0 引 言
随着农村生活水平的不断提高，农村生活垃圾量逐年递增，据估算，目前我国农村生活垃圾年产量已达1亿 t[1-2]。我国国土面积中67%为丘陵[3]，农村居住人口分散、交通不便，生活垃圾处理难度大。
我国生活垃圾治理一般采用填埋和焚烧。填埋存在占地面积大、收集范围有限和垃圾渗滤液处理难等问题[4]。焚烧须配套焚烧发电厂，建设运行成本高，故须有一定规模垃圾量的区域才能维持运营[5-6]。因此针对农村生活垃圾特点，开发出适宜的处理工艺十分紧迫。
低温热解属于缺氧焚烧技术，具有废气产生量少、运维方便、成本低等特点[7-8]。本研究利用“低温热解耦合高压等离子体技术”处理广西农村生活垃圾，探究出稳定、高效的处理工艺，为解决农村生活垃圾污染提供应用示范。
1 工程概况
1.1 处理工艺
本技术应用示范位于广西南宁市镇片区生活垃圾热解站内，覆盖范围为周边30 km2，服务人口约为2万，设计安装规模为2套15 t/d热解碳化设备。本技术处理农村生活垃圾具体流程如图1所示，农村生活垃圾经收集转运至垃圾热解站后，经过工人/机械简单分选，清理出无机垃圾如大块建筑垃圾与其他不利于上料机输送的大件物品，剩余的大部分有机垃圾由螺旋上料机送入垃圾热解炉进行低温热解处理。在有限氧的条件下，逐渐加热到200～650 ℃，有机垃圾转化成热量、炉渣和烟气，其中烟气中主要为高、中分子有机液体(焦油、芳香烃、有机酸)和部分有机气体(CH4等)。高、中分子有机液体通过后端烟气处理系统中碱液喷淋箱的降温、除尘作用脱去；小颗粒烟气与有机气体通过后端烟气处理系统中配备的高压等离子体静电设备处理，该设备利用高压电场产生强氧化物及自由基，可净化烟气中的绝大部分有机物，此时烟气中的污染物已大部分净化完毕；为保险起见，热解产生的烟气需再经活性碳吸附作用，此时排放烟气中的SO2、NO、CO和二噁英等污染物均满足GB 18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》[9]。整套技术工艺系统中，喷淋去除有机液体的喷淋液经过滤后可循环使用，节省部分运行成本和减少二次污染，实现污水零排放。由于热解过程烟气在垃圾层中停留的时间较长，热解过程产生的有机氯离子大部分被吸附在灰渣上，减少了二噁英的产生量。
固废垃圾； 
烟气； 
喷淋碱液。
图1 低温热解耦合高压等离子体技术工艺流程
Fig.1 Flow chart of low temperature pyrolysis coupled high pressure plasma technology
1.2 处理设备工艺结构
整套工艺处理技术设备由5部分组成：螺旋进料系统、低温热解系统、高压等离子体烟气净化系统、电控系统和电动排灰系统。图2所示为螺旋进料系统、低温热解系统、高压等离子体烟气净化系统主要设备结构，具体工艺系统参数如下：
图2 低温热解耦合高压等离子体技术设备结构
Fig.2 Equipment structure process diagram of low temperature pyrolysis coupled high pressure plasma technology
1)螺旋进料系统：主要由无轴螺旋输送机组成，该输送机由驱动装置(电动机及减速装置)、输送螺旋体、U型槽、衬板、盖板、进料口、出料口及支撑架等组成，物料由进料口进入，经螺旋逐渐推至出口。输送结构为25°的倾斜角输送，主要设计参数为：上料电机功率为3 kW，额定电流为6 A，输送长度为5 m，最大输送量为8×10 t/h。
2)低温热解系统：主要包括内热式低温碳化热解炉，热解炉日处理量为15 t。热解炉的主要设计参数如下：出渣机单台功率为2.2 kW，尺寸为φ2420 mm×4780 mm，外壳为12 mmQ235B钢板，内壁衬200 mm厚、1600 ℃高铝耐火层，炉内配置双层可调进风系统、螺旋出灰机、温度探测头和炉体检修门、观察门，表面涂耐腐蚀油漆。
