引用本文
房科靖, 熊祖鸿, 鲁敏, 李继青, 黎涛. 分散式垃圾热解气化处理工程示范——乡村垃圾解决方案[J]. 新能源进展, 2021,9(4): 288-293
FANG Ke-jing, XIONG Zu-hong, LU Min, LI Ji-qing, LI Tao. Demonstration of Decentralized Waste Pyrolysis and Gasification Treatment Project—the Solution of Rural Garbage[J]. ADV NEW RENEWABLE EN, 2021,9(4): 288-293.  
Doi: 10.3969/j.issn.2095-560X.2021.04.004
Permissions
Copyright©2021, 《新能源进展》编辑部
版权所有 © 《新能源进展》编辑部
分散式垃圾热解气化处理工程示范——乡村垃圾解决方案
房科靖1,2,†, 熊祖鸿1,2,3, 鲁敏1,2,3, 李继青1,2,3, 黎涛1,2,3
1.中国科学院广州能源研究所,广州 510640
2.中国科学院可再生能源重点实验室,广州 510640
3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室,广州 510640
† 通信作者：房科靖,E-mail：fangkj@ms.giec.ac.cn

作者简介： 房科靖（1990-）,男,硕士,工程师,主要从事固废能源化、资源化利用技术和危废处置技术研究。熊祖鸿（1975-）,男,学士,高级工程师,主要从事固废能源化、资源化利用技术研究。

收稿日期: 2021-04-26 修订日期:: 2021-05-18
基金项目: 中国工程院院地合作重大项目（2019NXZD4）
摘要

新农村建设以“美丽乡村”的理念实行。我国领土广阔,大部分为山区丘陵,人口密度存在巨大差异,山区乡村人口居住较为分散、道路交通不便,各地区发展不均衡。乡村垃圾无害化处理问题急需合理解决,但偏远山区乡村无法满足建设垃圾发电厂的最低垃圾量。针对乡村垃圾处理存在的问题,设计融合了多项专利技术的分散式垃圾热解气化处理工艺,并以该工艺建设工程示范。工程示范整套设备运行稳定,烟气排放量远小于国家标准GB18485-2014的规定,其中NO x ≤ 17 mg/Nm3、CO ≤ 10 mg/Nm3、SO2 ≤ 6 mg/Nm3、HCL ≤ 3 mg/Nm3。结果表明,该工程示范实现了乡村垃圾无害化处置,有效保障了乡村居民的身心健康和生态安全。

关键词: 分散式; 垃圾; 乡村; 热解气化; 工程示范
中图分类号:TK09;X705 文献标识码:A 文章编号:2095-560X（2021）04-0288-06
Demonstration of Decentralized Waste Pyrolysis and Gasification Treatment Project—the Solution of Rural Garbage
FANG Ke-jing1,2,3, XIONG Zu-hong1,2,3, LU Min1,2,3, LI Ji-qing1,2,3, LI Tao1,2,3
1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China
3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China
Abstract

The new rural construction is carried out with the conception of ‘beautiful countryside’. China has a vast territory, most of which are mountainous and hilly areas. There are huge differences in population density. The rural population living in mountainous areas is scattered, the road traffic is inconvenient, the development of various regions is unequal. Currently, the amount of garbage in mountainous areas cannot meet the minimum amount for the construction of garbage power plant. Harmless treatment of rural garbage still faces many challenges. Considering the existing problems of rural garbage treatment, a decentralized garbage pyrolysis gasification process integrating a number of patented technologies was designed, and a demonstration project was implemented. The whole set of demonstration equipment ran stably, the flue gases emission amounts were NO x ≤ 17 mg/Nm3, CO ≤ 10 mg/Nm3, SO2 ≤ 6 mg/Nm3, HCl ≤ 3 mg/Nm3, far less than the national regulations of No.GB18485-2014. Results indicated that, the harmless disposal of rural garbage was realized, and the physical and mental health and ecological safety of residents were effectively guaranteed.

Key words: decentralized; garbage; rural; pyrolysis gasification; project demonstration

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

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]。

近年来, 我国社会经济高速发展, 乡村城镇化水平不断提高, 乡村居民生活垃圾的产生量也随之增加, 政府对农村垃圾处理的投资规模也逐年递增, 2019年我国农村居民生活垃圾产生量高达52.2亿t, 农村垃圾处理投资规模达到387.74亿元（见图1）; 农村生产生活理念发生巨大变化, 垃圾成分日趋复杂化, 部分垃圾已无法通过自然降解去除, 处理难度大大增加[2]; 农村垃圾随意倾倒, 难以集中收集处理, 农村环保监管能力薄弱, 导致农村垃圾无害化处理的问题日趋严重。

图1 农村垃圾产生量和处理投资规模[3]Fig. 1 Rural waste production and investment scale[3]

目前, 我国正在大力推进农村生活垃圾无害化治理, 推广传统的集中处理模式— — “ 村收集、镇转运、县处理” 。但我国领土广阔, 大部分为山区丘陵, 人口密度存在巨大差异, 山区农村人口居住较为分散、道路交通不便, 各地区发展不均衡, 这种治理模式对于运距较长、道路不便的村镇存在垃圾运输成本高, 垃圾转运过程中的泄漏、管理不当, 还会造成二次污染, 难以持续良性运转的问题[4, 5]。因此, 乡村分散式生活垃圾热处理技术应运而生, 开始在全国范围示范和推广, 特别在西北山区农村地区得到了广泛的应用, 可有效解决农村垃圾无害化处理的难题（见图2）。

