模塊式城市廢棄物熱解氣化裝置的應用
摘要：本文以韓國KENTEC-OPAS公司引進挪威先進的熱解氣化技術在亞洲推廣應用成功為例，重點介紹模塊式城市廢棄物熱解氣化裝置的主要優點及其發展前景。
1．前言
隨著城市現代化及農村城市化進程的不斷加速，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，而傳統的直接焚燒處理方法（如爐排、流化床、回轉窯等）又難以適應各國越來越嚴格的環保要求以及可持續發展的需要。正是在這種背景之下，近十幾年來，世界各發達國家，特別是歐洲的一些發達國家一直在尋求一種能減少二次廢棄物（如處理產生的灰渣、煙氣、有害氣體等）的生成，提高能源回收利用的更經濟、更充分回收能源及更有利于環境（即“三化”—減量化、資源化、無害化）符合可持續發展需要的固體廢棄物處理新途徑。于是，一種比傳統的直接焚燒處理方法更理想、更適用于當代城市固體廢棄物（包括醫療垃圾等危險廢棄物）處理的新型處理技術—熱解氣化技術應運而生。如同任何一種新技術產生、發展、被市場普遍接受需要一個逐步探索、深化完善的過程一樣，該技術也正在經歷這樣的過程。這種新型垃圾處理技術作為一種經濟實用型的“熱回收”技術而推廣應用、并正逐步市場化。據1997年“歐洲垃圾熱解與氣化市場研究報告”中所說，當時，統計的市場占有率約5~10%，并預測到2006年將達到21%左右。據說，目前有的發達國家開始嚴格控制新建采用傳統爐排焚燒技術的垃圾處理廠，而鼓勵采用熱解氣化技術。其中，歐洲（德、法、挪威等國）、北美（加拿大、美國）等國家發展尤為迅速。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，在引進該公司熱解氣化技術的基礎上，根據亞洲型垃圾的特點（低熱值、含水量高），加以改進提高，于當年以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月正式投入運行，一舉取得成功。在經過嚴格的測試鑒定后，韓國環境部長于同年11月6日簽署了“環境技術鑒定證書”，對此項技術給予充分肯定，為其在韓國推廣應用奠定了基礎。去年，博松縣政府決定投資在附近的填埋場原址上，再建一座相同規模的垃圾熱解氣化處理廠，以消除原填埋場對環境的污染。此外，韓國其它兩個由政府投資、相同規模的垃圾處理廠（谷陽、海南）也在建設之中。2004年已有4個項目開工建設。并且，計劃2005年將另有4個項目開工建設。
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行了實地考察，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，我們認為，韓國推廣應用熱解氣化技術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的推廣應用有一定的借鑒意義。本文僅就我們對此項技術的了解，結合對韓國實地考察的心得對其主要特點、優點及工藝流程作一介紹。
2．熱解氣化技術主要特點與優點
2.1 垃圾管理與處理新概念
挪威ORGANIC-POWER公司熱解氣化技術根據歐洲一些中、小國家城市垃圾分散、不集中的特點，運用熱解氣化技術，提出了垃圾管理與處理新概念。在垃圾進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，對環境也沒有影響。而且，打包系統可設在工廠內熱解氣化爐附近，通過傳送系統送到熱解氣化爐進行處理；也可單獨地設在其它地方，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與熱解氣化爐放在一個工廠內。
 固體廢棄物熱解氣化處理廠工藝流程示意圖 |
2.2 主要特點與優點
2.2.1 工藝特點
與傳統的直接焚燒方法（如爐排、回轉窯、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行循環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行，而氣體燃燒是在二燃室發生的。下圖為KENTEC-OPAS公司氣化技術的流程簡圖。
