环保、能源回收型城市生活垃圾气化处理论文

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一、垃圾处理概况

目前，城市垃圾处理问题，给人们生活带来的不便和对环境的污染已经不言而喻，据法国环境与能源控制署预计，2020全球的年垃圾量将比现在翻一番多，达20亿吨，（目前的年垃圾量为7.7亿吨）；而我国历年来垃圾堆存量已60亿吨，占耕地5亿平方米，全国668年城市中已有200多个处于垃圾的包围中，且年产垃圾量2.2亿吨，并以每年8-10%的速度增长。而另一方面，能源短缺，油价上涨，迫切需要寻找新的替代能源，科学研究发现，垃圾等生物质可以发电、堆肥、甚至炼油，是一大富矿，垃圾中蕴藏着丰富的能源资源，美国人称其为“第二矿产”，将处理垃圾的行业称做朝阳产业。一九九六年，一些专家对我国城市生活垃圾的成份进行分析统计表明：在城市生活垃圾中，有机物占60%-70%，塑料占8%-9%，纸张类占2%-3%，玻璃占3%-5%，及少量金属成份等。可利用的成份达90%，其价值相当可观。我国每年的垃圾可利用价值高达250亿元以上（据四川日报资料）。城市垃圾处理不仅仅是一个城市环保问题，而且是一个十分重要的充分利用资源的可持续发展的战略问题。目前，摆在政府和民众面前的问题是：我们不仅是要把城市脏乱的垃圾清除干净，一埋了之，更重要的是要找出理想有效的方法，将垃圾变废为宝，并实现无害化、减量化、资源化处理，进而推进市场化运作。

目前，垃圾的处理方法，在我国主要为填埋，占85%；次为堆肥，约占10%；只有3%-5%为焚烧处理。填埋占地大，带来二次污染，释放有毒有害气体，污染地下水，滋生病菌等，所以，国内外不少填埋场已开始重新挖走填埋垃圾，不留后患；堆肥成本高，肥效低，产品无市场，安全性差。焚烧垃圾温度底，容易产生二恶英等剧毒物质，造成二次污染，且投资巨大，动辄以数亿计。由于我国垃圾热值低达不到焚烧发电的技术要求，需要添加大量的辅助燃料（油和煤），这样来提高垃圾热值进行发电得不偿失，使垃圾焚烧流程越做越复杂，越做越昂贵，而发电收效甚微，难以维持运行。另外，焚烧在技术上要求处理规模大，才能达到正常运行，我国绝大多数中小城市垃圾日产量在500吨以下，采用数亿元的垃圾焚烧技术是地方财政无法承受的。

现行又推出的垃圾综合处理工艺：先分选，再将分选物分门别类进行综合处理。问题在于现有分选机械分选潮湿且粘滞在一起的生活垃圾是难以奏效的，不能实现彻底分选垃圾的目的，而人工分选对人体的危害性极大，对于日产数千吨的垃圾量，人工分选作业也是无法承受的，我国垃圾现状要在处理前实现分选在技术及资金上是很困难的，因此有专家提出：采用新技术处理后再分选利用才是垃圾处理的方向。

二、垃圾气化是“三化”处理垃圾最有效的方法

气化处理垃圾能源回收性好，环境污染少，被誉为二十一世纪最佳而行之有效处理垃圾的方法。

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正因如此，吸引众多国内外学者的研究和各国政府的重视。美国是最早开展垃圾热解气化的国家，1970年，美国将《固体废物法》改成《资源再生法》，鼓励从垃圾中回收燃气和燃油，先后开发了Porox系统、Garret系统和EPA技术等多种热解垃圾气化炉，取得了很大进展。欧洲是世界上最早采用焚烧处理垃圾的，但焚烧带来的二次污染一直成了人们关注的热点。为了减少二次污染，许多国家在焚烧基础上加热解装置，如德国和法国的ELK炉、Kiener系统炉等。加拿大有丰富的生物质资源，该国制定了R D计划，开始用回转窑气化处理固体废物，取得成果，但比欧美起步晚。日本从1973年实施StarDust80计划，开展了以垃圾热解气化的诸多实验，如新日铁系统垃圾热解炉，获得实用化。我国对于垃圾气化处理的研究更晚，但近几年兴起了“气化”研究的热潮，从事这方面工作的达2000多家，取得不少成果。如昆工式垃圾直接气化熔融炉已投入运行，清华大学与太原烽亚机电设备公司共同研制的LSF立式炉热解垃圾等。

