垃圾热解气化总结Word下载.docx

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卫生填埋法是指采取防渗、铺平、压实、覆盖等措施对城市生活垃圾进行处理和对气体、渗滤液、蝇虫等进行治理的垃圾处理方法。

该方法采用底层防渗、垃圾分层填埋、压实后顶层覆盖土层等措施，使垃圾在厌氧条件下发酵，以达到无害化处理。

卫生填埋处理是垃圾处理必不可少的最终处理手段，也是现阶段我国垃圾处理的主要方式。

科学合理地选择卫生填埋场场址，可以有利于减少卫生填埋对环境的影响。

场址的自然条件符合标准要求的，可采用天然防渗方式。

不具备天然防渗条件的，应采用人工防渗技术措施。

场内实行雨水与污水分流，减少运行过程中的渗沥水产生量，并设置渗沥水收集系统，将经过处理的垃圾渗沥水排入城市污水处理系统。

不具备排水条件的，应单独建设处理设施，达到排放标准后方可排入水体。

渗沥水也可以进行回流处理，以减少处理量，降低处理负荷，加快卫生填埋场稳定化。

设置填埋气体导排系统，采取工程措施，防止填埋气体侧向迁移引发的安全事故。

尽可能对填埋气体进行回收和利用，对难以回收和无利用价值的，可将其导出处理后排放。

填埋时应实行单元分层作业，做好压实和覆盖。

填埋终止后，要进行封场处理和生态环境恢复，继续引导和处理渗沥水、填埋气体。

卫生填埋技术开始于20世纪60年代，它是在传统的堆放、填坑基础上，处于保护环境的目的而发展起来的一项工程技术。

卫生填埋的处理能力大，成本较低，但是占用土地，选址困难，直接产生的填埋气主要成分为甲烷，容易发生爆炸等危险。

目前大多填埋厂将填埋气排空，不仅提高了温室气体的排放，而且浪费了能源。

固体废弃物热解是指在无氧或缺氧条件下，使可燃性固体废物在高温下分解，最终成为可燃气体、油、固形碳的化学分解过程，是将含有有机可燃质的固体废弃物置于完全无氧的环境中加热，使固体废弃物中有机物的化合键断裂，产生小分子物质（气态和液态）以及固态残渣的过程。

固体废物热解利用了有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下使得固体废物受热分解。

热解法与焚烧法相比是完全不同的两个过程，焚烧是放热的，热解是吸热的；

焚烧的产物主要是二氧化碳和水，而热解的产物主要是可燃的低分子化合物：

气态的有氢、甲烷、一氧化碳，液态的有甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等，固态的主要是焦炭或碳黑。

焚烧产生的热能量大的可用于发电，量小的只可供加热水或产生蒸汽，就近利用。

而热解产物是燃料油及燃料气，便于贮藏及远距离输送。

热分解过程由于供热方式、产品状态、热解炉结构等方面的不同，热解方式各异：

1.按供热方式可分成内部加热和外部加热。

外部加热是从外部供给热解所需要的能量。

内部加热是供给适量空气使可燃物部分燃烧，提供热解所需要的热能。

外部供热效率低，不及内部加热好，故采用内部加热的方式较多。

2.按热分解与燃烧反应是否在同一设备中进行，热分解过程可分成单塔式和双塔式。

3.按热解过程是否生成炉渣可分成造渣型和非造渣型。

4.按热解产物的状态可分成气化方式、液化方式和碳化方式。

5.按热解炉的结构将热解分成固定层式、移动层式或回转式。

由于选择方式的不同，构成了诸多不同的热解流程及热解产物。

综合而言，热解方法适用于城市固体废弃物、污泥、工业废物如塑料、橡胶等。

热解法其优点为产生的废气量较少，能处理不适于焚烧和填埋的难处理物，能转换成有价值的能源，减少焚烧造成的二次污染和需要填埋处置的废物量。

热解处理缺点是技术复杂，投资巨大。

3.热解的减量化、资源化与无害化

固废的减量比是衡量减量化的重要指标，减量比为处理后残余固体量/固废量。

固废热解过程中，有机物热解为合成气，无机物成为飞灰和炉渣，因此减量化处理是针对飞灰和炉渣的回收利用，针对飞灰与炉渣的处理方式主要是熔融技术，在高温下使得炉渣熔融液化，金属由于重力较大，沉积在熔融体液体的底部，上部为无害的玻璃体，通过激冷的方式使之冷却后，金属被回收，玻璃体制成建筑材料，从而实现接近100%的回收利用。

