城市固體廢棄物成分與我國大致相似。因此，我們認(rèn)為，韓國推廣應(yīng)用熱解氣化技術(shù)及市場化的成功對我國尚在起步、探索階段的熱解氣化技術(shù)的推廣應(yīng)用有一定的借鑒意義。本文僅就我們對此項(xiàng)技術(shù)的了解，結(jié)合對韓國實(shí)地考察的心得對其主要特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及工藝流程作一介紹。
2．熱解氣化技術(shù)主要特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)
2.1 垃圾管理與處理新概念
挪威ORGANIC-POWER公司熱解氣化技術(shù)根據(jù)歐洲一些中、小國家城市垃圾分散、不集中的特點(diǎn)，運(yùn)用熱解氣化技術(shù)，提出了垃圾管理與處理新概念。在垃圾進(jìn)入熱解氣化處理廠前，對分散收集的垃圾先行分揀，將玻璃瓶、金屬罐、部分紙、塑料等廢棄物回收，然后對剩余廢棄物進(jìn)行壓縮、打包、（用塑料薄膜）封包，每包的體積為1.2 x 1.1 x 1.0m左右，便于存放，可堆放在露天，對環(huán)境也沒有影響。而且，打包系統(tǒng)可設(shè)在工廠內(nèi)熱解氣化爐附近，通過傳送系統(tǒng)送到熱解氣化爐進(jìn)行處理；也可單獨(dú)地設(shè)在其它地方，將各地送來的固體廢棄物集中、分揀、打包，然后用集裝箱卡車將打包的垃圾送到垃圾處理工廠。 我們考察的韓國博松縣熱解氣化垃圾處理廠的打包系統(tǒng)與熱解氣化爐放在一個(gè)工廠內(nèi)。
 固體廢棄物熱解氣化處理廠工藝流程示意圖 |
2.2 主要特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)
2.2.1 工藝特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的直接焚燒方法（如爐排、回轉(zhuǎn)窯、流化床等）所不同的是，固體廢棄物熱解氣化處理工藝的基本原理是采用在無氧或缺氧條件下使固體廢棄物得到完全處理并充分回收能源。
燃料到煙氣在高溫下進(jìn)行循環(huán)的工藝包括以下步驟：干燥、熱解、氣化和燃燒。前面三道工序是在一燃室進(jìn)行，而氣體燃燒是在二燃室發(fā)生的。下圖為KENTEC-OPAS公司氣化技術(shù)的流程簡圖。
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熱分解是在無O2或缺O(jiān)2的還原條件下進(jìn)行，一燃室充滿了惰性可燃?xì)怏w，并始終保持負(fù)壓環(huán)境，以防垃圾直接焚燒，保證內(nèi)部的惰性狀態(tài)，使垃圾能充分熱解，因此，與傳統(tǒng)的垃圾直接焚燒相比，產(chǎn)生的NOx、HCL等公害物質(zhì)大大減少，生成的燃?xì)饣蛴湍茉谶^量空氣系數(shù)比較低的條件下燃燒，從而廢氣量也較少，這樣，對大氣的污染也就相應(yīng)減少。此外，一燃室配置了一系列噴嘴，從底部吹送高壓空氣，提供熱量，并迅速滲透到團(tuán)塊垃圾內(nèi)部，從而使垃圾充分熱解，消除了團(tuán)塊垃圾直接焚燒而往往不能充分燃燒而爐渣多的問題，與傳統(tǒng)的直接焚燒爐相比，其爐渣量可降低77%以上，這就相應(yīng)減少了今后填埋處理的壓力與成本。由于一燃室的工藝溫度（400~700℃）相對較低，因此，相應(yīng)提高了爐子的使用壽命。由于，通過熱解氣化能使垃圾得到充分燃燒，即使是水分含量高的低熱值垃圾，也不像直接焚燒爐那樣，經(jīng)常需采用輔助燃料，進(jìn)而降低了能耗。并且，大部分的有害物質(zhì)已經(jīng)在熱解氣化過程中分解掉，再經(jīng)過二燃室（1000℃左右）高溫分解，并在旋風(fēng)分離器最后燃燒和煙氣凈化系統(tǒng)處理，排放的氣體完全達(dá)到了歐洲新的2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大型燃燒設(shè)備的排放要求。除此之外，熱分解殘?jiān)嗷抑，灼燒性有機(jī)物量少，防止了填埋公害。而與此同時(shí)，熱解氣化產(chǎn)生的高密度濃縮的氣體燃料（稱作合成氣體—SYNGASES）可以回收成有用的能源。
