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垃圾气化炉之农村垃圾气化处理与能源利用技术

作者:admin 发布于:2015-08-11 23:19 点击量:
   
上吸式固定床垃圾气化炉处理农村垃圾示范项目介绍
             
 
1、概述
1.1 中国农村垃圾现状
近年来,我国农民的生活水平不断提高,可生活环境不容乐观,突出表现在农村垃圾越积越多和无法处理,尤其是近年来农村垃圾还出现了毒害化的新趋势。以前的农村垃圾主要是一些易腐烂的菜叶瓜皮,现在变成了塑料袋、废电池、农用膜、农药瓶等有毒有害物质的混合体。随着农村养殖业的发展,批量产生的禽畜粪便及宰杀后的废弃物也成了有害垃圾,对环境造成极大危害。农村生活垃圾已成为新农村建设的软肋,已引起政府部门的重视和全体国民的高度关注。改革开放三十年以来我国很多农村地区的垃圾基本上处于失控状态,做得好的也只是找个地方或挖个坑填埋起来,大部分农村居民将垃圾散落在屋前屋后、道路旁、山沟里、河道两边、水塘边上、树林内、山坡上等。

1.2农村生活垃圾种类
农村垃圾可分为六大类:可回收垃圾、农林废弃物、厨余垃圾、有害垃圾、废旧有机垃圾、可填埋垃圾。目前常用的处理方法主要有:综合利用、卫生填埋、焚烧和堆肥。可回收垃圾包括纸类、金属、塑料、玻璃等,通过综合处理回收利用可以减少污染和节省资源。每回收1吨废纸可造好纸850公斤,节省木材300公斤,比等量生产减少污染74%;每回收1吨塑料饮料瓶可获得0.7吨二级原料;每回收1吨废钢铁可炼好钢0.9吨,比用矿石冶炼节约成本47%,减少空气污染75%,减少97%的水污染和固体废物。农林废弃物包括农作物秸秆、树叶、树枝、废旧木材、禽兽粪便等。厨房垃圾包括:剩菜、剩饭、骨头、菜根、菜叶等食品类废物,经生物技术就地处理堆肥,每吨可生产0.3吨有机肥料。有害垃圾包括:废电池、废日光灯管、废水银温度计、过期药品等,这些垃圾需要特殊安全处理。废旧有机垃圾包括:废旧塑料制品、塑料薄膜、包装袋、废旧橡胶制品、弄脏的废旧纸张、卫生间废纸等含有机物为主的垃圾,这部分垃圾由于使用过程中破损和污染等原因很难回收再利用,基本上没有利用价值,不能简单填埋处理,更不能简单焚烧处理,这是整个生活垃圾中处理难度最大的部分之一,且数量巨大。可填埋垃圾包括除上述几类垃圾之外的砖瓦、陶瓷、渣土、沙石等难以回收的废弃物,采取卫生填埋可有效减少对地下水、地表水、土壤及空气的污染。

1.3 农村生活垃圾处理技术现状
目前,中国农村垃圾处理方法主要有填埋、焚烧、堆肥,其中以填埋方法为主,焚烧技术也正在得到快速推广。
1.3.1 垃圾填埋
填埋处理垃圾是目前中国农村垃圾处理的主要方法,填埋地点的选择有:小水塘、山沟、挖坑等。
图1 利用水塘填埋农村垃圾
1.3.2 垃圾堆肥
堆肥方法只能处理垃圾中的一部分,如果皮、菜渣、厨余、秸秆、树叶等,生活垃圾堆肥在我国农村具有悠久历史。堆肥技术大致可分为简易堆肥和好氧堆肥两类:①简易堆肥工程规模小、机械化程度低、主要采用静态发酵工艺、环保措施不齐全、投资及运行费用较低,简易高温堆肥技术在农村应用较多;②好氧堆肥工程规模较大,一般采用动态或半动态好氧发酵工艺,有较齐全的环保措施,投资及运行费用均高于简易高温堆肥技术。
1.3.3 垃圾焚烧
焚烧方法处理垃圾正在中国农村得到普及。
         