资源化是固废热解的推进因素，针对热解，能量利用率是重要的指标，利用效率越高，收益越高，焚烧能量利用率为20~30%，而垃圾热解的能量利用率高达80%。

固废无害化关键点在于烟气与飞灰中二噁英的含量，是工艺处理的难点与重点。

二噁英生成的温度区间为200-400℃之间，而当温度高于850℃，将会破坏二噁英结构，将其裂解为小分子有机物与HCl，HCl可以通过碱液吸收除去。

实现二噁英的国内排放指标的条件为3T，即温度（temperature）、时间（time）、湍流（turbulence）。

同时从炉内释放后，需要快速降低温度至200℃以下。

通常，生活垃圾焚烧炉中的烟气冷却速率在100℃/s－200℃/s范围内，对应炉膛出口二恶英的浓度一般为5ng1-TEQ/m3.要达到低于0.1ng1-TEQ/m3标准，烟气冷却速率必须在500℃/s－1000℃/s。

3.固废热解技术

3.1流化床气化

固体废弃物难以利用传统气化炉，主要原因在于垃圾热值较低，为维持炉内高温，稳定炉内工况，需要掺混大量的煤。

而流化床由于炉内存有大量高温底料与循环分离下的高温飞灰，能够燃烧低热值垃圾，同时可以实现炉内脱硫脱酸。

垃圾经过分选、破碎为10mm以下，利用给料装置，加入流化床内，有机物在炉内高温物料与湍流的作用下，快速升温气化，而无机物成为大块炉渣沉在底部，由于底料在高温炉内长时间停留，进行高温无害化处理，大块炉渣从排渣口排出炉内，经冷却成为无害炉渣。

飞灰被旋风分离器捕集，通过返料器送回炉内。

以此保证炉内物料平衡。

流化床炉内温度一般维持在850~950℃之间，且处于还原性气氛，能够有效抑制二噁英的产生。

在炉内物料中加入CaCO3更能够实现炉内脱酸，从源头上降低了有害气体的产生。

目前，垃圾流化床气化系统有日本荏原双塔循环式流动床热解工艺。

优点是燃烧的废气不进入产品气体中，因此可得高热值燃料气（1.67×

104~1.88×

104kJ/m3）;

在燃烧炉内热媒体向上流动，可防止热媒体结块;

因炭燃烧需要的空气量少，向外排出废气少;

在硫化床内温度均一，可以避免局部过热;

由于燃烧温度低，产生的NOx少，特别适合于处理热塑性塑料含量高的垃圾的热解;

可以防止结块。

图1双塔循环式流动床热解工艺

3.2等离子体气化

等离子体（Plasma）技术最早是由美国科学家Lang-muir于1929年在研究低气压下汞蒸气中放电现象时提出的。

等离子体技术应用于污染治理的研究开始于20世纪70年代。

90年代，美国、加拿大、德国等发达国家将该技术应用于废物处理并取得了不俗的业绩。

等离子体是物质的第四态，是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态。

等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体，热等离子体温度在103～106K，接近热力学平衡，电子温度和重粒子温度相同。

等离子气化技术的原理，简而言之，即利用等离子体的高温高能，在气化剂的辅助作用下，将垃圾废物进行高温气化和熔融，垃圾中的有机物被气化形成以CO和H2为主的合成气，而无机物则被熔融后急冷形成无害的玻璃体渣。

