顏蓓蓓,楊學(xué)忠,侯林桐,馬德剛,李 健,孫昱楠,程占軍*,陳冠益,

村鎮(zhèn)生活垃圾熱解處理技術(shù)綜述

顏蓓蓓1,楊學(xué)忠1,侯林桐1,馬德剛1,李 健1,孫昱楠2,程占軍1*,陳冠益1,2

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072；2.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300134)

村鎮(zhèn)生活垃圾處理是關(guān)系環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)民生的重要問題,是我國發(fā)展生態(tài)文明、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村的重要環(huán)節(jié).新形勢(shì)下,村鎮(zhèn)生活垃圾處理不僅要求減量化、無害化,同時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)就近、就地處理,資源、能源回用.本文綜述了我國村鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量與分布特性,對(duì)比分析當(dāng)前村鎮(zhèn)生活垃圾的處理模式與常用技術(shù).熱解技術(shù)是一項(xiàng)新興的村鎮(zhèn)生活垃圾技術(shù).針對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾熱解工藝,從過程控制、產(chǎn)物導(dǎo)向、裝備設(shè)計(jì)、研究前沿等角度展開全方位分析,列舉相關(guān)政策法規(guī),并對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用示范進(jìn)行梳理分析.

村鎮(zhèn)生活垃圾；熱解；技術(shù)發(fā)展；污染特征

我國村鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量與日俱增,“垃圾圍村”的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重.村鎮(zhèn)生活垃圾露天堆積以及不當(dāng)處理,造成嚴(yán)重的水體、土壤和大氣污染,威脅村鎮(zhèn)人居環(huán)境安全,給村鎮(zhèn)居民帶來嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn).此外,我國廣大村鎮(zhèn)也面臨著能源短缺的情況,粗放、低效的能源獲取和利用方式,不但限制了村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,也加重了村鎮(zhèn)環(huán)境污染.順應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”和“無廢鄉(xiāng)村”的要求,尋求適合于村鎮(zhèn)條件垃圾處理技術(shù),開展村鎮(zhèn)生活垃圾的資源化、能源化利用,具有重要的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和民生意義.

傳統(tǒng)的垃圾處理技術(shù)主要包括:焚燒、衛(wèi)生填埋、堆肥、厭氧發(fā)酵等.這些傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)對(duì)村鎮(zhèn)條件體現(xiàn)出一定的不適應(yīng)性.熱解技術(shù)作為近年來備受關(guān)注的新興村鎮(zhèn)生活垃圾處理技術(shù),能夠一定程度上克服傳統(tǒng)處理方法的不足,在村鎮(zhèn)生活垃圾迅速減量化、多元資源化、高效無害化方面取得顯著成效.在國家相關(guān)政策支持下,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解示范工程逐漸增多,熱解系統(tǒng)技術(shù)也日趨完善.

1 我國村鎮(zhèn)生活垃圾現(xiàn)狀

1.1 村鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量與基本屬性

村鎮(zhèn)生活垃圾主要是指村鎮(zhèn)中日常生活或?yàn)槿粘Ｉ钐峁┓?wù)的活動(dòng)產(chǎn)生的固體廢物[1].我國村鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量巨大,且呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì).據(jù)《2020年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[2]報(bào)道,我國現(xiàn)有村莊236.3萬個(gè),村莊戶籍人口達(dá)7.77億.其中常住人口將近5億[3].據(jù)此測(cè)算,我國村鎮(zhèn)人均垃圾日產(chǎn)量為0.7～1.1kg/(人·d)[4],垃圾年產(chǎn)量達(dá)3億t.

我國不同地區(qū)村鎮(zhèn)生活垃圾的組成成分如表1所示,可以看出垃圾成分受地域影響較大.村鎮(zhèn)生活垃圾中紙類、塑料、織物等含量呈現(xiàn)南方多北方少的趨勢(shì);而灰土類成分則呈現(xiàn)相反趨勢(shì).總體來看,廚余/果皮等易腐有機(jī)垃圾在我國村鎮(zhèn)生活垃圾中占比較高,可達(dá)40%～50%,其余有機(jī)組分主要包括紙類、塑料類、織物類與竹木類.無機(jī)垃圾包括灰土、磚瓦、玻璃、金屬等,可占村鎮(zhèn)生活垃圾總量的15%左右.據(jù)李丹等[5]調(diào)研分析,我國村鎮(zhèn)生活垃圾平均容重為256.25kg/m3.晏卓逸等[6]對(duì)我國12個(gè)省份共72個(gè)村鎮(zhèn)的生活垃圾采樣調(diào)查結(jié)果表明全國村鎮(zhèn)生活垃圾平均含水率為40.1%左右,北方省份的村鎮(zhèn)生活垃圾的含水率普遍低于南方省份村鎮(zhèn).蔡杰[7]對(duì)全國40個(gè)村鎮(zhèn)垃圾采樣點(diǎn)的生活垃圾取樣分析顯示,其濕基低位熱值最高可達(dá)16202.2kJ/kg,最低為3703kJ/kg,由此計(jì)算村鎮(zhèn)生活垃圾的低位熱值在8000～13000kJ/kg范圍內(nèi).

由此可見,我國村鎮(zhèn)生活垃圾具有顯著的能源屬性,借助預(yù)處理脫除水分后,其熱值有望進(jìn)一步提升.因此,村鎮(zhèn)生活垃圾的處理應(yīng)不局限于無害化處置,更應(yīng)因地制宜推廣能源化轉(zhuǎn)化利用.

表1 我國各地區(qū)村鎮(zhèn)生活垃圾組成成分(%)

1.2 村鎮(zhèn)生活垃圾處理模式

靳琪等[4]對(duì)全國21個(gè)省份、114個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、224個(gè)村和1451戶農(nóng)戶進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)調(diào)研,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明全國范圍內(nèi),89%的村莊設(shè)有垃圾基礎(chǔ)處理設(shè)施,92%的村莊對(duì)生活垃圾采取了不同程度的最終處置,但僅有34%的村莊實(shí)現(xiàn)了垃圾的規(guī)范處置.目前,我國村鎮(zhèn)生活垃圾的處理模式主要為集中處理和分散處理兩種.在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū),有較為成熟的垃圾收集處理系統(tǒng),通常由縣(區(qū))以上已建成的垃圾終端處理設(shè)施向周邊的各個(gè)村鎮(zhèn)輻射,建立“村收集、鎮(zhèn)中轉(zhuǎn)、縣處置”的村鎮(zhèn)生活垃圾處理網(wǎng)絡(luò).此種處理模式往往有較高的成本.何品晶等[10]對(duì)我國南方發(fā)達(dá)地區(qū)村鎮(zhèn)(浙江余杭)垃圾處理成本進(jìn)行調(diào)研,結(jié)果表明余杭地區(qū)村鎮(zhèn)生活垃圾處理總成本為253.5元/t,而其中收集、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)成本分別占總成本的32.3%、13.7%、32.3%,最終處置成本僅占21.7%.由此可見,如能實(shí)現(xiàn)就地處理,可節(jié)省近50%的處理成本.

在經(jīng)濟(jì)水平較低地區(qū)或距離處理終端較遠(yuǎn)的村鎮(zhèn)地區(qū),一般采用分散處理模式[11].此種模式實(shí)現(xiàn)了垃圾收集和就地處理的直接銜接,處理成本較低,但受到規(guī)模效應(yīng)的限制,無害化水平也較低.與此同時(shí),就地簡(jiǎn)易填埋或就近露天焚燒過程缺乏規(guī)范,極易造成二次污染.

綜合來看,目前現(xiàn)有的村鎮(zhèn)生活垃圾處理模式,很難兼顧清潔達(dá)標(biāo)、成本控制和能源回收.而垃圾熱解技術(shù)運(yùn)行成本較低,無害化、減量化水平高、可實(shí)現(xiàn)能源回收,且其處理規(guī)模適應(yīng)村鎮(zhèn)場(chǎng)景(小于50t/d)[5].因此,在我國全面推行垃圾分類、以及“碳達(dá)峰、碳中和”的政策背景下,開發(fā)基于熱解技術(shù)的垃圾處理新模式,有望成為村鎮(zhèn)生活垃圾處理的有效途徑.