          
图2  湖南部分农村每家每户配送一个简易垃圾焚烧桶,让农民自行焚烧垃圾
 
1.4 堆肥法、填埋法、焚烧法处理农村垃圾存在的问题
利用堆肥、填埋、焚烧方法处理生活垃圾,是政府不得已而采取的措施,以下对三种方法存在的问题进行分析。
1.4.1 堆肥
堆肥方法只能处理农村生活垃圾中的非塑料有机成分,而目前农村垃圾对环境影响最大的就是垃圾中的废旧塑料,因此,堆肥方法本身就存在固有缺陷,而且,垃圾堆肥获得的有机肥市场价值不高,也影响了本方法的推广应用。
1.4.2 填埋
填埋方法处理生活垃圾本质来说是完全没有处理,将垃圾找一个地方填埋起来,与散落在地上相比同样没有减量,只是换了一种存放的形式而已,迟早会造成污染,有可能暂时对环境的污染被控制得小一些,但对环境的长期影响是一样的。最好的填埋方法最多也只有美观的效果,但它对土地资源的占用同样是很大的,这也是为什么各级政府更愿意提倡焚烧方法处理垃圾的原因。
1.4.3 焚烧
焚烧方法处理生活垃圾正在中国农村得到大力推广,据说“焚烧技术水平”越来越高,这是一个相比较于填埋方法处理垃圾更危险的做法。垃圾焚烧会产生二噁英,垃圾焚烧烟气中会产生超过1500~5000纳克/M3的二噁英,焚烧后产生的灰渣中也含有大量的二噁英。从我们调查的情况来看,目前农村焚烧垃圾的情况更糟。垃圾焚烧炉的制造商宣传自己的垃圾焚烧炉对烟气进行了处理,垃圾焚烧完全是无害的,这是地地道道的谎言。农村使用的垃圾焚烧炉最多只是将烟气用水过滤一下,看起来做了环保处理,根本不能对烟气中二噁英等有害有毒物质造成破坏!因此,所谓的“无害化处理”,只是将看得见的烟尘隐藏在产生的污水中而已。
        
图3 湖南部分地方每个村集中建一个垃圾焚烧炉
(该图片于2012年11月在湖南湘乡双托村现场拍摄,该焚烧炉使用一个月后便停止使用) 

垃圾焚烧方法严重浪费垃圾内含资源,因为焚烧时必须混加助燃燃料浪费能源,将垃圾内的高热值物质统统烧掉也是个极大的浪费,况且焚烧后的残渣需二次处理。
据文献报道,每吨垃圾焚烧后会产生大约5000立方米废气和10%~50%的灰渣。垃圾焚烧后只是把部分污染物由固态转化成气态,其重量和总体积未减少。焚烧炉排放的尾气中含有上百种污染物组成极其复杂,最好的焚烧设备在正常运转情况下也会释放出数十种有害物质,仅通过过滤、水洗和吸附是很难全部净化的,尤其是二噁英类污染物,属于公认的一级致癌物,即使很微量也能在体内长期蓄积,它对人体的破坏至今无法规定出作用阈值。二噁英在日本威胁甚大,据权威机构调查分析,日本人血液中二噁英的浓度与垃圾焚烧厂的距离成正比,这与该国大量采用焚烧的方法处理垃圾和处理二噁英不当有关。焚烧灰烬中的有毒有害物质更多也更难处理。然而,焚烧给人们造成的假象就在于所转换成的废气被排放到高空大气中远离而去,其实大部分有毒有机物和重金属迟早还会回到你的身边。
近年来,一股股反垃圾焚烧的维权风波在全球范围内熊熊燃烧且越烧越旺。就连制订欧盟标准的欧洲国家也已进行反思,纷纷关闭焚烧炉并颁布禁烧令。目前有超过15个国家和地区通过了对焚烧垃圾的部分禁令,新的垃圾焚烧炉在欧洲几乎没有市场。德国、荷兰、比利时等使用焚化炉最多最早的发达国家早已相继颁布了“焚化炉禁建令”。垃圾焚烧方法在中国农村的迅速推广,原因是多方面的,最主要原因是垃圾处理压力太大。农村垃圾处理的常用方法是掩埋,但现在掩埋方法已经行不通,掩埋无法满足日益增加的垃圾处理需求,随着垃圾的增加,垃圾问题日益成为农村发展中的重大问题,严重影响农村形象和农村生态环境。而垃圾焚烧可以快速处理堆积成山的垃圾,减小垃圾的体积,将垃圾变成气体,升入空中,令人视而不见,政府可以创造政绩,掩盖问题真相。但是,就连广州李坑垃圾焚烧发电厂处理二噁英的装置就投入1亿多元人民币,但周边居民的身体状况并不乐观!

1.5 农村生活垃圾处理技术的发展趋势
垃圾处理关键在源头,垃圾资源化才是农村垃圾处理的根本出路,解决农村垃圾的最佳方法不是焚烧而是综合利用,垃圾中蕴含着巨大资源,不能一烧了之。垃圾填埋也好焚烧也罢,都不是解决垃圾问题的最佳方法!生物质气化技术将成为农村垃圾处理技术的主流。