图2 集中和分散式垃圾处理对比Fig. 2 Comparison of centralized and decentralized waste treatment

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

垃圾热处理技术最主要的优势是减容率可达到80% ~ 90%, 且重量可减少70% ~ 80%[6]。热处理过程可消灭垃圾中的细菌, 达到控制疾病传播的目的, 同时还可回收垃圾中的能量, 转化为可供居民使用的热水或蒸汽。因此, 热处理技术充分符合垃圾处理的“ 减量化、无害化、资源化” 原则[7], 已逐步成为城市生活垃圾无害化处理的主力军。

垃圾热处理技术主要包括层状燃烧技术、流化态燃烧技术及热解气化燃烧技术, 相对应的炉型为机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉及热解气化燃烧炉[8]。层状燃烧技术和流化态燃烧技术可统称为直接燃烧技术, 垃圾与空气直接充分混合燃烧, 该技术存在燃烧过程控制复杂、燃烧不充分、二次污染物产生量大和处置成本高等问题, 主要适用于经济较发达的大中小城市群体; 热解气化处理技术是指有机质在缺氧或无氧的条件下, 通过加热的方式充分分解, 产生以H2、CH4、CO为主要成分的低热值可燃气, 该技术的二次污染物产生量少, 处理成本低, 环境效益好, 主要适用于人口较少和分布不集中的县、乡镇、农村、岛屿的垃圾无害化处理（见表1）。

表1 热处理技术优缺点对比 Table 1 Advantages and disadvantages comparison of heat treatment technology

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。

图3 乡村分散式垃圾热解气化处理工艺技术路线Fig. 3 Technology route of rural decentralized waste pyrolysis and gasification

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

利用上文中设计的热解气化处理工艺, 选取甘肃省武威市古浪县土门镇为工程示范点, 见图4。设计额定处理量为10 t/d, 选取的示范点符合山区农村人口居住较为分散、道路交通不便、各地区发展不均衡等特点, 根据当地人口数量、垃圾产生量和检测分析结果（见表2和表3）进行系统设计、生产加工、安装调试、运行与检测, 实现了系统的稳定连续运行, 烟气排放符合国家生活垃圾焚烧污染控制标准[11]中的要求（见表4）; 炉渣产生量约为原料的10% ~ 15%, 符合生活垃圾填埋场污染控制标准[12]中的规定, 可直接填埋处理。乡村分散式垃圾热解气化处理系统工程示范具有以下优势：

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Fig. 4 Demonstration project of waste pyrolysis and gasification 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 Table 2 Analysis on calorific value of domestic waste 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 Table 3 Analysis results of domestic waste industry in Tumen Town, Gulang County, Wuwei City, Gansu Province
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 Table 4 On line monitoring results of flue gas from rural decentralized domestic waste pyrolysis and gasification treatment project

（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。

参考文献
[1] 田宪臣. 建设生态文明绘就美丽中国[J]. 学习论坛, 2013, 29(1): 9-13. [本文引用:1]
[2] BERNARDES C, GÜNTHER W M R. Generation of domestic solid waste in rural areas: case study of remote communities in the Brazilian amazon[J]. Human ecology, 2014, 42(4): 617-623. DOI: 10.1007/s10745-014-9679-z. [本文引用:1]
[3] 智研咨询集团. 2021-2027年中国农村垃圾处理产业发展动态及投资战略规划报告[R]. 北京: 中国产业信息网, 2019. [本文引用:1]
[4] 雷鸣, 海景, 程江, 等. 小型生活垃圾热处理炉二恶英和重金属的排放特征[J]. 中国环境科学, 2017, 37(10): 3836-3844. [本文引用:1]
[5] 韦建华, 杨远福. 浅谈厨余垃圾处理现状及对策建议——以广西壮族自治区为例[J]. 环境教育, 2020(5): 28-31. [本文引用:1]
[6] CHIMENOS J M, SEGARRA M, FERNÁNDEZ M A, et al. Characterization of the bottom ash in municipal solid waste incinerator[J]. Journal of hazardous materials, 1999, 64(3): 211-222. DOI: 10.1016/S0304-3894(98)00246-5. [本文引用:1]
[7] YUAN H, WANG L A, SU F W. Urban solid waste management in Chongqing: challenges and opportunities[J]. Waste management, 2006, 26(9): 1052-1062. DOI: 10.1016/j.wasman.2005.09.005. [本文引用:1]
[8] 马香娟, 陈郁. 农村生活垃圾问题及其解决对策[J]. 能源工程, 2002(3): 25-27. DOI: 10.3969/j.issn.1004-3950.2002.03.008. [本文引用:1]
[9] 中国科学院广州能源研究所. 一种新型有机固废热解气化炉: CN201910786214. 9[P]. 2019-11-12. [本文引用:2]
[10] 中国科学院广州能源研究所. 一种多旋转内部水冷气化炉炉排: CN201910605425. 8[P]. 2019-09-27. [本文引用:1]
[11] 环境保护部, 国家质量监督检验检疫总局. 生活垃圾焚烧污染控制标准: GB18485-2014[S]. 北京: 中国环境科学出版集团, 2014. [本文引用:1]
[12] 环境保护部, 国家质量监督检验检疫总局. 生活垃圾填埋场污染控制标准: GB16889-2008[S]. 北京: 中国环境科学出版集团, 2008. [本文引用:1]