模块式城市废弃物热解气化装置的应用
摘要：本文以韩国KENTEC-OPAS公司引进挪威先进的热解气化技术在亚洲推广应用成功为例，重点介绍模块式城市废弃物热解气化装置的主要优点及其发展前景。
1．前言
随着城市现代化及农村城市化进程的不断加速，固体废弃物的排放量与日俱增，以往广泛采用的填埋或堆肥处理方法的空间越来越狭窄，而传统的直接焚烧处理方法（如炉排、流化床、回转窑等）又难以适应各国越来越严格的环保要求以及可持续发展的需要。正是在这种背景之下，近十几年来，世界各发达国家，特别是欧洲的一些发达国家一直在寻求一种能减少二次废弃物（如处理产生的灰渣、烟气、有害气体等）的生成，提高能源回收利用的更经济、更充分回收能源及更有利于环境（即“三化”—减量化、资源化、无害化）符合可持续发展需要的固体废弃物处理新途径。于是，一种比传统的直接焚烧处理方法更理想、更适用于当代城市固体废弃物（包括医疗垃圾等危险废弃物）处理的新型处理技术—热解气化技术应运而生。如同任何一种新技术产生、发展、被市场普遍接受需要一个逐步探索、深化完善的过程一样，该技术也正在经历这样的过程。这种新型垃圾处理技术作为一种经济实用型的“热回收”技术而推广应用、并正逐步市场化。据1997年“欧洲垃圾热解与气化市场研究报告”中所说，当时，统计的市场占有率约5~10%，并预测到2006年将达到21%左右。据说，目前有的发达国家开始严格控制新建采用传统炉排焚烧技术的垃圾处理厂，而鼓励采用热解气化技术。其中，欧洲（德、法、挪威等国）、北美（加拿大、美国）等国家发展尤为迅速。而近几年来，韩国在这方面也异军突起，其中，韩国的KENTEC-OPAS公司在2000年与挪威ORGANIC-POWER公司合作，在引进该公司热解气化技术的基础上，根据亚洲型垃圾的特点（低热值、含水量高），加以改进提高，于当年以BOT方式承包了韩国汉城安阳市博松县（10万人口）第一个示范性垃圾处理厂（处理能力25吨/天），并于2001年6月正式投入运行，一举取得成功。在经过严格的测试鉴定后，韩国环境部长于同年11月6日签署了“环境技术鉴定证书”，对此项技术给予充分肯定，为其在韩国推广应用奠定了基础。去年，博松县政府决定投资在附近的填埋场原址上，再建一座相同规模的垃圾热解气化处理厂，以消除原填埋场对环境的污染。此外，韩国其它两个由政府投资、相同规模的垃圾处理厂（谷阳、海南）也在建设之中。2004年已有4个项目开工建设。并且，计划2005年将另有4个项目开工建设。
我们在2003年7月，对韩国KENTEC-OPAS公司在博松县的示范性热解气化垃圾处理厂进行了实地考察，感触颇深。韩国的城市固体废弃物成分与我国大致相似。因此，我们认为，韩国推广应用热解气化技术及市场化的成功对我国尚在起步、探索阶段的热解气化技术的推广应用有一定的借鉴意义。本文仅就我们对此项技术的了解，结合对韩国实地考察的心得对其主要特点、优点及工艺流程作一介绍。
2．热解气化技术主要特点与优点
2.1 垃圾管理与处理新概念
挪威ORGANIC-POWER公司热解气化技术根据欧洲一些中、小国家城市垃圾分散、不集中的特点，运用热解气化技术，提出了垃圾管理与处理新概念。在垃圾进入热解气化处理厂前，对分散收集的垃圾先行分拣，将玻璃瓶、金属罐、部分纸、塑料等废弃物回收，然后对剩余废弃物进行压缩、打包、（用塑料薄膜）封包，每包的体积为1.2 x 1.1 x 1.0m左右，便于存放，可堆放在露天，对环境也没有影响。而且，打包系统可设在工厂内热解气化炉附近，通过传送系统送到热解气化炉进行处理；也可单独地设在其它地方，将各地送来的固体废弃物集中、分拣、打包，然后用集装箱卡车将打包的垃圾送到垃圾处理工厂。 我们考察的韩国博松县热解气化垃圾处理厂的打包系统与热解气化炉放在一个工厂内。
