（工程热物理专业论文）城市生活垃圾筛上物流化床气化特性实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 当前，城市生活垃圾的处理已经成为一个全球性的问题。到目前为止，人们 已经开发了很多的城市垃圾处理处置技术，但是，这些传统的技术都存在着各自 的弱点。尤其是焚烧带来的二嗯英和重金属等二次污染问题，已引起世界各国的 高度重视。城市生活垃圾气化熔融是一种新型的垃圾处理技术，它结合了垃圾气 化和飞灰熔融二者的优点，具有彻底无害化、减容显著、物料适应性广、高效的 能源与物资回收性等特点，近年来在日本、欧美等西方发达国家得到了广泛的运 用，被认为是最具有前途的城市生活垃圾处理技术。目前我国对这一技术的研究 还处于起步阶段，开发适合中国城市生活垃圾特点的气化熔融技术是很有必要 的。 本文对我国城市生活垃圾的理化特性作了分析。针对我国城市生活垃圾低热 值、高水分、一般不分拣的特点，提出了适合于我国城市生活垃圾气化熔融处理 的方案基于垃圾综合处理的筛上物气化熔融技术方案，即垃圾经过干燥、破 碎和筛分等预处理后，气化熔融技术与回收、填埋、堆肥等技术相结合，综合处 理城市生活垃圾的技术方案。 本文在自行设计搭建的小型流化床中，对垃圾筛上物中适合气化的成分( 废 橡胶、纸类、织物类、竹木、塑料) 进行了气化实验，分析了温度和过量空气系 数对能量转化效率、气化气成分、气化气热值、气化效率、固定碳转化率以及产 气量等参数的影响；对纸类、织物类组分流化床热解展开了研究，分析了热解产 物的分布，对热解焦油、热解残碳以及热解气的特性进行了研究。 本文对模拟的干燥混合垃圾进行了流化床气化实验，并得出结论：干燥混合 垃圾气化的最佳运行条件为6 0 0 ，过量空气系数o 4 。在此条件下得到的气化 气成分主要包括c 1 4 、c o 、h 2 、c 2 h 6 和高分子有机化合物，此时的能量转化效 率为8 5 5 ，气化气低位热值为3 8 6 7 k j n m 3 。 关键词t 缓市生活垃圾缔上豹气化熔融流化涞气纯熟解凌橡殴凌 纸织物嚣本塑料 浙江大学硕士学位蹬文摘垂 a b s t r a c t t h et r e a t m e n to fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w lh a sb e c o m eo n eo ft h es e r i o u s w o r l d w i d e1 s s u e s u n t i l n o w p e o p l eh a v ed e v e l o p e d s e v e r a lm s wt r e a t m e n t t e c h n o l o g i e sw h i c hh a v et h e i ro w ud i s a d v a n t a g e s e s p e c i a l l y , t h ep r o b l e mo ft h e r e l e a s eo ft o x i cs u b s t a n c e ss u c ha sh e a v ym e t a l sa n dd i o x i n si ni n c i n e r a t i o nh a s a r o u s e dt h eh i 曲a t t e n t i o no fw e s t e r nd e v e l o p e dc o u n t r i e s m s wg a s i f i c a t i o na n d m e l t i n g i san o v e lt e c h n o l o g yo fw a s t et r e a m l e n t i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fm s w g a s i f i c a t i o na n df l ya s hm e l t i n g s oi nt h ep a s tf e wy e a r s ，m s wg a s i f i c a t i o na n d m e l t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nj a p a n ，a m e r i c aa n do t h e rw e s t e r n d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，a n di th a sb e e nr e g a r d e da st h em o s tp r o m i s i n gm s wp r o c e s s i n g m e t h o d i nc h i n a , m s wg a s i f i c a t i o na n dm e l t i n gi sj u s ti ni t sp r e l i m i n a r ys t a g ea n d l i t t l ew o r kh a sb e e nd o n ei nt h i sf i e l d s oi