城市生活垃圾气化处理技术

Vol.20 No.6科，技通报第20卷第6期Nov. 2004BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOL0GY2004年11月城市生活垃圾气化处理技术徐嘉,严建华,肖刚张加权池涌倪明江(能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室浙江大学热能工程研究所浙江杭州310027 )摘要城市生活垃圾的气化是-种新型的垃圾处理技术,它具有高效的能源利用率和良好的环保特性并且气化和熔融技术相结合以其严格的污染控制、显著的减容性和高效的资源回收率等优点被认为是城市生活垃圾焚烧处理最具有潜力的替代技术.本文综述了城市生活垃圾气化处理技术的原理、工艺流程及其国内外发展现状.列举讨论了固定床、气流床、流化床和回转窑等主要垃圾气化反应器的特点并对影响垃圾气化的重要因素进行了分析.此外本文对废物衍生燃料RDF )的气化以及垃圾气化熔融处理技术也作了介绍.关键词环境工程学城市生活垃圾;气化固体废弃物中图分类号:X705 :TK09文献标识码:A文章编号:1001- 71192004 )06 - 0560- 05Municipal Solid Waste Gasification TechniqueXU Jia , YAN Jian-hua , XIAO Gang , ZHANG Jia-quan , CHI Yong , NI Ming-jiang( Clean Energy & Environment Engineering Key Laboratory of MOE ,The Institute for Thermal Power Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China )Abstract :MSW gasification is a new techmique for waste treatment. It does not cause atmospheric pollution and works at high efi-ciency. The combination of gasification and melting has several oulstanding advantages , such as strict pollution control , noticeablevolume reduction and ffective resource utilzation , and it has attracted attention as the most potential substitution for MSW inciner-ation. In this paper , the basic theory and process of MSW gasification and its developing status have been summarized. The fea-tures of typical gasifcation reactors including fix bed gasifer , flow bed gasifier , fluidized bed gasifier and rotary kiln has been pre-sented. The important factors that influence MSW gasifcation have also been discussed. Moreover , RDF gasification and MSWgasification & melting technique are introduced.Key words environmetal engineering ;MSW gasification imunicipal solid waste垃圾既是污染源,又含有可以再生利用的资源和能0引言源.如何处理这些垃圾已成为世界各国面临的共同问题.随着工业化和城市化进程的加速以及物质消费的日趋上升城市生活垃圾( municipal solid waste ,1城市垃圾气化处理技术MSW急剧增加,从而对生态环境造成沉重的压力.据统计[ 1]我国城市垃圾年产生量以每年8%的速垃圾气化是将垃圾中有机成分(主要是碳)在度递增1999年已达1.4亿吨,仅少数经过无害化还原气氛下与气化剂反应生成燃气( C0 ,CH4 H2处理垃圾围城现象比较普遍二次污染严重.城市等)的过程.一般是通过部分燃烧反应放热提供其收稿日期2003-06-09基金项目国家自然科学基金资助项目( 50076037)第6期徐嘉等.