 2、农村垃圾气化处理技术介绍
2.1 生物质气化原理
⑴生物质气化是在一定的热力学条件下,将组成生物质的碳氢化合物转化为含CO、H2、CH4等可燃气体的过程,此过程实质是生物质中的碳、氢、氧等元素的原子,在反应条件下按照化学键的成键原理,变成CO、H2、CH4等可燃性气体的分子。这样生物质中的大部分能量就转移到这些气体中,这一生物质的气化过程的实现是通过气化反应装置完成的。为了提供反应的热力学条件,气化过程需要供给空气或氧气,使原料发生部分燃烧。气化过程和常见的燃烧过程的区别是燃烧过程中供给充足的氧气,使原料充分燃烧,目的是直接获取热量,燃烧后的产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的气体;气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气,而尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中,气化后的产物是含CO、H2、CH4和低分子烃类的可燃气体。
生物质气化包括干燥、热解、氧化和还原反应。以空气为气化介质意味着同时加入氧气和氮气。因为氮气不参加反应,反应后留在燃气中冲淡了可燃成分,所以以空气为介质的气化只能得到低发热值的燃气,发热值一般在4~6MJ/m3(约1100大卡左右),属于低热值燃气。
氧化反应实质上是放热反应,其作用是提供干燥过程、热解过程和还原过程所需要的足够热量。氧化层的反应主要是碳和空气的两相反应,在气化炉中,实际燃烧温度大于1500度。还原反应实质上是吸热反应,温度越高越剧烈,其反应过程是燃烧后的水蒸气和二氧化碳反应生成氢和CO,从而完成了有机物原料向气体燃料的转变。
在上述反应中,氧化反应和还原反应之间存在着自平衡机制,当燃烧反应强烈时,释放出较多的热量,提高了反应区温度,加快了吸热的气化反应速率。同时强烈的燃烧产生较多的CO2和水蒸气,还原时则需要吸取较多的热量,从而使离开还原区的气体成分及温度基本稳定。
 
\                            图4 生物质气化原理图
 
热解是高分子有机物在高温下吸热而发生的不可逆裂解过程,大分子碳氢化合物的结构链被打碎,析出挥发分,剩余的焦炭构成进一步反应的床层。热解反应一般在温度高于250℃时开始进行,在温度较高时,有机物的热解产物是非常复杂的混合气体,它含有数百种碳氢化合物。这些碳氢化合物有的在常温下冷凝形成焦油,有的是不冷凝气体,可以直接作为气体燃料使用,其发热量可达到15MJ/m3。热解是个复杂的化学反应过程,在不同的反应路线下可得到不同的产物,有机物气化的目的是得到可燃性气体,无需过多考虑中间反应过程,但由于在热解反应中产生的焦油会影响燃气使用,所以需要抑制其产生并通过净化系统处理。
值得注意的是,由于气化过程中热解层的的无氧性(气化炉只提供氧化反应所需要的那一部分氧气),热解层不会产生二恶英,而氧化层和还原层由于其极高的温度(超过700℃)也不可能产生二恶英,干燥层由于其低于250℃也不可能产生二恶英,因此气化反应基本上不会有二恶英的产生,中国环保部的检测结果也证明了这一结论(垃圾气化燃气燃烧产生的尾气不加处理其二恶英的含量仅为0.035纳克左右)。
2.2 农村垃圾气化处理工艺
农村垃圾气化处理工艺可简单表示如下:
 
 
 
 
 
 
 
 
 

注:农村垃圾气化处理工艺说明
生物质气化炉对气化物料有一些基本要求,即混合物含水率不高于20%(部分物料含水率可高于30%,甚至达到50%),物料不宜过长过大,混合物中单个的长度不超过300mm,体积不宜超过0.001m3,混合物中废旧塑料比例不超过50%。
⑵垃圾中的可回收物宜采用回收处理。
⑶气化产生的灰渣一般采用卫生填埋处理,如果是农林废弃物为主的混合物料气化产生的灰渣,可作为有机肥使用。
⑷气化产生的燃气即时采用燃烧机燃烧,产生热能可用于烧锅炉、农村中小学食堂炒菜用,也可用于农村居民取暖、烧水、炒菜等用途,但必须对烟气排放进行严格控制,加装排尾气管,并配套烟气处理器防止污染室内空气。
⑸垃圾中的砖、石、灰、土、玻璃等无机物无热值,应从垃圾中分离出来,进行卫生填埋,不可进入气化炉。
⑹用户必须严格按农村垃圾气化炉操作规程进行操作使用。