1.3 村鎮(zhèn)生活垃圾處理技術(shù)

目前我國主要的生活垃圾處理技術(shù)包括:焚燒、衛(wèi)生填埋、堆肥、厭氧發(fā)酵等[12-18].這些技術(shù)在應(yīng)對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾處理場(chǎng)景時(shí),存在著一定的優(yōu)勢(shì)與不足.

焚燒是我國垃圾處理的重要技術(shù).據(jù)全國能源信息平臺(tái)統(tǒng)計(jì),截止到2019年,我國建有城鎮(zhèn)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目共278個(gè),垃圾焚燒處理占比達(dá)到35.30%.垃圾焚燒處理效率較高,減量效果顯著,具有規(guī)范化的污染物控制手段,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)一定程度的能源回收.然而,焚燒技術(shù)也面臨運(yùn)行不穩(wěn)定、工藝復(fù)雜、尾氣處理成本高等問題[19].應(yīng)對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾處理場(chǎng)景,焚燒技術(shù)體現(xiàn)出顯著的規(guī)模不適應(yīng)性.據(jù)分析[5],穩(wěn)定的垃圾焚燒工藝一般需匹配500t/d以上的處理量,否則單位垃圾處理成本過高.而村鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量遠(yuǎn)達(dá)不到此標(biāo)準(zhǔn).

衛(wèi)生填埋是我國目前應(yīng)用最廣泛的垃圾處理方式.規(guī)范的衛(wèi)生填埋需要對(duì)生活垃圾進(jìn)行分揀,排除有毒有害成分.生活垃圾填入人工構(gòu)筑的地下空間,并壓實(shí)、覆蓋,同時(shí)設(shè)置排氣口,以及滲濾液處理設(shè)施[20].據(jù)中國統(tǒng)計(jì)年鑒[2]報(bào)道,2020年我國現(xiàn)有生活垃圾衛(wèi)生填埋廠644座,占生活垃圾無害化處理總廠數(shù)的50%.衛(wèi)生填埋具有工藝簡(jiǎn)單、投資少、處理量大等優(yōu)點(diǎn).但也存在占用土地、釋放有毒物質(zhì)、危害土壤和地下水等缺點(diǎn).應(yīng)對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾處理?xiàng)l件,衛(wèi)生填埋同樣體現(xiàn)出規(guī)模不適應(yīng)性.村鎮(zhèn)生活垃圾處理規(guī)模很難匹配衛(wèi)生填埋的技術(shù)要求,同時(shí)村鎮(zhèn)土地資源有限,經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展水平較低,系統(tǒng)規(guī)范的衛(wèi)生填埋很難實(shí)現(xiàn).

堆肥與厭氧發(fā)酵可歸類為生物處理.生物法具有工藝簡(jiǎn)單、處理成本低、對(duì)易腐有機(jī)垃圾無害化效果好、可制備燃?xì)?、有機(jī)肥產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也具有占地面積大,過程不易控制,反應(yīng)周期長(zhǎng)、效率低等問題.針對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾處理,生物法具有一定的優(yōu)勢(shì),體現(xiàn)在其處理規(guī)模較為匹配、處理工藝的技術(shù)、設(shè)備、投資要求較低,同時(shí)村鎮(zhèn)生活垃圾經(jīng)過生物法制備得有機(jī)肥、沼氣等產(chǎn)品,在村鎮(zhèn)環(huán)境下也具有一定的適用性.何品晶[21]認(rèn)為,對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾中的可降解類物質(zhì)(食品和植物殘余、衛(wèi)生用紙等)進(jìn)行就地生物處理,是一種行之有效的處理模式.然而,生物法對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾的減量化效果差,對(duì)塑料、布匹等垃圾成分降解效率較低,無法實(shí)現(xiàn)對(duì)無機(jī)組分的無害化處理.因此,應(yīng)用生物法處理村鎮(zhèn)生活垃圾,必須依賴科學(xué)、高效的垃圾分類,同時(shí)與其他處理技術(shù)相結(jié)合(如填埋、焚燒等).

2 村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)

2.1 村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)概述

熱解氣化是在絕氧或者缺氧的環(huán)境中對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)處理,使得有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)組成與物理狀態(tài)發(fā)生變化的一種不可逆過程[22].有機(jī)物質(zhì)在200～400℃的溫度段發(fā)生初步熱解,溫度達(dá)到400℃以上會(huì)發(fā)生二次熱解,熱解的終溫能夠達(dá)到700～ 800℃[23].根據(jù)操作條件的不同,熱解過程可以分為常規(guī)熱解(又稱為慢速熱解)、快速熱解和閃速熱解,3種熱解過程有著不同的反應(yīng)溫度、升溫速率、反應(yīng)壓力、物料停留時(shí)間以及原料尺寸要求[24].常規(guī)熱解是歷史較為悠久的一種熱解方式,其反應(yīng)溫度通常較低(300～650℃),升溫速率也較慢(0.1～1℃/s).較長(zhǎng)的停留時(shí)間使得物料可以發(fā)生多次裂解,產(chǎn)生較多的熱解氣,同時(shí)也需要較多的外部能量輸入[25].快速熱解與閃速熱解通常需較高的溫度(高于700℃)、較高升溫速率、以及較短的停留時(shí)間,熱解產(chǎn)物以熱解油為主[22].

熱解氣化技術(shù)起源于煤和生物質(zhì)等能源物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用過程,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,其逐漸被引入垃圾處理領(lǐng)域,發(fā)展成為一種兼具能源化與無害化特點(diǎn)的垃圾處理方式.垃圾熱解是將垃圾中的有機(jī)質(zhì)在無氧的條件下加熱,使有機(jī)物的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂,生成熱解炭、熱解油和熱解氣的過程[26].相較于前述傳統(tǒng)垃圾處理技術(shù),垃圾熱解具有污染物釋放量少、能源回收率高、處理規(guī)模靈活的特點(diǎn).熱解處理過程中垃圾成分及含水率對(duì)反應(yīng)有較大影響,不同組分的垃圾熱解特性不同.當(dāng)垃圾中有機(jī)成分占比較大時(shí),熱解產(chǎn)生的產(chǎn)品熱值高、可回收性好、廢渣也較少[27].

依據(jù)我國村鎮(zhèn)現(xiàn)狀,熱解技術(shù)或許是我國村鎮(zhèn)生活垃圾處理破局的關(guān)鍵.我國幅員遼闊,部分村鎮(zhèn)與縣城存在天然的地理阻隔,其產(chǎn)生的垃圾更適宜采用就近處理的方式.且我國人口分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡,村鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量規(guī)模存在一定的差異,這就要求垃圾處理技術(shù)須適應(yīng)靈活的規(guī)模變化.熱解技術(shù)適應(yīng)于中小規(guī)模垃圾處理,且設(shè)備占地少、投資小,符合我國廣大地區(qū)村鎮(zhèn)生活垃圾處理的應(yīng)用需求,發(fā)展?jié)摿薮?其次,垃圾熱解處理產(chǎn)生的固、液、氣三相產(chǎn)物,在村鎮(zhèn)條件下皆有應(yīng)用的需求.如熱解產(chǎn)生的熱解氣與熱解油可用作能源產(chǎn)品,而熱解炭可以用作土壤改良劑、炭基緩釋肥以及建筑材料[28].合理的產(chǎn)物消納以及廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)為村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)提供發(fā)展的基礎(chǔ).此外,相比于其他傳統(tǒng)垃圾處理技術(shù),熱解產(chǎn)生的污染物較少,且控制技術(shù)較為成熟可靠,可實(shí)現(xiàn)對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾的減量化、無害化和穩(wěn)定化.