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熱分解是在無O2或缺O2的還原條件下進行，一燃室充滿了惰性可燃氣體，并始終保持負壓環境，以防垃圾直接焚燒，保證內部的惰性狀態，使垃圾能充分熱解，因此，與傳統的垃圾直接焚燒相比，產生的NOx、HCL等公害物質大大減少，生成的燃氣或油能在過量空氣系數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，并迅速滲透到團塊垃圾內部，從而使垃圾充分熱解，消除了團塊垃圾直接焚燒而往往不能充分燃燒而爐渣多的問題，與傳統的直接焚燒爐相比，其爐渣量可降低77%以上，這就相應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，經常需采用輔助燃料，進而降低了能耗。并且，大部分的有害物質已經在熱解氣化過程中分解掉，再經過二燃室（1000℃左右）高溫分解，并在旋風分離器最后燃燒和煙氣凈化系統處理，排放的氣體完全達到了歐洲新的2000標準規定的大型燃燒設備的排放要求。除此之外，熱分解殘渣余灰中，灼燒性有機物量少，防止了填埋公害。而與此同時，熱解氣化產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 模塊式組合結構
熱解氣化系統的另一特點是采用模塊組合式結構，單元設備結構簡單，可按處理規模需要，選定單元、數量、使總體建設成本較低。對中等處理量（如300噸/天以下）以下的配置，比其它傳統的直接焚燒系統更具靈活性和適應性。 熱解氣化爐的處理規模可變，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，其單個標準模塊的處理能力為25噸/天，可依據要求處理量的多少，單個或多個模塊組合配置，以達到最佳處理與經濟效果。在實際運行中，可根據垃圾處理量的變化或維修保養的需要，可按需調整單元運行模塊數量，這樣，可節約運行成本。
KENTEC-OPAS公司根據市場需要，經過在其示范性工廠的原有熱解氣化裝置上的多次實驗，單元設備處理能力已可達到37.5噸/天。 只要改變設計技術參數，即可發展為系列化產品。這樣，就大大拓寬了該項新工藝的適應范圍。
此外，此項技術可適應多種固體廢棄物的處理，即：不僅可處理生活垃圾，還可處理工業及醫療垃圾，特別能處理不適合直接焚燒，或直接焚燒難以應付的各種（包括醫療垃圾）危險性固體廢物。尤其對醫療垃圾及其它要求在完全密封條件下進行處理的危險性廢棄物來說，傳統的在有氧條件下直接焚燒處理方法難以做到這一點，不僅可能產生二次污染，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，而后進行熱解氣化處理均可在一個完全密封的條件下進行）可以滿足各種危險廢棄物的處理要求。甚至，經實驗證明，農村地區大量的（小麥、玉米等）秸桿也可采用此項技術加以處理。這也是其它常規直接焚燒技術所難以具備的優點。
綜上所說，我們認為，這項新技術特別適合中、小城市及大城市的一些區、縣和開發區各種中、小規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比較表：
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3． 熱解氣化裝置簡介
下面以我們實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。垃圾的預處理和打包未單獨分開設置，而是與熱解氣化爐放在同一建筑物內，市內運垃圾卡車倒車駛入處理車間平臺，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，由設在靠墻的抓斗起重機通過液壓回轉桿將垃圾抓入料斗，供位于料斗下部的雙軸多圓盤剪切破碎機*，垃圾經切碎后，由皮帶輸送機輸送至隔壁打包間內，經輸送機送入下部有旋轉托板的打包機，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。整個預處理和打包過程均在封閉無人操作情況下進行的。
打包的垃圾離開打包機后，通過皮帶輸送機送至垃圾包貯存庫，經提升機垂直、定時將垃圾包送至熱解氣化爐。
* 破碎機可按需（垃圾性狀）設置
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壓條件下運行的軸式氣化設備。氣化爐（一燃室）為一個上部方型、下部有縮口、室內層敷設200mm絕熱保溫層，氣化爐室自重約為40噸。垃圾包進入氣化爐，揮發性成分在上部干燥和脫水。垃圾進一步往下，與來自底部（吹送的）的一次空氣和熱氣體相接觸，在碳化過程中進行充分熱解。在最后階段，焦碳殘余物在亞化學計量條件下部分燃燒，在氣化爐底部形成燃燼的爐灰。產生的煙氣沿著底部軸向排出，產生的煙氣溫度為600～700°C左右。
