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固体废弃物热化学处理固体废弃物热化学处理 课课 程程 作作 业业 城市生活垃圾气化处理技术进展城市生活垃圾气化处理技术进展 学学 号号 姓姓 名名 固体废弃物热化学处理课程作业 第 2 页 目目 录录 第一章第一章 城市生活垃圾处理概述城市生活垃圾处理概述 1 1 1 1 城市生活垃圾产量及组分分析 1 1 1 1 我国城市生活垃圾的产量 1 1 1 2 我国城市生活垃圾组分分析 1 1 2 城市生活垃圾堆放的主要影响 3 1 2 1 对大气环境的影响 3 1 2 2 对水环境的影响 3 1 2 3 对土壤环境的影响 4 1 2 4 对人体健康的影响 4 1 3 城市生活垃圾处理技术 4 1 3 1 卫生填埋法 4 1 3 2 热化学处理技术 5 1 3 3 生物处理技术 6 1 3 4 将垃圾制成 RDF 7 1 4 我国城市生活垃圾处理效果分析 7 1 4 1 填埋场 8 1 4 2 焚烧厂 9 1 4 3 堆肥厂 9 1 5 我国城市生活垃圾处理存在的问题 9 第二章第二章 垃圾气化处理技术垃圾气化处理技术 1111 2 1 垃圾气化处理技术基本原理 12 2 1 1 固体燃料气化的概念 12 2 1 2 气化原理 12 2 2 气化基本方法的分类 13 2 3 气化方式 主要工艺 13 2 3 1 固定床气化法 13 2 3 2 流化床气化炉 14 2 3 3 悬浮式气化炉 15 2 4 影响垃圾气化的重要因素 15 2 4 1 垃圾原料的粒径分布 16 2 4 2 垃圾原料的含水量 16 2 4 3 垃圾原料中的灰分 16 2 4 4 垃圾原料中的挥发分 16 2 4 5 垃圾原料的热值 16 2 4 6 垃圾的组分 16 2 5 国内外气化处理技术现状 17 2 5 1 国外垃圾气化处理技术 17 2 5 2 国内垃圾气化处理 18 固体废弃物热化学处理课程作业 第 3 页 第三章第三章 垃圾气化新工艺及其实例垃圾气化新工艺及其实例 2020 3 1 外热回转窑式生活垃圾气化熔融焚烧技术 20 3 1 1 日本 IHI 公司开发的外热回转炉式垃圾气化熔融焚烧工艺 20 3 1 2 德国西门子公司开发的外热回转炉式垃圾气化熔融焚烧技术 21 3 2 流化床式生活垃圾气化熔融焚烧技术 21 3 2 1 荏原式流化床垃圾气化熔融焚烧技术 21 3 2 2 三机式流化床垃圾气化熔融焚烧技术 21 3 2 3 神户制钢式流化床垃圾气化熔融焚烧技术 22 3 2 4 三菱重工式流化床垃圾气化熔融焚烧技术 22 3 2 5 川崎重工式流化床垃圾气化熔融焚烧技术 22 第四章第四章 气化处理技术应用前景气化处理技术应用前景 2323 参考文献参考文献 2424 固体废弃物热化学处理课程作业 第 1 页 第一章第一章 城市生活垃圾处理概述城市生活垃圾处理概述 1 1 城市生活垃圾产量及组分城市生活垃圾产量及组分分析分析 城市生活垃圾通常是指居民生活 商业活动 旅游 市政维护 企事业 机关单位办 公等过程中产生生活废弃物 如厨余物 废纸 织物 家具 玻璃陶瓷碎片 废旧塑料 制品 煤灰渣 废交通工具等 主要来自于城市居民家庭 城市商业 餐饮业 旅馆业 旅游业 市政环卫业 交通运输业 文教卫生业 行政事业单位 工业企业单位 以及 水处理中的污泥等 城市生活垃圾如果不及时进行有效的处理 处置 就会对环境产生 负的外部效应 垃圾中的污染成分会通过水 气 土壤 食物链等途径污染生态环境 并对城市生活 人体健康等造成严重危害 1 1 1 我国城市生活垃圾的产量我国城市生活垃圾的产量 随着城市人口的增加 城市规模的扩大和居民生活水平的提高 我国生活垃圾产量 也急剧增加 尤其是近 20 年间 我国城市数量及城市居住著增加 城市规模和范围不断 扩大 促使城市垃圾产量不断增长 近年来垃圾的年增长速度达到 5 8 据统计 2001 年城市生活垃圾的清运达到 7 835 万吨 2002 年全国城市垃圾清运量已达 1 365 亿 吨 2003 年生活垃圾清运量为 1 4857 亿吨 比上年增加 8 8 预计到 2010 年和 2015 年 将分别达到 1 52 亿吨和 1 779 亿吨 年增长率将达 3 28 今后较长时间内 我国城市化速度将保持较高水平 保洁清运服务范围将进一步延 伸 城市生活垃圾产生量和清运量将呈增长态势 2002 年 我国城市化率为 37 7 城 镇人口为 4 8 亿 其中 660 个建制市人口为 3 5 亿 以人均生活垃圾产生量 0 9 1 0 公斤计算 则城市生活垃圾年产生量约为 1 6 1 8 亿吨 如果 2020 年 我国城市化水 平达到 55 以上 全国人口控制在 14 5 亿 则全国城市生活垃圾年产生量将达到 2 6 2 9 亿吨 较 2002 年增长约 60 全国城市生活垃圾的清运量一直呈持续上升趋 势 见图 1 1981 年城市生活垃圾清运量为 2606 万吨 2002 年全国 660 个建制市 生活垃圾清运总量为 1 365 亿吨 较 1981 年增加了 4 24 倍 年平均增长率为 8 2 高 于同期城市人口增长率 4 35 见表 1 1 1 2 我国城市生活垃圾组分分析 城市生活垃圾组分与经济发展水平及居民生活习惯密切相关 