環保、能源回收型城市生活垃圾氣化處理
一、垃圾處理概況
目前，城市垃圾處理問題，給人們生活帶來的不便和對環境的污染已經不言而喻，據法國環境與能源控制署預計，2020全球的年垃圾量將比現在翻一番多，達20億噸，（目前的年垃圾量為7.7億噸）；而我國歷年來垃圾堆存量已60億噸，占耕地5億平方米，全國668年城市中已有200多個處于垃圾的包圍中，且年產垃圾量2.2億噸，并以每年8-10%的速度增長。而另一方面，能源短缺，油價上漲，迫切需要尋找新的替代能源，科學研究發現，垃圾等生物質可以發電、堆肥、甚至煉油，是一大富礦，垃圾中蘊藏著豐富的能源資源，美國人稱其為“第二礦產”，將處理垃圾的行業稱做朝陽產業。一九九六年，一些專家對我國城市生活垃圾的成份進行分析統計表明：在城市生活垃圾中，有機物占60%-70%，塑料占8%-9%，紙張類占2%-3%，玻璃占3%-5%，及少量金屬成份等。可利用的成份達90%，其價值相當可觀。我國每年的垃圾可利用價值高達250億元以上（據四川日報資料）。城市垃圾處理不僅僅是一個城市環保問題，而且是一個十分重要的充分利用資源的可持續發展的戰略問題。目前，擺在政府和民眾面前的問題是：我們不僅是要把城市臟亂的垃圾清除干凈，一埋了之，更重要的是要找出理想有效的方法，將垃圾變廢為寶，并實現無害化、減量化、資源化處理，進而推進市場化運作。
目前，垃圾的處理方法，在我國主要為填埋，占85%；次為堆肥，約占10%；只有3%-5%為焚燒處理。填埋占地大，帶來二次污染，釋放有毒有害氣體，污染地下水，滋生病菌等，所以，國內外不少填埋場已開始重新挖走填埋垃圾，不留后患；堆肥成本高，肥效低，產品無市場，安全性差。焚燒垃圾溫度底，容易產生二惡英等劇毒物質，造成二次污染，且投資巨大，動輒以數億計。由于我國垃圾熱值低達不到焚燒發電的技術要求，需要添加大量的輔助燃料（油和煤），這樣來提高垃圾熱值進行發電得不償失，使垃圾焚燒流程越做越復雜，越做越昂貴，而發電收效甚微，難以維持運行。另外，焚燒在技術上要求處理規模大，才能達到正常運行，我國絕大多數中小城市垃圾日產量在500噸以下，采用數億元的垃圾焚燒技術是地方財政無法承受的。
現行又推出的垃圾綜合處理工藝：先分選，再將分選物分門別類進行綜合處理。問題在于現有分選機械分選潮濕且粘滯在一起的生活垃圾是難以奏效的，不能實現徹底分選垃圾的目的，而人工分選對人體的危害性極大，對于日產數千噸的垃圾量，人工分選作業也是無法承受的,我國垃圾現狀要在處理前實現分選在技術及資金上是很困難的，因此有專家提出：采用新技術處理后再分選利用才是垃圾處理的方向。
二、垃圾氣化是“三化”處理垃圾最有效的方法
氣化處理垃圾能源回收性好,環境污染少,被譽為二十一世紀最佳而行之有效處理垃圾的方法。
正因如此，吸引眾多國內外學者的研究和各國政府的重視。美國是最早開展垃圾熱解氣化的國家，1970年，美國將《固體廢物法》改成《資源再生法》，鼓勵從垃圾中回收燃氣和燃油，先后開發了Porox系統、Garret系統和EPA技術等多種熱解垃圾氣化爐，取得了很大進展。歐洲是世界上最早采用焚燒處理垃圾的，但焚燒帶來的二次污染一直成了人們關注的熱點。為了減少二次污染，許多國家在焚燒基礎上加熱解裝置，如德國和法國的ELK爐、Kiener系統爐等。加拿大有豐富的生物質資源，該國制定了R?D計劃，開始用回轉窯氣化處理固體廢物，取得成果，但比歐美起步晚。日本從1973年實施Star Dust80計劃，開展了以垃圾熱解氣化的諸多實驗，如新日鐵系統垃圾熱解爐，獲得實用化。我國對于垃圾氣化處理的研究更晚，但近幾年興起了“氣化”研究的熱潮，從事這方面工作的達2000多家，取得不少成果。如昆工式垃圾直接氣化熔融爐已投入運行，清華大學與太原烽亞機電設備公司共同研制的LSF立式爐熱解垃圾等。