在“中國知網(wǎng)”文獻(xiàn)系統(tǒng)中檢索發(fā)現(xiàn),“垃圾熱解”相關(guān)研究文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量由2000年的14篇增長(zhǎng)至2020年的103篇,表明垃圾熱解技術(shù)逐漸成為我國垃圾處理領(lǐng)域的熱門研究?jī)?nèi)容.劉紅盼等[29]運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量法對(duì)“垃圾熱解”相關(guān)研究論文進(jìn)行可視化分析,發(fā)現(xiàn)關(guān)于垃圾熱解的文獻(xiàn)數(shù)量在逐年劇增的同時(shí),也出現(xiàn)研究熱點(diǎn)多元化、研究范圍由實(shí)驗(yàn)室探索向工業(yè)化技術(shù)示范發(fā)展的趨勢(shì),進(jìn)一步證明垃圾熱解技術(shù)可觀的研究潛力.袁國安[30]對(duì)近年來我國各級(jí)別垃圾熱解氣化科技項(xiàng)目的立項(xiàng)與實(shí)施情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)我國垃圾熱解氣化項(xiàng)目由2013年的1項(xiàng)急劇增長(zhǎng)至2017年的34項(xiàng),這也表明垃圾熱解技術(shù)正在從實(shí)驗(yàn)研究逐步走向產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用.

2.2 垃圾熱解反應(yīng)器

熱解反應(yīng)器是熱解系統(tǒng)的核心,反應(yīng)器的選擇與優(yōu)化是熱解技術(shù)研究的熱點(diǎn)[24].常規(guī)的垃圾熱解反應(yīng)器包括固定床、流化床(鼓泡和循環(huán))和回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器,每種反應(yīng)器都有其獨(dú)特的反應(yīng)特性(表2).不同的傳熱面積、物料停留時(shí)間影響了垃圾熱解過程中熱解炭、生物油、熱解氣的產(chǎn)率與品質(zhì)[31],同時(shí)也影響污染物形成與釋放.

表2 常規(guī)熱解反應(yīng)器及其優(yōu)劣勢(shì)

固定床反應(yīng)器是最常用的熱解氣化反應(yīng)器,其具有設(shè)備規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于建造的特點(diǎn)[32],較為適合村鎮(zhèn)生活垃圾處理場(chǎng)景.固定床反應(yīng)器在熱解氣化過程中,需通過外部加熱的方式提供能量,也可以通過燃燒熱解產(chǎn)物從反應(yīng)系統(tǒng)自身獲取能量.固定床反應(yīng)器存在升溫速度慢、停留時(shí)間長(zhǎng)、爐腔內(nèi)溫度分布不均勻等特點(diǎn)[33],對(duì)原料的粒徑均一性也有一定的要求.利用固定床反應(yīng)器熱解村鎮(zhèn)生活垃圾通常產(chǎn)生較多的熱解炭,而熱解油和氣的產(chǎn)量較少.

流化床反應(yīng)器因其較高傳熱、傳質(zhì)效率而常被應(yīng)用于石油和化學(xué)品加工行業(yè)[34].流化床反應(yīng)器通?？梢苑譃閮煞N:鼓泡式和循環(huán)式.鼓泡流化床反應(yīng)器中,經(jīng)過初加工的粉碎垃圾被送入固體鼓泡床中,使用惰性氣體或者氧氣含量低的空氣流化床體進(jìn)行熱解反應(yīng)[35].鼓泡流化床熱解垃圾可產(chǎn)生較多的熱解油,其產(chǎn)率可達(dá)50%～55%[36].熱解產(chǎn)生的少量生物炭需要快速分離,防止二次反應(yīng)發(fā)生.循環(huán)流化床反應(yīng)器的工作原理與鼓泡流化床反應(yīng)器相似,區(qū)別在于循環(huán)型的床層是強(qiáng)烈膨脹的,床料在氣旋作用下連續(xù)循環(huán)[24],能夠保證垃圾原料均勻的混合以及更好的溫度控制.這種反應(yīng)器在處理垃圾過程中易實(shí)現(xiàn)熱解炭的分離,提高固體產(chǎn)率,同時(shí)燃燒產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到床層固體,提高循環(huán)過程中換熱效率,減少能量消耗.

回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器最初被應(yīng)用于水泥產(chǎn)業(yè).后因其廣泛的物料適應(yīng)性(各種尺寸及形狀的固體、液體和氣體廢棄物)和操作簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn),成為垃圾熱解的主要爐型之一[37].回轉(zhuǎn)窯最主要的特點(diǎn)是它的主體部分——圓筒可以旋轉(zhuǎn)并且傾斜角度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié).通常傾斜角設(shè)定為1°～4°.在運(yùn)行時(shí),垃圾由給料機(jī)從斜上方入口處投入滾筒,在滾筒傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下,逐漸沿著軸線方向往出料口移動(dòng).在移動(dòng)的同時(shí),垃圾旋轉(zhuǎn)并充分混合,實(shí)現(xiàn)熱質(zhì)交換.反應(yīng)后,熱解油、氣、渣尾部出料口排出.回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器內(nèi)垃圾停留時(shí)間較長(zhǎng),且充分旋轉(zhuǎn)混合,其熱解效率高于固定床反應(yīng)器[38].

2.3 垃圾熱解制炭

在熱解過程的低溫階段,垃圾經(jīng)過初步的分解,形成穩(wěn)定的固體熱解炭.熱解炭是由70%的炭以穩(wěn)定形式組成的黑色、多孔、輕質(zhì)、固體化合物[39].在垃圾熱解過程中,溫度、升溫速率和停留時(shí)間等條件都會(huì)對(duì)熱解炭的產(chǎn)率和性質(zhì)產(chǎn)生重要影響.熱解炭的生成溫度一般為300～500℃,隨著溫度的升高其產(chǎn)率逐漸降低,但其比表面積和含炭量隨著溫度的升高呈增加趨勢(shì)[24].較慢的升溫速率(￡10℃/min)有利于熱分解后穩(wěn)定基質(zhì)的形成,抑制揮發(fā)性化合物的釋放,從而提高熱解炭的產(chǎn)率[40].在相同熱解溫度下,熱解炭產(chǎn)率隨停留時(shí)間的增加而降低[41].熱解炭在村鎮(zhèn)條件下具有很好的應(yīng)用前景.熱解炭可以直接用做燃料,補(bǔ)充村鎮(zhèn)生活、生產(chǎn)所需的能源供應(yīng)[42].通過對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾的預(yù)處理(分揀、干燥等),結(jié)合熱解工藝的優(yōu)化控制以及產(chǎn)物提質(zhì)技術(shù),熱解炭可被利用于村鎮(zhèn)污水凈化、土壤改良[43],以及制備農(nóng)用炭肥等.此外,由于熱解炭具有比表面積大、孔隙率高的特點(diǎn),也有學(xué)者開發(fā)利用垃圾熱解炭制備催化劑載體[44].

國內(nèi)外目前對(duì)垃圾熱解制炭的研究主要集中于對(duì)特定垃圾組分的熱解工藝探索,以及熱解炭的優(yōu)化提質(zhì).王菁等[45]探究不同溫度下垃圾基礎(chǔ)組分——纖維素?zé)峤庵铺糠磻?yīng)特性.當(dāng)熱解溫度為350℃時(shí),熱解炭產(chǎn)率可高達(dá)54.06%.隨著熱解溫度的提高,熱解炭產(chǎn)率持續(xù)降低,同時(shí)熱解炭中的碳元素含量逐漸升高,氫和氧元素含量逐漸下降.纖維素?zé)峤饪傮w為吸熱反應(yīng),隨著溫度的升高,纖維素分子鏈斷裂形成穩(wěn)定的碳簇分子,使熱解炭的固定碳含量和高位熱值也逐漸升高.朱丹晨等[46]選取湖北地區(qū)村鎮(zhèn)木屑為原料熱解制炭.隨著熱解溫度的升高,熱解炭的熱值由22.46MJ/kg增加至29.40MJ/kg,同時(shí)熱解炭中無機(jī)元素和含氧官能團(tuán)逐漸減少,熱解炭的疏水性顯著增強(qiáng).同時(shí),制備的熱解炭不僅熱值較高,壓縮成型后還具有較大的體積密度和抗壓強(qiáng)度,是一種理想的村鎮(zhèn)燃料.