具体到各城市 甚至 同一城市的不同区域 生活垃圾的组分都有所不同 固体废弃物热化学处理课程作业 第 2 页 表表 1 全国城市人口和城市生活垃圾清运量增长情况全国城市人口和城市生活垃圾清运量增长情况 总体上看 我国城市生活垃圾组分有如下特点 垃圾水分较高 一般垃圾含水率随 地区 季节不同而不同 但是都达到 30 甚至 50 以上 有机物 菜叶 骨头等厨房废 物 包装物的比例较高 占垃圾干重的 50 以上 灰土的含量有所降低 但比例依然 较高 占垃圾干重的 10 20 由于中国居民有 修旧利废 的传统 大部分废纸 废金 属及饮料容器等基本是由居民直接卖给废品收购人员 因此 垃圾中可直接回收利用的 物质 其比例并无显著增长 图 2 反映了我国大中城市垃圾成份 干重 的构成 我国城市生活垃圾成分特征与发达国家相比有很大差异 主要表现在以下三方面 1 发达国家垃圾主要成分以纸类或纸制品为主 有机物含量高于无机物 而我国城市生 活垃圾中厨余占较大部分 纸类及纸制品较少 无机物含量高于有机物 2 发达国家垃圾可燃成分含量大 热值较高 我国城市生活垃圾以厨余为主 含水率达 50 以上 可燃成分含量小 热值较低 固体废弃物热化学处理课程作业 第 3 页 3 由统计数据看 发达国家垃圾中纸张 塑料 金属 玻璃等可回收利用的成分较多 而我国城市生活垃圾中这部分可回收利用成分较少 图图 2 我国大中城市垃圾成份 干重 构成我国大中城市垃圾成份 干重 构成 1 2 城市生活垃圾堆放的主要影响城市生活垃圾堆放的主要影响 1 2 1 对大气环境的影响 垃圾中的细微颗粒 粉尘等会随风飞扬 对大气环境造成污染 此外 堆放的垃圾 会释放出大量的氨 硫化物 甲烷等有害气体散发于大气中 这些气体中含有多种致癌 致畸形物 从而对大气环境造成进一步的污染 1 2 2 对水环境的影响 有些地方将垃圾直接倾入江湖之中 使水质直接受到污染 严重危害水生物的生存 环境 并影响水资源的充分利用 此外 任意堆放或简易填埋的垃圾 其中所含水量和 淋入垃圾堆中的雨水产生的渗滤液流入周围地表水体和渗入土壤 会造成地表水和地下 水的严重污染 致使水体环境污染事故时有发生 固体废弃物热化学处理课程作业 第 4 页 1 2 3 对土壤环境的影响 垃圾的任意露天堆放 不但占用一定土地 而且其累积的存放量越多 所需的面积 也越大 如此一来 势必使可耕地面积短缺的矛盾加剧 严重地破坏着人类赖以生存的 土地资源 垃圾及其渗滤液中所含有害物质会改变土壤的性质和土壤结构 并将对土壤 中微生物的活动产生影响 1 2 4 对人体健康的影响 首先 垃圾中有许多治病微生物 同时垃圾场往往是蚊 蝇 老鼠等的孳生地 它 们会将病菌带给人类 从而危害人们的身体健康 其次 垃圾中含有各种物质 当不相 容物相混时 可能发生不良反应 包括热反应 燃烧或爆炸 产生有毒气体 砷化氢 氰 化氢 氯气等 和产生可燃性气体 氢气 乙炔等 此外 随着现代城市生活垃圾中有机 质含量提高以及垃圾由分散堆存转为集中堆存 只采用简单的覆盖容易造成产生甲烷气 体的厌氧环境 使垃圾中的沼气含量增加 危害日益突出 垃圾爆炸事故频频发生 造 成了人员 财产的重大损失 1 3 城市生活垃圾处理技术城市生活垃圾处理技术 20 世纪 80 年代 我国城市生活垃圾焚烧处理技术的研究和应用刚刚起步 目前 国 内采用的垃圾处理技术主要有卫生填埋 焚烧 堆肥等 为达到最佳治理效果 不同地 区根据当地的条件合理选择其中一种方法或采用几种方法适当组合来进行垃圾处理 各 地遵守 无害化 减量化 资源化 简称三化 的基本原则 对垃圾进行处理 目前 城 市生活垃圾处理技术主要有以下几种 1 3 1 卫生填埋法 卫生填埋法是采用工程技术措施 防止产生污染及危害环境的垃圾处理方法 它是在 科学选址的基础上 采用必要的场地防护手段和合理的填埋场结构 以最大程度地减缓 和消除垃圾对环境 尤其是对地下水污染的技术 它的特点是适用范围广 无二次污染 技术比较成熟 操作管理简单 处理量大 投资和运行费用低 是当今世界各国主要的 垃圾处理方式 据统计英国垃圾填埋比例为 96 美国 67 德国 45 垃圾填埋处理由于具有操作设备简单 适应性和灵活性强的特点 成为我国城市垃圾 处理的一种主要方式 并且在今后相当长时间内将占垃圾处理的主导地位 但是填埋场 的技术规范与发达国家的技术规范要求还有差距 导致设计的填埋场先天不足 在场底 固体废弃物热化学处理课程作业 第 5 页 防渗以及填埋气体的回收利用方面存在问题 防渗处理是生活垃圾卫生填埋场防止渗滤 液污染地下水所采取的基本手段 也是选址和建设要考虑的重要因素之一 实现国产化 人工合成防渗衬底在城市生活垃圾填埋场应用是今后工作的重点 新建扩建的填埋场应 对填埋气体通过收集管网系统抽取收集后进行回收利用 避免填埋气体直接排人大气中 1 3 2 热化学处理技术 热化学处理技术是指将固体废物在高温下通过化学反应转化为气体 液体或固态产物 的过程 同时将废物中的能量转化或释放出来 其技术特点主要有 快速 高效 减量 显著 无害化程度高 资源化效果好 投资高 有二次污染等 包括焚烧 热解 气化 三种技术 1 焚烧 焚烧法是使垃圾中的可燃成分经过燃烧反应 最终成为无害稳定的灰渣 焚烧法是一 种高温热处理技术 即以一定的过剩空气量与被处理的物质在高温 800 