作者马润田 致 项友谦先生
清华大学 热能工程系 马润田 丁艳军
摘要：本文叙述了城市垃圾资源化的意义,以及可行性。并介绍了城市垃圾热解的特点;垃圾热解的两种工艺/移动床和循环流化床热解工艺;热解原理和有关的技术参数;产生的可燃气体的成分;以及反应器结构的特点。并简单介绍了垃圾热解的辅助系统/ 气体净化; 原料预处理及控制系统的要点。所产生的可燃气体可作为居民生活燃气和工业窑炉的燃料。 关键词：垃圾 热解
1.前言
城市垃圾主要来自住宅，商店，医院，学校，企业单位及一些公共场所。其主要成分为：厨余、纸张、布屑、树木枝叶、少量金属、玻璃、塑料、陶瓷、废旧家具等。
城市垃圾具有产量大、成分不稳定、分布地区广且有臭味等特点，对环境有严重影响。及时清除和妥善处理城市垃圾是建设优美、整洁和文明的现代化城市必不可少的手段;也是减轻城市污染，保障城市居民生活、工作条件和身体健康的重要措施。
城市垃圾处理的目的是要达到减量化，无害化和资源化。通常经过分选（手选或技术设备分选），回收部分资源后，主要的处理方法是填埋，堆肥，焚烧和热解。以上处理方法各有优缺点,见表1。对于含有高热值可燃物（如废纸，塑料及其他有机物）的垃圾可采用热解方法进行处理，以减少二次污染并达到再生资源的充分利用,再生能源不但可以储存还可以输送.
二十世纪氨苄西林颗粒90年代后期,国内一些大城市的垃圾成分见表2。只有垃圾中的有机物和塑料重量成分达到 70%以上,经过分选破碎等预处理后,才有可能采用热解方法进行处理。在二十世纪80年代,北京和上海垃圾中的有机物分别只有56.2%和45.2%，而到90年代后期则分别达到71.09%和93.69%（见表2注）,可见城市垃圾成分越来越趋于适于采用热解方法进行处理。
表1 垃圾不同处理方法的比较
处 理 方 法 | 优 缺 点 |
堆肥化 | 处理成本低; 发酵过程易产生恶臭 |
填埋 | 处理成本低; 处理垃圾的范围广; 不易到适于填埋的场地; 需要作特殊设计以防产生新的公害,必要时还需作填埋后的维护 |
焚烧 | 处理垃圾的范围广;可产生再生能源; 可达到减量化; 处理成本高; 需设置防止二次污染系统 |
热解 | 可产生再生能源; 可达到减量化; 处理成本高; 处理垃圾的范围窄;需设置防止二次污染系统; 再生能源不但可以储存还可以输送 |
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表 2 国内一些大城市的垃圾成分 (wt %)
| 有 机 物 | 无 机 物 |
城市 | 厨余 | 纸张 | 塑料橡胶 | 纤维 | 合计 | 玻璃 陶瓷 | 金属 | 砖瓦灰渣土 | 其他 | 合计 |
北京 | 39.00 | 18.18 | 10.35 | 3.56 | 71.09 | 13.02 | 2.96 | 10.93 | 2.0 | 29.09 |
上海 | 70.00 | 8.00 | 12.00 | 3.69 | 93.69 | 4.00 | 0.12 | 混凝土模板2.19 | | 6.31 |
南京 | 52.00 | 4.90 | 11.2 | 2.26 | 70.36 | 4.09 | 1.28 | 20.64 | 3.00 | 29.01 |
重庆 | 38.76 | 1.04 | 9.10 | 2.55 | 51.45 | 9.03 | 0.53 | 37.99 | 1.00 | 48.55 |
广州 | 63.00 | 4.80 | 14.10 | 6.40 | 88.3 | 4.00 | 3.90 | 3.80 | | 11.7 |
深圳 | 58.00 | 7.91 | 13.7 | 7.99 | 87.6 | 3.20 | 1.20 | 8.00 | | 12.4 |
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摘自: "城市垃圾处理与管理对策研究" 一文.（环境科学研究 Vol. 13. No. 2）
