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0 引言
党的十八大报告明确提出“要努力建设美丽中国,实现中华民族永续发展”,第一次提出了城乡统筹协调发展共建“美丽中国”的全新概念,依据美丽中国的理念第一次提出了要建设“美丽乡村”的奋斗目标,新农村建设以“美丽乡村”建设的提法首次在国家层面明确提出[1]。
Fig. 2 Comparison of centralized and decentralized waste treatment图2 集中和分散式垃圾处理对比 |
1 乡村分散式垃圾热处理工艺设计
1.1 乡村分散式垃圾热处理核心技术的选择
Table 1 Advantages and disadvantages comparison of heat treatment technology表1 热处理技术优缺点对比 |
| 工艺 | 直接燃烧技术 | 热解气化燃烧技术 |
|---|---|---|
| 氧气条件 | 充足氧气 | 无氧或缺氧 |
| 作用机理 | 利用焚烧物本身热值 | 利用有机物的热不稳定性使之裂解 |
| 主要产物/产品 | 电力、热水、蒸汽 | 清洁可燃气、电力、热水、蒸汽 |
| 二次污染物产生量 | 空气过量系数较大,产生大量的飞灰、氮氧化物、二噁英、二氧化硫等 | 由于在无氧或缺氧的情况下,减少了二噁英前驱体、氮氧化物、二氧化硫的生成 |
| 处理量范围 | ≥ 500 t/d | ≤ 100 t/d |
| 适用范围 | 经济较发达的大中小城市等 | 人口较少和人口分布不集中的县、乡镇、农村、岛屿等 |
| 优势 | 处理规模大、技术成熟 | 二次污染物产生量少,环保效益好;运行成本低;可做移动式处理系统 |
乡村生活垃圾的组分基本与城市生活垃圾相同,组分比例上存在差异。大部分地区乡村生活垃圾厨余占比较大,有机物含量高,含水率较高,大多数乡村生活垃圾产生量低于50 t/d,小于集中式焚烧炉处理的最小规模,收集点与大型焚烧处理厂的平均距离大于50 km,虽然生活垃圾焚烧处理的相关技术规范中规定焚烧规模不能小于 150 t/d,但由于小型生活垃圾焚烧炉、热解炉等,具有垃圾减量化效果显著、投资建设费用低、选址灵活、投资费用低、适用范围广等优点,已在我国多地广泛建设使用;结合直接燃烧技术和热解气化燃烧技术的优缺点对比（表1）,垃圾热解气化燃烧技术更适合处理乡村分散式生活垃圾。
1.2 工程工艺技术要点
以垃圾热解气化燃烧技术为核心,集成了垃圾前段预处理、热解气化燃烧装置、多旋转内部水冷炉排、多点多角度进气结构、炉内雾化喷淋结构、烟气急速降温冷凝、烟气净化、自动化控制等多项技术,设计了乡村分散式生活垃圾热解气化处理工程示范,工程技术路线如图3所示。
Fig. 3 Technology route of rural decentralized waste pyrolysis and gasification图3 乡村分散式垃圾热解气化处理工艺技术路线 |
垃圾前段预处理系统包括破碎、输送、储存、上料,系统采用全封闭式,内部长期保持微负压,防止臭气外漏;垃圾破碎之前需进行简易的筛选,去除大件的无机物,通过破碎机破碎成大小均匀的垃圾颗粒置于储存仓,最终通过上料装置送入热解气化炉。
热解气化燃烧装置[9]内部分为热解气化室和燃烧室,垃圾进入热解气化室,完成热解气化反应,产生大量的可燃气体（H2、CO、CH4、CnHm）,可燃气通过引风机,进入燃烧室内实现充分燃烧,可燃气在燃烧室内燃烧温度高于850℃且停留时间超过2 s,可促进二噁英等污染物的彻底分解;燃烧室炉顶采用尿素喷淋的方式,去除烟气中的NOx。
多旋转内部水冷炉排[10]是气化炉的核心部件,垃圾需要在炉排上发生热解气化反应,由于垃圾成分复杂、物性差异较大,炉排通常在高温、高压、易磨损、易腐蚀的环境下工作,特别是高温对金属材料的影响较大,多旋转内部水冷炉排有效解决了高温对炉排的影响,大大延长了炉排的使用寿命。
多点多角度进气结构[9]可改善气化炉内的流场分布、湍流强度及湍流动能分布,以使有机固废颗粒浓度分布均匀且停留时间长,增加有机固废颗粒与气体分子之间的碰撞频率,提高垃圾的碳转化率和气化效率。
炉内雾化喷淋结构可改善垃圾颗粒的吸热性能,提高上升燃气与干燥区垃圾颗粒的传热效率,大幅降低燃气温度,促使燃气中的重质及部分轻质焦油组分冷凝回流,于热解区内进行二次裂解。雾化喷淋尿素可降低氮氧化物含量,同时大幅降低气化炉出口燃气的焦油浓度,还能促进大部分焦油分子进行二次裂解,提高垃圾的能源利用率。
烟气急速降温冷凝结构可使烟气短时间内降低到180℃,烟气与换热介质采用间接换热的方式,避免产生二次污染,换热介质通过冷却塔散热,实现循环利用。