氣化狀態是通過氣化爐四周側壁上的多排大量噴嘴鼓風進行控制的。噴嘴設計成兩種噴射方式，這兩種方式可以同時應用。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的溫度，即既不燒結，也不熔化的溫度。
（2）氣化爐進料
采用熱解氣化方式處理垃圾，垃圾進料控制至關重要。進料工序必須在確保垃圾順利進入一燃室的同時，保證垃圾投入過程的嚴密性，同時在熱解氣化過程中，需控制不讓新鮮空氣進入。
為了實現這一目的，除進料口設置嚴密的閘門之外，還采用惰性氣體（循環煙氣）充滿整個給料室，以防止新鮮空氣進入。
一燃室上方是給料室，給料室設計有良好的密封性，給料室上部門的上方是一燃室進料斗，給料時下部門之下是熱解氣化室。上、下門除能較順利地可靠移動開、閉之外，在處于關閉狀態時都具有一定的嚴密性。
進料口上部門和下部門的相互動作是自動聯鎖的。當需要進料前，上部門開啟，垃圾從上料平臺落入給料室，上部門便及時關閉。
通常，給料室下部門處于關閉狀態，只有當垃圾進入給料室，上部門可靠關閉后才自動開啟，完成進料后及時自動可靠關閉。
為防止在進料過程中，由于氣化爐內負壓而造成外部空氣漏入爐內，從引風機后的煙管引出一定量的煙氣充入給料室，這個循環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，為熱解氣化爐內的欠氧氣化過程創造了條件。
（3）氣化爐底灰排放
排放干態（非熔化狀態的）灰渣的出料系統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型卸渣機 -“排放轉子”。其長度同出料軸的長度一樣。轉子用彈簧直接支撐于錐形側壁短端的斜面上。當轉子旋轉時，任何非燃燒物（如鐵質及有色金屬材料、石頭、沙等）均從底部任何一個方向自動排出。由于轉子懸浮、旋轉所產生的壓縮力，使爐灰排出時，受到粉碎和磨碎。
轉子下面的一臺濕式鏈式輸送機將爐灰送到灰倉。整個灰渣輸送系統也是全封閉的，防止灰塵飛揚。
3.2高溫燃燒室（帶旋風分離器的二燃室）
高溫燃燒室由與氣化爐相連接的圓筒形燃燒室和旋風分離器組成。二次風（新鮮空氣）和來自引風機的再循環煙氣，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，實現充分燃燒，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室。高溫煙氣切向進入旋風室，既分離掉煙氣中部分大灰粒灰，也增加了煙氣停留時間，使煙氣中的CO與空氣充分攪動，使之完全燃燼，保證了高溫煙氣停留時間超過2秒鐘。然后，煙氣從頂部引出，進入噴淋冷卻塔。
該二燃室的燃燒溫度為900～1,000℃，含氧量為6～8%，這兩個參數均達到將要執行的歐盟標準。一方面，這個溫度是破壞二惡英和氮氧化物所必需的溫度；另一方面，這個溫度又低到足以防止飛灰熔化。 進入燃燒室的煙氣最低溫度，即燃燒的先決條件，為850℃。
而后，煙氣進入熱交換器或鍋爐，產生熱水或蒸汽。這部分熱水或蒸汽可供給工廠或居民區利用。如固體廢棄物達到一定的規模，則可利用產生的蒸汽來發電。
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化程度較高，整個工廠的打包車間和熱解氣化車間控制室分別由一人監控，操作簡便，性能穩定可靠，管理十分方便。
4. 結語
縱上所述，歐洲先進的熱解氣化技術在韓國中小城市推廣應用的成功，為我國推廣應用提供了很好的范例。我國是一個中、小城市（包括縣、鄉鎮）眾多的國家。如采用傳統的直接焚燒的爐排技術，對百噸或百噸以下垃圾處理規模來說，無論是土建、廠房與設備的規模，運行控制復雜程度，還是投資與運行及維修保養成本高，建設周期長等，都是無法適應的。即使其他一些傳統的直接焚燒技術（如回轉窯、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），若經適當處理（如，與當地煤氣廠合作），將其轉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，必將進一步推動此項實現綠色環保、可持續發展的新型固體廢棄物處理技術在我國的推廣應用。
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