但上述这些垃圾气化技术，绝大多数还是属于最古老的早已工业化的热解（干馏）气化技术范畴。并没有从根本上解决垃圾气化。本报告所述“气化”与上述热解气化有本质的不同。本“气化”是指给少量一次空气，使部分垃圾燃烧，为一系列气化反应提供热量，并通过二次风口，提供蒸气、空气等气化剂，与炽热的残炭发生还原气化，以及伴随的炉体上部的热解气化和炉体火口的裂解气化等诸多气化。因此，它不需隔绝空气和外加热，只利用燃烧自己一小部份产生气化所需要的热量，并通过二次燃烧火管和引风机产生炉内负压，而使气化反应进行，但它又含有热解气化（干馏）过程。

三、气化原理

不管是农业废弃物、工业废弃物还是城市生活垃圾，都含有大量的有机物，如塑料、橡胶、纸类、布类、草木、树枝等，这些有机物都是可燃的。换言之，它们也是一种燃料，只不过是含有机物的多寡，其热值有高低不同而已。有机物在无氧或缺氧条件下加热，其热能使有机化合物的化合键断裂，由大分子量转化成小分子量的燃气、油或油脂液状物及焦炭等。在气化炉的特殊结构条件下，向炉底通入少量空气，使垃圾等燃料在炉体底部被点燃燃烧，发生氧化反应，产生热量，并向四周传递。随着温度增高，炉内四周，特别是上部被隔绝空气的已干燥的垃圾与炽热的碳发生还原氧化反应。这时水被裂解成氢气和氧气，氧气和从炉外进入的少量空气、水蒸气与碳发生反应，又生成可燃气体。可见，气化炉内产生了干馏煤气、水煤气、空气煤气、裂解气（包括焦油被裂解）等可燃气的混合燃气。

四、气化炉特点

与其它气化炉相比较，本环保、能源回收型垃圾处理装置的特点为：

（1）、本装置的一、二、三次进风管、电动分料装置与二次燃烧火管配合的结构，改变了过去传统马丁炉、流化床炉、回转窑炉等垃圾直接在炉内燃烧的复杂工艺方法，实现了有机物高温下缺氧热解气化的原理，使有机物最大限度地转变为可燃气体再燃烧，不用添加额外的辅助燃料，由于是限氧燃烧，炉内产生烟

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气量少，烟气易于处理，大大减轻了垃圾处理的投资和运行成本，对环境不会造成的二次污染，有利于解决我国垃圾水份多、热值低、成份复杂的处理难题；

（2）、本装置的二次燃烧火管与从上部螺旋烟箱引入的进风管配合工作，使进入炉体的垃圾废物燃烧猛烈、温度高，气化燃烧彻底，生物质减量化大，同时，通过相关电动阀门控制进风量，使炉体内形成缺氧燃烧的还原环境，因此炉体内可产生大量的混合燃气，可回收大量富余燃气，实现了资源化；

（3）、本装置的螺旋烟箱为多级环形管，且分别设有小孔，有效的阻挡火管未燃尽的焦油，使焦油重新回到炉体内，分解为可燃气体，从而减轻了下游烟气净化的负担，也不会堵塞烟管，无害化、资源化显著；

（4）、本装置的螺旋烟箱、二次燃烧火管、散热片配合工作，能充分利用燃烧产生的大量高温烟气，把从进料口进入的生物质废弃物在高温螺旋烟箱、炉膛中预热、干燥、干馏热解，在缺氧环境中产生大量可燃混合气体，使本发明装置资源化的效果更加显著；

（5）、本装置的二次燃烧火管、进风管配合工作，使高温烟气在二次燃烧火管中有较长的停留时间，彻底分解和烧掉二恶英等有毒有害成分，因此本发明实现了无害化处理；

（6）、本装置电动分料装置可把落入炉膛底部的生物质残留物搅动、松散、翻转，与限量空气燃烧形成湍流加速燃烧气化，防止了这些垃圾残留物结焦结饼，影响整个气化燃烧，同时实现了把未燃尽的高温残碳与水蒸气、焦油等继续参与气化还原反应，进一步完善了本发明效果，使本装置气化效率高，无二次污染；