城市生活垃圾气化处理技术561它制气反应的吸热.气化反应的产物为燃气和灰净化装置然后经过-系列机械清洗装置以脱除气分其目标产物为单一的气态燃气.理想情况下燃体中携带的焦炭、微粒、和未反应完的固体颗粒.随气中包含了气化原料中的所有能量.而实际的能量后气体由换热器冷却至燃气轮机或燃气锅炉所要转化率为60% ~ 90%[2].求的温度.气体中的油和焦油通过一个静电除尘器气化处理方法的特点在于可以迅速、大量的处脱除并由一个自备的油/焦油/水分离系统收集.脱理城市生活垃圾在达到无害化、减量化的同时还除的油和焦油被重新送回反应器内分解.燃气最终可生产低热值燃气，从而弥补我国能源的短缺具进入燃气轮机燃烧产生动力带动发电机发电.另有广泛的社会效益、环境效益和经济效益.-种方案是将燃气送入燃气锅炉燃烧产生蒸汽,1.1垃圾气化处理技 术基本原理通过蒸汽机带动发电机发电燃气燃烧后产生的废城市生活垃圾属于固体燃料其元素组成主要气含二氧化硫、-氧化碳、碳氢化合物等通过烟气是C、H和O.此外还包含N、s和其它一些微量元净化装置使这些物质的浓度降到允许的水平.素.对于气化反应而言,由于N、s等元素含量很少,城市生活垃圾(MSW)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/机械分选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--般煤炭低.此外,由于城市生活垃圾废物衍生燃料(RDF)C玻璃口中N、s等元素含量较少这样在热转化过程中由N气化单元和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3].可燃气体在气化过程中主要发生以下反应:填埋气体净化冷却]C+ O2- +CO2 + 393. 8 MJ/kmol2C+ O2-→>2C0 + 231.4 MJ/kmolC+ H20→>C0+ H2- 131.5 MIJ/kmol|燃气锅炉[燃气轮机C+ 2H20-→CO2 + 2H2 - 90.0 M]J/kmol蒸汽烟道排气L 发电机C + CO2-→2C0- 162.4 MIJ/kmolC + 2H2-→CH4 + 74.9 M]J/kmol[蒸汽轮机烟气净化CO+ H20-→CO2+ H2+41.0 MJ/kmol可燃气体主要由吸热反应产生而维持吸热反发电机烟囱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图1采用气化处理技术的垃圾发电厂流程图Fig.1 Flow diagram of MSW power plant based~ 5.04 MJ/m3 )典型组分为10% CO2、20%C0、15%on gasification techniqueH2以及2%CH4其余为N2.发达国家对气化法处理城市垃圾进行了大量1.2城市 生活垃圾气化处理技术现状图1是城市生活垃圾气化发电厂的流程图+1.的研究.Texaco和Shell石油公司研究了加压气化如图所示城市生活垃圾( MSW )经过机械分选除去技术其温度高于900C ,压力大于6 Mpa.SA公司不可燃物质并被破碎为--定粒径大小的颗粒其水(瑞士洛迦诺市)研究了无需分类的气化工艺在德分含量不超过20%.经过处理后的MSW被称为废国兴建了处理量为20/h的废塑料处理厂.西门子物衍生燃料RDF ). RDF由给料装置送入气化反应KWU公司(德国爱尔兰根市)年处理量10万吨的器在高温下(900~ 1200C ) ,RDF经气化反应转化处理厂在1993年投入运行.加拿大瑞威环保公司为气体.气化过程产生的灰渣在反应器底部被收集开发了垃圾控制气氛氧化焚烧技术CAO( Contolled进一个封闭的系统内排渣系统不会产生挥发性的Air Oxidation)广州劲马动力设备公司引进该技术，应用于龙岗区中心城环卫综合处理厂，该处理厂 由562科技通报第20卷区政府投资1亿元，于1999年12月31日投产.汽为两室第一室中垃圾受热,部分气化、部分分解、轮发电机最大负荷可达到6000 kW，日处理垃圾量部分燃烧产生的可燃气进入第二室,再配以空气超过设计能力达到300 t年运转8000h时年处理燃烧. CAO技术的关键在于要使垃圾在第一室长时垃圾10万t.间停留,可燃气在第二室中迅速燃尽.其特点是垃同济大学曾于20世纪80年代末对城市垃圾圾预处理费用低燃烧效率高,可适用于低热值垃流化床气化制气进行了实验室和工艺开发单元(即圾但初期投资较大.广州劲马动力设备集团公司小试阶段的研究并对上海市生活垃圾气化处理引进该技术,制造了国内首台CAO垃圾焚烧法综合利用的前景作了技术经济分析提出了将垃炉12131.圾中的有机物制气和无机物制砖的方案50].