 固体废弃物热解气化处理厂工艺流程示意图 |
2.2 主要特点与优点
2.2.1 工艺特点
与传统的直接焚烧方法（如炉排、回转窑、流化床等）所不同的是，固体废弃物热解气化处理工艺的基本原理是采用在无氧或缺氧条件下使固体废弃物得到完全处理并充分回收能源。
燃料到烟气在高温下进行循环的工艺包括以下步骤：干燥、热解、气化和燃烧。前面三道工序是在一燃室进行，而气体燃烧是在二燃室发生的。下图为KENTEC-OPAS公司气化技术的流程简图。
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热分解是在无O2或缺O2的还原条件下进行，一燃室充满了惰性可燃气体，并始终保持负压环境，以防垃圾直接焚烧，保证内部的惰性状态，使垃圾能充分热解，因此，与传统的垃圾直接焚烧相比，产生的NOx、HCL等公害物质大大减少，生成的燃气或油能在过量空气系数比较低的条件下燃烧，从而废气量也较少，这样，对大气的污染也就相应减少。此外，一燃室配置了一系列喷嘴，从底部吹送高压空气，提供热量，并迅速渗透到团块垃圾内部，从而使垃圾充分热解，消除了团块垃圾直接焚烧而往往不能充分燃烧而炉渣多的问题，与传统的直接焚烧炉相比，其炉渣量可降低77%以上，这就相应减少了今后填埋处理的压力与成本。由于一燃室的工艺温度（400~700℃）相对较低，因此，相应提高了炉子的使用寿命。由于，通过热解气化能使垃圾得到充分燃烧，即使是水分含量高的低热值垃圾，也不像直接焚烧炉那样，经常需采用辅助燃料，进而降低了能耗。并且，大部分的有害物质已经在热解气化过程中分解掉，再经过二燃室（1000℃左右）高温分解，并在旋风分离器最后燃烧和烟气净化系统处理，排放的气体完全达到了欧洲新的2000标准规定的大型燃烧设备的排放要求。除此之外，热分解残渣余灰中，灼烧性有机物量少，防止了填埋公害。而与此同时，热解气化产生的高密度浓缩的气体燃料（称作合成气体—SYNGASES）可以回收成有用的能源。
2.2.2 模块式组合结构
热解气化系统的另一特点是采用模块组合式结构，单元设备结构简单，可按处理规模需要，选定单元、数量、使总体建设成本较低。对中等处理量（如300吨/天以下）以下的配置，比其它传统的直接焚烧系统更具灵活性和适应性。 热解气化炉的处理规模可变，可以是单体、双体或多体，目前，目前使用较多的热解气化装置，其单个标准模块的处理能力为25吨/天，可依据要求处理量的多少，单个或多个模块组合配置，以达到最佳处理与经济效果。在实际运行中，可根据垃圾处理量的变化或维修保养的需要，可按需调整单元运行模块数量，这样，可节约运行成本。
KENTEC-OPAS公司根据市场需要，经过在其示范性工厂的原有热解气化装置上的多次实验，单元设备处理能力已可达到37.5吨/天。 只要改变设计技术参数，即可发展为系列化产品。这样，就大大拓宽了该项新工艺的适应范围。