（7）、本装置设有冷凝器、油气分离器、气柜、贮油池的燃气回收装置，将炉体内产生的可燃气体的可凝成份冷凝，获得粗制的燃料油，贮存在贮油池中，若再进一步提炼便制得成品燃油，用作他用，而可燃气体中未能冷凝的成份，经引风机抽入气柜贮存，可输出净化获得成品燃气，得到回收利用，也可作为气化炉内垃圾热值低时的辅助燃料，使本发明将废弃物变废为宝，资源化显著；

（8）、本装置的烟气净化系统，实现了烟气的冷却、除尘、除焦油等一系列净化过程，喷淋急冷器使烟气出口800℃左右的烟气在1秒以内急降至100℃左右，从而避免了烟气在后续净化过程中二恶英的再次生成，再加上石灰浮的中喷、细喷，更进一步脱除烟气中微量的氯化氢、硫化物、烟尘等有害成份，实现无污染排放；

（9）、本装置烟气净化系统中产生的少量焦油，通过炉渣过滤，重新回到炉体内高温残炭区，焦油发生高温裂解和催化裂解，将焦油转换为可燃气体，既提高了本发明的能源利用率，又彻底减少了二次污染；

（10）、本装置引风机放置在烟气净化系统后，避免了焦油堵塞，高温腐蚀引风机，从而增加了引风机的寿命，且设有旁通管，即使引风机出现故障，也不

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会影响气化炉的正常运行。使本发明的运行成本很低。

（11）、本装置设置有密闭式垃圾房、进料装置，在封闭状态下将垃圾送入炉体内，避免了垃圾臭味外泄，污染大气，垃圾中的臭气作为补充炉体内一次进风空气，垃圾渗滤液全部输入炉内参与气化反应，使垃圾处理场没有臭气、无废水排放；

（12）、本装置实现了垃圾气化后再分选利用的工艺方法，由于气化炉体很高，加上螺旋烟箱、二次燃烧火管、电动分料装置配合工作，垃圾不需要分选、烘干等前处理即可入炉气化，垃圾中的硫、铜、铁、铬等重金属大部分因处于还原条件而保留在炭黑（残炭）中，其余不可燃物如玻璃、电池、石块、砖头等均原样保持在炉渣中，可通过磁选、筛选等方法将炉渣进行分选再利用，减少了污染，还阻止了二恶英的再生成。

（13）、本装置的炉体、进料装置、燃气回收装置、烟气净化装置都由自动控制系统控制，可实现控制垃圾进料，燃烧气化，燃气回收，烟气排放，自动出渣的全部运行过程，运行稳定、安全、操作简单。

（14）、本装置的电机是装设在炉体底部，并与炉体分离，同时，电动分料装置全部用耐高温1800℃合金钢制成，炉体内衬使用310S的不锈钢制成，因此本发明使用寿命长、维修方便。

（15）、另外，本技术操作方便、流程简单、成本合理。

五、工艺流程

一个现代化垃圾燃烧气化厂工艺流程的组成与现代化垃圾焚烧厂的工艺系统组成有本质的不同；前者所产生的热能直接干馏、干燥、热解裂解垃圾从而产出可燃气体、油和焦炭，而后者所产生的热能是通过换热器转达换成水蒸汽再转换成电能。因此，气化厂仅需增设燃气处理系统的回收燃气和油，不需要投资昂贵运行维修费用高的锅炉给水系统作热利用系统。

通过自动进料系统将垃圾送入炉内螺旋烟箱，在螺旋烟箱及炉膛内预热、蒸发、干燥和干馏，这时，垃圾中的水分蒸发成水蒸气，有机物被干馏成可燃气体、焦碳以及少量焦油。混合燃气经燃气出口进入冷凝器冷凝后，由油气分离器将油气分离出来，粗燃油贮存在贮油池，不可冷凝气体贮存在气柜，获得利用。而密封垃圾房内的臭气和渗滤液全部被输入气化炉内，参与炉内的气化反应。如炉内垃圾热值低时，将气柜可燃气体回到炉内作补充燃料，以维持气化反应所需的热平衡。