烟气净化结构包括活性炭吸附、布袋除尘器、脱酸塔。烟气经过活性炭吸附塔和布袋除尘器,可有效去除烟气中的二噁英和重金属,经过脱酸塔去除烟气中的酸性物质,最终实现烟气达标排放。
2 乡村分散式垃圾热解气化处理工程示范
Fig. 4 Demonstration project of waste pyrolysis and gasification in Tumen Town, Gulang County, Wuwei City, Gansu Province图4 甘肃省武威市古浪县土门镇垃圾热解气化处理工程示范 |
Table 2 Analysis on calorific value of domestic waste in Tumen Town, Gulang County, Wuwei City, Gansu Province表2 甘肃省武威市古浪县土门镇生活垃圾热值分析结果 |
| 项目 / 单位 | 数值 |
|---|---|
| 干基可燃组分高位热值 / (kJ/kg) | 17 493.8 |
| 干基可燃组分低位热值 / (kJ/kg) | 16 305.8 |
| 原生垃圾低位热值 / (kJ/kg) | 4 091.5 |
Table 3 Analysis results of domestic waste industry in Tumen Town, Gulang County, Wuwei City, Gansu Province表3 甘肃省武威市古浪县土门镇生活垃圾工业分析结果 |
| 项目 | 挥发分 / % | 固定碳 / % | 灰分 / % | 水分 / % |
|---|---|---|---|---|
| 干基可燃物工业分析 | 63.04 | 7.50 | 29.46 | 0.00 |
| 垃圾干基工业分析 | 47.25 | 5.62 | 47.12 | 0.00 |
| 收到基工业分析 | 21.15 | 2.52 | 21.10 | 55.23 |
Table 4 On line monitoring results of flue gas from rural decentralized domestic waste pyrolysis and gasification treatment project表4 乡村分散式生活垃圾热解气化处理工程烟气在线监测结果 |
| 监测项目 / 单位 | 数值 | GB18485-2014 | 运行状态 | |
|---|---|---|---|---|
| 炉膛内焚烧温度 / ℃ | ≥900 | ≥850 | 连续运行 | |
| 炉渣热灼减率 / % | 4.36 | ≤5 | 连续运行 | |
| 一氧化碳 / (mg/m3) | 24 h均值 | 7.65 | ≤80 | 连续运行 |
| 1 h均值 | 9.24 | ≤100 | ||
| 颗粒物 / (mg/m3) | 24 h均值 | 2.16 | ≤20 | 连续运行 |
| 1 h均值 | 2.87 | ≤30 | ||
| 氮氧化物 / (mg/m3) | 24 h均值 | 12.57 | ≤250 | 连续运行 |
| 1 h均值 | 16.28 | ≤300 | ||
| 二氧化硫 / (mg/m3) | 24 h均值 | 3.29 | ≤80 | 连续运行 |
| 1 h均值 | 5.47 | ≤100 | ||
| 氯化氢 / (mg/m3) | 24 h均值 | 2.17 | ≤50 | 连续运行 |
| 1 h均值 | 2.65 | ≤60 | ||
| 二噁英类 / (ng TEQ/m3) | 测定均值 | 0.046 | ≤0.1 | 连续运行 |
| 含氧量（体积分数）/ % | - | 15.26 | - | 连续运行 |
注：检测方法均参照生活垃圾焚烧污染控制标准（GB18485-2014）。 |
（1）系统运行产生的飞灰量远远小于直接焚烧法,降低了飞灰处理成分;
（2）未经处理烟气中的二氧化硫、氮氧化物、粉尘低于直接燃烧法,经过处理的烟气可达到超低排放;
（3）系统技术先进,融合多项自主知识产权技术,且操作简单,检修周期长,运行稳定;
（4）系统结构紧凑,占地面积小,且设备之间相对独立,可根据实际情况转运地点;
（5）系统投资成本低,约为直接燃烧法的50%;运行费用约为直接燃烧的40%。
3 结论
乡村分散式垃圾热解气化处理工程可有效解决人口较少的偏远乡村面临的生活垃圾无害化处理问题,工艺流程融合多项专利技术,实现烟气排放NOx ≤ 17 mg/m3、CO ≤ 10 mg/m3、SO2 ≤ 6 mg/m3、HCL ≤ 3 mg/m3,远远低于国家排放标准。可有效保障乡村居民的身心健康和生态环境保护,助力“美丽中国”“美丽乡村”的建设。