ti sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt od e v e l o p g a s i f i c a t i o na n dm e l t i n gt e c h n o l o g yt h a ti sf i tf o rc h i n e s em s w a f t e ra n a l y z i n gt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc h i n e s em s w , t h i sp a p e r b r i n g sf o r w a r dan o v e lg a s i f i c a t i o na n dm e l t i n gt e c h n o l o g yw h i c hi sf i tf o rc h i n e s e m s w t h ef i l t r a t e dm s wg a s i f i c a t i o na n dm e l t i n gs y s t e mb a s e do ni n t e g r a t e d d i s p o s a lo fm s w g a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft y p i c a lc o m p o n e n t s ( w a s t et i r e ，w a s t ep a p e r ，w a s t e f a b r i c ，w o o da n dw a s t ep l a s t i c ) i nf i l t r a t e dm s ww e r es t u d i e di naf l u i d i z e db e d ， w h i c hw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e da tt h el a b o r a t o r ys c a l e t h eg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y ， c a r b o nc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , h e a t i n gv a l u e ，y i e l da n dc o m p o n e n t so fs y n g a sw e r e a n a l y z e d t h ep y r o l y s i so fw a s t ep a p e ra n dw a s t ef a b r i cw e r ec a r r i e do u ti nt h e f l u i d i z e db e dt h ep y r o l y s i sp r o d u c t sw e r ea n a l y z e d g a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t l c so fd r i e dm s ww e r es t u d i e d1 nt h ei u i d i z e db e dr e s u l t s s h o w e dt h a tt h eo p t i m u mo p e r a t i o nc o n d i t i o n sw e r ea c h i e v e dw h e nt h eg a s i f i c a t i o n t e m p e r a t u r ew a s6 0 0 a n dt h ee x c e s s i v ea i rr a d i ow a s04ag a s e o u sp r o d u c t m a i n l y c o n t a i n i n gc h 4 c o ，h 2 ，c 2 h 6 ，a n dl o n g m c h a i nh y d r o c a r b o nw i t hal o w e rh e a t i n g v a l u eo fa b o u t3 8 6 7 k j n m 。，c a nb eg e n e a t e da tt h eh l g h e s to n e yt r a n s f o r l l a l i o 1 e f f i c i e n c yo f8 55 u n d e r t h eo p t i m u mo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa c h i e v e d i u t h i ss t u d y 塑兰奎兰堡主兰垡丝苎 ：塑矍 k e yw o r d s ：f i l t r a t e dm s w , g a s i f i c a t i o na n dm e l t i n g ；f l u i d i z e db e d ；g a s i f i c a t i o n ； p y m b s i s ：w a s t et i r e ；w a s t ep a p e r ；w a s t e f a b r i c ；w o o d ；w a s t ep l a s t i c i i i 学号：2 q 3 q 盟6 4 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名_ 谚媳 签字日期如。