干馏和气化后的碳粒在炉内电动分料装置的作用下充分松散，与空气混合均匀彻底燃烬成为炉渣，由排渣机排出进行分选利用和处理后填埋。

燃气充分燃烧产生的高温烟气，经二次燃烧火管，对四周半焦状有机物进行

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热裂解后，在进入螺旋烟箱，对螺旋烟箱及周围的垃圾进行预热、干燥，并使烟气温度大大降低，降温后的烟气经烟气急冷塔和石灰浮喷淋装置，彻底脱去有害气体和烟尘后，由引风机引入烟囱，排入大气。

上述工艺流程中所述垃圾进料量、空气进量、气化温度、燃气回收、烟气排放以及出渣等全部由自动控制系统控制，实现了自动化。

六、主要运行技术参数

处理能力（T/D）500

二次燃烧火管（组）8

气化强度（kg/m2.h）≥400

气化效率（%）≥72

热效率（%）≥72

产油率（%）5—20

炉渣量（%）<5

气化温度（℃）850—1050

烟气停留时间（S）>2

物料停留时间（H）1.5—2.0

七、气化炉的规模

根据不同城市垃圾处理需求，本技术可设计50吨/日、100吨/日、150吨/日、300吨/日、500吨/日等不同规模的垃圾气化炉。

八、市场前景

环保、能源回收型垃圾处理装置的优势不仅体现在垃圾处理的无害化和减量化方面，而且它的充分利用可再生资源转换成能源的效果十分显著。同根据不市场需求，大型垃圾处理厂由于垃圾处理量大，可用于燃气发电、管道供气作资源回收，而有些城市不具备发电、燃气市场条件，或因电量富余，已经使用天然气，造成垃圾气化后的可燃气体不具竞争力，再者就是因城市人口规模太少、投资发电设备成本过高，造成投资效益不理想。这种情况下就采用直接提取燃油的方法，将垃圾气化后产生的可燃气体经冷凝处理后直接取得燃料油，根据垃圾质量的不同，每吨垃圾能产生50-200公斤的燃料油，产值略比直接供气用户和用发电较

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低，但投资大大减少，这种方式特别适合中小城市或经济不发达地区。若既不产气供热发电，也不产油回收，只需将燃气燃烧并用已填埋过的垃圾进行气化处理，不仅消除避免了填埋垃圾给子孙万代造成的污染，而重新使被侵占的土地换发青春，成为耕地、良田或城市用地，其社会和经济效益无法估量。

现在我们以城市一个三口之家为例计算，这个三口之家每年可产生1吨生活垃圾，1吨生活垃圾气化后可产生混合可燃气体1500m3（热值为4-5MJ/m3）基本可以解决这一家三口之家本身半年的生活用气。如果用来发电，可发电800度左右，亦可满足这家半年的用电之需。折算成天然气，可相当于300m3的天然气，折算成石油，可相当于200升石油，如果把全国的城市垃圾都进行气化处理回收，可节省相当于450m3亿的天然气，可节省相当于2500万吨的石油，这是多么惊人的数字！如将过去已填埋垃圾重新挖出，将新增耕地85万亩，每年可增产粮食10亿斤，这也是多么惊人的数字！

九、结论

综上所述，环保、能源回收型垃圾处理装置能将垃圾、废弃物气化处理，变废为宝，真正实现了垃圾处理的无害化、减量化、资源化。创造性地体现了“处理废物、补充能源、保护环境”的三重功效，是一个前途无量的环保和可再生能源项目！

只要人类存在，世界上就有垃圾，垃圾是世界上永不枯竭的可再生资源，这对实现我国国民经济可持续发展战略，具有十分重要的意义。

“十六大”和“两会”把城市污水处理和城市垃圾处理作为环保工作的重中之重。波及全球的“非典型肺炎”危机使人们对于保护环境、注重健康、关爱生命的环保意识得到空前提高。关注公共健康和保护环境、预防灾难性的传染病的发生；受到全世界各国政府高层领导的高度重视，已提高到世界的议事日程。河源保能科技有限公司近十年的研发投入，较成功地完成了“环保、能源回收型垃圾处理装置”之核心技术和产品雏形，针对目前中国乃至全球在垃圾处理上高成本投入的运作现状，该产品技术已预示其价值无量的环保效益和市场前景。