村鎮(zhèn)生活垃圾熱解制炭的產(chǎn)業(yè)化探索還處于起步階段.現(xiàn)有的研究大多采用特定(單一)組分的村鎮(zhèn)生活垃圾,主要探索溫度對(duì)熱解炭的產(chǎn)率以及特性的影響,熱解炭的最終用途多為直接燃燒供能.對(duì)混合垃圾熱解制炭、垃圾熱解制炭協(xié)同效應(yīng)、村鎮(zhèn)條件熱解制炭環(huán)境影響等內(nèi)容缺乏探索.同時(shí)熱解炭的品質(zhì)調(diào)控以及應(yīng)用拓展還需進(jìn)一步強(qiáng)化,應(yīng)尋求建立“組分特性識(shí)別——預(yù)處理模式匹配——熱解工況精確調(diào)控——熱解炭定向提質(zhì)與高質(zhì)化利用”的村鎮(zhèn)生活垃圾熱解制炭工藝鏈條.結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,形成面向多元化應(yīng)用的村鎮(zhèn)生活垃圾熱解制炭系統(tǒng)方案.

2.4 垃圾熱解制油

熱解油是垃圾熱解過程中產(chǎn)生的液體.熱解油可以直接作為鍋爐燃料使用,也可以加工提煉制備化工產(chǎn)品[47].村鎮(zhèn)生活垃圾熱解油成分復(fù)雜,由芳香烴、酚類、酮類、酯類、醚類、糖類、胺類、醇類、呋喃類和一定量的水分混合構(gòu)成[48].總體來看,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解油呈現(xiàn)出含水率高、酸性大、含氧量高、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)[49],這也一定程度限制了村鎮(zhèn)生活垃圾熱解油的應(yīng)用.

針對(duì)垃圾熱解油產(chǎn)率以及組分特性,國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究.劉璐等[50]將垃圾破碎烘干后在不同溫度下(450～650℃)進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn).分析發(fā)現(xiàn)垃圾熱解油中含有酚類、醛類、羧酸類、酮類、芳香烴類、脂肪族等多種組分.熱解油的含水率在20%～30%范圍內(nèi),酸值大于30mg/g(KOH).隨著熱解溫度的升高,熱解油的含水率以及酸值均逐步降低.當(dāng)熱解溫度為600℃時(shí),熱解油取得最低的含氧量(20.28%),熱值達(dá)到最高的31.42MJ/kg.實(shí)驗(yàn)室研究中常常會(huì)通過添加原料摻混或?qū)υ线M(jìn)行預(yù)處理等方式來提升熱解油的產(chǎn)率及品質(zhì).馬大朝等[51]在村鎮(zhèn)生活垃圾(廢紙)熱解過程中添加生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的灰渣,研究了不同熱解溫度下熱解油的產(chǎn)率以及成分變化.結(jié)果表明,由于灰渣中無機(jī)鹽的催化作用,摻混灰渣后廢紙熱解油的產(chǎn)率會(huì)降低.經(jīng)過GC-MS分析發(fā)現(xiàn)摻混灰渣后廢紙熱解油中酚類、酮類、呋喃類、醛類和有機(jī)酸含量降低,而醇類和酯類則很難檢測(cè)出,這表明灰渣的添加可以減弱熱解生物油的毒性和腐蝕性.同時(shí)在熱解生物油中還發(fā)現(xiàn)了1－癸炔和二乙酸兩種新的化合物,說明灰渣添加能夠?qū)峤庥推鸬揭欢ǖ奶豳|(zhì)作用.祝敏敏[52]探究有機(jī)溶劑和酸溶劑預(yù)處理對(duì)木屑熱解制油過程的影響.當(dāng)熱解溫度為550℃時(shí),熱解油產(chǎn)率最高.在所有預(yù)處理溶劑中,鹽酸預(yù)處理效果最佳.鹽酸預(yù)處理后的木屑熱解油產(chǎn)率增加了20.21%,通過GC/MS測(cè)得的熱解產(chǎn)物總峰面積(多數(shù)為輕質(zhì)生物油組分)也增加了44%.賈晉煒[53]將農(nóng)作物秸稈與村鎮(zhèn)生活垃圾進(jìn)行了共熱解,探究添加木薯莖后村鎮(zhèn)生活垃圾熱解制油特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加入一定比例的木薯莖能夠顯著降低村鎮(zhèn)生活垃圾熱解活化能.木薯莖對(duì)于村鎮(zhèn)生活垃圾熱解制油具有促進(jìn)作用,木薯莖的添加量從0%增長(zhǎng)到20%,熱解油的產(chǎn)率可從33.7%提高到46.0%.

然而,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解制油面臨著與生物質(zhì)熱解制油相同的困境,即油品差、提質(zhì)成本高,且垃圾熱解油組分更為復(fù)雜多變,污染性也更強(qiáng).基于村鎮(zhèn)生活垃圾處理場(chǎng)景,很難匹配成規(guī)模的熱解油收集、提質(zhì)和精煉設(shè)施,這也限制了熱解油的高效開發(fā)利用.綜合來看,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解油主要有以下兩個(gè)合理出路:1)熱解油的爐內(nèi)燃燒.結(jié)合熱解爐的特殊設(shè)計(jì),避免熱解油的冷凝與外排,使其在爐內(nèi)充分燃燒,燃燒釋放的熱量直接用于垃圾熱解反應(yīng).2)熱解油復(fù)配制備葉面肥、殺菌劑和土壤改良劑等.熱解油成分與木醋液相似,基于對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾的預(yù)篩選,以及熱解過程的優(yōu)化控制,有望通過簡(jiǎn)易的復(fù)配過程實(shí)現(xiàn)對(duì)于熱解油的高質(zhì)化農(nóng)業(yè)利用.

2.5 垃圾熱解制氣

垃圾熱解氣主要由氫氣和一氧化碳組成,還含有少量的二氧化碳、水蒸氣、碳?xì)浠衔铩⒔褂偷?這些組分經(jīng)過復(fù)雜的高溫反應(yīng)生成,其產(chǎn)量與比例受垃圾原料和熱解條件影響[31].通常而言,反應(yīng)溫度越高,垃圾熱解氣產(chǎn)率越高.隨著熱解溫度的升高,垃圾經(jīng)歷了水分蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、碳化等階段.揮發(fā)分與焦油經(jīng)過脫羧、脫羰、脫氫、脫氧和裂解等一系列二次反應(yīng),形成熱解氣的主體成分[54].高溫有利于焦油的熱裂解,從而提高熱解氣的產(chǎn)率[55].垃圾熱解氣可作為燃料,用于村鎮(zhèn)的發(fā)電、供熱、供氣、供汽等,也具備進(jìn)一步凈化合成制備化工原料的可行性.