2.2.2 模塊式組合結(jié)構(gòu)
熱解氣化系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是采用模塊組合式結(jié)構(gòu)，單元設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，可按處理規(guī)模需要，選定單元、數(shù)量、使總體建設(shè)成本較低。對中等處理量（如300噸/天以下）以下的配置，比其它傳統(tǒng)的直接焚燒系統(tǒng)更具靈活性和適應(yīng)性。 熱解氣化爐的處理規(guī)？勺，可以是單體、雙體或多體，目前，目前使用較多的熱解氣化裝置，其單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊的處理能力為25噸/天，可依據(jù)要求處理量的多少，單個(gè)或多個(gè)模塊組合配置，以達(dá)到最佳處理與經(jīng)濟(jì)效果。在實(shí)際運(yùn)行中，可根據(jù)垃圾處理量的變化或維修保養(yǎng)的需要，可按需調(diào)整單元運(yùn)行模塊數(shù)量，這樣，可節(jié)約運(yùn)行成本。
KENTEC-OPAS公司根據(jù)市場需要，經(jīng)過在其示范性工廠的原有熱解氣化裝置上的多次實(shí)驗(yàn)，單元設(shè)備處理能力已可達(dá)到37.5噸/天。 只要改變設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，即可發(fā)展為系列化產(chǎn)品。這樣，就大大拓寬了該項(xiàng)新工藝的適應(yīng)范圍。
此外，此項(xiàng)技術(shù)可適應(yīng)多種固體廢棄物的處理，即：不僅可處理生活垃圾，還可處理工業(yè)及醫(yī)療垃圾，特別能處理不適合直接焚燒，或直接焚燒難以應(yīng)付的各種（包括醫(yī)療垃圾）危險(xiǎn)性固體廢物。尤其對醫(yī)療垃圾及其它要求在完全密封條件下進(jìn)行處理的危險(xiǎn)性廢棄物來說，傳統(tǒng)的在有氧條件下直接焚燒處理方法難以做到這一點(diǎn)，不僅可能產(chǎn)生二次污染，危及具體操作人員的健康，并且會增加有害物質(zhì)或氣體的處理難度，及增加處理成本。而這種新型的垃圾管理與處理概念（即各種垃圾先行打包、封裝，而后進(jìn)行熱解氣化處理均可在一個(gè)完全密封的條件下進(jìn)行）可以滿足各種危險(xiǎn)廢棄物的處理要求。甚至，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，農(nóng)村地區(qū)大量的（小麥、玉米等）秸桿也可采用此項(xiàng)技術(shù)加以處理。這也是其它常規(guī)直接焚燒技術(shù)所難以具備的優(yōu)點(diǎn)。
綜上所說，我們認(rèn)為，這項(xiàng)新技術(shù)特別適合中、小城市及大城市的一些區(qū)、縣和開發(fā)區(qū)各種中、小規(guī)模固體廢棄物的處理，以及采用綜合處理工藝中（如堆肥）的可燃物及市政污泥干燥處理后的焚燒處理提供能源。
2.2.3 兩種固體廢棄物處理技術(shù)比較表：
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3． 熱解氣化裝置簡介
下面以我們實(shí)地考察過的韓國漢城安陽市博松縣日處理25噸生活垃圾熱解氣化廠的工藝流程為例，對熱解氣化的主要裝置作一簡要說明。