此外，此项技术可适应多种固体废弃物的处理，即：不仅可处理生活垃圾，还可处理工业及医疗垃圾，特别能处理不适合直接焚烧，或直接焚烧难以应付的各种（包括医疗垃圾）危险性固体废物。尤其对医疗垃圾及其它要求在完全密封条件下进行处理的危险性废弃物来说，传统的在有氧条件下直接焚烧处理方法难以做到这一点，不仅可能产生二次污染，危及具体操作人员的健康，并且会增加有害物质或气体的处理难度，及增加处理成本。而这种新型的垃圾管理与处理概念（即各种垃圾先行打包、封装，而后进行热解气化处理均可在一个完全密封的条件下进行）可以满足各种危险废弃物的处理要求。甚至，经实验证明，农村地区大量的（小麦、玉米等）秸杆也可采用此项技术加以处理。这也是其它常规直接焚烧技术所难以具备的优点。
综上所说，我们认为，这项新技术特别适合中、小城市及大城市的一些区、县和开发区各种中、小规模固体废弃物的处理，以及采用综合处理工艺中（如堆肥）的可燃物及市政污泥干燥处理后的焚烧处理提供能源。
2.2.3 两种固体废弃物处理技术比较表：
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3． 热解气化装置简介
下面以我们实地考察过的韩国汉城安阳市博松县日处理25吨生活垃圾热解气化厂的工艺流程为例，对热解气化的主要装置作一简要说明。
该生活垃圾处理厂为韩国的热解气化处理示范性工程。垃圾的预处理和打包未单独分开设置，而是与热解气化炉放在同一建筑物内，市内运垃圾卡车倒车驶入处理车间平台，将垃圾卸入位于该车间左端深度1.80m，宽度为3.50m，长度为11.10m的垃圾坑内，由设在靠墙的抓斗起重机通过液压回转杆将垃圾抓入料斗，供位于料斗下部的双轴多圆盘剪切破碎机*，垃圾经切碎后，由皮带输送机输送至隔壁打包间内，经输送机送入下部有旋转托板的打包机，将垃圾压缩成1.20×1.10×1.00（m）的矩形体，并由宽度约为0.5m的聚乙烯薄膜在垃圾块四周包裹。整个预处理和打包过程均在封闭无人操作情况下进行的。
打包的垃圾离开打包机后，通过皮带输送机送至垃圾包贮存库，经提升机垂直、定时将垃圾包送至热解气化炉。
* 破碎机可按需（垃圾性状）设置
3.1 热解气化炉（一燃室）
（1）气化炉介绍
气化炉是一种使垃圾恒定平行下流式固定炉床，在稍低于大气压力的负压条件下运行的轴式气化设备。气化炉（一燃室）为一个上部方型、下部有缩口、室内层敷设200mm绝热保温层，气化炉室自重约为40吨。垃圾包进入气化炉，挥发性成分在上部干燥和脱水。垃圾进一步往下，与来自底部（吹送的）的一次空气和热气体相接触，在碳化过程中进行充分热解。在最后阶段，焦碳残余物在亚化学计量条件下部分燃烧，在气化炉底部形成燃烬的炉灰。产生的烟气沿着底部轴向排出，产生的烟气温度为600～700°C左右。
气化状态是通过气化炉四周侧壁上的多排大量喷嘴鼓风进行控制的。喷嘴设计成两种喷射方式，这两种方式可以同时应用。气化炉底部形成的灰渣层温度保持在500～600°C ，或保持在灰渣呈固体状态的温度，即既不烧结，也不熔化的温度。
（2）气化炉进料
采用热解气化方式处理垃圾，垃圾进料控制至关重要。进料工序必须在确保垃圾顺利进入一燃室的同时，保证垃圾投入过程的严密性，同时在热解气化过程中，需控制不让新鲜空气进入。
为了实现这一目的，除进料口设置严密的闸门之外，还采用惰性气体（循环烟气）充满整个给料室，以防止新鲜空气进入。