但上述這些垃圾氣化技術，絕大多數還是屬于最古老的早已工業化的熱解（干餾）氣化技術范疇。并沒有從根本上解決垃圾氣化。本報告所述“氣化”與上述熱解氣化有本質的不同。本“氣化”是指給少量一次空氣，使部分垃圾燃燒，為一系列氣化反應提供熱量，并通過二次風口，提供蒸氣、空氣等氣化劑，與熾熱的殘炭發生還原氣化，以及伴隨的爐體上部的熱解氣化和爐體火口的裂解氣化等諸多氣化。因此，它不需隔絕空氣和外加熱，只利用燃燒自己一小部份產生氣化所需要的熱量，并通過二次燃燒火管和引風機產生爐內負壓，而使氣化反應進行，但它又含有熱解氣化（干餾）過程。
三、氣化原理
不管是農業廢棄物、工業廢棄物還是城市生活垃圾，都含有大量的有機物，如塑料、橡膠、紙類、布類、草木、樹枝等，這些有機物都是可燃的。換言之，它們也是一種燃料，只不過是含有機物的多寡，其熱值有高低不同而已。有機物在無氧或缺氧條件下加熱，其熱能使有機化合物的化合鍵斷裂，由大分子量轉化成小分子量的燃氣、油或油脂液狀物及焦炭等。在氣化爐的特殊結構條件下，向爐底通入少量空氣，使垃圾等燃料在爐體底部被點燃燃燒，發生氧化反應，產生熱量，并向四周傳遞。隨著溫度增高，爐內四周，特別是上部被隔絕空氣的已干燥的垃圾與熾熱的碳發生還原氧化反應。這時水被裂解成氫氣和氧氣，氧氣和從爐外進入的少量空氣、水蒸氣與碳發生反應，又生成可燃氣體。可見，氣化爐內產生了干餾煤氣、水煤氣、空氣煤氣、裂解氣（包括焦油被裂解）等可燃氣的混合燃氣。
四、氣化爐特點
與其它氣化爐相比較，本環保、能源回收型垃圾處理裝置的特點為：
（1）、本裝置的一、二、三次進風管、電動分料裝置與二次燃燒火管配合的結構，改變了過去傳統馬丁爐、流化床爐、回轉窯爐等垃圾直接在爐內燃燒的復雜工藝方法，實現了有機物高溫下缺氧熱解氣化的原理，使有機物最大限度地轉變為可燃氣體再燃燒，不用添加額外的輔助燃料，由于是限氧燃燒，爐內產生煙氣量少，煙氣易于處理，大大減輕了垃圾處理的投資和運行成本，對環境不會造成的二次污染，有利于解決我國垃圾水份多、熱值低、成份復雜的處理難題；
（2）、本裝置的二次燃燒火管與從上部螺旋煙箱引入的進風管配合工作，使進入爐體的垃圾廢物燃燒猛烈、溫度高，氣化燃燒徹底，生物質減量化大，同時，通過相關電動閥門控制進風量，使爐體內形成缺氧燃燒的還原環境，因此爐體內可產生大量的混合燃氣，可回收大量富余燃氣，實現了資源化；
（3）、本裝置的螺旋煙箱為多級環形管，且分別設有小孔，有效的阻擋火管未燃盡的焦油，使焦油重新回到爐體內，分解為可燃氣體，從而減輕了下游煙氣凈化的負擔，也不會堵塞煙管，無害化、資源化顯著；
（4）、本裝置的螺旋煙箱、二次燃燒火管、散熱片配合工作，能充分利用燃燒產生的大量高溫煙氣，把從進料口進入的生物質廢棄物在高溫螺旋煙箱、爐膛中預熱、干燥、干餾熱解，在缺氧環境中產生大量可燃混合氣體，使本發明裝置資源化的效果更加顯著；
（5）、本裝置的二次燃燒火管、進風管配合工作，使高溫煙氣在二次燃燒火管中有較長的停留時間，徹底分解和燒掉二惡英等有毒有害成分，因此本發明實現了無害化處理；
（6）、本裝置電動分料裝置可把落入爐膛底部的生物質殘留物攪動、松散、翻轉，與限量空氣燃燒形成湍流加速燃燒氣化，防止了這些垃圾殘留物結焦結餅，影響整個氣化燃燒，同時實現了把未燃盡的高溫殘碳與水蒸氣、焦油等繼續參與氣化還原反應，進一步完善了本發明效果，使本裝置氣化效率高，無二次污染；
