□ 李 凱 □ 陳銀清 □ 黎 明 □ 葉 寧

1.廣東石油化工學院機電工程學院 廣東茂名 525000

2.高州市中亮機械制造有限公司 廣東茂名 525200

1 設計背景

隨著社會經濟的快速發(fā)展及城市化進程的加快，居民生活中產生的垃圾逐年增加。據(jù)中投顧問發(fā)布的《2018—2022年中國生活垃圾處理行業(yè)深度調研及投資前景預測報告》數(shù)據(jù)顯示，2016年全國生活垃圾清運量約為21 500.5萬t，比上年增長12.3%。盡管近年來國家高度重視環(huán)境保護問題，生活垃圾處理和污水防治工作已取得長足發(fā)展，但是，在我國城市垃圾產量不斷增加的同時，生活垃圾的分類、回收和處理能力與發(fā)展水平仍相對滯后，生活垃圾的處理技術非常薄弱。目前，生活垃圾常規(guī)的處理方法主要包括衛(wèi)生填埋法、堆肥法、焚燒法及熱裂解等。這些方法分別存在不同的缺點：填埋處理法占用土地面積大，對環(huán)境污染大，易造成土壤板結和地下水水質變壞，并且垃圾處置周期長；焚燒處理法產生的二 英對空氣污染嚴重，是導致群體事件的罪魁禍首，且浪費大量可回收利用的資源。此外，這些方法普遍存在處理成本高、勞動強度大、效率低、可資源化空間小、對環(huán)境都有不同程度污染等問題［1-6］。

熱裂解指在無氧或低氧環(huán)境下，物質被加熱升溫引起分子分解，產生焦炭、燃油和可燃氣體產物的過程。熱裂解技術是當前垃圾處理研究的前沿技術，也是行業(yè)研究的重點。

目前垃圾熱裂解多采用在特定的裂解爐中使用催化劑進行低溫下催化裂解，垃圾量越大，需要的催化劑越多，而現(xiàn)有的催化劑一般都較為昂貴，由此使得垃圾處理成本高，不適于大規(guī)模應用。同時，熱裂解設備存在進料慢、投資大、密封性差、傳熱效率低等問題。針對現(xiàn)有技術存在的問題，為確保生活垃圾得到及時、高效、無害化處置，亟需一種處理成本較低、結構簡單、可大規(guī)模應用的垃圾處理裝置［7-12］。

2 設計要求

為滿足垃圾處理的減量化、無害化及資源化，設計出密封性高、物料受熱效果好、能連續(xù)作業(yè)且裂解產品能回收再利用的垃圾熱裂解高效轉化裝置，設計方案需滿足以下要求。

（1）熱裂解控制工藝創(chuàng)新設計。需保證垃圾在裂解過程中達到充分的分解，解決現(xiàn)工藝存在的進料慢、密封性差、傳熱效率低、資源再利用率低、成本高等問題。

（2）資源回收利用系統(tǒng)設計。設計供熱系統(tǒng)、氣液分離回收系統(tǒng)、油水分離回收系統(tǒng)、炭渣系統(tǒng)。生產過程中實現(xiàn)氣體回收供熱，實現(xiàn)動力能源自給自足，不產生新生有害物，無廢氣、廢液、廢物等排放污染物。

（3）密封設計。確保在高溫狀態(tài)下不會發(fā)生自燃。整體生產過程必須保證垃圾在高溫裂解中不會與空氣接觸，進而避免發(fā)生燃燒。

（4）智能控制設計。設計安裝垃圾熱裂解高效轉化裝置自動化操作系統(tǒng)及監(jiān)控設備，對設備的原料流量、主機速度、物料溫度、氣體流量、混合油流速及所需溫度進行控制，對整機溫度、氣體濃度、混合油溫度等設置安全報警，達到全面的智能自動管理。

3 工藝原理

傳統(tǒng)垃圾熱裂解處理工藝流程為：原料干燥→粉碎→快速熱裂解反應→分離炭和灰→液體收集。這一工藝存在進料慢、密封性差、傳熱效率低、資源再利用率低、成本高等問題。

為了更好地解決以上問題，根據(jù)反應溫度和加熱速度的不同，對熱裂解垃圾處理工藝進行創(chuàng)新，設計新工藝，工藝流程如圖1所示。

（1）粗碎。將垃圾送入第一粉碎機中粉碎處理，分揀出石頭、磚塊及泥沙等無機物。

（2）磁選。使用除鐵器或磁選機去除磁性金屬。

（3）篩分。使用篩分裝置對經磁選處理的垃圾進行篩分，去除密度大的沙子、泥土及石粒。

（4）細碎。將經篩分處理的垃圾送入第二粉碎機中再次粉碎。

▲圖1 新工藝流程

（5）脫水。城市生活產生的垃圾水分比重較大，通過壓榨方式去除垃圾中的大部分水分。

（6）干燥。在進入下一道工序前需先干燥，以免水分影響垃圾的預熱及裂解。將脫水后的垃圾送入干燥機進行處理，得到有機垃圾料。

（7）預熱處理。將有機垃圾料送入垃圾熱裂解高效轉化裝置密封、貧氧的預熱段中，在250～450℃的溫度下滅菌并部分分解。在250～450℃的溫度下，有機垃圾料中的含鹵物質完全分解，并消滅所有的細菌，從而實現(xiàn)分解有害物質、殺菌消毒的目的。

（8）高溫裂解。將經預熱處理的有機垃圾料送入垃圾熱裂解高效轉化裝置密封、貧氧、高溫的裂解段中，在900～1 100℃的溫度下完全裂解，得到混合氣體、焦油及焦炭。

新工藝設計合理、結構簡單，得到的可燃氣體回收用做熱裂解能源，產物焦炭、焦油可收集再用，創(chuàng)造新的經濟利益，充分達到垃圾的資源化、無害化及減量化的要求，實現(xiàn)垃圾處理的零排放及垃圾處理產物再利用的效益最大化。