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣的產(chǎn)率與品質(zhì)開展了全面的研究.劉照[56]選取了村鎮(zhèn)生活垃圾中的5種典型成分:廢紙,織物,竹木,塑料以及廚余,在500～1000℃的范圍內(nèi)測(cè)試其熱解產(chǎn)氣特性.結(jié)果表明熱解氣的產(chǎn)率隨熱解溫度的升高而增加,其中廢紙的產(chǎn)氣量最低,為81.6～454.4L/kg.而竹木和塑料的產(chǎn)氣較高,分別為108.8～549.2L/kg與106.0～ 576.8L/kg.這主要是由于塑料和竹木中C、H元素含量以及揮發(fā)分含量較高.5種典型成分組成的混合垃圾熱解氣的熱值也隨著溫度的升高而顯著提升,從201.73kJ/m3升至1441.69kJ/m3.垃圾熱解產(chǎn)氣率不僅可以通過提升熱解溫度來實(shí)現(xiàn),也可以通過加入其他原料協(xié)同熱解、以及加入催化劑等方式實(shí)現(xiàn).賈晉煒[53]提出利用玉米秸稈與村鎮(zhèn)生活垃圾共熱解制備熱解氣,當(dāng)玉米秸稈添加比例為80%時(shí),能夠使村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣的產(chǎn)率達(dá)到最大值23.5%.從熱解氣成分來看,玉米秸稈的添加提升了熱解氣中的H2含量、降低了CO的含量.當(dāng)玉米秸稈添加比例為40%和60%時(shí),熱解氣中H2產(chǎn)率達(dá)到最大值0.01L/g(原料),CO產(chǎn)率達(dá)到最小值0.018L/g(原料).楊迪[57]用紙屑、塑料、廚余物、織物、木屑和橡膠按照一定比例混合配制成村鎮(zhèn)生活垃圾模擬樣品,研究了不同的添加劑對(duì)垃圾熱解產(chǎn)氣的影響.模擬村鎮(zhèn)生活垃圾的熱解產(chǎn)氣量隨著溫度的升高而增加,向?qū)嶒?yàn)材料中添加CaCO3后,產(chǎn)氣量的增幅更加明顯.

熱解氣在村鎮(zhèn)條件下具有良好的應(yīng)用前景.經(jīng)過除塵、除焦、脫酸、脫硝等凈化工藝,熱解氣可有效補(bǔ)充村鎮(zhèn)能源供應(yīng),實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)生活垃圾的能源化利用.但由于熱解氣的制備往往需要較高的熱解溫度,大量依賴外部能源供應(yīng).因此,對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣進(jìn)行直接燃燒,為熱解段供能,成為一個(gè)更可行的方案.通過對(duì)熱解氣管道保溫,防止熱解油的冷凝與堵塞,將熱解油、氣高效燃燒,不但保證了熱解段所需的能量供應(yīng),降低熱解反應(yīng)器運(yùn)行所需的外加燃料成本,同時(shí)也可簡(jiǎn)化燃?xì)鈨艋到y(tǒng),大幅降低熱解設(shè)備的初投資.

3 村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)發(fā)展

3.1 村鎮(zhèn)生活垃圾熱解系統(tǒng)優(yōu)化

3.1.1 熱解系統(tǒng)模擬優(yōu)化設(shè)計(jì) 通過模擬技術(shù)對(duì)熱解系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),成為村鎮(zhèn)生活垃圾處理技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn).如表3所示,熱解過程模擬優(yōu)化大體分為兩個(gè)方向:一是對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾熱解系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化,通過研究村鎮(zhèn)生活垃圾熱解系統(tǒng)單元組成、能量分配、熱解爐最佳運(yùn)行條件等,提高系統(tǒng)效率,同時(shí)一定程度上降低污染物排放;二是對(duì)垃圾熱解反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì),通過改變熱解反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)(傾角、尺寸、材質(zhì)等),模擬探究爐內(nèi)流體的運(yùn)行狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)垃圾熱解反應(yīng)傳熱、傳質(zhì)過程的優(yōu)化設(shè)計(jì).

胡晴[58]基于Aspen Plus軟件模擬提出了一種干燥、熱解、氣化以及富氧分解為一體的自供熱式村鎮(zhèn)生活垃圾處理系統(tǒng).利用軟件模擬探究村鎮(zhèn)生活垃圾熱解能量流優(yōu)化方案以及自供熱運(yùn)行特性.由模擬結(jié)果可得,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解最佳反應(yīng)溫度為900℃,且當(dāng)熱解氣化爐空燃比(A/F)為0.4、熱解氣化爐空氣當(dāng)量比(ER)為0.5時(shí),該雙解技術(shù)有著最佳的垃圾處理效果.通過對(duì)物料與熱量平衡模擬分析得出該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的自供熱模式運(yùn)行,并且該技術(shù)處理后產(chǎn)生的爐渣為無毒的一般固廢,尾氣排放也能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)限制.王穎[59]利用Aspen Plus軟件模擬了村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣化耦合燃燒工藝.模擬結(jié)果證明過量空氣系數(shù)在0.3～0.4之間時(shí)熱解氣化耦合燃燒有著較高的熱轉(zhuǎn)化率和碳轉(zhuǎn)化率,與此同時(shí)還抑制了有害氣體的生成.當(dāng)一/二次風(fēng)配比為2:3左右時(shí),能夠?yàn)闊煔獾亩稳紵峁┏渥愕难鯕?提升燃燒效果.利用軟件模擬多工況下的熱解過程,大大減少實(shí)驗(yàn)量,降低工藝試錯(cuò)成本,為村鎮(zhèn)生活垃圾熱解系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了重要理論參考.

熱解反應(yīng)器自身結(jié)構(gòu)特性對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾熱解過程有著較大的影響,通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升熱解效率的重要手段.王穎[59]采用CFD的FLUENT模擬軟件對(duì)于垃圾熱解氣化二燃室進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).模擬結(jié)果表明煙氣從切向進(jìn)入能夠使其在二燃室內(nèi)獲得更高的溫度,同時(shí)擁有更快的氣流速度.較長(zhǎng)的停留時(shí)間能夠讓煙氣充分混合燃燒,提升燃燒效率.曾毅夫等[60]研制出了一種分散式垃圾熱解氣化裝置.該裝置在垃圾熱解爐的頂部設(shè)置了進(jìn)料斗及雙層進(jìn)料門.雙層進(jìn)料門設(shè)置的配重不同,以此來確保垃圾可松散、有序的落入爐內(nèi),避免爐內(nèi)垃圾大量堆積,有利于爐內(nèi)垃圾的充分熱解,提升熱解效率.垃圾經(jīng)熱解氣化產(chǎn)生的可燃?xì)怏w中會(huì)攜帶大量的灰分,堵塞煙氣出口影響后續(xù)處理工藝.針對(duì)此問題,曹樺釗等[61]對(duì)下吸式熱解氣化爐燃?xì)獬隹诮Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究,發(fā)現(xiàn)可以通過改變?nèi)細(xì)獬隹趦A角結(jié)構(gòu)的方式改變?nèi)細(xì)庵泄腆w顆粒的攜帶粒徑.當(dāng)熱解爐出口傾角更大、而熱解固體產(chǎn)物粒徑更小時(shí),能夠避免固體顆粒被熱解煙氣攜帶出爐體,減輕后續(xù)煙氣凈化負(fù)擔(dān).以上對(duì)于熱解器結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化研究有助于提升村鎮(zhèn)生活垃圾熱解效率與清潔性,是垃圾熱解從工藝優(yōu)化到裝備研發(fā)的重要環(huán)節(jié).

表3 垃圾熱解技術(shù)常用優(yōu)化模擬軟件

3.1.2 熱解耦合技術(shù) 耦合技術(shù)可克服單一熱解工藝存在的弊端,實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)生活垃圾處理中經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益的全局最優(yōu),因而成為行業(yè)研究的熱點(diǎn).