浙江1.3.2 气流床大学近年来开展了-系列生物质废物气化的研究,气流床是应用最广泛的炉型.气化反应在整个并设计开发了以煤和生物质为燃料的75t/h循环悬浮段中进行原料与气化介质O2和H20 - -起送流化床燃气-蒸汽- -电气联产工艺系统7].中科院入立式炉膛中在高温高压下停留时间很短,反应广州能源研究所对生物质废弃物气化发电技术进迅速气化强度大.该炉型对燃料的适应性强,可用行了研究开发出1 Mw生物质循环流化床气化发于固体和液体物料,但对固体物料的粒度要求较为电系统8].东南大学对城市生活垃圾循环流化床低严格-般粒径较小.该技术的代表为Texaco. Noeu-温气化和高温熔融焚烧技术进行了研究开发，设计KRC和Babeock Borsig 141].建造了日处理3t的热态试验系统9].昆明理工大1.3.3流化床学也开展了部分垃圾气化熔融技术的研究10 11.流化床炉是一种常见的炉型空气和氧气(或1.3垃圾气化反应器富氧空气都可以作为流化介质.流化床气化炉内目前已经投入商业运行或准商业运行的垃圾温度均匀气固接触良好是一种物料适应性广、高气化反应器主要有固定床、气流床、流化床、回转窑转化率、高气化强度、低能耗的气化工艺.该工艺要等类型.求物料颗粒粒径必须满足良好的气固接触及传热1.3.1 固定床传质,而且为防止结渣，对床温的控制要求较为严固定床气化炉是应用较早的一种炉型最初用格.日本开发出了MSIW双床流化床气化炉.荏原于煤炭处理.固定床气化炉可分为立式和卧式(水( Ebara )在应用大型流化床对垃圾进行气化处理方平式)两种.面取得了成功.此外Krupp Uhde/ Rheinbraumn、Bat-*立式固定床气化炉:该炉型结构简单造价telle. Foster Wheeler、Lurgi及TPS公司也对流化床式低.一般固体物料通过密封料斗从立式炉上部给垃圾气化炉进行了研究14~- 16]入物料在炉内依靠重力下行,氧与水蒸气及物料1.3.4 回转窑并行通过反应器.该炉型的最终产品--般为低热值回转窑也用于垃圾的热解或热分解气化.垃圾的燃气和焦炭但该炉型对垃圾的机械特性较为敏破碎后在外热式回转窑内热分解( 500C),产生的感一般要求物料均匀,诸如通常所说的RDF.同样燃气和飞灰在后继工艺中作行进一步的处理半焦气化介质也可以从下部送入形成逆流式的气固接和不可燃物从回转窑出口排出经冷却后由分离装触.通常此类商业反应器容量最大为14t/h,Lurgi是置进行分离.回转窑气化炉主要用于宽筛分、大颗该类流化床的技术代表,British Gas与Lurgi 共同开粒混合废物,主要生成焦炭(Charcoal).Noeu-KRC、发出处理量300t/h的液态排渣气化炉-BCL型该Technipx Siemens、Pyrolyse Kraftanlagen GmbH( PKA入沉降炉使炉子体积大大减小12].W aste Gas Technology( WGT )和Thide等都开发过此*卧式固定床气化炉:卧式固定床气化炉是类炉型商业运行最大的为6 v/IF 14].最具有广泛商业应用前景的炉型之一.它通 常不被1.4影响垃圾 气化的重要因素称作气化炉,而是称作控制气氛氧化/燃烧炉为了保证垃圾气化处理过程能够正常进行,一( CAC/CA0 ,Control Air Combustor/Oxidation )或热分些影响气化反应和气化系统的重要因素应当予以解燃烧炉( Pyrolytic Combustor ) 13].加拿大瑞威环保注意17]:第6期徐嘉等.城市生活垃圾气化处理技术563小对于确保其在气化炉内均匀流动、不发生阻塞十生燃料RDF).成型工艺可使垃圾的能量密度提高分重要.此外垃圾原料的粒径大小也应保证固体近4倍高达14.7~21 MJ/kg 18]接近煤的热值从颗粒间的热量传递能够充分进行.理想情况是固体而可大大提高垃圾的气化性能.此外通过在成型颗粒具有较大的表面积和较轻的质量.但是颗粒过程中加入添加剂可以达到炉内脱除污染物(SOx越小就越容易产生粉尘,从而使产生的燃气中粉尘和HCI等)的目的.经过分选垃圾中的不可燃物如携带量增加对气体净化造成负担.玻璃、陶瓷、废金属等也可以回收利用，以满足垃圾2)垃圾原料的含水量:随着垃圾中水分含量资源化利用的要求.意大利Greve-in-Chianti建造有的增加干燥所需的热量也不断增加从而使气化采用瑞典TPS公司技术的垃圾RDF气化示范工的热效率降低.在实际应用中,水分含量应控制在程,日处理RDF200t其气化系统为两个循环流化10% ~ 20% .在气化反应中水分为氢'气的产生提供床气化炉产生的低热值燃气提供给-个燃气锅炉氢原子.对于含水量通常在50%左右的城市生活垃用以生产蒸汽来带动汽轮机发电[16].目前,由中国圾应进行一定的干燥.