6 年7 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：辟馘， 签字日期：。6 年，月8 日 学位论文作者毕业后去向： 撇名。嘲 签字日期：k 移年，月 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 ， 4 1 1 引言 、 当前，环境与发展问题已经成为全球普遍关注的焦点问题。早在1 9 9 2 年6 月，联合国环境与发展大会就通过了著名的关于环境与发展的里约热内卢宣 言，制订了2 l 世纪议程，得到了世界各国的普遍认同，无论是发达国家还是 发展中国家，都把可持续发展战略作为国家宏观经济发展战略的一种必然选择。 2 0 0 5 年2 月，除个别发达国家( 美国和澳大利亚) 外，京都议定书在全球范围 内正式生效，各国政府越来越清醒地认识到，必须使环境与经济协调发展，才能 真正实现可持续发展。 从全球角度看，随着经济的持续高速增长，人民生活水平迅速提高，城市化 进程也在不断加快。但同时也面临着日趋严重的环境问题，特别是垃圾的处理。 如何解决城市生活垃圾问题，还人类一个健康、洁净的生存环境，已引起全球的 高度重视。随着城市建设的发展与居民生活水平的提高，城市生活垃圾的产生量 与日俱增，垃圾的组成也发生了明显的变化。土地资源的匮乏以及人们环保意识 的不断增强，使得垃圾问题已经成为世界各国日益重视并急需解决的重要问题。 。 石化能源的逐渐桔竭，又使得如何利用垃圾中的有效资源成为亟待解决的课题。 1 2 垃圾的产生情况和污染现状 1 2 1 城市生活垃圾产生量 1 霎 ， 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 6 1 9 9 82 0 0 02 0 1 1 2 图1 - 1 中国城市垃圾产生量变化情况 据统计，目前全球每年排放的各类垃圾近1 0 0 亿t ，垃圾产生量正在以每年 浙扛大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 的速度增长，发展中国家的年增长率为6 8 i l 】。我国城市生活垃圾 的产生量增长如图1 1 所示。到2 0 0 3 年，我国城市生活垃圾的年总清运量达到 1 4 8 5 7 万t 【2 l 。近几年我国城市生活垃圾的年增长率在8 1 0 。少数城市，如 北京，垃圾增长率达到1 5 2 0 。折合成人均日产垃圾量已超过1 0 k g ，接近 工业中等发达国家水平【3 】。 发达国家以美国为例，2 0 0 0 年，美国的城市生活垃圾产生量为2 3 2 亿t 1 3 】， 日人均垃圾产量接近2 0 7 k g ；而在1 9 6 0 年，日人均垃圾产量为1 1 7 k g 。图1 2 为美国垃圾产量趋势。 年 幽1 - 2 美国垃圾产量趋势 1 2 2 影响垃圾产生量的因素 据分析，影响我国城市生活垃圾增长的主要因素有以下两个方面： 一是城市人口增长根据对l o 个城市抽样调查结果，我国城市中人均日产 垃圾量超过l k g 。近2 0 年来，我国的城市化进程逐年加快，城市数量大幅度增 加，城市规模不断扩大，城市非农业人口迅速增长。到2 0 0 0 年底，全国总人口 己达1 2 5 6 亿，6 6 8 座城市( 不含镇) 中市区人口约占全国总人口数的3 6 。随 着城市规模的扩大和城市化进程的加快，城市生活垃圾产生量和堆积量也逐年增 加。图l - 3 表示城市人口与城市生活垃圾产生量的相关关系【4 i 。从图中可以看出， 垃圾产生量随着城市人口的增加直线上升，预计这一趋势今后还将持续相当长一 段时期。 二是居民生活水平和消费水平不断提高。居民生活水平和消费水平的提高不 仅影响城市生活垃圾的产生量，也是影响垃圾成分的重要因素。从1 9 9 0 年到2 0 0 0 年，城镇居民的消费水平提高了5 倍左右。与此同时，城镇居民产生的垃圾成分 也发生了相应变化。圈1 4 表示城市生活垃圾产生量与g d p 的相关关系1 4 j 。由图 j ， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 可以看出垃圾产量随g d p 的增加而增加。 一 鼍 鐾 l ； f ： 卜m 妻l 咎6 芝 萎2 0 l-”-矗 #删删洲略 m加o蝌凯 圈1 - 3 城市人口与城市生活垃圾产生量的关系圈l _ 4 城市垃圾产生量与g d p 的关系 1 2 3 城市生活垃圾污染现状 城市生活垃圾不仅浪费了大量的资源，也严重污染环境和危害人体健康。其 快速增长的产生量，已成为影响世界各国城市管理和城市环境污染的重大问题。 