Chen等[70]采用SWOT分析法對(duì)西藏地區(qū)生活垃圾處理的5種方式進(jìn)行了評(píng)價(jià).研究表明,厭氧發(fā)酵耦合熱解的方法具有最佳的應(yīng)用潛力.此耦合體系可以有效避免厭氧消化過程中有機(jī)物分解不徹底的問題,將無法生物降解的沼渣通過熱解的方式轉(zhuǎn)化利用,從而降低了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn),顯著提高系統(tǒng)能量利用效率.熱解工藝還可以與燃燒工藝相耦合用于村鎮(zhèn)生活垃圾處理.張思成[71]提出了一種垃圾熱解耦合煤粉燃燒的雙床反應(yīng)系統(tǒng),并在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的固定床反應(yīng)器中研究了模擬熱解氣氛圍對(duì)垃圾熱解的影響.此耦合體系解決了垃圾與煤粉直接混燒的技術(shù)難題,并利用煤粉燃燒為垃圾熱解反應(yīng)提供能量,實(shí)現(xiàn)了對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾熱解產(chǎn)物的高效資源化利用.村鎮(zhèn)生活垃圾熱解過程中不可避免的涉及到燃?xì)獾膬艋に?黃付平等[72]設(shè)計(jì)低溫?zé)峤怦詈细邏旱入x子體煙氣凈化技術(shù)處理生活垃圾的小型化設(shè)備,垃圾低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)入高壓等離子體靜電系統(tǒng).該系統(tǒng)采用蜂巢電場(chǎng)結(jié)構(gòu),能夠在高壓靜電下產(chǎn)生低溫等離子、自由基及強(qiáng)氧化物,將燃?xì)庵械挠泻ξ镔|(zhì)分解成無害的碳分子和水,從而有效控制熱解煙氣中的二噁英、SO2、NO、顆粒物等污染物.綜上所述,針對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾處理過程中能效與污染問題,耦合工藝可突破單一技術(shù)的瓶頸問題,因而具備顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì).

在實(shí)際村鎮(zhèn)生活垃圾處理工程中,還需要充分考慮到我國村鎮(zhèn)生活垃圾處理規(guī)模小、地理位置偏僻、運(yùn)輸成本高等問題,故可以將村鎮(zhèn)生活垃圾熱解與產(chǎn)物利用工藝耦合,實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)生活垃圾就地減量化、能源化、資源化處理.郝彥龍等[73]介紹了河北省某村鎮(zhèn)的垃圾處理系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了“預(yù)處理+熱解氣化+燒結(jié)制磚技術(shù)”為一體的循環(huán)經(jīng)濟(jì)工藝路線.村鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣可以為旋轉(zhuǎn)窯燒結(jié)制磚系統(tǒng)供能,同時(shí)垃圾熱解炭經(jīng)處理后可摻入頁巖、矸石等用作制磚的原料.該工藝將村鎮(zhèn)生活垃圾熱解產(chǎn)物充分利用,各工藝單元緊密銜接,具有較強(qiáng)的協(xié)同性.

熱解工藝耦合其他工藝處理村鎮(zhèn)生活垃圾,在實(shí)驗(yàn)室探究與實(shí)際工程應(yīng)用中都有一定的優(yōu)勢(shì),通過工藝耦合揚(yáng)長(zhǎng)避短,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定場(chǎng)景以及不同目標(biāo)下村鎮(zhèn)生活垃圾的減量化、無害化、資源化處理.但耦合技術(shù)往往也面臨系統(tǒng)工藝復(fù)雜、裝備成本高、運(yùn)行維護(hù)難等問題,這將是未來村鎮(zhèn)生活垃圾耦合處理研究的重點(diǎn).

3.2 催化工藝

通過添加催化劑來實(shí)現(xiàn)熱解工藝的定向優(yōu)化,也是熱解技術(shù)發(fā)展的重要方向之一.村鎮(zhèn)生活垃圾熱解過程中添加催化劑,不僅能夠顯著改變垃圾熱解炭、油和氣的產(chǎn)率,也可以選擇性地調(diào)控某類產(chǎn)物的品質(zhì)[74],達(dá)到優(yōu)化熱解過程以及控制污染物的目的.

李東炎[75]選取了村鎮(zhèn)生活垃圾中最常見的六種典型成分:PE、橡膠、木屑、織物、紙箱以及果皮為實(shí)驗(yàn)原料,以3種不同的工業(yè)固體廢棄物(主要成分分別為α-Fe2O3、α-SiO2以及Al6Si2O13)為催化劑進(jìn)行了催化熱解實(shí)驗(yàn).加入催化劑后,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解炭產(chǎn)量均減少,特別地,在Al6Si2O13催化熱解PE時(shí),其熱解炭產(chǎn)率減少可達(dá)52.49%,說明催化劑的添加顯著的強(qiáng)化了熱解過程揮發(fā)分的釋放.對(duì)于垃圾熱解產(chǎn)生的液相與氣相產(chǎn)物,α-Fe2O3催化熱解橡膠能使其熱解生物油產(chǎn)率增加9.26%,而用Al6Si2O13催化熱解PE會(huì)使熱解氣產(chǎn)率增加19.28%.同時(shí)3種催化劑的添加均可降低熱解油的黏度.可見用工業(yè)廢棄物作為熱解催化劑有利于減少熱解炭產(chǎn)量,同時(shí)對(duì)熱解油、氣起到一定的提質(zhì)的作用.賈順杰[76]選取了3種不同類型的分子篩催化劑(HZSM-5、HY 以及HBeta),研究其對(duì)陳腐垃圾熱解過程的催化效果.結(jié)果發(fā)現(xiàn)催化劑加入后能夠顯著提高陳腐垃圾熱解氣和油的產(chǎn)率,熱解氣產(chǎn)率從29.2%分別提升至47.0%、40.8%、42.0%;熱解油產(chǎn)率由25.1%分別提升至30.3%、33.0%、35.5%.同時(shí)氣體的熱值也有明顯的提高,由33.66MJ/m3提升至最高的67.45MJ/m3.綜上所述,熱解過程添加催化劑主要可降低揮發(fā)分釋放的活化能,使熱解反應(yīng)能夠進(jìn)行得更加徹底充分,從而提升了熱解油、氣產(chǎn)物的產(chǎn)率,也能夠通過促進(jìn)大分子化合物的裂解來提升熱解氣的品質(zhì).但大部分催化劑的加入都降低了垃圾熱解炭產(chǎn)率,熱解炭的提質(zhì)更多的依賴熱解工藝的控制(延長(zhǎng)停留時(shí)間、降低熱解溫度)以及預(yù)處理手段.

催化劑還可以提高垃圾熱解過程中特定產(chǎn)物的選擇性,或抑制某些污染物的形成、遷移與釋放.周昭志等[77]研究了鈣基催化劑對(duì)垃圾模型樣品熱解的催化作用,重點(diǎn)關(guān)注了垃圾催化熱解過程中含氯污染物的釋放情況.當(dāng)熱解溫度為750℃時(shí),氯元素主要以HCl的形式存在于氣相產(chǎn)物中.在熱解爐內(nèi)添加CaO、白云石和Ni/CaO三種不同的鈣基催化劑后,熱解過程中氯元素都能夠被有效地轉(zhuǎn)移到固相中,達(dá)到燃?xì)饷撀鹊男Ч?當(dāng)鈣氯物質(zhì)的量比為2:1時(shí)脫氯效率最高,分別達(dá)到79.1%、83.4%和84. 4%.結(jié)合熱解油GC－MS譜圖推測(cè)油相中的氯主要以有機(jī)芳香類大分子的形式存在,而3種鈣基催化劑可減少熱解油中含氯物質(zhì)的比例,顯著抑制氯苯類物質(zhì)的形成,這對(duì)熱解過程中二噁英污染物的控制起到重要作用.催化熱解不僅可以減少熱解氣中的污染物含量,也可以減少熱解油中有毒化合物的含量.陳思[78]利用兩種改性分子篩催化劑Fe/ HZSM-5和Co/HZSM-5開展木屑催化熱解研究.結(jié)果表明,在CO2氣氛下兩種催化劑均能夠抑制熱解油中多環(huán)芳烴(PAHs)和含氧化合物的生成.加入兩種改性催化劑后,熱解油的毒性當(dāng)量值(TEQ)由未加催化劑時(shí)的22.87分別降低到15.70和7.20.