4 總體設計

根據(jù)設計要求，垃圾熱裂解高效轉化裝置整機由驅動裝置、進料裝置、預熱段、裂解段、降溫段及回收裝置等組成，其結構如圖2所示。

5 關鍵部件

5.1 驅動裝置

垃圾熱裂解高效轉化裝置連續(xù)進料驅動裝置的動力部分設計有四套驅動電機。垃圾由上料輸送機送至進料斗，再通過進料螺桿送至預熱段爐體。進料螺桿的驅動選用帶減速箱的星形異步電動機，其結構如圖3所示。進料螺桿驅動裝置結構簡單、成本低、傳動鏈短，因而傳動效率高，維修安裝方便。雖然可調速范圍小，但可通過增加變頻器進行變頻調速，實現(xiàn)無級調速［13］。

預熱段、裂解段、降溫段的送料螺桿直接貫穿爐體內部，便于實現(xiàn)連續(xù)送料，由電機通過皮帶輪將動力傳至減速箱。送料螺桿驅動裝置可調速范圍廣，可根據(jù)實際需要設計減速器箱體，結構相對復雜，制造成本高，驅動裝置可保證每天24 h連續(xù)運行。送料螺桿設計有聯(lián)軸器、耐高溫軸承、氣體離合器等。

5.2 裂解裝置

裂解裝置包括預熱段、裂解段、降溫段等，具體有密封裝置、耐高溫抽風裝置、實時監(jiān)控裝置、設備外圍附屬能源回收裝置及能源再利用裝置。

預熱段、裂解段的爐體結構均采用耐熱鋼制作，設置耐熱層和保溫層結構。預熱段內的送料螺桿轉速低、送料慢，中溫熱裂解產生可燃氣體和混合油。裂解段內的送料螺桿轉速加快50%，并設定至最高溫度，加快流速，保證裂解炭的形成和流出。

▲圖2 垃圾熱裂解高效轉化裝置結構

預熱段機體結構內設置耐高溫抽風裝置，鋪設保溫氣體管道，抽取裂解中產生的可燃氣體，設計可控溫度的氣體燃燒室，通過智能電子控溫系統(tǒng)可自動調節(jié)燃燒溫度，另備有安全合格的氣體儲備罐收集多余氣體。

裂解段的裂解過程中將產生高溫狀態(tài)下的霧狀化混合油，因此設置了油類收集器，專門收集產生的混合油。在混合油管道中加裝熱風裝置，確保油類可在管道流動，不會產生凝結，輸送到油類收集器。

預熱段、裂解段的爐體內均設置有一層防漏氣密封裝置，外面再設置一層防漏油裝置，裝配完后，機外整體加裝不銹鋼板密封，最后泄漏出來的氣體及煙霧在不銹鋼殼體里經強力抽風送至燃燒室，在高溫中燃燒掉。

設計垃圾熱裂解高效轉化裝置自動化操作系統(tǒng)及監(jiān)控設備，對設備的原料流量、主機速度、物料溫度、氣體流量、混合油流速所需溫度進行控制，對整機溫度、氣體濃度、混合油溫度等進行安全報警，達到全面的智能自動化管理。

5.3 供熱系統(tǒng)

供熱系統(tǒng)由燃燒室、裂解殘渣送進裝置、可燃氣體及烴油送進裝置、爐渣輸出裝置等組成。垃圾熱裂解處理過程中會產生大量可燃氣體、多種成分混合油、爐渣及裂解炭等。氣體通過回收氣體轉換器循環(huán)至燃燒室進行燃燒，作為本裂解裝置熱裂解過程中所需加溫熱量的主要來源?；旌嫌吞崛『髤R集到回收裝置。爐渣經提煉后和裂解炭用作制磚原料。

▲圖3 進料螺桿結構

6 裝置的應用

垃圾熱裂解高效轉化裝置能實現(xiàn)生活垃圾處理規(guī)?；?、連續(xù)化、減量化、無害化及資源化，實現(xiàn)真正意義上的零排放。裝置設有熱能循環(huán)利用系統(tǒng)，耗能少，無需外加輔助能源。垃圾在入爐前基本不需要分選，運作成本低，1 t垃圾處理費用低于40元。裝置適應性強，日處理能力可在100～500 t的范圍內選擇。裝置占地面積小，1 t處理能力建設用地為40～50 m2。這一裝置已在多家企業(yè)推廣應用，效果良好。

7 裝置特點

垃圾熱裂解高效轉化裝置具有如下特點。

（1）裂解工藝合理、簡單。采用低溫段及高溫段裂解方法，得到的可燃氣體回收用作熱裂解能源。產物焦炭、焦油可收集再利用，創(chuàng)造新的經濟效益，充分達到垃圾的資源化、無害化及減量化要求，實現(xiàn)垃圾處理的零排放，以及垃圾處理產物再利用的效益最大化。

（2）結構穩(wěn)定性好。裝置設計為三段——預熱段、裂解段和降溫段，主機載體材料采用高溫耐熱鋼，螺桿支撐部件均用進口高溫軸承，裂解爐采用三重密封結構，主體安裝完畢后，用不銹鋼板在外圍進行密封，杜絕氣體的泄漏，保溫、密封效果好。

（3）設計熱能循環(huán)利用系統(tǒng)。系統(tǒng)采用燃燒機提供熱能，垃圾熱裂解分解得到的氣體、裂解殘渣回收后再燃燒，為熱裂解提供熱能。同時，垃圾熱裂解分解得到的裂解炭和爐渣可用作制磚的原料。