就我国而言，城市生活垃圾的污染现状主要表现在以下几个方面1 5 l ： ( 1 ) 影响卫生，传播疾病 城市生活垃圾若不能及时从市区清运或简单堆放在市郊，往往会造成垃圾遍 布、污水横流、蚊蝇孽生，散发臭味，还会成为各种病源微生物的孽生地和繁殖 场，影响周围环境卫生和危害人体健康。根据调查，在生活垃圾堆放场，i r a 2 垃 圾堆表面最多可招落2 7 8 4 只苍蝇；2 5 l n 2 就有1 个鼠洞、8 处鼠迹。医疗废物更 是具有传染性的危害废物，随意抛弃，会传播肝炎、肠炎、痢疾及各种蠕虫病菌 ( 即寄生虫病) 等，对人体健康造成非常大的威胁。 ( 2 ) 无处消纳，垃圾包围城市，污染土壤 垃圾堆放和处置需要占用大量的土地面积。一般地说，堆存一万t 城市生活 垃圾，要占用0 0 6 7 h m 2 地。据遥感调查，在沈阳市周围有5 2 6 堆无组织堆放的垃 圾，占地3 0 0 万m 2 。沈阳已经陷入垃圾包围之中。同时，大量废物的排放和堆 积，将严重破坏地貌、植被和自然景观。垃圾堆放或者没有适当的防渗措施的垃 圾填埋，其中的有害成分很容易经过风化雨淋地表径流的侵蚀渗入土壤之中。这 些有害成分能够杀灭土壤中的微生物，使土壤丧失腐解能力，导致水木不生。 ( 3 ) 产生渗出液，污染水环境 渗出液是生活垃圾本身分解产生的污水和雨水、地表水或地下水流经垃圾层 摄取其中的污染物质而产生的污永的总和。生活垃圾渗出液属高浓度污水，会严 重污染水体和土壤，而且其中的污染成分在二l 二壤中的迁移过程十分缓慢，经过相 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 当长的时间才能发现，且具有很大的危害性。沈阳市曾对简易填埋场进行调查研 究，结果发现，由于渗出液渗入地下水。致使地下水中的硝酸盐、氨氮、细菌总 数、大肠菌值等项目均超标，有的项目超标数百倍。贵阳市1 9 8 3 年夏季哈马井 和望城坡垃圾堆放场所在地区同时发生痢疾流行，其原因是地下水被垃圾场渗出 液污染，大肠杆菌值超过饮用水标准7 7 0 倍以上，含菌量超标2 6 0 0 倍。哈尔滨 市韩家洼子垃圾填埋场附近地下水中铁含量超过饮用水标准2 3 ，锰超标3 倍， 汞超标2 9 倍，细菌总数超标4 3 倍，大肠菌群超标4 10 倍f 4 j 。 ( 4 ) 污染大气，发生爆炸事故 城市生活垃圾一般通过如下途径污染大气：一些有机垃圾在适宜的温度和湿 度下被微生物分解，释放出有毒气体；以细粒状存在的埒圾，在大风吹动下会随 风飘逸，扩散到很远的地方，造成大气的粉尘污染：垃圾在运输和处理过程中， 产生有害气体和粉尘。如焚烧法由于缺乏尾气净化装置而污染大气。 堆放的城市生活垃圾，经微生物分解作用，不但产生氨、硫化氢等恶臭气体， 还能产生大量甲烷气体，引起火灾，发生爆炸事故。国内已发生多起垃圾堆着火 和填埋场基地建筑物中甲烷气引起的爆炸事放。例如，北京市昌平县一垃圾堆放 场在1 9 9 5 年连续发生了3 次垃圾爆炸事故【4 】。 ( 5 ) “白色污染”，难点热点问题 几乎在所有有人的地方，都能看到随意丢弃的塑料食品袋、包装袋、饮水瓶、 一次性快餐饭盒等。在公路边、铁道旁、火车站、风景点，无处不被废旧塑料困 扰。抛弃在陆地上或水体中的废旧塑料制品，常被动物当作食物吞入，从而导致 动物死亡，这在动物园、牧区、海洋，常有发生；雨后，废旧塑料常被冲入下水 道，造成严重堵塞，使城市排水受阻，清掏费时、费力。 城市生活垃圾问题伴随着城市化进程日趋尖锐，已成为一个人民关心、旅游 观光者留心、新闻媒体关注、对政府部门压力较大的社会问题。不仅对城市环境 造成了巨大的压力，而且也限制了城市的发展。 1 3 城市生活垃圾的成分及其影响因素 1 3 1城市生活垃圾的成分 由于国内外能源结构、气候条件以及人们的生活水平和生活习惯等方面的差 别，使得城市生活垃圾的组成具有很大的差异( 见表1 1 1 6 1 ) 。 由表可知，固外城市生活垃圾的特点是有机物含量高于无机物，我困的深圳、 台湾等个别地区由于垃圾含水量较高也表现为此特点。但事实卜，我国绝大部分 地区城市，董活垃圾的特点是无机物含量高于有机物，不可燃成分高于可燃成分。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 且在有机成分中，以生物质所占比例大，纸张较少。而无机成分中。以灰土砖石 为主，玻璃、金属等含量低。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国 城市生活垃圾成分也不断变化，变化趋势为：无机成分逐年减少。可燃成分和热 值逐年提高，纸张、塑料、金属、玻璃等可回收利用的成分逐年增加，约占垃圾 总量的2 0 左右。但低热值、高水分和厨余垃圾占多数仍然是其主要特点。 衷1 - ! 部分国家城市垃圾组成与我国上海、深圳、台湾垃敷组成比较( ) 类型夔国精謇德国葜醒法国上海漂掳；台湾 厨汆1 7 揖61 6 糟 1 57 9 1 2 6 s 塑料。橡膣、皮举 61 2 74 1 ，4s 静1 4 1 3 6 纸类、竹本4 4 托23 l3 33 瘁z 5 7h2 6 黝2 1 毛4 23 ，3i 舒3 61 2 5 玻璃、爱属 2 01 6 4l s1 51 3 3 452 1 s 藏缨，碎石，瓦片 l t吞l2 2诤恐i 。s l6 42 1 。