1000 的焚烧沪 内进行氧化燃烧反应 废物中的有害有毒物质在高温下氧化 热解而被破坏的一种可同 时实现废物无害化 减量化 资源化的处理技术 垃圾燃烧产生的高温烟气可作为热能 回收利用 性质稳定的残渣可直接填埋或作建材用 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后可达标排放 由于焚烧处理具有占地少 减容减重比大 体积 重量分别可缩减到原来的 8 12 和 25 40 处理彻底迅速 不受天气影响 可回收利用热能等特点 近年来在国内外 得到普遍的应用 有些国家 焚烧已成为城市垃圾处理的主要方式 如日本 瑞士 丹 麦等 焚烧法在我国刚刚起步 技术不成熟 所需设备的运行成本庞大 甚至超过了焚 烧废弃物所回收热能而产生的效益 而且在燃烧过程中易产生粉尘 有毒有害气体 重 金属 二恶英类等污染物 而造成二次污染 垃圾直接焚烧最大的缺陷就是其焚烧产物中 SOx NOx HC1 粉尘和残渣中的重 金属 特别是氧化反应产生的剧毒有机物二恶英含量较大 如果对这些有毒害物质不能 进行严格的处理 达不到规定的排放标准 将对周围环境造成严重的二次污染 因此 各国一样 对垃圾直接焚烧处理后产生的有毒害废弃物越来越重视 规定了严格的排放 标准加以控制 籍以保护我们赖以生存和发展的环境 而且焚烧法对垃圾的热值要求较 高 只适合在经济较雄厚的大城市发展 2 热解 热解技术就是在无氧或缺氧条件下 利用热源切断大分子量的有机物 碳氢化合物 使之转变为含碳数更少的低分子量物质的过程 经冷凝形成各种新的气体 液体和固体 从资源化的角度看 热解比焚烧有利 由于热解温度相对较低 所以 NOx 生成量少 气 固体废弃物热化学处理课程作业 第 6 页 体生成量仅占焚烧法的几分之一 热解时的温度 反应时问 加热速度 反应气氛和原 料组成是影响气体 液体和碳的混合物产率的主要因素 与填埋 堆肥 焚烧等方法相 比 城市垃圾热解具有资源回收率高 二次污染小 占地面积少 综合经济效益好等优 点 尤其是投资费用较焚烧大幅度降低 约为焚烧的 1 3 热解产生的气体热值较高 可 作为工业和民用燃料 副产品焦油和其他有机油可作化工原料 我国垃圾中的纸张 木 质纤维 塑料等有机物日益增多 越来越适用于采用热解法 应该说 热解焚烧炉是一 种较适应我国中小城市垃圾处理的焚烧技术 3 气化 城市生活垃圾的气化技术则是由垃圾的焚烧技术衍生出来的新型技术 垃圾气化是指 垃圾在绝氧或缺氧的条件下 高温发生热化学反应 制取可燃气体的过程 垃圾气化熔 融焚烧发电技术及气化熔融制气技术的研究开发已成为当今的世界热点 被认为是 21 世 纪的二恶英类零排放垃圾处理综合利用技术 该技术实际上包含垃圾在 500 600 温度 下的热解气化和含碳灰渣在温度为 1500 以上的熔融燃烧两个过程 并将这两个过程有 机地结合起来形成一个整体 按垃圾的气化和灰渣熔融两个过程是否分设于两个相对独 立的设备中进行 可分为气化 熔融的两步法垃圾气化熔融制气技术和垃圾直接气化熔融 制气技术闭 两步法生活垃圾气化熔融制气技术包括外热回转窑垃圾气化熔融制气技术 热选式垃圾气化熔融制气技术 Westinghouse Retech 和 Mason Hanger 还研究了高温等离子熔融技术 等离子是 物质高温状态的一种形式 电子 正负离子 游离的中性原子 分子是其基本成分 等 离子体接近中性 正负带电粒子数量几乎相同 这项技术无害化处理彻底 目前仅在 医疗垃圾处理及具有辐射性垃圾处理方面进行研究 由于该技术能耗很高 用于城市垃 圾处理还有难度 1 3 3 生物处理技术 生物处理是借助微生物的生物能 对固体废物进行处理 其中堆肥技术是最常用的生 物处理技术 堆肥处理是指在有控制的条件下 利用微生物对垃圾中的有机物进行分解 转化的生物化学反应 最后形成类似腐殖质土壤的物质 可作肥料或土壤改良剂 堆肥 包括好氧发酵和厌氧发酵两种方式 一般常用的是好氧发酵工艺 周期短 无害化效果 好 厌氧发酵工艺相对周期较长 占地面积大 工厂化生产困难 堆肥法是一种比较古 老的垃圾处置措施 这种方法是把垃圾先行破碎 分选 选出不能生成堆肥的成分 如 塑料 金属 玻璃等 然后调节水分和 pH 值 有时还添加一定的含氮物质以利于发酵 现代化的堆肥厂在塔式设备或转鼓中堆积 25 50 h 即可制得堆肥 堆肥法是集城市生活垃 圾处理和资源循环再生利用于一体的生物方法 其终极产品为有机肥料 可应用于农业 林果业 花卉业 草业生产 发展潜力巨大 堆肥处理比较适宜于我国国情 目前我国 固体废弃物热化学处理课程作业 第 7 页 已建立起了许多试验性堆肥厂 例如在北京建立的南宫堆肥厂日处理能力达 400 吨 年 处理量在 12 4 万吨左右 为北京市垃圾处理减量化 无害化 资源化做出了积极贡献 城市固体废弃物中的有机物经过生物化学的降解作用 可成为腐殖质 用作土壤改良 剂或肥料 近十多年来 堆肥在一些发展中国家比较受欢迎 如印度 泰国 埃及 也 门 摩洛哥和印尼等国家 这些国家城市废物中可利用的物质如纸 金属 塑料等大都 被捡走 剩余的废物中有机成分较高 同时政府大力支持 堆肥有销售市场 总体来看 由于堆肥处理所需周期长 处理能力小 产品销路困难等发展比较缓慢 1 3 4 将垃圾制成 RDF 垃圾衍生燃料 简称 RDF 