对过于干燥的气化原料应喷科学院广州能源研究所与日本名古屋大学、丰田汽射蒸汽使其湿润.车公司共同完成的废物衍生燃料(RDF)中试热态3)垃圾原料中的灰分:垃圾中灰分的含量以试验装置已在广州建成,经试运行效果良好.根据及灰分的化学组成对于气化过程都非常重要.灰分美国ASTMK American Society for Testing and Materials )的化学组成直接影响其在高温环境下的表现.比如对RDF所做的分类定义,RDF 可以分为7类,如表熔化的灰渣会在气化炉内造成积灰和结渣从而会1所示.考虑到RDF制备的成本,根据我国的国情阻塞排渣也可能造成严重的系统故障.可采用RDF-3.4 )垃圾原料中的挥发分:在受热过程中垃圾表1 RDF分类原料分解为挥发性气体和焦炭.与煤相比垃圾的Table 1 Cassifcation of RDF挥发分含量较高(将近80% ).类别性状说明5)垃圾原料的热值:垃圾的热值随时间和地RDF-1分离除 去粗大垃圾的一般垃圾疏松RDF点的不同有比较大的差别.垃圾热值的高低是衡量RDF-2.95%是方形、约1Scm的细粒度疏松RDF垃圾中有机可燃物含量的一个重要标志.它不仅是RDF-395%是方形、约15cm的细粒度RDF分离决定垃圾是否以可用热处理方法进行处置的前提,金属类、玻璃类也是垃圾处理装置设计及运行的依据.95%是通过10号筛孔的粉末RDF分离金粉状RDFRDF-4属类、玻璃类6)垃圾的组分:对于城市生活垃圾的气化而RDF-5颗粒状 方形、成型RDF成型RDF言，气化原料的组分是一个十分关键的因素,它直RDF-6 液体RDF接影响所生产的燃气的成分以及气化过程中产生RDF-7气体RDF的灰渣的数量和类型.组分均- -的气化原料可以使产生的可燃气体的成分保持稳定,从而有利于燃气2城市垃圾气化熔融处理技术的使用.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.垃圾气化熔融处理技术是近几年在德国、日1.5废物衍生 燃料RDF )的气化本、美国等发达国家兴起的,目的是为了解决城市我国城市生活垃圾未实行分装是-种低品位生活垃圾处理过程中产生的二恶英、重金属等有害燃料,主要表现为水分高、灰分高、热值低、有机物物质的污染问题.气化熔融技术主要包括气化和熔含量相对较低、成分波动较大，这使得我国垃圾气融两个阶段.首先垃圾在500 ~ 900C的温度下气化处理具有一定难度.垃圾气化产气热值低,直接化产生可燃气体而飞灰和底渣在1300C以上的用垃圾进行气化制取燃气经济性不高.含氯和硫的高温下熔融彻底分解其表面的二恶英高挥发点废弃物热解\气化时易产生酸性物质如HCl ,SOx的重金属被固化在熔渣中低挥发点的重金属-部等对设备造成腐蚀或带来污染.为了改善垃圾的分转移到熔渣中,-部分发生气化现象转移到熔融热处理性能，可以将垃圾通过分选、干燥、破碎、成飞灰和废气中再通过后续工艺进行进一步处理，科技通报第20卷在一个设备中全部完成,即直接气化熔融技术，,也[2] Eden R. The gasification of domestic waste for energy recovery and可以在两个相联的系统中分别进行，如气化熔融发waste minimization[ Z]. Organics Ltd. ,2001 .电技术、气化熔融生成产品气技术等.气化熔融技[3]喻霞魏敦崧.生物质固定床气化过程的研究[」]煤气与热力,2000 ,20(4):243 - 246.术在各发达国家的发展势头迅猛德国是研究开发[4] Sudhir Kumar. Technology options for mumicipal solid waste-to-enery气化熔融技术的主要国家西门子公司开发的日处project[ J ] TERI Infomation Monitor on Environmental Scienc理量480t的系统，已于1997年春投入商业试运2000,<1)1-11.行.日本的垃圾处理模式已逐渐从单纯采用常规废[5]吴家正闻望王宝生,等,城市生活垃圾原料性质对干馏及气化过程的影响[J]同济大学学报, 1989, 17( 1):113 -弃物处理的炉排和流化床焚烧炉向更高环保要求22.发展,可选的方案一般是采用气化+飞灰熔融的模[6]闻望魏敦松庄永茂.城市垃圾气化制气的研究J]煤气式并对医疗垃圾等危险废物在气化+飞灰熔融基与热力，1992 ,124):4- 10.础上增设了炉渣等离子体熔融装置.