6 可燃物的嚣分比鸵 3 7 嚣 4 1 2 窭5 2 有趣塑盘堡 裙 6 5 掰粥 6 6 鼯 铭4 此外，我国城市生活垃圾成分较国外复杂的特点，致使在垃圾分类、再生利 用以及综合处理等方面，存在定的技术难度。而且中国各城市间的垃圾成分相 差也很大( 见表1 - 2 1 6 1 ) 。目前，我国的城市生活垃圾组成一般为厨余3 0 5 5 ， 灰土1 0 5 0 ，水分4 0 6 0 ，热值3 3 4 9 6 2 8 0 k j k g t 刀。 表1 - 2 我嗣主要城市垃圾组分 j 【孽扎61 4 , ll 蛇蠊辑 l体1 蝣 94 0 2 上拜 n 翌鸵o铱4 2嚣l l 乱6i 0 7，7静0 广州 振王5 掩第 配舒n 持1 ” i 邵氧耐 j om 耀墟n 砼t 挣 站琅j |让9“培嚣船 抗羽丝韩辑*孤6譬厶娃l 似五舒辅 2铺 重度n 倪甜融旬3 1， 7i 弦m 社鼻弼456 新碍牡礴j ：靠墩 i占，7啦6 11 9珏，。 凸宣班型强銎丝卫盟玉l；! ：!蔓逝 1 3 2 影晌城市生活垃圾组成的主要因素 城市生活垃圾的构成、热值主要受地理条件、生活习惯，居民生活水平和民 用燃料结构的影响。由表1 2 可知，北京和深圳垃圾中的厨余所占比例较大，究 其原因，这可能与两地发达的饮食业有关。济由和沈阳垃圾中的煤灰在无机物，1 | 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 所占比例较大，北京则相对较小，主要原因是济南和沈阳燃料结构中煤炭所占比 例大，而北京的燃料结构中石油和天然气比例大，煤炭比例小。诸如此类因素而 造成垃圾成分含量差异的实例很多，这里就不再一一列举。纵观全表可知，北方 城市的垃圾无机物含量较多，垃圾热值较低；而南方城市的垃圾，有机物含量相 对较多，但垃圾含水量也较大。 总之，各国及各地区垃圾成分的差异，受制于当地的自然、经济、文化等因 素，使得各国对城市生活垃圾处理方法不尽相同。 1 4 城市生活垃圾的处理现状 国内外实践证明，由于城市生活垃圾处理受垃圾成分，经济发展水平、能源 结构、自然条件及传统习惯的影响，使得垃圾处理一般没有统一的模式，但最终 都是以无害化、减量化、资源化为目标。垃圾资源化是垃圾减量化、资源化、无 害化综合处理的重要目标之一，也是世界各国所努力的方向。纵观国内外城市生 活垃圾资源化进程，世界发达国家目前大体上经历了四个阶段：( i ) 为维护环境 卫生而进行的无害化处理阶段。( 2 ) 在确保垃圾无害化基础上，避免产生二次污 染的处理阶段。( 3 ) 提高资源化，减少垃圾处理环境负荷的处理阶段。( 4 ) 源头 避免为主、资源化高度发展的全过程管理阶段。以上述四个阶段衡量，发达国家 垃圾处理大多在第三个阶段，并开始进入第四个阶段；而我国大部分城市和地区 垃圾处理仍处于第一阶段，仅少数大中城市进入第二阶段。正是由于国内外对于 城市生活垃圾的处理方式差别，才会使各国在城市生活垃圾资源化利用水平上存 在差距。 垃圾处理应该达到所谓四“r ”的目标，即：采取措施减少( r e d u c e ) 、再使 用( r e u s e ) ，再循环( r e c y c l e ) 和回收( r e c o v e r ) 垃圾。垃圾的处理技术主要有卫生填 埋、堆肥、热处理回收能量等技术。热处理回收能量技术包括焚烧、热解、气化、 熔融以及这些方法的综合运用。 1 4 1 卫生填埋 卫生填埋是目前世界上最常用的垃圾处理技术。当今卫生填埋是从垃圾露天 堆弃和垃圾填坑发展而来的，它采用了先进的填埋工程技术，是垃圾处理的一大 进步。它有着投资少，处理费用低，处理量大，操作简便，能处理处置各种类型 的废物等优点，是各种废弃物最终的处理方式因此目前在世界大多数国家广泛 使用( 见表1 3 ) 1 8 1 由表1 3 可知，英因、挪威、美冈、加拿大、意大利、葡 萄牙等多数隔家都以填埋法为上。 但垃圾填埋也存存着缺点，如：可燃物得不到利用，需要占用大量的上地资 兰坚旦量望型兰笪堕壁_ 一一 蔓= 兰 堕笙 源，操作现场污染严重，处理时间长，而且会有大气污染、渗漏等问题出现，因 此国外卫生填埋的比例在逐年下降。填埋有可能发展成为其他处理工艺的辅助手 段，成为一切不能再利用物质的最终消纳场。 表1 - 3 世界各国城市生活垃圾处理方法统计袭 ：罢： 簋s 簋墨簋鲎登 比利时1 9 9 jj 5 5 4 9 3 5o 。 绻蹭1 9 9 。 3 3 ，86 8 9 1 5 5 3 1 罄罔1 9 9 3 如 0 溲太利理1 9 9 3 互94 s 2 4 s 丹鸯1 9 9 3 1 g 1 6 7 1o 努芝 1 9 9 0 l 。； 彤 4l ， 荧嗣1 9 9 l2 0 1 3 0 巍失到1 9 9 02 0 9 0 6 0 卢森堡l 蚴 e 。1 7 弼国 l 绣笆1 9 9 2 7 靳 5 22 7 g 棼虢 1 9 9 0 2 ，2 强 1 g0 葡萄牙i 势；3 4 1 0 瑙箍 l 鲔82 7 3 2 5 5 1 鹾士i 螂2 g 1 17 6 1 3 西斑牙1 9 1 2 ，5 7 5 52 0 蚓率1 9 9 1，7 2 2 5 t 2 81 6 加霉大1 9 9 0l7 6 8 2 g 0 甍国1 9 9 1 1 7 7 ，j6 7 1 6 2 主坠坐芝11 1 垫 翌 ! q 1 4 2 堆肥 堆肥法是使垃圾中的有机质在微生物作用下进行化学反应，最终形成类似腐 殖质土壤的物质可作为肥料或土壤的改良剂。