（7）、本裝置設有冷凝器、油氣分離器、氣柜、貯油池的燃氣回收裝置，將爐體內產生的可燃氣體的可凝成份冷凝，獲得粗制的燃料油，貯存在貯油池中，若再進一步提煉便制得成品燃油，用作他用，而可燃氣體中未能冷凝的成份，經引風機抽入氣柜貯存，可輸出凈化獲得成品燃氣，得到回收利用，也可作為氣化爐內垃圾熱值低時的輔助燃料，使本發明將廢棄物變廢為寶，資源化顯著；
（8）、本裝置的煙氣凈化系統，實現了煙氣的冷卻、除塵、除焦油等一系列凈化過程，噴淋急冷器使煙氣出口800℃左右的煙氣在1秒以內急降至 100℃左右，從而避免了煙氣在后續凈化過程中二惡英的再次生成，再加上石灰浮的中噴、細噴，更進一步脫除煙氣中微量的氯化氫、硫化物、煙塵等有害成份，實現無污染排放；
（9）、本裝置煙氣凈化系統中產生的少量焦油，通過爐渣過濾，重新回到爐體內高溫殘炭區，焦油發生高溫裂解和催化裂解，將焦油轉換為可燃氣體，既提高了本發明的能源利用率，又徹底減少了二次污染；
（10）、本裝置引風機放置在煙氣凈化系統后，避免了焦油堵塞，高溫腐蝕引風機，從而增加了引風機的壽命，且設有旁通管，即使引風機出現故障，也不會影響氣化爐的正常運行。使本發明的運行成本很低。
（11）、本裝置設置有密閉式垃圾房、進料裝置，在封閉狀態下將垃圾送入爐體內，避免了垃圾臭味外泄，污染大氣，垃圾中的臭氣作為補充爐體內一次進風空氣，垃圾滲濾液全部輸入爐內參與氣化反應，使垃圾處理場沒有臭氣、無廢水排放；
（12）、本裝置實現了垃圾氣化后再分選利用的工藝方法，由于氣化爐體很高，加上螺旋煙箱、二次燃燒火管、電動分料裝置配合工作，垃圾不需要分選、烘干等前處理即可入爐氣化，垃圾中的硫、銅、鐵、鉻等重金屬大部分因處于還原條件而保留在炭黑（殘炭）中，其余不可燃物如玻璃、電池、石塊、磚頭等均原樣保持在爐渣中，可通過磁選、篩選等方法將爐渣進行分選再利用，減少了污染，還阻止了二惡英的再生成。
（13）、本裝置的爐體、進料裝置、燃氣回收裝置、煙氣凈化裝置都由自動控制系統控制，可實現控制垃圾進料，燃燒氣化，燃氣回收，煙氣排放，自動出渣的全部運行過程，運行穩定、安全、操作簡單。
（14）、本裝置的電機是裝設在爐體底部，并與爐體分離，同時，電動分料裝置全部用耐高溫1800℃合金鋼制成，爐體內襯使用310S的不銹鋼制成，因此本發明使用壽命長、維修方便。
（15）、另外，本技術操作方便、流程簡單、成本合理。
五、工藝流程
一個現代化垃圾燃燒氣化廠工藝流程的組成與現代化垃圾焚燒廠的工藝系統組成有本質的不同；前者所產生的熱能直接干餾、干燥、熱解裂解垃圾從而產出可燃氣體、油和焦炭，而后者所產生的熱能是通過換熱器轉達換成水蒸汽再轉換成電能。因此，氣化廠僅需增設燃氣處理系統的回收燃氣和油，不需要投資昂貴運行維修費用高的鍋爐給水系統作熱利用系統。
通過自動進料系統將垃圾送入爐內螺旋煙箱，在螺旋煙箱及爐膛內預熱、蒸發、干燥和干餾，這時，垃圾中的水分蒸發成水蒸氣，有機物被干餾成可燃氣體、焦碳以及少量焦油。混合燃氣經燃氣出口進入冷凝器冷凝后，由油氣分離器將油氣分離出來，粗燃油貯存在貯油池，不可冷凝氣體貯存在氣柜，獲得利用。而密封垃圾房內的臭氣和滲濾液全部被輸入氣化爐內，參與爐內的氣化反應。如爐內垃圾熱值低時，將氣柜可燃氣體回到爐內作補充燃料，以維持氣化反應所需的熱平衡。
干餾和氣化后的碳粒在爐內電動分料裝置的作用下充分松散，與空氣混合均勻徹底燃燼成為爐渣，由排渣機排出進行分選利用和處理后填埋。