就是对垃圾分选 分类后 将其中的可燃组分进行干燥破 碎 添加助剂 挤压成型等处理过程 制成固体形态 方形或圆柱条状 燃料 具有尺寸均 匀 热值高 燃烧稳定 易于运输储存 一次污染低和二恶英类物质排放量低等特点 是良好的化石替代燃料 广泛应用于干燥工程 水泥制造 供热工程和发电工程等领域 成型工艺可使垃圾热值提高 4 倍左右 我国对垃圾焚烧技术的研究起步较晚 有关 RDF 的研究刚刚开始 但在我国一些经济发达的城市 如广州 深圳等地 垃圾排放量 大 比较集中 热值高 已具备发展 RDF 技术的条件 只要结合国情 加大研究力度 抓住 RDF 垃圾能源领域的新生长点 必将促进我国垃圾能源的有效利用 另外 蚯蚓分解城市生活垃圾也是目前研究的重点 蚯蚓分解是利用蛆蜕体内的酶分 解废弃物的垃圾处理方法 用蚯蚓处理城市垃圾是各国都较为感兴趣的新课题 蚯蚓处 理城市垃圾的优点是投资少 见效快 无污染 蚯蚓的消化能力强 它的消化道分泌的 酶几乎能处理所有的有机垃圾 1 4 我国城市生活垃圾处理效果分析我国城市生活垃圾处理效果分析 1980 年以前 全国几乎没有城市对生活垃圾采取必要的工程措施进行环境无害化处 置和管理 1980 年以后 个别城市开始建立比较规范的垃圾处理设施 到 1990 年 全 国城市生活垃圾的处理率不足 2 1990 年以后 城市生活垃圾处理量不断增长 到 2002 年底 全国 660 个建制市共有城市生活垃圾处理厂 651 座 处理能力达到 7866 万 吨 年 图 3 显示出了历年垃圾处理量及变化趋势 2002 年 全国 660 个建制市城市生活垃圾实际处理量为 404 4 万吨 占总清运量的 4 2 其余则以分散形式或向指定地点集中形式向环境倾倒 处理的 7404 4 万吨生活垃 圾中 填埋占 89 30 焚烧占 3 72 堆肥占 6 98 固体废弃物热化学处理课程作业 第 8 页 1 4 1 填埋场 经调查 298 个垃圾填埋场中 195 个填埋场的渗滤液直接外排 无任何处理或防 护措施 占 65 14 93 个填埋场有渗滤液处理设施 占 31 12 另有 10 个填埋场 将渗滤液送往当地污水处理厂进行处理 占 3 14 经对 107 个垃圾填埋场的渗滤液进 行监测 结果表明 86 个填埋场的渗滤液超标 占 81 14 主要超标项目为化学需氧量 COD 氨氮 大肠菌值 对 74 个垃圾填埋场的地下水进行监测 结果表明 31 个填 埋场的地下水超标 占 40 19 主要超标项目为氨氮 经调查 298 个垃圾填埋场中 240 个填埋场对产生的沼气无任何收集或处理设施 直接外排 占 80 15 有 38 个填 埋场设置了横竖相通的排气管 引导沼气自然排放 占 12 18 有 12 个填埋场安装了 燃烧器或与民用燃气掺混 如安徽向山垃圾处理厂 占 4 10 另有 8 个填埋场利用 沼气发电 占 2 17 如辽宁鞍山羊耳峪填埋场 江苏南京市水阁有机废弃物处理厂 浙江天子岭垃圾填埋场等 对 91 个垃圾填埋场无组织排放的废气进行监测 结果表明 18 个填埋场无组织排放的废气超标 占 19 18 主要超标项目为氨和臭气浓度 固体废弃物热化学处理课程作业 第 9 页 1 4 2 焚烧厂 对 16 个垃圾焚烧厂的烟气排放口进行监测 结果表明 11 个焚烧厂超标 占 68 18 主要超标项目为烟尘 一氧化碳 和二恶英类 抽测的 9 个焚烧厂中 有 6 个焚烧厂 的烟气二恶英类超标 占 66 17 二恶英类超标的主要原因有 一是我国生活垃圾水分 及可燃分变化较大 不利于焚烧工况的稳定控制 二是尾气处理系统本身不完善 三是 管理和认识上的误区 认为只要保证燃烧温度和烟气停留时间达到完全燃烧 就可以破 坏包括二 在内的所有有机物 忽略了烟气降温过程中二恶英的重新合成 1 4 3 堆肥厂 对 11 个垃圾堆肥厂二次发酵的垃圾进行监测 结果表明 有 1 个堆肥厂的总铅超标 其余均不超标 1 5 我国城市生活垃圾处理存在的问题我国城市生活垃圾处理存在的问题 近十年来 特别是 1998 年以来 我国城市生活垃圾处理设施发展较快 处理技术和 能力明显提高 管理水平也有所上升 近几年建设的填埋场中 相当一部分铺设了高密 度聚乙烯防渗膜 对渗滤液采取了处理措施 部分填埋场 如杭州 广州 深圳 南京 还对沼气进行回收利用 垃圾焚烧设施从无到有 一些沿海城市 如深圳 上海 宁波 温州 广州 建成了比较先进的焚烧厂 全国 50 左右的城市生活垃圾得到了不同程度 的处理 但总体而言 我国城市生活垃圾处理能力依然偏小 技术水平依然较低 垃圾处理设 施的隐患较大 城市生活垃圾污染依然较严重 而且垃圾堆置侵占土地 严重影响了城 市发展 我国垃圾处理存在的主要问题是处理能力小 50 的城市生活垃圾直接向环境排放 2002 年 全国 660 个建制市的生活垃圾清运总量为 1 365 亿吨 进入城市生活垃圾处理 厂进行处理的只有 7404 4 万吨 占总清运量的 54 2 其余近 6200 万吨生活垃圾 3850 万吨被集中堆置在郊区空地 坑塘或其它场所 即所谓 简易处理 另外 2350 万吨 被分散堆置在江河湖岸 沟渠等地 即所谓 分散倾倒 也就是说 全国 660 个建制市 的生活垃圾 有近 50 基本是向环境直接排放 处理设施技术水平低 存在污染隐患现 有垃圾处理设施的总体技术水平较低 