表4 垃圾熱解常用催化劑及催化效果

如表4所示,綜合來看,催化劑在村鎮(zhèn)生活垃圾熱解領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,不僅能夠提升垃圾能源化效率,還能夠降低熱解過程中的環(huán)境危害.在熱解反應(yīng)各類催化劑中,酸性催化劑的應(yīng)用研究是最為普遍的.以分子篩催化劑為代表,此類催化劑比活性強(qiáng)、表面積大、孔道多,在垃圾催化熱解過程中,可防止揮發(fā)分二次聚合和結(jié)焦[88].垃圾熱解催化劑還需要具備較強(qiáng)的耐腐蝕性、抗酸和抗積碳屬性,同時(shí)也要有較好的催化活性,避免在熱解高溫中失活.隨著熱解技術(shù)在我國不斷發(fā)展應(yīng)用,關(guān)于不同類型熱解催化劑的應(yīng)用研究不斷增加,而應(yīng)對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾處理?xiàng)l件,對(duì)催化劑的適用性和經(jīng)濟(jì)性有了更高的要求.以垃圾熱解炭為催化劑(或催化劑載體)的研究得到廣泛關(guān)注.依靠發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、豐富的表面官能團(tuán)、以及富含的堿金屬堿土金屬,熱解炭催化劑對(duì)熱解氣、油具有一定的提質(zhì)作用.同時(shí)熱解炭本身來自于熱解過程,廉價(jià)易得,無需考慮再生,其在村鎮(zhèn)生活垃圾熱解中的應(yīng)用更具前景.

4 村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)應(yīng)用前景

4.1 政策支持

2018年中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《中共中央國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》中指出,“實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的關(guān)鍵在于村鎮(zhèn)環(huán)境的生態(tài)宜居”.在該方針的指導(dǎo)下,加強(qiáng)對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾增量以及污染的綜合治理成為了各村鎮(zhèn)地區(qū)政府與人民共同努力的目標(biāo),將村鎮(zhèn)生活垃圾處理作為主攻方向之一.我國村鎮(zhèn)地區(qū)分布地域廣,環(huán)境差異大,因此村鎮(zhèn)生活垃圾處理須考慮應(yīng)對(duì)不同地理環(huán)境特性而采取適宜的處理模式與處理技術(shù).2020年最新修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》中關(guān)于我國村鎮(zhèn)地區(qū)生活垃圾的處理,要求“各級(jí)人民政府加強(qiáng)村鎮(zhèn)生活垃圾污染環(huán)境的防治,保護(hù)和改善村鎮(zhèn)人居環(huán)境”.與此同時(shí),國家鼓勵(lì)村鎮(zhèn)生活垃圾處理能夠做到“源頭減量、因地制宜、就近就地利用”,這與垃圾熱解技術(shù)能源化、小型化的特點(diǎn)非常契合.在因地制宜做好垃圾減量基礎(chǔ)上,村鎮(zhèn)生活垃圾處理須通過創(chuàng)新技術(shù)手段來創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.根據(jù)國家發(fā)改委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2016年發(fā)布的《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》要求“將生活垃圾無害化處理能力覆蓋到建制鎮(zhèn),堅(jiān)持資源化優(yōu)先,不斷提高生活垃圾無害化處理水平”.因此,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)有望彌補(bǔ)我國小型化垃圾處理技術(shù)的不足,兼顧經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益,保障村鎮(zhèn)生活垃圾的減量化、無害化、能源化處理.

國家工信部、科技部和環(huán)保部等三部委在2014年發(fā)布的《國家鼓勵(lì)發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄》中,支持采用生活垃圾熱解處理設(shè)備來處理生活垃圾,熱解氣化的垃圾有機(jī)物減量率大于93%,單爐日處理量達(dá)到80～100t,垃圾熱解后產(chǎn)生的可燃?xì)饪芍苯佑糜谌細(xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電.在2020年最新發(fā)布的《國家鼓勵(lì)發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄》中,進(jìn)一步提出使用有機(jī)污染物熱解處理裝備來處理村鎮(zhèn)生活垃圾,如有機(jī)固廢閃蒸干化耦合熱解氣化裝備等.由此可看出熱解技術(shù)處理村鎮(zhèn)生活垃圾有著較好技術(shù)導(dǎo)向.但在國家以及地方出臺(tái)的關(guān)于垃圾資源利用以及污染防治的政策文件中,并未明確提出采用熱解技術(shù)來處置村鎮(zhèn)生活垃圾,僅是指出了村鎮(zhèn)生活垃圾處理的相關(guān)技術(shù)導(dǎo)向性要求以及環(huán)保經(jīng)濟(jì)性要求,而熱解技術(shù)能夠充分契合相關(guān)要求,助力各村鎮(zhèn)地區(qū)完成既定的生活垃圾整治處理目標(biāo).

4.2 村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)應(yīng)用

在國家相關(guān)政策的支持與鼓勵(lì)下,近年來在全國多地建立村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)的示范應(yīng)用(表5).垃圾熱解項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的偏遠(yuǎn)地區(qū)得到了較好的應(yīng)用.青海昆侖山西大灘地區(qū)是入藏的必經(jīng)之地,游客過境造成大量的旅游垃圾排放. 2020年,該地區(qū)投資2543萬元建設(shè)了一座年處理能力為4206t的高溫村鎮(zhèn)生活垃圾熱解處理站.該項(xiàng)目采用連續(xù)式垃圾熱解處理工藝,在全密閉、無氧、高溫條件下,使垃圾在爐內(nèi)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)立式分層結(jié)構(gòu),對(duì)垃圾中有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行間接加熱融化熱解反應(yīng),并分離獲得熱解油、氣產(chǎn)品,同時(shí)熱解炭(尾渣)用作有機(jī)肥料或制作環(huán)保磚.寧夏賀蘭縣為處理村鎮(zhèn)生活垃圾,于2020年引進(jìn)了村鎮(zhèn)固體廢棄物熱解氣化項(xiàng)目.該項(xiàng)目年處理12700t村鎮(zhèn)生活垃圾.處理過程首先對(duì)垃圾進(jìn)行粉碎烘干,制成棒狀原料后運(yùn)輸進(jìn)熱解爐熱解,產(chǎn)生熱解氣用于發(fā)電.對(duì)產(chǎn)生的氣體進(jìn)行無害化處理,處理過程中殘余的廢渣和污水進(jìn)行循環(huán)利用,使整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)零污染排放.

隨著垃圾熱解技術(shù)自身不斷發(fā)展以及在國內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用的逐漸成熟,村鎮(zhèn)垃圾熱解技術(shù)不再局限于針對(duì)國家政策傾斜地區(qū)量身建設(shè)的大型化示范工程,越來越多的環(huán)保設(shè)備生產(chǎn)廠家研發(fā)了適用范圍廣、規(guī)模小、環(huán)境友好的村鎮(zhèn)生活垃圾熱解處理設(shè)備,并在國內(nèi)應(yīng)用推廣.某環(huán)保設(shè)備公司研制了一種可整體安裝移動(dòng)的一體化微型熱解設(shè)備,可用于處理村鎮(zhèn)垃圾中含量較多的廢塑料、輪胎、橡膠,并將其轉(zhuǎn)化為燃料油、鋼鐵和炭黑,日處理量為1～3t,集裝箱式配置可實(shí)現(xiàn)熱解裝備的多區(qū)域及時(shí)應(yīng)用,在國內(nèi)陜西、山西、內(nèi)蒙古等地區(qū)得到了應(yīng)用.無錫某公司與高校合作研發(fā)的“小型垃圾熱解氣化處理成套裝置”,垃圾日處理量為10～30t,可用于處理村鎮(zhèn)可燃生活垃圾,在實(shí)現(xiàn)煙氣回用供熱的同時(shí)解決了環(huán)境污染問題,在我國四川、云南、廣東、廣西等地區(qū)得到了廣泛工程應(yīng)用.杭州某公司研發(fā)的低溫磁化熱解設(shè)備,日處理量為2t,設(shè)備可24h運(yùn)行,不受地域和氣候影響;占地面積小,操作簡(jiǎn)單,僅需配備一名操作人員,符合村鎮(zhèn)地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行條件.可見在國家大力推進(jìn)鄉(xiāng)村生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)程中,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解設(shè)備也在與時(shí)俱進(jìn)地不斷發(fā)展完善,愈加趨向于適應(yīng)村鎮(zhèn)生活垃圾實(shí)際處理需求的技術(shù)導(dǎo)向,以期在村鎮(zhèn)生活垃圾處理市場(chǎng)中得到更加廣泛的應(yīng)用.