注: 原表出处只说明是%, 实际应该为 wt %。且有些数值偏高。 作者
⒉ 垃圾资源化过程中的二次污染物
除与通常燃料燃烧和热解时产生类似的有害气体外,还有可能产生有害气体二恶英。二恶英的生成主要有以下原因：
① 拉圾中原有的痕量二恶英；
②垃圾中含有聚氯乙烯（PCB）、氯代苯、等带有氯元素的物质，当燃烧时经过分子的重新排列则生成二恶英；
③ 燃烧时C 、H 、O 、Cl等在飞灰表面通过基元反应可以生成二恶英。
除此之外，还有可能产生HCl 、SO2 等。
二恶英在灰渣、飞灰和烟气中均可能存在,根据垃圾的种类不同分布的比例各异。在燃烧过程中,一般采取高温(>8500C)和延长烟气的停留时间(>2s)来减少二恶英的生成。而在热解过程中对上述条件均可满足，且热解部分无烟尘外排。
二恶英的物理化学性质见表3。
表3 二恶英的物理化学性质
名称 | 分子量 | 熔点 0C | 分解温度 0C | 溶抛光磨头 解 度 (g/L) | 化 学 稳 定 性 |
对二氯苯 | 氯代苯 | 氯仿 | 甲醇 | 水 | 酸 | 智能游戏者碱 | 氧化剂 |
四氯二恶英 2, 3,7,8-T4 CDD | 322 | 305 | >700 | 视频会商1.4 | 0.72 | 0.37 | 0.01 | 7.2/109 | 稳定 | 稳定 | 强氧化剂分解 |
八氯二恶英 O8 CDD | 456 | 130 | >700 | 1.83 | 1.73 | 0.56 | | | 稳定 | 有条件分解 | 稳定 |
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⒊ 热解工艺过程原理
热解技术是在无氧或缺氧条件下，高温加热有机物使其分解,其间使有机物的大分子裂解成为小分子直到变为气体（同时也可能有小分子经聚合变为大分子），从而获得可燃气体以及少量油品的技术。其过程为吸热过程。单纯热解有机物的方法一般是不被采用的。但由于垃圾分解后所剩余固体物（半焦；灰分和无机物）中的可燃物质不多，故不适于进一步气化，而作为燃料处理，从而也进一步减少了二次污染物。与煤炭热解不同，煤炭热解后所剩余的焦炭可作为原料供钢铁厂使用或进一步气化。
对垃圾热解处理的方法，按装备的设置来分可有单器、双器之分。所谓单器装置实际上是热解和燃烧在一个反应器内进行,如图1所示，一般为移动床（也有流化床）。双器为循环流化床，如图2所示, 热解和燃烧在不同反应器内进行。
热解方法较其他处理方法更为复杂，特别是城市垃圾成分的不稳定性，又给热解方法达到稳定生产带来了一定的困难。热解方法目前尚处于开发研究阶段。日本最大的热解反应器日处理垃圾150吨，欧美最大的热解反应器日处理垃圾也在200吨左右。但垃圾热解所回收的能量可以储存和输送。对垃圾成分的适应能力强，热值有波动时也能适应,最重要的是几乎不会造成二次污染。
⒋ 移动床热解工艺
如图1所示，经适当分选后的垃圾经反应器顶部的锁气阀送入器内,由于垃圾的热值低,为了在反应器内能提供足够的热解和气化所需要的热量,需在垃圾内混入适当的煤炭。物料缓慢向下移动，与上升的热气体相遇，经过预热，干燥，热解，而逐渐生成半焦，半焦与上升的烟气和水蒸汽反应后进入燃烧层，在燃烧层中将剩余的碳基本燃尽，所剩余的灰经过灰层用灰盘通过水封被送出器外。
由反应器底部进入的空气和水蒸气经过灰层预热后，逐渐上升，除提供燃烧层所需要的氧气外，与燃烧层的烟气一起也作为气化层的气化剂。气化后的热气体继续上升为物料的热解提供了热源。最终混合的燃气将物料预热并干燥后从出口逸出反应器进入净化系统。
单器热解工艺的特点是，热解；气化和燃烧过程在一个反应器内进行,故其气化效率和热效率低,由于在可燃气体中混有大量的氮气，其热值也不高。垃圾中加入辅助煤量的多少依赖于垃圾的处理量和成分而定。可燃气体的成分和热值也依赖垃圾的成分有较大的变动。