污染隐患较大 2001 至 2002 年上半年 国家环保 总局组织环境监测站抽查了 288 个相对规范的垃圾处理厂 监测表明 相当一部分处理 设施 约占处理总能力的 54 达不到环境保护标准 根据监测结果推算 截止到 2004 年 4 月 全国城市生活垃圾的无害化及基本无害化处理率约为 20 也就是说 在已处 固体废弃物热化学处理课程作业 第 10 页 理的生活垃圾中 有 80 未完全达到无害化处理的要求 我国城市生活垃圾填埋场 有 27 未采取任何防渗措施 39 没有渗滤液处理设施 而有渗滤液处理设施的 也多数不能实现达标排放 很多填埋场没有填埋气体导排和处 理装置 城市生活垃圾焚烧厂普遍存在烟气不达标 飞灰未进行安全填埋等问题 农村集镇生活垃圾的管理未提上议程随着农村城镇化步伐加快 群众生活水平提高 这些地区的人均生活垃圾产生量及垃圾组分也逐渐与城市的情况相近 由于农村没有生 活垃圾管理机构 政府的组织管理出现真空 生活垃圾由各家分散倾倒在房前屋后 或 集中堆放在河边 目前 除东部发达地区少数乡镇政府所在地有保洁队伍外 绝大多数 乡镇政府未将生活垃圾管理工作提上议程 垃圾处理设施的建设市场不规范一些企业采 取不恰当的竞争方式 推销其不成熟 不适用的技术或设备 一些企业为了抢占市场 竞相压价 在设计 施工环节偷工减料 一些城市政府在决策前未经科学论证 盲目上 马 从而造成一些垃圾处理设施建成后达不到预期处理效果 甚至不能正常运转 垃圾 处理设施重主体设施建设轻污染控制设施建设 重建设轻管理城市生活垃圾处理包括垃 圾消纳和污染控制两个目的 一般城市政府倾向于重视垃圾消纳 在建设时往往强调垃 圾处理设施本体的建设而不重视污染控制设施的建设 固体废弃物热化学处理课程作业 第 11 页 第二章第二章 垃圾气化处理技术垃圾气化处理技术 城市生活垃圾的气化技术就是一种类似于已使用多年的煤炭 生物质转化的固体燃料 气化方法 也是是由垃圾的焚烧技术衍生出来的新型技术 垃圾气化是指垃圾在绝氧或 缺氧的条件下 高温发生热化学反应 制取可燃气体的过程 它所需的空气量小于燃烧 所需的量 因此产生的烟气浓度低于焚烧过程 更利于环保 且气化过程生成的燃气还 可以用于发电 采暖 供居民生活燃气等 这又为城市生活垃圾热能的综合利用提供了 新的方式 城市垃圾气化处理技术垃圾气化是将垃圾中有机成分 主要是碳 在还原气氛下与气 化剂反应生成燃气 CO CH4 H2 等 的过程 一般是通过部分燃烧反应放热提供其它 制气反应的吸热 气化反应的产物为燃气和灰分 其目标产物为单一的气态燃气 理想情况下 燃气中包含了气化原料中的所有能量 而实际的能量转化率为 60 90 气化处理方法的特点在于可以迅速 大量的处理城市生活垃圾 在达到无害化 减 量化的同时 还可生产低热值燃气 从而弥补我国能源的短缺 具有广泛的社会效益 环境效益和经济效益 图 4 位典型垃圾气化流程 图图 4 典型生活垃圾气化处理流程典型生活垃圾气化处理流程 固体废弃物热化学处理课程作业 第 12 页 2 1 垃圾气化处理技术基本原理垃圾气化处理技术基本原理 2 1 1 固体燃料气化的概念 固体燃料的气化 就是在 O2不足的情况下 进行不完全氧化的过程 即以符合要求 的固体燃料为原料 在一定温度 常压或加压条件下 采用气化剂 如空气 O2 水蒸 气 H2等 和固体燃料不断接触 进行热化学反应 使固体燃料中有机质转化为含有 CO H2 CH4等成分的可燃气体 煤气 固体燃料气化的三个基本条件是 要有足够数 量的气化剂 有足够的热量 有气化设备 及时引出生成的煤气和排出灰渣 与直接焚烧法相比 气化工艺具有以下两个优点 在气化过程中 废弃物的有机成分 能转化成可利用的能量形式 其经济性更好 气产生的燃气视其热值的高低可直接燃烧 或和其他燃料混合燃烧 反应过程产生的焦油视其性质可制成燃料或提取化工原料 2 1 2 气化原理 城市生活垃圾属于固体燃料 其元素组成主要是 C H 和 O 此外 还包含 N S 和 其它一些微量元素 对于气化反应而言 由于 N S 等元素含量很少 从而可以忽略不 计 与煤相比 城市生活垃圾的含碳量较低 而 H C 和 O C 比相当高 从而使其具有较 高的挥发份含量 但热值比一般煤炭低 此外 由于城市生活垃圾中 N S 等元素含量 较少 这样在热转化过程中由 N 和 S 成份所形成的污染排放量相对较低 同时其固定 碳的活性比煤高得多 这些特点决定了城市生活垃圾更适宜于气化 在气化过程中 主 要发生以下反应 C O2 CO2 393 8 MJ kmol 2C O2 2CO 231 4 MJ kmol C H2O CO H2 131 5 MJ kmol C 2H2O CO2 2H2 90 0 MJ kmol C CO2 2CO 162 4 MJ kmol C 2H2 CH4 74 9 MJ kmol CO H2O CO2 H2 410 MJ kmol 可燃气体主要由吸热反应产生 而维持吸热反应进行的热量由放热反应提供 当气化 炉在常压下以空气为气化介质 通常只能得到低热值燃气 4 2 5 04 MJ m3 典型组分 为 10 CO2 20 CO 15 H2 以及 2 CH4 其余为 N2 固体废弃物热化学处理课程作业 第 13 页 2 2 气化基本方法的分类气化基本方法的分类 垃圾气化的方法很多 