燃氣充分燃燒產生的高溫煙氣，經二次燃燒火管，對四周半焦狀有機物進行熱裂解后，在進入螺旋煙箱，對螺旋煙箱及周圍的垃圾進行預熱、干燥，并使煙氣溫度大大降低，降溫后的煙氣經煙氣急冷塔和石灰浮噴淋裝置，徹底脫去有害氣體和煙塵后，由引風機引入煙囪，排入大氣。
上述工藝流程中所述垃圾進料量、空氣進量、氣化溫度、燃氣回收、煙氣排放以及出渣等全部由自動控制系統控制，實現了自動化。
六、主要運行技術參數
處理能力（T/D）500
二次燃燒火管（組） 8
氣化強度（kg/m2.h）≥400
氣化效率（%）≥72
熱效率（%）≥72
產油率（%）5—20
爐渣量（%）<5
氣化溫度（℃）850—1050
煙氣停留時間（S）>2
物料停留時間（H）1.5—2.0
七、氣化爐的規模
根據不同城市垃圾處理需求，本技術可設計50噸/日、100噸/日、150噸/日、300噸/日、500噸/日等不同規模的垃圾氣化爐。
八、市場前景
環保、能源回收型垃圾處理裝置的優勢不僅體現在垃圾處理的無害化和減量化方面，而且它的充分利用可再生資源轉換成能源的效果十分顯著。同根據不市場需求，大型垃圾處理廠由于垃圾處理量大，可用于燃氣發電、管道供氣作資源回收，而有些城市不具備發電、燃氣市場條件，或因電量富余，已經使用天然氣，造成垃圾氣化后的可燃氣體不具競爭力，再者就是因城市人口規模太少、投資發電設備成本過高，造成投資效益不理想。這種情況下就采用直接提取燃油的方法，將垃圾氣化后產生的可燃氣體經冷凝處理后直接取得燃料油，根據垃圾質量的不同，每噸垃圾能產生50-200公斤的燃料油，產值略比直接供氣用戶和用發電較低，但投資大大減少，這種方式特別適合中小城市或經濟不發達地區。若既不產氣供熱發電，也不產油回收，只需將燃氣燃燒并用已填埋過的垃圾進行氣化處理，不僅消除避免了填埋垃圾給子孫萬代造成的污染，而重新使被侵占的土地換發青春，成為耕地、良田或城市用地，其社會和經濟效益無法估量。
現在我們以城市一個三口之家為例計算，這個三口之家每年可產生1噸生活垃圾，1噸生活垃圾氣化后可產生混合可燃氣體1500m3（熱值為4-5MJ/m3）基本可以解決這一家三口之家本身半年的生活用氣。如果用來發電，可發電800度左右，亦可滿足這家半年的用電之需。折算成天然氣，可相當于300m3的天然氣，折算成石油，可相當于200升石油，如果把全國的城市垃圾都進行氣化處理回收，可節省相當于450m3億的天然氣，可節省相當于2500萬噸的石油，這是多么驚人的數字！如將過去已填埋垃圾重新挖出，將新增耕地85萬畝，每年可增產糧食10億斤，這也是多么驚人的數字！
九、結論
綜上所述，環保、能源回收型垃圾處理裝置能將垃圾、廢棄物氣化處理，變廢為寶，真正實現了垃圾處理的無害化、減量化、資源化。創造性地體現了“處理廢物、補充能源、保護環境”的三重功效，是一個前途無量的環保和可再生能源項目！
只要人類存在，世界上就有垃圾，垃圾是世界上永不枯竭的可再生資源，這對實現我國國民經濟可持續發展戰略，具有十分重要的意義。
“十六大”和“兩會”把城市污水處理和城市垃圾處理作為環保工作的重中之重。波及全球的“非典型肺炎”危機使人們對于保護環境、注重健康、關愛生命的環保意識得到空前提高。關注公共健康和保護環境、預防災難性的傳染病的發生；受到全世界各國政府高層領導的高度重視，已提高到世界的議事日程。河源保能科技有限公司近十年的研發投入，較成功地完成了“環保、能源回收型垃圾處理裝置”之核心技術和產品雛形，針對目前中國乃至全球在垃圾處理上高成本投入的運作現狀，該產品技術已預示其價值無量的環保效益和市場前景。
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