堆肥工艺按生物发酵的方式可分为 好氧堆肥和厌氧堆肥；按垃圾所处的状态可分为静态和动态堆肥；按发酵设备形 式可分为封闭式堆肥和敞开式堆肥；按垃圾物科流动形式可分为问歇式堆肥和连 续式堆肥。 中国是世界上采用垃圾堆肥技术最早的国家之一到现在已有几千年的历 史。世界各国经过对堆肥技术的不断创新，目前已经形成了系统的堆肥技术。由 于各国工业发展程度不同，所采用的堆肥工艺也有差别9 1 。欧洲和荚洲冈家大都 采用机械化堆肥，砭洲和非洲国家则多用人工或半机械化培肥。 由表1 - 1 我们可以看到，发达闲家生活垃圾中的易腐行机物( 主要足厨余) j 浙扭大学碗士学位论文 第一章绪论 含量大大低于我国的般水平，因此靠堆肥只能处理1 5 左右的垃圾组分，这 在一定程度上阻碍了堆肥技术的推广。但就我国大中城市具体情况来看，生活垃 圾中的易腐有机质( 主要是厨余) 含量都在5 0 左右，因此采用堆肥技术可以 达到比较好的处理效果。随着我国人民生活水平的提高，垃圾中有机质的含量也 逐步增高。可见我国垃圾可堆肥的潜力较大( 见表1 4 ) f l o 】。 表l - 4 我国城市生活垃圾堆肥潜力估算( 单位t 万吨) 舯蔷坚l 一堡垒_ 一兰塑一 ：= 壁生缝垂d ：焦堕鱼垃墼点堕堕生_ ：蕉重垒止 壁直! 垃生：焦壹垒圭上 蝴谴姗 2 2 6 0侧 i 糯蝴堋艄煳 可堆隧 2 1 1 1飒22 6 5 1硐 1 5 94 2 3 1嬲 w 6珊 瑚强粥蛳蛳 蝴鳓i 缵 目主墟缝熙l 篮空 塑l 垫i 超塑墨筮 l 鲤l 塑麴 堆肥技术同样存在着明显的缺点：不能处理不可腐烂的有机物和无机物，垃 圾堆肥处理效率低下，容易产生恶臭，对垃圾的减量化效果不好，堆肥中还存在 重金属等问题。因此仅仅依靠堆肥处理仍然不能彻底解决垃圾问题。 1 4 3 焚烧 焚烧是种对城市垃圾进行高温化学处理的技术。将生活垃圾作为固体燃料 送入炉膛内燃烧，在8 0 0 1 0 0 0 c 的高温条件下，城市生活垃圾中的可燃成分与 空气中的氧进行剧烈的化学反应，释放出热量并转化为高温的燃烧气体和少量性 质稳定的固体残渣。当生活垃圾有足够的热值时，生活垃圾能靠自身的能量维持 自燃，而不需提供辅助燃料。垃圾燃烧产生的高温燃烧气体可作为热能回收利用， 性质稳定的残渣可直接填埋处理或作建材用。经过焚烧处理，垃圾中的细菌、病 毒能彻底被消灭，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经处理达标后 排放。 据统计，目前全世界每年有1 1 亿t 生活垃圾采用焚烧处理，焚烧法是当前 世界工业发达国家最广泛采用的手段之一，表1 - 3 中日本、丹麦、瑞士等固的焚 烧处理率分别达到7 2 8 、7 1 、7 6 。据测定，若措施得当，利用i t 城市生 活垃圾可获得约3 0 0 4 0 0 k w 的电力生产能力n j 。今天，为了缓和城市能源短缺， 城市生活垃圾可以被看作是第二能源而被加以利用供热或发电。焚烧技术具 有以下优点：1 ) 减容减量效果明显，一股可减容8 0 9 0 ，减量6 0 7 0 ；2 ) 对垃圾处理彻底、迅速，残渣二次污染危险较小：3 ) 资源化效果好，生 活垃圾可作为能源来焚烧利用，同时还可以匣i 收生活垃圾中的有价金属：4 ) 适 应能力强，对垃圾热值要求较低，可以实现全天候运行，不易受到气候等外部环 浙江大学碗士学位论文第一章绪论 境的影响；5 ) 节约场地，运行费用低。 焚烧技术被认为是实现城市垃圾无害化、减量化和资源化的最有效的手段之 一，但近年来也暴露出一些问题。随着对环境关注的加强，垃圾焚烧炉己经需要 安装复杂的尾气净化装置。欧洲许多国家的排气标准决定了必须安装大而昂贵的 尾气净化装置。日本政府己决定要把全国两千多座焚烧厂陆续全部关闭。美国和 欧洲很多国家都不再建设新的焚烧厂。普遍认为焚烧技术有以下主要问题：( 1 ) 焚烧不能处理所有垃圾，必须事先分选；( 2 ) 二嗯英和重金属等二次污染问题： ( 3 ) 垃圾焚烧后产生的二嗯英和呋喃含量很高的灰渣仍然需要作为危险废弃物 进行再处理。而这一技术及成本要求非常高。美国已经在把数十年来深埋于3 0 米下的这些有害垃圾取出，作热解气化处理并利用。 1 4 4 热解 垃圾热解是将含有有机可燃质的垃圾在完全无氧的条件下高温加热，使组成 垃圾的有机物化合键断裂，裂解为低分子化合物( 如c h 4 、h 2 、c o 、焦油、甲 醇、焦碳等) 的过程。热解方式中的能量形式为化学能，产物包括气态燃气、液 态焦油和固态碳黑三种。通过热解或气化可以达到两个目的：一是回收储存性能 源，如燃料气，燃料油和碳黑；二是减少焚烧造成的二次污染。热解相对于焚烧 的优势有：( 1 ) 对于环境保护来说，热解比焚烧更安全，还原气氛下可减轻垃圾 中硫、氮、重金属、二嗯英等对环境造成的二次污染：( 2 ) 热解法的能源回收利 用率高，可达到7 0 ，而且燃气、燃料油和碳黑产物与炼油工业产品相似，具 有较高的附加值；( 3 ) 热解可以简化污染控制，而且烟气中飞灰含量小，无需昂 贵的烟气净化装置；( 4 ) 对于焚烧无法处理的垃圾，如医疗垃圾和危险废弃物等， 热解可以很好的加以处理。 