可根据其特点进行分类 如表 2 所示 分类依据气化方法 热源外热式 内热式和热截体气化法 气化剂空气煤气 混合煤气 半水煤气和水煤气等 垃圾在气化剂中的运动状态移动式 流化床 熔融床 气流床等 排渣方式固态排渣 液态排渣 气化压力常压气化 加压气化 垃圾和气化介质的相对运动方向并流化式 逆流化式 操作方式连续式 间歇式和循环式气化 表表 2 固体燃料气化方法分类固体燃料气化方法分类 2 3 气化方式 主要工艺 气化方式 主要工艺 固体燃料的气化过程通常发生于固定式燃料床 流化床或悬浮床等系统中 而且也同 垃圾与气体在初级反应器中的接触方式有关 在固定式流化床装置中 燃料缓缓向下移 动穿过反应器 同时与外溢的气体相接触 在流化床中 气体介质促使燃料流态化 而 在悬浮床中 实际是气化介质携带着燃料一起前进 2 3 1 固定床气化法 固定床 移动床 气化技术较为成熟 已由常压发展到加压 由固态排渣发展到液态 排渣 其气化炉种类很多 以发生炉煤气的生产为例进行说明 这种炉型及其变种是目 前国内城市生活垃圾气化过程最常采用的型式 发生炉煤气是指空气煤气和混合发生炉煤气 空气煤气使用最早 由于煤气热值低 逐渐被淘汰 现在广泛使用的是混合炉煤气 通常发生炉煤气 由于熔炉 加压炉 电 站等 气化原料 煤 焦炭 RDF 从炉顶上部转入 原料层及炉渣层由下部炉栅支撑 空 气和水蒸气混合物作气化剂 由炉底给入 经炉栅均匀分配 与料层移动方向相反 二 者不断接触发生热化学反应 反应生成的煤气从上部出口导出 气化反应后残存的炉渣 由下部炉栅灰盆排出 正常气化过程中 由下至上床层可分为五部分 灰渣层 氧化层 还原层 干馏层和干燥层 最终制得含有 CO N2及少量 CO2 CH4 O2及炭氢化合物的 固体废弃物热化学处理课程作业 第 14 页 发生炉煤气 出口热煤气温度达 400 600 冷却后供使用 2 3 2 流化床气化炉 具有一定粒度的固体燃料 当通过燃料颗粒之间的气体流速相当低时 然料层保持静 止状态 此时进行的气化为固定床气化 当气流速度继续增加至某一值时 微细颗粒之 间会产生分离现象 少量颗粒在很小的范围内振动或游动 燃料层由静止向流化转化 气体流速进一步提高 全部微细颗粒被风吹起 但悬浮于气流之中而被吹出 此时即为 流化状态 这时的气体流速成为临界流化速度 自从固体流态化技术发展以后 液态化气化方法就开始使用 这是小颗粒及粉状燃料 气化的有效方法 由于气化原料表面及很大 气固俩相接触很好 炉温又均匀 从而可 以大大提高气化强度 根据需要选择不同的炉型 制取合成原料气或低 中 高热值燃 料气 流化床炉又分为鼓泡床气化炉 循环流化床气化炉 双流化床气化炉和携带床气化炉 常用的主要是前俩种 1 鼓泡床气化炉 这是最基本的也是最简单的流化床气化炉 鼓泡床气化炉只有一个流化床反应器 气 化剂从底部气体分布板吹入 在流化床上同生物质原料进入气化反应 生成的气体直接 由气化炉出口送入进化系统中 反应温度一般控制在 800 左右 鼓泡床流化速度较慢 比较适合于颗粒较大的生物质原料 而且一般必须增加热载体 2 循环流化床气化炉 它与鼓泡式流化床的主要区别是在气化气出口处设有旋风分离器或布袋式分离器 循 环流化床流化速度较高 使产出中含有大量固体颗粒 在经过旋风分离器或布袋式分离 器时 通过料脚 使这些固体颗粒返回流化床 继续进行气化反应 这样提高了碳的转 化率 循环流化床气化炉的反应温度一般控制在 700 900 它适用于较小的生物质颗粒 在大部分情况下可以不必加流化床热载体 所以运行简单 但它的炭离回流难以控制 在炭粒回流较少的情况下容易变成低流速的携带床 固体废弃物热化学处理课程作业 第 15 页 图图 5 流化床气化系统流化床气化系统 2 3 3 悬浮式气化炉 最近发展起来的处理城市生活垃圾的很有潜力的气化方法之一 是应用悬浮反应器 在反应器中 燃料悬浮于气化介质之中 而且气化反应主要取决于介质的特性 挥发物 质迅速氧化 因此气体产物中通常不含焦油或其他燃料 CH4也很少 悬浮式气化炉的最重要的特性是它实际能燃烧任何类型的燃料 因燃料颗粒在气体介 质中不是连续的 因此不存在燃料的特殊处理问题 悬浮式气化炉的主要缺点是每次仅 能处理少量燃料 并且颗粒必须是很细的 2 4 影响垃圾气化的重要因素影响垃圾气化的重要因素 为了保证垃圾气化处理过程能够正常进行 一些影响气化反应和气化系统的重要因素 应当予以注意 固体废弃物热化学处理课程作业 第 16 页 2 4 1 垃圾原料的粒径分布 垃圾原料的粒径大小对于确保其在气化炉内均匀流动 不发生阻塞十分重要 此外 垃圾原料的粒径大小也应保证固体颗粒间的热量传递能够充分进行 理想情况是固体颗 粒具有较大的表面积和较轻的质量 但是 颗粒越小就越容易产生粉尘 从而使产生的 燃气中粉尘携带量增加 对气体净化造成负担 2 4 2 垃圾原料的含水量 随着垃圾中水分含量的增加 干燥所需的热量也不断增加 从而使气化的热效率降低 在实际应用中 水分含量应控制在 10 20 在气化反应中水分为氢气的产生提供氢原 子 对于含水量通常在 50 左右的城市生活垃圾应进行一定的干燥 对过于干燥的气化 原料应喷射蒸汽使其湿润 2 4 3 垃圾原料中的灰分垃圾原料中的灰分 垃圾中灰分的含量以及灰分的化学组成对于气化过程都非常重要 灰分的化学组成直 