目前日本从事[7]岑可法方梦祥骆仲泱等. Research on rice hull gifation gas气化熔融技术开发的厂家已经超过20家,日本钢steam cogeneration using a circulation fluidized bed[ A] In : Rubow铁公司( NKK )荏原公司( Ebara)日本神户钢铁公LN.12th Int. Conft. on FBC[ C]. San Diego : ASME Press , 1993.97.司等在气化熔融技术开发方面都取得了相当满意[8]吴创之阴秀丽.固体生物质废弃物气化发电技术R]第四的成果.瑞土热选公司的气化熔融处理工艺已成功届环境保护技术及装备学术年会, 郑州, 1999应用于德国西南部的Karlsruhe处理量为30t/h产[9]肖睿金保升蓝计香等第二代城市生活垃圾焚烧炉-气的低位发热量为12 MJ/kg,二恶英排放量低于气化熔融炖[J]工业炉2000 224)39-44.[10]王华何方,马文会等，二恶英零排放化生活垃圾直接0.002 ng/Nm 19 20].气化熔融焚烧技术J]工业加热, 2001(2):6-10.就我国城市生活垃圾处理而言引进国外的设[11]王华.城市生活垃圾气化熔融焚烧技术[J]能源工程,备不仅费用昂贵而且由于垃圾成分的差异往往难200X(5):21 - 24. .以达到预期的效果，因此应立足于我国城市垃圾的[12] Fukui M , Manushima H. Kawatesu themmoselect waste gasifying and特点以及我国的经济能力研究开发符合我国国情meling process process and operation data[ A] In : Proeeding of的气化熔融处理技术.浙江大学对垃圾焚烧飞灰的ICIPEC[ C] Seoul , Korea 2000. 101 - 107.熔融处理进行了系统机理研究并在此基础上结合[13] 杨庆昌罗宇光.热解型CAO垃圾焚烧发电系统J]冶金环境保护, 1999 5):111- 113.气化概念详尽论证了气化熔融技术在我国应用的[ 14] Schwager Joe , Whiting Kevin , Heermnann Caudia. Pyrolysis & gasi-技术上和经济上的可行性，从而为城市垃圾中无机fication of waste : A worldwide Technology & Business Review , Vol,成分处理技术和垃圾气化熔融处理技术的工程应2 , Technologies & Proesses [ M ]. Juniper Consultancy Services用打下坚实的基础.目前浙江大学正着手进行城Ld 2000.[ 15] Morris M , Waldheim L. Energy recovery from solid waste fuels using市生活垃圾流化床气化熔融的实验研究.advanced gasification technology [ J ]. Waste Management, 1998( 18):557 -564.3结论[16] Barducci G, Ulivieri P ,Pike DC.et al . The Greve-in-Chiantiproject[J] Renewable Enery . 19916): 1041 - 1044.城市生活垃圾的气化是一种新型的垃圾处理[17 ] Shin-ichi Sakai , Masakatsu Hiraoka. Municipal solid waste inciner-技术.与常规的垃圾处理方法相比,气化处理技术ator residue recycling by thermal processes [ J ]. Waste Manage-ment ,2000 20):249 - 258.具有高效的能源利用率和良好的环保特性,而且气[18]武晓莉胡满银胡志光.垃圾焚烧发电新技术及其发展动化与熔融处理技术的结合使得在对垃圾的有机成向J]电力情报, 200(2):15- 19.分加以利用的同时,可以对无机成分进行稳定化无[ 19] Bend Calanminus , Stahlberg R. Continuous in-line gasification/vit-害化处理和资源化利用，从而根本上解决了二恶英rification process for thermnal waste treatment : process technology and和重金属等二次污染问题有着广阔的发展前景.current satus of projects[J ] Waste Management , 1998( 18 ):547[20] Roland Schubet , Rudi Salber. 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