单器热解反应器生成可燃气体的一般成分：
成分 | N2 | H2 | CO | CO2 | CH4 | CnHm | 热值kJ/Nm3 |
体积 % | 43 | 21 | 21 | 12 | 1.8 | 1.2 | ∽6500 |
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所产生的可燃气体含有焦油和其他有害物质，作为冷气体使用时,必须经过冷却净化处理;作为热气体使用时,也可以不经过冷却,直接供工业窑炉作为燃料,这就更进一步减少了造成二次污染的可能性。
5. 循环流化床热解工艺
见图2，该装置由热解器和燃烧器组成。热解器以蒸汽作为流化介质，燃烧器以空气作为流化介质
并兼作为助燃剂。该装置以河砂为热载体，粒径约为0.1─1.5mm,通过输送装置和两器间适当的压差使其在两器之间进行循环。
经过预处理，达到一定粒度的垃圾经供料器进入热解器，被来自燃烧器的热载体快速加热到850℃并迅速热解，热解气体由器顶逸出，进入后处理系统。所剩余的半焦和热载体一起经输送装置进入燃烧器。在燃烧器中,由于所供给的辅助燃料的燃烧使热载体的温度提高到1000℃左右，烟气由器顶逸出进入蒸发器产生蒸汽。
由于燃烧器采取了较高的操作速度（一般>5m/s）,部分热载体被带至气化器顶部经旋风分离器和输送装置进入热解器。如此，周而复始地热载体在两器之间构成循环。热解器连续进料，两器维持一定的料层高度，当燃烧器料层增高时由器底部放料。
正是由于燃烧器需要采取较高的操作速度,如果按照正常流态化燃烧情况设计其结构,势必导致过量的空气系数，对后处理系统不利。因此，在结构设计时要考虑物料输送的因素，提升段的固体物料的重量流量与烟气的重量流量之比不能太小，最好采用密相输送。且两器之间要有足够的料封，以防两器之间蹿气。
热解气可进入后续处理系统进行处理，处理后储存备用，或在热态下直接供给工业窑炉作为燃料。 在热解中物料随着停留时间的延长垃圾的转化率增加，产气量上升，而液态产物减少。由于液态产物的二次分解，会有少量的碳析出，碳又会与水蒸气发生反应，所以只要物料在热解器内有足够的停留时间，所产生半焦的量就不有所变化。
由于垃圾不具有粘结性，与粘结性煤进行混合热解时，垃圾具有破粘结性作用。垃圾与煤的重量比在1.5／1以上时，粘结性煤几乎不出现粘结；当达到1/1时会出现少量的粘结。
垃圾可热解的一般成分如下 (wt %):
有机质(厨余、纸张、纤维) 70%； 塑料 5%； 水分 10%； 无机物 15%
原料的工业分析见表 4。
循环流化床热解工艺参数和产气成分以及两器的热平衡分别见表5，表6和表7。
操作速度和带出速度的选择可参考表8。
表 4 原料的工业分析 (wt %)
挥发分 | 固定碳 | 水分 | 灰分 |
31.5 | 12.0 | 10.0 | 46.5 |
| | | |
注: 统计数据
表 5 循环流化床热解工艺参数和产气成分
项目 | 热解器 | 燃烧器 |
操作速度 m/s | 0.3 | > 5 |
物料停留时间 s | 4 ~ 8 | |
气体停留时间 s | 5 | |
操作温度 ℃ | 850 | 1050 |
垃圾热值 kJ/kg | 4186.0 | |
辅助燃料量(煤) kg/kg(垃圾) | | 0.088 |
物料循环量kg/kg(垃圾) | 10~20 | 10~20 |
消耗 | 蒸汽耗量 kg/kg(垃圾) | 管理农场 0.2 | |
指标 | 空气耗量 kg/kg（垃圾） | | 0.484 |
可 燃 气 体 成 分 V% | H2 CO CH4 C2H4 热值 kJ / Nm3 | 58.1% 10.2% 9.0% 1.86% 13880 | |
产气率Nm3/kg(垃圾) | 0.23 | |
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