等离子体技术分为直接等离子体气化与气化+等离子体重整技术。

直接等离子体气化，纯热解技术，电耗较高，1000℃以上。

等离子体直接作用在垃圾上，气化过程中加入少量空气或水蒸气作为氧化剂和气化剂，气体产物以CO和H2为主。

气化+等离子体重整技术，垃圾首先在650℃左右的常规气化炉内热解形成合成气，等离子体（900℃）作用在合成气上，使之重整，可有效降低能耗和气体焦油量

3.3熔融气化技术

熔融气化技术。

垃圾在贫氧条件下气化，生产可燃气体；

飞灰或底渣经过高温熔融固化处理后作为水泥、铺路砖等原料，不仅能欧股将重金属稳定在晶相中而不会浸出，彻底分解二噁英，符合固废处理的减量化、资源化、无害化的要求。

分为间接熔融气化技术和两步法气化熔融（热分选技术）、直接气化熔融技术。

间接熔融气化技术先在传统炉内气化，而后将灰渣置于1350-1500℃的熔融炉内进行高温熔融处理，以消除灰渣中的二噁英，因此也成为灰渣熔融技术。

充分利用了原有的垃圾气化装置，弥补了传统的不足，但二者缺乏有机的联系，紧密性差；

两步法气化熔融技术先将固废在500至600℃下气化，形成可燃气体和金属残留物，然后再进行可燃气焚烧的高温熔融技术；

直接气化熔融是指固废的干燥、气化、燃烧和灰渣的熔融等过程均在同一炉内进行，工艺简单，工程投资和运行费用低。

4.公司工艺分析

（1）Bellwether

Bellwether公司利用（IntegratedMultifuelGasification）IMG技术进行垃圾气化发电，工艺流程图如图1所示，其核心技术为等离子体气化技术。

图1IMG流程图

图2主要设备示意图

IMG系统主要由进料系统、热解气化炉、等离子气化炉、熔融物处理系统、合成气净化系统、热回收装置及燃气轮机发电系统组成。

Bellwether适用于高热值的垃圾，利用垃圾不完全燃烧放出的热量，维持气化炉内高温，熔渣与气化的热量来源于垃圾本身。

热解气化炉由干燥室和热解室组成，垃圾通过进料系统进入干燥室，经过高温空气干燥后被被推入气化室，有机物在一次风的作用下被高温热解气化，形成合成气，输送至等离子气化炉在等离子体的作用下，合成气被进一步重整成以CO与H2为主的气体，同时二噁英被分解，飞灰被熔融收集。

换热器实现了空气与烟气之间的换热，一部分空气进入等离子室被等离子化，大部分空气进入热解气化炉。

低温合成气经过进一步净化，被送至发电厂发电。

而无机物则被熔化成玻璃体及金属产物，被收集到处理器中被急冷成固态，金属可回收，玻璃体渣可进一步综合利用。

在高温等离子体作用下，焦油被裂解气化，合成气较为纯净且以小分子为主，有毒气体经过无害化处理，烟气无毒；

为还原性缺氧气氛下，NOX产生量小。

经过长时间运行后烟气监测数据如下表所示，从表中可以看出各项污染物的浓度极低，均能达到排放标准。

pollutant

Unit

concentration

Dust

Mg/m³

<

3

HCl

2

HFHF

0

SOX（asSO2）

25

NOX（asNO295%NO）

20

NHNH3

FuelGasComposition

Clean/%

CO

19-23,1

CO2

7-8,7

H2

13-17,6

H2O

5-8,5

N2

46-49,6

Total

100

工程案例

地点:

布拉索夫罗马尼亚

竣工时间：

2008.10

建设工期：

14月

炉体占地面积：

650平米

换热器高度：

14m

调试时间：

处理量：

垃圾13t/h；

热值11MJ/kg

效率：

气化效率80-85%；

发电效率40%

垃圾种类：

城市垃圾，工业垃圾，混合垃圾

产气量：

188亿方/年，热值4,5Mj/m3

热量：

234000000度电/年

能耗：

等离子体能耗：

400KW，总能耗1.4MW

合成气被用于当地的发电厂，替代了28000t/年的煤，大大缓解了当地的能源危机。

问题1：

等离子体发生器寿命问题；

零件更换周期，一般800-1000h，即33-41天

问题2：

气化室能量来源。

气化系统由干燥室和气化室组成，辅助设备为风机与液压推进装置。

干燥室具有储存、干燥的作用；

热风来源于预热器回收的热量，将固废干燥同时将水分携带出干燥室；

在干燥室中经过充分干燥的固废垃圾被逐级向下推进，直至进入气化室。

气化室中进行垃圾的缺氧气化，生成以CO与H2为主的合成气，同时存在未完全分解的大分子有机物。

等离子体反应器：

由等离子体发生装置和炉膛主体构成。

气化室中的合成气在等离子体的作用下，大分子进一步裂解，合成气更为纯净，同时高温还原气氛破坏二噁英结构和生成条件。

飞灰经过等离子体熔融后，成为无毒的玻璃体，被回收利用。

气化系统和等离子体反应器实现了垃圾的减量化、资源化和无害化，是等离子技术的核心设备。

（2）加拿大Enerkem

该公司主要技术路线如图2所示，利用鼓泡流化床将生活垃圾有机成分，经气化、合成气净化、甲醇羰基化生产燃料乙醇的成套技术，固体无机物质制作建筑材料销售。

据2017年Enerkem介绍资料显示，采用该公司设备技术，每吨生活垃圾能够生产燃料乙醇300kg，即产燃料效能为30%，乙醇热值:

26780kJ/kg，则每吨垃圾发电2232kwh。

系统残渣为10-15%（无机物（陶瓷、玻璃、泥土等）来自垃圾），系统热电联效率80%左右。

图3生物乙醇热技术与工艺流程图

1.垃圾通过进料系统加入鼓泡流化床内，在炉内高温、高混合度下发生有机物气化，无机物形成炉渣作为建筑材料。

2、粗合成气中含有HCl、粉尘、CO2等杂质，通过洗气塔去除杂质并进行残渣分离，废水重新利用，残渣回炉熔融。

3.纯净的CO、H2在催化反应器中合成生物燃料。

经过提纯分离，最终成为生物燃料和化学品。

炉膛出口热量回收方法。

催化合成，需要控制CO、H2比例，怎么控制？

催化剂失活，效果变差，寿命问题，且在催化过程中会产生C3、C4甚至C5有机化合物，不能保证乙醇、甲醇的产量。

问题3：

洗气塔将会耗费大量水，水回收利用率？

（3）瑞士热分选技术

图4热分选技术流程图

先将垃圾放入密闭、留有液体和空气的压力机（氮气保护），通过高压将垃圾气密压紧形成塞子状，并通过气流将其压入脱气通道。

在脱气通道中不断加热，垃圾被干燥，有机成分气化挥发，经过】至少1小时的反应处理后，垃圾被送入气化炉高温反应堆。

脱气产生的碳和含炭化合物在水蒸汽丰富、温度高达1600℃～2000℃的环境中与氧气发生部分氧化反应而气化生成以CO和H2为主的合成气。

合成气在1200℃以上的温度中停留时间大于2秒，能有效将生成的二噁英和呋喃等大分子有机物分解破坏，此后合成气离开气化炉，进行喷水和水浴急冷，将合成气温度迅速降低到90℃以下，在此过程中，可有效避开二噁英的生成区间，同时合成气以CO和H2为主，为还原性气氛，能遏制和减缓二噁英的生成，从而保证急冷后的合成气中几乎不含二噁英和呋喃。

急冷后的合成气进一步进入洗涤塔，充分洗涤除去合成气中携带的粉尘和卤化物。

经洗涤除尘后的合成气用引风机送至下游净化工序进一步净化处理后用于发电或生产化工产品。

激冷后的水送至水处理装置进行处理，达标后回用或排放。

此外，垃圾中的无机物在高达1600℃～2000℃的环境中被充分熔融，并在1600℃以上的均质通道中流动和分层，渣中的金属以单质状态存在，且由于其密度大，沉在熔融流体的下层，而其他轻质熔渣则浮在上层。