热解法在处理单组分废弃物( 如塑料、橡胶、生物质等) 方面取得了较为成 功的经验。但由于城市生活垃圾组分和成分极其复杂，垃圾的高水分和高灰分使 得热解产气( 或油) 品质较低，而且不稳定，同时由于含有硫、金属、玻璃等物 质也使焦碳无法利用| l ij ，所以城市垃圾热解回收能源在工业化方面没有取得太大 的进展。 1 4 5 气化熔融 第一代垃圾焚烧炉存在的主要问题是易产生二嗯英和重金属的污染，这严重 制约了焚烧技术的应用。为了更高效地回收垃圾中能源和满足更严格的排敢标 准，世界各囤特别足欧荚、日本等发达团家目前正致力于开发面向2 l 世纪的第 二代垃圾焚烧技术气化熔融法集成技术，力图使二噫央、重金属等二次污染 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 物排放值降至最低，同时提高锅炉效率和发电效率。日本是研究开发该技术最突 出的国家，其主要技术路线是气化加高温熔融燃烧，首先将垃圾气化，可燃气和 气化炉排渣一起在高温熔融固化处理，可从根本上解决二噫英和重金属二次污染 的问题。同时高温焚烧将大部分飞灰和炉渣熔融后，经水骡冷后形成玻璃体，将 重金属固化，灰渣可以综合利用。此外，该系统可采用燃气一蒸气联合循环大幅 度提高垃圾发电的效率。 垃圾气化熔融技术已经被提议用来作为一种进行垃圾处理及能量回收的替 代方案，被称为新一代的废物处理技术，发展潜力巨人 12 1 。该技术的主要优点是： ( 1 ) 在气化的情况下，过_ 最空气系数相对较小，从燃料中产生的气体在体 积上只有燃烧产生的烟气体积的大约3 0 ，因此所需的烟气净化设备明显要小得 多，投资相对节省； ( 2 ) 最大程度的减量化：飞灰和底渣经熔融处理后，熔渣致密性大大提高， 可以减容7 0 左右，同时通过对二咏英的分解和对重金属的固化实现彻底无害 化，灰渣在5 0 0 以下非常稳定，可以做成建筑材料，这样就进一步大大减轻填 埋处置的占地负担： ( 3 ) 二次污染小，有效控制二咏英，达到彻底地无害化 ( 4 ) 高效的物资回收性：除熔渣可以制成建筑材料外，灰渣熔融可以方便 地分离并回收金属，既防止重金属污染，又回收有价值的物资，充分利用废物资 源。 气化熔融技术经过十几年的发展，在国外已经取得，一定的成绩，目前比较 成熟的技术包括：s i e m e n s k w us c h w e l - b r e n n 回转窑外热热解与燃烧熔融技术 ( 日本y o k o h a m a8 0 k l a ) ；t h e m a o s e l e c t 回转窑外热热解与吹氧气化熔融技术( 德 国a n s b a c h7 5 k t a ) ；v o nr o l lr c p 移动床吹氧热解气化、吹氧部分燃烧熔融与 吹氧流化床燃烧技术( 德国b r e m e r h a v e n6 t h ) ；流化床气化与旋风燃烧熔融技 术( 日本a o m o f i6 0 t d ) ，新日本制铁的富氧空气直接气化熔融技术( 日本大阪 府茨木市1 5 0 t d ) 等等”。 国内在这方面的研究相对比较落后，不过也有一定的发展。浙江大学近年来 开展了一系列生物质废物气化的研究，并设计开发了以煤和生物质为燃料的 7 5 1 j h 循环流化床燃气蒸汽一电气联产工艺系统 1 4 。“；同济大学对城市生活垃 圾流化床气化制气进行了实验室规模的研究【j ”：东南大学对城市生活垃圾循环流 化床低温气化和高温熔融焚烧技术进行了研究开发，设计建造了日处理3 吨的热 态实验系统【】；昆明理工大学也开展了城市生活垃圾直接。e 化熔融焚烧技术的研 究2 0 1 。 k熬黼髓文5 t s；rt。黔，掣鞴蹬弭囊三s，。 羔壁生壁塑堡兰兰箜! 苎 苎二差堡堡 1 4 6 无害化综合处理 处理城市生活垃圾的最好方法是无害化综合处理技术。垃圾的无害化综合处 理就是将堆肥、卫生填埋、焚烧等传统的垃圾处理方式有机结合，综合为一体， 最大限度实现垃圾处理“三化”原则的处理方法。其基本思路是对垃圾进行初步 筛分，去除其中的灰分或不可堆肥的无机质，用于做填埋的覆盖层；然后对筛上 物进行严格的分拣，回收金属、玻璃、废纸等材料，有机质运至发酵仓进行高温 堆肥，对废塑料及筛上的可燃物进行焚烧或气化熔融等热处理，所产生的热量用 于堆肥烘干和复合肥的造粒。 综合处理利用首先要解决的问题是垃圾的分类收集，目前在我国垃圾的分类 收集才刚刚起步，并且仅限于一小部分经济比较发达的大城市。垃圾的分类收集 可使得垃圾的综合处理费用降低，并可使垃圾的回收利用变得可行且回收率提 高。垃圾无害化综合处理工艺如图1 - 5 所示。 圈1 - 5 城市生活垃圾无害化综合处理工艺 1 5 本文研究的意义和主要内容 1 5 1 本课题的背景和意义 在我国，随着经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，城市化进程不断 由快，城市垃圾产生量急剧增加，且增长势头不减。随着人们对环境问题的i 兰l 益 重视，如何有效的对城市生活垃圾进行处理，已成为人们广泛关注的问题。我国 对城市垃圾污染防治起步较晚，城市垃圾的处理处置水平一直很低，多年来绝大 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 部分城市采用露天堆放，自然填沟和填坑的简单方式消纳城市生活垃圾。