接影响其在高温环境下的表现 比如熔化的灰渣会在气化炉内造成积灰和结渣 从而会 阻塞排渣 也可能造成严重的系统故障 2 4 4 垃圾原料中的挥发分 在受热过程中 垃圾原料分解为挥发性气体和焦炭 与煤相比 垃圾的挥发分含量较 高 将近 80 2 4 5 垃圾原料的热值 垃圾的热值随时间和地点的不同有比较大的差别 垃圾热值的高低是衡量垃圾中有机 可燃物含量的一个重要标志 它不仅是决定垃圾是否以可用热处理方法进行处置的前提 也是垃圾处理装置设计及运行的依据 2 4 6 垃圾的组分 对于城市生活垃圾的气化而言 气化原料的组分是一个十分关键的因素 它直接影响 所生产的燃气的成分以及气化过程中产生的灰渣的数量和类型 组分均一的气化原料可 固体废弃物热化学处理课程作业 第 17 页 以使产生的可燃气体的成分保持稳定 从而有利于燃气的使用 垃圾的组分往往波动较 大 因此应采取适当的措施保证气化系统运行的稳定和可靠 2 5 国内外气化处理技术现状国内外气化处理技术现状 垃圾气化技术的研究开始于 20 世纪 70 年代 当时的目的是为了解决世界性石油危机 想找到新的能替代石油的能源 但由于制气成本高昂 故停滞了研究 随着当前化石能 源逐渐的枯竭 寻找新的能源途径再次被提上了日程 在欧美发达国家 陆续出台了一 系列的城市垃圾管理条例 垃圾的 减量化 无害化 资源化 要求促使垃圾的气化技术重 新得到重视 成为继垃圾焚烧技术后一个新的研究热点 2 5 1 国外垃圾气化处理技术 在过去的 20 年间 世界范围内一些垃圾气化处理项目已经经过测试 投入了实际运 行 以下介绍 3 种在欧美发达国家已经投入商业应用的垃圾气化实用技术 瑞士 SA 公司研制出了热选式 Thermoselect 气化炉 其原理是先将垃圾在机械压力 下压缩 然后使其 600 停留 2 小时 再将热解气和灰渣一并导入温度为 2000 的二级 熔融炉中 进行通氧气的气化以及灰渣的熔融 利用此项技术的生活垃圾处理项目已在 意大利投入使用 美国 MTCL 公司已研制成功多个型号的沸腾床垃圾气化炉 该气化炉采用间接加热 的方式 垃圾的气化温度较低 一般为 700 此项技术已在印度和加拿大投入应用 另一种是由贝特勒 哥伦布实验室 BCL 研制成功的外供热式的气化炉 SilvaGasTM 这种气化炉比较适用于木质成分占较大比重的垃圾气化 它由两个流化 床炉体构成 物料首先进入第一个炉膛 在 800 900 温度下热解成可燃气体 该气体被 引进入第二个炉膛进行燃烧 加热炉内的沙子 热沙再用于提供第一部分热解的热量 运用该技术的木材气化项目已在美国投入使用 此外 美国 EPA 开发了 Torrsax 流程 美国 UUC 公司开发了 Purox 流程 德国开发 了 FLK 流程等直接气化熔融技术 日本也进行了大量的研究 并在商业化上有着显著的 优势 荏原公司开发了流化床热解气化焚烧炉 并于 1984 年 3 月建成了 3 130 吨 天的城 市垃圾发电厂 久保田公司利用炉排炉也实现了热解气化焚烧 1997 年建成界市垃圾焚 烧发电新厂 单台炉处理能力达到 230 吨 天 东京墨田垃圾发电厂采用炉排炉热解气化 焚烧 单台炉处理能力达 600 吨 天 固体废弃物热化学处理课程作业 第 18 页 2 5 2 国内垃圾气化处理 我国的气化技术研究也日趋得到重视 经过多年的实验研究 已经成功研制出了几种 适合我国实际情况的垃圾气化处理技术 部分技术已投入了商业运行 中国科学院广州 能源所进行了通空气作为气化剂的下吸式气化炉处理城市生活垃圾的研究 实验结果显 示 在 750 900 温度下进行气化 效果最佳 所得的可燃气体热值为 4600KJ m3 中国林业科学研究院林产化学工业研究所利用流态化气化炉处理城市生活垃圾 反应 温度为 600 750 所得的煤气热值为 6500 7500KJ m3 昆明理工大学环境调和型能源新 技术研究所 在借鉴日本新日本制铁公司的高炉型生活垃圾直接气化熔融技术工艺流程 的基础上 改用喷煤粉的方式替代焦炭进行加热 进一步降低运行成本 研制成功了 昆 工式城市生活垃圾直接气化熔融焚烧系统 处理能力为 2 130kg d 在该系统中 生活垃 圾首先于 1300 1500 温度下的还原性气氛中气化 生成的可燃气体再送至余热锅炉中发 电 固体废弃物热化学处理课程作业 第 19 页 图图 4 城市生活垃圾气化发电厂的流程城市生活垃圾气化发电厂的流程 图 4 所示为城市生活垃圾气化发电实例 城市生活垃圾 MSW 经过机械分选除去不 可燃物质并被破碎一定粒径大小的颗粒 其水分含量不超过 20 经过处理后的 MSW 被称为废物衍生燃料 RDF RDF 由给料装置送入气化反应器 在高温下 900 1200 RDF 经气化反应转化为气体 气化过程产生的灰渣在反应器底部被收集进一个封闭的系 统内 排渣系统不会产生挥发性的空气污染物 产生的气体经由反应器顶部进入气体净 化装置 然后经过一系列机械清洗装置以脱除气体中携带的焦炭 微粒 和未反应完的 固体颗粒 随后气体由换热器冷却至燃气轮机或燃气锅炉所要求的温度 气体中的油和 焦油通过一个静电除尘器脱除并由一个自备的油 焦油 水分离系统收集 脱除的油和焦 油被重新送回反应器内分解 燃气最终进入燃气轮机 燃烧产生动力 带动发电机发电 另一种方案是将燃气送入燃气锅炉 燃烧产生蒸汽 