一燃室上方是给料室，给料室设计有良好的密封性，给料室上部门的上方是一燃室进料斗，给料时下部门之下是热解气化室。上、下门除能较顺利地可靠移动开、闭之外，在处于关闭状态时都具有一定的严密性。
进料口上部门和下部门的相互动作是自动联锁的。当需要进料前，上部门开启，垃圾从上料平台落入给料室，上部门便及时关闭。
通常，给料室下部门处于关闭状态，只有当垃圾进入给料室，上部门可靠关闭后才自动开启，完成进料后及时自动可靠关闭。
为防止在进料过程中，由于气化炉内负压而造成外部空气漏入炉内，从引风机后的烟管引出一定量的烟气充入给料室，这个循环烟气不仅含一定热量被回用，还大大减少了新鲜空气的漏入量，为热解气化炉内的欠氧气化过程创造了条件。
（3）气化炉底灰排放
排放干态（非熔化状态的）灰渣的出料系统是气化炉的组成部分。其主要部件是安装在气化炉底下的旋转型卸渣机 -“排放转子”。其长度同出料轴的长度一样。转子用弹簧直接支撑于锥形侧壁短端的斜面上。当转子旋转时，任何非燃烧物（如铁质及有色金属材料、石头、沙等）均从底部任何一个方向自动排出。由于转子悬浮、旋转所产生的压缩力，使炉灰排出时，受到粉碎和磨碎。
转子下面的一台湿式链式输送机将炉灰送到灰仓。整个灰渣输送系统也是全封闭的，防止灰尘飞扬。
3.2高温燃烧室（带旋风分离器的二燃室）
高温燃烧室由与气化炉相连接的圆筒形燃烧室和旋风分离器组成。二次风（新鲜空气）和来自引风机的再循环烟气，以一定比例配比后引入二燃室，与来自一燃室的热解气化气体充分混合，实现充分燃烧，基本消除各种有害气体。
该二燃室的下游，作为延伸部分，是用耐火材料作垫衬的旋风室。高温烟气切向进入旋风室，既分离掉烟气中部分大灰粒灰，也增加了烟气停留时间，使烟气中的CO与空气充分搅动，使之完全燃烬，保证了高温烟气停留时间超过2秒钟。然后，烟气从顶部引出，进入喷淋冷却塔。
该二燃室的燃烧温度为900～1,000℃，含氧量为6～8%，这两个参数均达到将要执行的欧盟标准。一方面，这个温度是破坏二恶英和氮氧化物所必需的温度；另一方面，这个温度又低到足以防止飞灰熔化。 进入燃烧室的烟气最低温度，即燃烧的先决条件，为850℃。
而后，烟气进入热交换器或锅炉，产生热水或蒸汽。这部分热水或蒸汽可供给工厂或居民区利用。如固体废弃物达到一定的规模，则可利用产生的蒸汽来发电。
韩国汉城安阳市博松县日处理25吨生活垃圾热解气化厂的自动化程度较高，整个工厂的打包车间和热解气化车间控制室分别由一人监控，操作简便，性能稳定可靠，管理十分方便。
4. 结语
纵上所述，欧洲先进的热解气化技术在韩国中小城市推广应用的成功，为我国推广应用提供了很好的范例。我国是一个中、小城市（包括县、乡镇）众多的国家。如采用传统的直接焚烧的炉排技术，对百吨或百吨以下垃圾处理规模来说，无论是土建、厂房与设备的规模，运行控制复杂程度，还是投资与运行及维修保养成本高，建设周期长等，都是无法适应的。即使其他一些传统的直接焚烧技术（如回转窑、流化床），如上所述，也有一定的局限性。
此外，由于热解气化过程中可产生特性类似于天然气的合成气体（其热值为天然气的1/3），若经适当处理（如，与当地煤气厂合作），将其转变成可直接燃烧的能源，则作为一种替代能源，其前景将是十分广阔的，必将进一步推动此项实现绿色环保、可持续发展的新型固体废弃物处理技术在我国的推广应用。
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