这种处 理方式对土壤、河流、地下水、大气等都造成了严重的影响和潜在的危害。虽然 改革开放以来，我国城市垃圾的产生量、垃圾成分和综合治理设施发生了很大变 化，但垃圾污染问题除了在少数城市有所缓解外，大部分城市的垃圾对环境的污 染日趋严重。当前我国城市垃圾无害化处理设施缺乏，处理工艺比较落后，远不 能满足垃圾污染控制的要求。 随着我国经济的高速发展，城市化水平和人民生活水平的不断提高，城市生 活垃圾产量与日俱增，由此而带来的环境污染问题日益严重，如何更好地处理城 市城市垃圾已成为影响环境保护、城市建设、人民生活和可持续发展的重要因素。 而传统的处理技术越来越不能满足垃圾处理的“三化”( 减量化、无害化和资源 化) 原则。多年来，垃圾焚烧虽然在减量化和资源化方面效果显著，但在污染控 制方面面临巨大挑战，需要投入相当多的人力和财力去解决二嗯英和重金属二次 污染的问题。正因为此，发达国家一直致力于研究和开发新的处理技术。气化熔 融以其严格的污染控制、显著的减容性以及广泛的物料适应性和高效的能源与物 质回收利用性等优点倍受国内外研究人员的关注，被认为2 l 世纪最具潜力的焚 烧处理替代技术1 2 1 2 3 1 。由于气化和熔融处理技术的结合使得在对垃圾中有机成 分加以处理利用的同时，可以对无机成分进行无害化资源化回收利用，从而从根 本上解决了二嗯英和重金属二次污染的问题，有着广阔的发展前景。而另一方面， 随着我国经济的发展和生活水平的提高，我国城市生活垃圾成分已经发生了很大 的变化，热值也在不断提高。我国东部及较发达地区的垃圾热值普遍达到 5 0 0 0 k j k g 以上，经过适当的预处理，完全可以达到气化熔融技术的要求。与此 同时，欧美和日本等发达国家都在竞相开展垃圾气化熔融的新技术，这也为我国 提供了一个借鉴学习，自主开发的机遇。 发达国家所开发的气化熔融处理技术大多是针对本国热值较高的城市生活 垃圾而设计的，并不适用于我国热值较低，水分较多的垃圾处理，全盘照搬或者 引进国外技术，不仅达不到预期的处理效果，而且容易造成技术和资金的浪费。 另一方面，我国目前垃圾气化熔融处理技术的研究还处于起步阶段，因此，针对 我国城市生活垃圾热值低的特点，开发出适合于我国城市生活垃圾特性的气化熔 融处理系统迫在眉睫。对城市生活垃圾气化熔融技术开展基础性的研究可以使我 们在固体废弃物处理和资源回收方面获取新的知识，形成新的理论。研究成果将 为我国探索适合于我国国情的先进固体废弃物热处理技术的发展和应用打下坚 实全面的基础。 ， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 。5 2 本文的主要内容 本文首先对我国城市生活垃圾的特点、危害及污染现状作了概述，介绍了主 要的城市生活垃圾的处理处置技术，然后对我国城市生活垃圾的理化特性进行了 分析，提出了适合我国垃圾特点的处理方案一一基于垃圾综合处理的筛上物气化 熔融技术方案，即经过预处理筛分后，筛上物气化熔融技术与筛下物回收、填埋 技术以及堆肥技术综合处理城市生活垃圾技术方案。 作为城市生活垃圾气化熔融技术研究课题的一个重要组成部分，本文主要针 对垃圾筛上物中适合气化的成分( 废橡胶、纸类、织物类、竹木、塑料) 和模拟 垃圾筛上物进行了流化床气化文验，利用气相色谱仪( c - c ) 重点对气化产生的 气体进行了比较全面的分析和测试，其目的在于为后续的飞灰熔融阶段提供一些 重要而有意义的参考数据，从而更好地指导大型中试实验台的设计和工业化运 用，同时也为一些单组分垃圾的气化处理方式提供了理论依据。由于热解可以看 成是气化的一种特殊情况( 过量空气系数为零) ，为了对流化床气化熔融技术提 供更为详尽的设计参数，因而有必要结合热解来对城市生活垃圾流化床气化处置 技术展开基础性的研究。本文主要针对垃圾筛上物中的典型组分( 纸类、织物类 以及塑胶类) 在流化床热解气化炉内的热解气化特性进行了研究，考察不同的反 应条件对热解气化气热值、产气率、热解油、热解碳以及热解气化效率的影响， 这为在中试实验台上进行城市生活垃圾气化熔融处理技术的研究，或商业开发提 供参考依据。 具体来说，本文的主要内容有： ( 1 ) 适合我国m s w 处理的气化熔融技术系统的比较、选择和确定，对我 国城市生活垃圾的理化特性展开研究，并提出适合我国垃圾特性的气化熔融处理 技术的方案； ( 2 ) 城市生活垃圾中橡胶类组分流化床气化特性实验研究：在自行设计的 实验室规模流化床气化实验装置上对废橡胶组分在不同的过量空气系数下在 4 0 0 7 0 0 温度范围内进行了空气气化实验；建立了实验数据处理模型，用 g c t r a c e 2 0 0 0 气相色谱对气化气的成分进行了测试；分析了橡胶气化能量转 化效率、气化气成分、气化气热值、气化效率、固定碳转化率以及产气量随气化 温度、过量空气系数的变化规律； ( 3 ) 城市生活垃圾中纸类组分流化床热解气化特性实验研究：对纸类在不 同的温度、不同的过肇空气系数下进行了空气气化、n 2 热解的实验研究。对热 解气化碳黑进行了理化特性分析。对热解碳、热解油和热解气特性进行了分析； 分析了纸类气化能虽转化效率、气化