熔融态的金属和渣沿着均质通道流动，在均质通道出口，熔渣经水淬冷形成稳定的金属和玻璃体渣后流入渣池。

此后，捞渣机将金属和渣从渣池中捞出，并用磁分选设备将渣中的金属单质分离出来回收，玻璃体渣则可作为建筑材料，进一步综合利用。

5.后续处理

5.1能量回收利用

余热锅炉，顾名思义是指利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量把水加热到一定温度的锅炉。

具有烟箱、烟道余热回收利用的燃油锅炉、燃气锅炉、燃煤锅炉也称为余热锅炉，余热锅炉通过余热回收可以生产热水或蒸汽来供给其它工业使用，可以有效提高整体效率。

换热器，垃圾气化中的换热器主要是空气预热器，利用高温烟气加热一次风和二次风，达到降低能耗的目的。

存在问题：

垃圾气化烟气中含有大量酸性气体，烟气中所含的灰分性质也比较粘，很容易粘附在受热面管子表面，降低换热效果，造成烟气温度偏高。

烟气中含有浓度较高的Cl，对铁及铁化合物等均有腐蚀作用。

已有多篇文献指出氯化氢气体对焚烧炉的焚烧设备本体有着很强的腐蚀作用。

余热利用锅炉与传统的燃煤、燃油锅炉相比较，其金属受热面因腐蚀导致事故频率要高很多，占其汽水系统事故频率第一位。

5.2烟气

烟气中含有大量酸性气体（HCl、SO2、HF、HBr、NOx等）、有机类污染物（PCDDs、PCDFs等）、颗粒物及重金属等。

酸性气体主要由SOX、NOX、HCl、HF组成,均来源于相应垃圾组分的燃烧。

SOX主要由SO2构成,产生于含硫化合物焚烧氧化所致。

NOX包括NO、NO2、N2O3等,主要由垃圾中含氮化合物分解转换或由空气中的氮在燃烧过程中高温氧化生成。

HCl来源于氯化物,如PVC、像胶、皮革,厨余中的NaCl以及KCl等。

烟气中HCl气体的浓度相对较高,往往在400~1200ppm。

SOX与NOx的浓度相对较低。

所以HCl是烟气中主要的污染气体。

气体对人体有较强的伤害性。

据全球污染排放评估组织（GEIA）测算,全世界每年由生活垃圾焚烧向环境排放的HCl气体达218kg之多,相当于每人每年仅通过垃圾焚烧向大气排放了0.42kgHCl。

HCl气体会对余热锅炉受热面和监测仪表产生高低温腐蚀,影响余热锅炉安全并限制了过热蒸汽参数的提高;

HCl气体的存在升高了烟气露点,导致排烟温度升高,降低锅炉热效率;

氯源在一定条件下与重金属反应生成低沸点的金属氯化物,从而加剧了重金属的挥发,导致重金属在飞灰上的富集,增加飞灰毒性;