表5 近年來我國開展的村鎮(zhèn)生活垃圾熱解項(xiàng)目

4.3 村鎮(zhèn)生活垃圾熱解處理經(jīng)濟(jì)效益分析

在實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)垃圾“減量化、無害化”處理的基礎(chǔ)上,生活垃圾熱解技術(shù)在村鎮(zhèn)地區(qū)的應(yīng)用發(fā)展,還應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)效益.村鎮(zhèn)生活垃圾熱解項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)成本主要包括三部分[89]:項(xiàng)目前期的投資建設(shè)成本、項(xiàng)目運(yùn)行管理成本以及設(shè)備的折舊費(fèi)用.由于項(xiàng)目為響應(yīng)國家政策號(hào)召的社會(huì)性事業(yè),所以不需要考慮稅收問題[90].村鎮(zhèn)生活垃圾熱解項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收益主要來源于國家財(cái)政補(bǔ)貼和生活垃圾熱解產(chǎn)物的售賣利潤(rùn),同時(shí)由于其就地處置、低污染的處理特性,也節(jié)省了垃圾運(yùn)輸成本以及污染防治成本.

研究人員針對(duì)我國不同村鎮(zhèn)地區(qū)的生活垃圾熱解工程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析(表6),通過計(jì)算不通規(guī)模熱解工程所需的初投資以及運(yùn)行管理和設(shè)備折舊費(fèi)用,確定各個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)投入成本,而后計(jì)算基于特定的經(jīng)濟(jì)回收形式下的項(xiàng)目利潤(rùn),結(jié)合當(dāng)?shù)卣峁┑呢?cái)政補(bǔ)貼,確定項(xiàng)目的投資回收期.綜合看來,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解項(xiàng)目能夠通過技術(shù)化資源利用以及政府的經(jīng)濟(jì)支持,在4～10a內(nèi)完成投資回收,進(jìn)而獲得較為可觀的經(jīng)濟(jì)收益,尤其是熱解發(fā)電項(xiàng)目.

表6 村鎮(zhèn)地區(qū)生活垃圾熱解項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

5 結(jié)論與展望

相比于傳統(tǒng)處理技術(shù),熱解技術(shù)規(guī)模靈活、過程清潔、設(shè)備簡(jiǎn)單且運(yùn)行可靠,在對(duì)村鎮(zhèn)生活垃圾就地?zé)o害化處理的同時(shí),熱解過程產(chǎn)生的油、氣、炭產(chǎn)品也可有效補(bǔ)充村鎮(zhèn)應(yīng)用需求,因此熱解技術(shù)是匹配村鎮(zhèn)生活垃圾處理需求的理想選擇.近年來,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解相關(guān)的科學(xué)研究和科技立項(xiàng)發(fā)展迅速,裝備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)示范都呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì).綜合來看,熱解技術(shù)處理村鎮(zhèn)生活垃圾是政策和經(jīng)濟(jì)的雙導(dǎo)向,有望在我國的中小規(guī)模垃圾處理中占主導(dǎo)地位.

但是目前村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)仍存在一些不足.首先,熱解系統(tǒng)仍需進(jìn)一步優(yōu)化.科學(xué)的垃圾分類在我國村鎮(zhèn)地區(qū)尚未全面實(shí)施,因此亟需研發(fā)與我國村鎮(zhèn)實(shí)際情況相匹配的垃圾預(yù)處理系統(tǒng),以保證熱解反應(yīng)的穩(wěn)定性與熱解產(chǎn)物的品質(zhì).熱解過程需要消耗能量,因此如何優(yōu)化熱解單元,減少外部能源輸入、降低熱解處理成本,是熱解系統(tǒng)面臨的重要問題.其次,熱解產(chǎn)物的應(yīng)用缺乏規(guī)范.雖然垃圾熱解的產(chǎn)物在村鎮(zhèn)條件下都具有一定的應(yīng)用前景,但實(shí)際情況中很難做到成規(guī)模的熱解油提煉、熱解氣凈化發(fā)電以及熱解炭改性提質(zhì).目前小規(guī)模村鎮(zhèn)生活垃圾熱解多傾向于將熱解產(chǎn)物作為能源,直接燃燒供能.因此,產(chǎn)物的規(guī)范化利用以及與之相匹配的工藝調(diào)整機(jī)制,是熱解系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題.

總體來看,村鎮(zhèn)生活垃圾熱解技術(shù)未來的發(fā)展應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面:1)熱解產(chǎn)物因地制宜的多元化應(yīng)用.充分了解項(xiàng)目實(shí)施地垃圾特性以及產(chǎn)物應(yīng)用市場(chǎng),針對(duì)性匹配預(yù)處理工藝、熱解過程控制,以及產(chǎn)物定向提質(zhì)流程.充分利用熱解技術(shù)的靈活性和產(chǎn)物的多樣性,滿足村鎮(zhèn)生活垃圾處理和資源、能源供應(yīng)的實(shí)際需求.2)建立健全村鎮(zhèn)生活垃圾熱解處理及設(shè)備研發(fā)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī).目前垃圾熱解處理仍遵照焚燒的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),二者的技術(shù)差異在一定程度上導(dǎo)致了熱解行業(yè)的亂象叢生,制約了熱解技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.因此需加快制定垃圾熱解氣化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),明確村鎮(zhèn)生活垃圾處理政策,規(guī)范裝備設(shè)計(jì)與市場(chǎng)管理,為熱解技術(shù)的發(fā)展提供有力的政策指引與制度保障.3)新型村鎮(zhèn)生活垃圾熱解裝備研發(fā).匹配村鎮(zhèn)地區(qū)小規(guī)模、低成本、短時(shí)間的垃圾處理需求,以集成裝備的設(shè)備形式進(jìn)入市場(chǎng),通過“入口篩選+熱解減量+煙氣凈化”的技術(shù)鏈條,實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)生活垃圾的標(biāo)準(zhǔn)化處理.此外,還可搭建村鎮(zhèn)生活垃圾處理大數(shù)據(jù)平臺(tái),有效應(yīng)對(duì)各類常規(guī)村鎮(zhèn)生活垃圾以及特殊垃圾處理,建立圍繞市場(chǎng)反饋、系統(tǒng)優(yōu)化、應(yīng)急調(diào)度的村鎮(zhèn)生活垃圾處理新模式,為村鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境治理提供全面保障.

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A review on pyrolysis of rural household garbage.

YAN Bei-bei1,YANG Xue-zhong1,HOU Lin-tong1,MA De-gang1,LI Jian1,SUN Yu-nan2,CHENG Zhan-jun1*,CHEN Guan-yi1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University Tianjin 300072,China；2.School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China).,2022,42(8)：3755～3769

The clean disposal of rural household garbage is crucial to the environmental protection. It contributes a lot to the development of economic and the improvement of people’s livelihood. Meanwhile,clean disposal of rural garbage is also one of the most important tasks for building the ecological civilization and beautiful country. Under this background,the rural household garbage should not only be reduced,but also achieve the resource utilization and energy recovery. In this paper,the production and distribution of Chinese rural household garbage are introduced,and the conventional treating models and technologies are discussed. Pyrolysis is an emerging technology for treating rural household garbage. A comprehensive evaluation on the pyrolysis of rural household technology is conducted with focusing on the process control,production utilization,design of reactor,and research frontier. Some related laws or regulations are introduced,and some demonstration plants are elaborated. Hopefully this paper can provide some insights to the pyrolysis of rural household garbage.

rural household garbage；pyrolysis；technology development；pollution characteristics

X705

A

1000-6923(2022)08-3755-15

2022-01-19

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFD1100305)

* 責(zé)任作者,副教授,zjcheng@tju.edu.cn

顏蓓蓓(1981-),女,教授,研究方向?yàn)楣腆w廢物資源化利用及污染物控制.發(fā)表論文60篇.