該生活垃圾處理廠為韓國的熱解氣化處理示范性工程。垃圾的預(yù)處理和打包未單獨(dú)分開設(shè)置，而是與熱解氣化爐放在同一建筑物內(nèi)，市內(nèi)運(yùn)垃圾卡車倒車駛?cè)胩幚碥囬g平臺，將垃圾卸入位于該車間左端深度1.80m，寬度為3.50m，長度為11.10m的垃圾坑內(nèi)，由設(shè)在靠墻的抓斗起重機(jī)通過液壓回轉(zhuǎn)桿將垃圾抓入料斗，供位于料斗下部的雙軸多圓盤剪切破碎機(jī)*，垃圾經(jīng)切碎后，由皮帶輸送機(jī)輸送至隔壁打包間內(nèi)，經(jīng)輸送機(jī)送入下部有旋轉(zhuǎn)托板的打包機(jī)，將垃圾壓縮成1.20×1.10×1.00（m）的矩形體，并由寬度約為0.5m的聚乙烯薄膜在垃圾塊四周包裹。整個(gè)預(yù)處理和打包過程均在封閉無人操作情況下進(jìn)行的。
打包的垃圾離開打包機(jī)后，通過皮帶輸送機(jī)送至垃圾包貯存庫，經(jīng)提升機(jī)垂直、定時(shí)將垃圾包送至熱解氣化爐。
* 破碎機(jī)可按需（垃圾性狀）設(shè)置
3.1 熱解氣化爐（一燃室）
（1）氣化爐介紹
氣化爐是一種使垃圾恒定平行下流式固定爐床，在稍低于大氣壓力的負(fù)壓條件下運(yùn)行的軸式氣化設(shè)備。氣化爐（一燃室）為一個(gè)上部方型、下部有縮口、室內(nèi)層敷設(shè)200mm絕熱保溫層，氣化爐室自重約為40噸。垃圾包進(jìn)入氣化爐，揮發(fā)性成分在上部干燥和脫水。垃圾進(jìn)一步往下，與來自底部（吹送的）的一次空氣和熱氣體相接觸，在碳化過程中進(jìn)行充分熱解。在最后階段，焦碳?xì)堄辔镌趤喕瘜W(xué)計(jì)量條件下部分燃燒，在氣化爐底部形成燃燼的爐灰。產(chǎn)生的煙氣沿著底部軸向排出，產(chǎn)生的煙氣溫度為600～700°C左右。
氣化狀態(tài)是通過氣化爐四周側(cè)壁上的多排大量噴嘴鼓風(fēng)進(jìn)行控制的。噴嘴設(shè)計(jì)成兩種噴射方式，這兩種方式可以同時(shí)應(yīng)用。氣化爐底部形成的灰渣層溫度保持在500～600°C ，或保持在灰渣呈固體狀態(tài)的溫度，即既不燒結(jié)，也不熔化的溫度。
（2）氣化爐進(jìn)料
采用熱解氣化方式處理垃圾，垃圾進(jìn)料控制至關(guān)重要。進(jìn)料工序必須在確保垃圾順利進(jìn)入一燃室的同時(shí)，保證垃圾投入過程的嚴(yán)密性，同時(shí)在熱解氣化過程中，需控制不讓新鮮空氣進(jìn)入。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，除進(jìn)料口設(shè)置嚴(yán)密的閘門之外，還采用惰性氣體（循環(huán)煙氣）充滿整個(gè)給料室，以防止新鮮空氣進(jìn)入。
一燃室上方是給料室，給料室設(shè)計(jì)有良好的密封性，給料室上部門的上方是一燃室進(jìn)料斗，給料時(shí)下部門之下是熱解氣化室。上、下門除能較順利地可靠移動(dòng)開、閉之外，在處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)都具有一定的嚴(yán)密性。
進(jìn)料口上部門和下部門的相互動(dòng)作是自動(dòng)聯(lián)鎖的。當(dāng)需要進(jìn)料前，上部門開啟，垃圾從上料平臺落入給料室，上部門便及時(shí)關(guān)閉。
通常，給料室下部門處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)垃圾進(jìn)入給料室，上部門可靠關(guān)閉后才自動(dòng)開啟，完成進(jìn)料后及時(shí)自動(dòng)可靠關(guān)閉。
為防止在進(jìn)料過程中，由于氣化爐內(nèi)負(fù)壓而造成外部空氣漏入爐內(nèi)，從引風(fēng)機(jī)后的煙管引出一定量的煙氣充入給料室，這個(gè)循環(huán)煙氣不僅含一定熱量被回用，還大大減少了新鮮空氣的漏入量，為熱解氣化爐內(nèi)的欠氧氣化過程創(chuàng)造了條件。
（3）氣化爐底灰排放