HCl气体能促进氯酚、氯苯、氯苯并呋喃等“三致”有机物的生成,而且PVC裂解后生成的HCl被认为能促进多环芳烃（PAHs）的生成。

因此,有效去除HCl气体直接关系到焚烧系统的安全和环保运行。

酸性气体HCl、SOx、HF主要通过湿法、干法或半干法中Ca（OH）2、NaOH等碱性物质中和吸收来去除。

其中,湿法技术效率高,可达97%以上,但有大量污水排出,容易造成二次污染。

干法技术无污水排放,但脱除效率仅达60%~70%。

半干法技术有较高的脱除效率（可达90%左右）,药品用量少,且无污水排放,因此为烟气脱酸的主要适用技术。

半干法脱酸装置一般设置在除尘器之前,主要包括给料系统、混合系统和反应系统。

脱酸剂CaO在给料系统生成粉状Ca（OH）2,再进入混合系统与烟气及少量的水充分混合,最后以喷雾状进入反应系统。

HCl、SOx、HF等酸性成分被吸收,生成中性、干燥的细小固体颗粒,随烟气进入下一步净化系统。

主要反应有：

　　2HCl+Ca（OH）2=CaCl2+2H2O

（1）

SO2+Ca（OH）2=CaSO3+H2O

（2）

除尘器是烟气净化系统的末端设备,国标GB18485-2001中规定生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用袋式除尘器。

袋式除尘器不仅收捕一般颗粒物,而且能收捕挥发性重金属或其氯化物、硫酸盐或氧化物所凝结成直径≤0.5μm的气溶胶,还能收捕吸附在灰分或活性炭颗粒上的二恶英等有机类污染物。

袋式除尘系统中的布袋是由不同材料的纤维制成滤布,对尾气进行过滤,达到除尘及吸附二恶英的目的。

烟尘颗粒在滤布表面堆积形成致密的薄层,因此布袋式除尘器对粉尘去除率一般都很高。

受布袋材料的耐热强度限制,尾气温度一般须控制在250℃左右,低于二恶英的再合成温度。

有机类污染物主要是指在环境中浓度虽然很低,但毒性很大,直接危害人类健康的二恶英类化合物,其主要成分为多氯二苯并二恶英（PCDDs）和多氯二苯并呋喃（PCDFs）。

烟气处理中,对二恶英的处理主要采用活性炭吸附。

活性炭不仅可以吸附二恶英还能有效去除重金属等物质。

由于飞灰的比表面积很大,对二恶英有很强的吸附作用,导致飞灰中二恶英浓度很高,通常占焚烧过程二恶英总排放量的70%左右。

而大部分的重金属（>

70%）都仍留存于炉渣中,仅Hg和Cd在高温下挥发,进入飞灰随焚烧烟气排放。

为提高烟气中二恶英类和重金属污染物的去除率,可以采取以下方法:

（1）减少烟气在200~350℃温度域的停留时间,有利于减少二恶英类污染物再次生成,控制除尘器入口烟气温度低于200℃,有利于有机类及重金属污染物的脱除,即在设计和运行中采用“温度控制”;

（2）在反应塔和除尘器之间,通过混粉器在烟气中喷入活性炭或多孔性吸附剂,可吸附二恶英类和重金属污染物,再用布袋除尘器捕集。

6.适用性分析

无机物含量较大，不可燃成分高于可燃成分，但不同类别城市之间差别较大，中小城市垃圾的有机质含量多为20％左右，一些大城市如北京、上海、深圳等的垃圾有机质含量可高达40%-60%以上。

有机成分中，厨余垃圾所占比例较大，纸张较少。

无机成分中，以灰土、砖石为主，玻璃、金属等含量很低，在发热值方面，我国大中城市垃圾中除局部地区热值可达到6500kJ/kg外，大部分城市垃圾的热值仅有5000kJ/kg；

我国垃圾没有分拣，成分远比国外的生活垃圾复杂。

鉴于前面分析的我国垃圾高水份、低热值和未有效分类的特点，针对我国不同的地区应当采取不同的方法，对于北京、上海、深圳等大型城市，垃圾热值较高，可采用等离子体技术或者流化床气化，一方面可以降低无机物的熔融消耗的的能量，另一方面又提高了产气率；

对于垃圾热值低，无机物含量较高的城市建议采用热分选技术，如果采用等离子体或者流化床气化工艺，无机物等不可燃成分含量很高，必然造成熔融处理量过大，辅助燃料消耗过多，使系统运行不稳定。

此外，由于我国垃圾没有实行生活垃圾的分类收集，因此垃圾中的有用金属和玻璃直接气化在气化炉高温下，将和其他不可燃物熔融混合，无法分离和收集，资源浪费严重。

我国城市与国外垃圾成分对比