2.3农村垃圾气化处理装置
                      

                     图8 小型垃圾气化处理装置                                               图9 小型垃圾气化炉

 
图10:大型垃圾气化炉
 
2.4农村垃圾气化处理装置效果图
     
图11 小型垃圾气化炉燃烧效果图                             图12 中型垃圾气化炉燃烧效果图
         
图13 中型垃圾气化炉燃烧效果图


图14大型垃圾气化炉燃烧效果图

图15 大型垃圾气化炉垃圾处理及热能利用锅炉
 

图16 中型垃圾气化炉垃圾处理及热能利用设备

3、农村垃圾气化处理技术的主要创新点
3.1 农村垃圾气化处理技术的主要创新点
垃圾气化处理技术缘于生物质气化技术原理,但如果用于垃圾处理,必须在原理、结构、工艺、产品上均有所创新,才能使得本技术能有效地处理农村垃圾:
①突破原有生物质气化原理所要求的物料范围。生物质气化包括氧化、还原、裂解、干燥等的综合过程,其核心是氧化还原反应,特别是要保证还原反应能顺利进行,才能获得优质燃气。还原反应需要单质C作为还原剂,因此,单纯的以塑料为主的垃圾不一定能满足气化反应的条件,必须添加农林废弃物等生物质物料作为混合物。生物质气化对物料的湿度要求较高,但通过混合,物料中某些部分可以有较高的湿度,甚至有较多的油份。因此,垃圾气化处理突破了原有生物质气化原理所要求的物料范围。
②燃气导出技术的突破。上吸式气化炉从上至可分为干燥层、裂解层、还原层、氧化层,传统上吸式气化炉简单地从顶部干燥层上面获取燃气,因此燃气中焦油和水蒸汽含量较高。在上吸式气化炉的不同位置,导出的燃气成分是不一样的,燃气中焦油含量呈现从上至下趋低,至氧化层位置基本上没有焦油;燃气中CO2含量呈现从上至下趋高,至氧化层位置含量超过20%,CO含量呈现从上至下趋低,至氧化层位置含量低于10%,导致燃气的热值大大降低而没有利用价值。因此,在上吸式气化炉的不同位置导出燃气(称为燃气中导技术),燃气质量大不相同,燃气中导技术有助于获得焦油、CO2和灰尘含量较低、CO和H2含量较高的混合燃气,这也是对原有气化原理一个较大的突破。燃气中导技术还有助于提高燃气质量的稳定性。
③焦油处理问题的突破。上吸式气化炉受困最大的问题是燃气中的焦油问题,焦油会堵塞管道和污染环境。传统的焦油处理是通过冷凝和吸附等方法降低燃气中的焦油含量,焦油处理效果的好坏决定于投入的成本,好的处理效果意味着焦油处理装备的成本甚至远高于气化炉本身,因此这并不能从根本上解决焦油问题。其实如果换一角度来看问题的话,问题马上获得解决:生物质气化产生的焦油是一种油,热值很高,在160度以上以汽态形式出现,为会污染环境和堵塞管道,因此,如果尽量缩小燃气管道的长度,增加其直径,保温以保持燃气较高的温度导入至一种适合的燃烧设备,将焦油与燃气中的CO和H2一起充分燃烧掉,还能增加热能,焦油问题自然得到解决。
烟气是否
污染环境
再好的经过改进的垃圾焚烧炉,在燃烧过程的起始阶段也会冒浓烟,对环境造成严重污染。 通过增加烟气助烧设备,垃圾气化过程的起始阶段也不会冒烟,因而不会对环境造成污染。
垃圾处理过程
是否有气味
垃圾焚烧过程中间会有难闻的气味,烟气常规排放不可能完全达标。 垃圾气化过程中间不会有难闻的气味,烟气常规排放基本达标(少量指标如SO2排放有时不能达标,缘于垃圾中含有含S量较高的橡胶和塑料等物质)。
尾气二恶英
是否超标
垃圾焚烧产生的尾气中二恶英超标100倍以上。 垃圾气化燃气燃烧产生的尾气中二恶英含量远低于垃圾焚烧,低于10%以下。
是否用助燃剂 垃圾焚烧过程要用木材或秸秆进行助燃,比较高级的垃圾焚烧炉用柴油或电助燃,这是一种对资源的浪费。 垃圾气化过程只要添加适量的农林废弃物,不用油,能有效节约资源。
灰渣是否
含二恶英
垃圾焚烧后产生的灰渣中含大量的二恶英。 垃圾气化后产生的灰渣中不含二恶英。
能否调动群众
参与的积极性
由于垃圾焚烧法没有有效利用其中的能源资源,村民“无利可图”,因此影响村民参与的积极性。 由于垃圾气化法能有效利用其中的能源资源,村民“有利可图”,因此会得到村民的积极参与。
从上面的对比分析可知,垃圾气化技术是一种远优于垃圾焚烧的技术。
 
4、结论
农村垃圾气化处理与能源利用技术能有效处理农村的生活垃圾,可防止在处理过程中产生二次污染,并能充分利用燃气燃烧产生的热能。由于中国农村住户分散,垃圾的集中处理比较困难,因此垃圾就地气化处理与能源利用技术由于其设备轻便、便于运输、结构简单、维修方便、不占地方,很适合中国国情,值得推广。

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