排放干態(tài)（非熔化狀態(tài)的）灰渣的出料系統(tǒng)是氣化爐的組成部分。其主要部件是安裝在氣化爐底下的旋轉(zhuǎn)型卸渣機(jī) -“排放轉(zhuǎn)子”。其長度同出料軸的長度一樣。轉(zhuǎn)子用彈簧直接支撐于錐形側(cè)壁短端的斜面上。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，任何非燃燒物（如鐵質(zhì)及有色金屬材料、石頭、沙等）均從底部任何一個(gè)方向自動(dòng)排出。由于轉(zhuǎn)子懸浮、旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的壓縮力，使?fàn)t灰排出時(shí)，受到粉碎和磨碎。
轉(zhuǎn)子下面的一臺濕式鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)將爐灰送到灰倉。整個(gè)灰渣輸送系統(tǒng)也是全封閉的，防止灰塵飛揚(yáng)。
3.2高溫燃燒室（帶旋風(fēng)分離器的二燃室）
高溫燃燒室由與氣化爐相連接的圓筒形燃燒室和旋風(fēng)分離器組成。二次風(fēng)（新鮮空氣）和來自引風(fēng)機(jī)的再循環(huán)煙氣，以一定比例配比后引入二燃室，與來自一燃室的熱解氣化氣體充分混合，實(shí)現(xiàn)充分燃燒，基本消除各種有害氣體。
該二燃室的下游，作為延伸部分，是用耐火材料作墊襯的旋風(fēng)室。高溫?zé)煔馇邢蜻M(jìn)入旋風(fēng)室，既分離掉煙氣中部分大灰；，也增加了煙氣停留時(shí)間，使煙氣中的CO與空氣充分?jǐn)噭?dòng)，使之完全燃燼，保證了高溫?zé)煔馔Ａ魰r(shí)間超過2秒鐘。然后，煙氣從頂部引出，進(jìn)入噴淋冷卻塔。
該二燃室的燃燒溫度為900～1,000℃，含氧量為6～8%，這兩個(gè)參數(shù)均達(dá)到將要執(zhí)行的歐盟標(biāo)準(zhǔn)。一方面，這個(gè)溫度是破壞二惡英和氮氧化物所必需的溫度；另一方面，這個(gè)溫度又低到足以防止飛灰熔化。 進(jìn)入燃燒室的煙氣最低溫度，即燃燒的先決條件，為850℃。
而后，煙氣進(jìn)入熱交換器或鍋爐，產(chǎn)生熱水或蒸汽。這部分熱水或蒸汽可供給工廠或居民區(qū)利用。如固體廢棄物達(dá)到一定的規(guī)模，則可利用產(chǎn)生的蒸汽來發(fā)電。
韓國漢城安陽市博松縣日處理25噸生活垃圾熱解氣化廠的自動(dòng)化程度較高，整個(gè)工廠的打包車間和熱解氣化車間控制室分別由一人監(jiān)控，操作簡便，性能穩(wěn)定可靠，管理十分方便。
4. 結(jié)語
縱上所述，歐洲先進(jìn)的熱解氣化技術(shù)在韓國中小城市推廣應(yīng)用的成功，為我國推廣應(yīng)用提供了很好的范例。我國是一個(gè)中、小城市（包括縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)）眾多的國家。如采用傳統(tǒng)的直接焚燒的爐排技術(shù)，對百噸或百噸以下垃圾處理規(guī)模來說，無論是土建、廠房與設(shè)備的規(guī)模，運(yùn)行控制復(fù)雜程度，還是投資與運(yùn)行及維修保養(yǎng)成本高，建設(shè)周期長等，都是無法適應(yīng)的。即使其他一些傳統(tǒng)的直接焚燒技術(shù)（如回轉(zhuǎn)窯、流化床），如上所述，也有一定的局限性。
此外，由于熱解氣化過程中可產(chǎn)生特性類似于天然氣的合成氣體（其熱值為天然氣的1/3），若經(jīng)適當(dāng)處理（如，與當(dāng)?shù)孛簹鈴S合作），將其轉(zhuǎn)變成可直接燃燒的能源，則作為一種替代能源，其前景將是十分廣闊的，必將進(jìn)一步推動(dòng)此項(xiàng)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新型固體廢棄物處理技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用。
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