通过蒸汽机带动发电机发电 燃气 燃烧后产生的废气含二氧化硫 一氧化碳 碳氢化合物等 通过烟气净化装置使这些物 质的浓度降到允许的水平 固体废弃物热化学处理课程作业 第 20 页 第三章第三章 垃圾气化新工艺及其实例垃圾气化新工艺及其实例 生活垃圾气化熔融技术是近几年来美国 德国 日本等发达国家为了解决城市生活垃 圾焚烧处理过程中产生二恶英类毒性物质提出的一种新型技术 这个技术包含有垃圾在 450 600 温度下的气化和含碳灰渣在 1300 以上的熔融俩个过程 并将这俩个过程有机 的结合在一起形成一个整体 气化熔融技术以其优异的环保性能 二恶因排放毒性当量 0 01 ng m3 我国标准为二恶英毒性当量 1 0 ng m3 重金属绝大部分都固化在熔渣中 较高的能源转化率 发电效率可达 30 40 以及最大的减量化效果 减量可达 90 以上 而成为各国竞相开发的前沿技术 目前主要的气化熔融技术如 Thermoselect 技术 Siemens 技术 Ebara 技术等 虽然流 程布置各异 但其主要的设计原则及污染物控制机理却大致相同 首先 城市生活垃圾被 送人气化炉或热解炉 垃圾中的有机物迅速气化 生成的气化合成气 含飞灰 进人燃烧熔 融炉 气化炉中的大部分金属 如 Fe A1 Cu 等 不会被氧化 并随底渣排出 分选后的 底渣中含二恶英 重金属很少 可以回收利用 燃烧熔融炉中合成气高温燃烧 飞灰熔 融为玻璃态物质 二恶英完全分解 重金属被固化 生活垃圾气化熔融焚烧技术一般以气化过程的名称命名 目前 比较成熟的垃圾气化 熔融焚烧技术有外热回转窑式和流化床式 3 1 外热回转窑式生活垃圾气化熔融焚烧技术外热回转窑式生活垃圾气化熔融焚烧技术 外热回转窑式生活垃圾气化熔融焚烧技术尽管垃圾气化过程的设备主要是外热式回转 窑 但由于后续熔融焚烧设备不同 故整体工艺及设备流程不尽相同 生活垃圾气化过 程在外热回转窑中进行的最大优点是处理垃圾的范围较广 而且垃圾在回转窑内翻滚 移动 改善了炉内的传热传质 提高了垃圾的气化率 该技术首先是德国西门子公司开 发的 后来日本三井造船公司 田熊公司等多家公司从德国引进消化后又作了改进 在 日本得到了发展 出现了不同形式 3 1 1 日本 IHI 公司开发的外热回转炉式垃圾气化熔融焚烧工艺 生活垃圾首先经粉碎机粉碎 然后在干燥炉中干燥 干燥炉的热源则是回转式气化炉 的中低温热气体 干燥炉的排气分别供给熔融炉的二次燃烧室和热风炉 垃圾经干燥后 在外热式回转气化炉中热解气化 气化炉产生的热解可燃气体分别供给熔融炉的二次燃 烧室和气化炉本身 气化炉用的可燃气体在热风炉中燃烧加热 作为气化炉外供热源 气化残渣经分选机选出有价金属后 其余送回转式熔融焚烧炉 熔融炉的熔融渣经水淬 固体废弃物热化学处理课程作业 第 21 页 后可再生利用 经二次燃烧室完全燃烧后的高温烟气经余热锅炉回收余热 如发电或供 热 为防止二恶英类毒性物在 400 500 的烟温下重新合成 从余热锅炉排出的烟气经 急冷塔将烟温急速冷至 200 以下 经收尘器净化处理后排放 该技术目前最大应用规模 为 200t d 经日本几家垃圾处理厂实际检测 二恶英类排量放在 0 01ng m3以下 3 1 2 德国西门子公司开发的外热回转炉式垃圾气化熔融焚烧技术 生活垃圾在炉温 500 左右的外热回转窑中热分解气化 可燃气体供给熔融焚烧炉 气化过程的残留物从回转窑中排出后经分选机选出有价金属 其余残留物进熔融炉与可 燃气体一起在助燃空气的作用下熔融燃烧 熔融燃烧室的温度为 1300 左右 熔融渣经 水淬后可作为建筑材料 作为气化炉外热源的热空气经熔融炉的空气预热器加热循环利 用 二次燃烧室完全燃烧后的高温烟气经余热锅炉回收余热 如发电或供热 为防止二 恶英类毒性物的重新合成 从余热锅炉中排出的烟气经急冷塔急速冷至 200 以下 再经 收尘器净化处理后排放 该技术目前最大的应用规模为 250t d 日本几家垃圾处理厂实际 检测证明 二恶英类的排放量可控制在 0 01ng m3 以下 3 2 流化床式生活垃圾气化熔融焚烧技术流化床式生活垃圾气化熔融焚烧技术 流化床式垃圾气化熔融技术有多种形式 由于流化床垃圾焚烧炉技术较成熟 因而采 用不同的流化床气化炉与不同的熔融炉衔接 形成多种形式的流化床式垃圾气化熔融焚 烧技术 目前在日本具有代表性的有荏原制作所开发的荏原式 三机工业公司开发的三 机式 神户制钢公司开发的神户制钢式 三菱重工公司开发的三菱重工式和川崎重工公 司开发的川崎重工式等 3 2 1 荏原式流化床垃圾气化熔融焚烧技术 生活垃圾于温度为 500 600 的流化床内气化 流化床的空气过剩系数保持在 0 1 0 3 流化床气体产物包括其中的未燃物 飞灰一起供立式 竖式 旋涡熔融炉 在约 1350 的温度下进行熔融燃烧 熔融燃烧室中的空气过剩系数为 1 3 生活垃圾的热值要 求 6000KJ kg 以上 为了使该工艺的余热发电效率达到 30 以上 特在熔融炉二次燃烧室 中安装高效陶瓷换热器将空气预热到 700 以上 将过热器中的过热蒸汽加热 压力达 10MPa 温度为 500 由于空气中不含 HCl 等腐蚀物质 因而无须担心高温腐蚀 固体废弃物热化学处理课程作业 第 22 页 3 2 2 三机式流化床垃圾气化熔融焚烧技术 三机式流化床垃圾气化熔融焚烧技术工艺特