3)电控系统：由供电系统和操控台组成，供电系统包括漏电短路保护器、配电柜、各模块用电设备；操控台可实现电机启/停、温度显示、风量调节等功能，监控并显示设备运行状况。
4)高压等离子体烟气净化系统：主要由碱液喷淋系统和高压等离子体静电系统组成。碱液喷淋系统内置喷淋室，由泵循环抽取弱碱液对烟气进行喷淋，洗涤、脱酸、冷却处理；其主要设计参数如下：单台功率为3 kW，尺寸为3680 mm×1910 mm×2800 mm，外壳为6 mm Q235B钢板，内置无堵塞不锈钢喷头，内外涂耐腐蚀油漆，配置循环水泵(另配备用泵1台)。高压等离子体静电系统采用蜂巢电场结构，在高压静电下可产生低温等离子、自由基及强氧化物，将烟气中的有害物质分解成无害的碳分子和H2O；其主要设计参数如下：单台功率为1.5 kW，尺寸为4800 mm×1780 mm×2400 mm，采用不锈钢外壳，不锈钢电场，配备节能高频高压电源和耐腐蚀阀门。
5)电动排灰系统：由驱动机构链条牵引盛有物料的料斗沿轨道进行水平或倾斜输送，将热解产生的灰渣输出。
2 运行效果和工艺特点
2.1 垃圾热解及烟气处理设备运行参数设定
垃圾热解运行操作方面，垃圾每天进炉次数为3次，首次进量为16 t，第2、3次进量约为5 t，炉内温度控制在160～650 ℃，单套热解系统进气量控制在400～700 m3/h，每运行24 h开启清灰装置进行清灰。烟气净化运行操作方面，喷淋循环水流量控制在12～18 m3/h，将热解烟气最大进口烟尘浓度控制在154～667 mg/m3，烟气处理量范围为344～730 m3/h，处理期间烟气温度控制在65 ℃左右，运行电压为25 kV以下，出口浓度均低于30 mg/m3。
2.2 运行效果
经调查采样分析，本技术应用示范服务的片区垃圾组分如表1所示，其中主要为有机厨余废弃物，其余分别为玻璃灰土、金属、废塑料、废针织品、废纸等废弃的生活用品。垃圾经过简单分选后随即进入热解系统进行热解，但目前传统小型农村生活垃圾热解工艺存在垃圾上料难、热解不均匀和烟气处理效率低、不稳定等多项难题，因此本技术应用示范通过技术改进，完善其运行效果。
表1 农村生活垃圾主要成分
Table 1 Main ingredients of the rural demostic waste %
厨余垃圾玻璃灰土金属废塑料废针织品竹木类废纸5614.50.5811.56.53
由于厨余垃圾与针织品所占比重较大，经分选后的垃圾存在极易缠绕、堵塞的物料和黏性较强的物料，导致进料输送难度大。经工艺改进，进料系统由原传统的履带式输送机改为新型无轴螺旋输送机，该输送机具有输送扭矩大、不易堵塞、不需人工清堵的特点[10-11]，确保了后端热解炉的长期顺畅稳定给料。垃圾通过进料系统进入热解炉后，经升温、干燥、热分解和气化燃烧成为灰渣，此时进气口容易出现灰渣堵塞，导致热解炉热解速度慢，热解不均匀，尤其是节假日过后垃圾量大、湿度高，热解炉极易发生熄灭、燃烧不尽等问题[12-13]。为攻克上述问题，本技术热解炉采用特殊的进气助燃装置，主要由垃圾支撑架和多个中空锥构成，中空锥与进风管相连，其锥顶和表面上揩油贯穿底部的通风口，垃圾难以集聚和堵塞中空锥，运行时空气能顺畅透过锥体的通风孔为垃圾均匀提供O2，使热解均匀快速。
烟气处理方面，通过碱液喷淋系统预处理，烟气中大部分的焦油和飞灰得以去除，但仍存在大量小分子有机物、部分二噁英和烟尘。常规静电除尘器仅是除尘除味，且长期使用过程中会随着电极吸附的污垢增多，使用工况下降[14-15]。本技术烟气深度处理系统利用蜂巢圆筒式电场对电除尘器进行了改良，与板式电场相比，在同等体积下收集面积和电输出功率更大，且配备定期自动清洗污垢功能，保证了烟气处理系统的长期稳定运行。
本技术应用示范建成后已正常运转2年，目前实际平均农村垃圾处理量为26 t/d，垃圾热解站内设置的垃圾临时存放点最大存放量为150 t。运行期间垃圾均获得很好的消纳，未出现垃圾堆滞的现象。经热解处理后灰渣产生率为12%，该灰渣大部分用作建筑材料，少部分运往填埋场填埋处置。垃圾经处理后的各常规污染物检测指标结果如表2所示。
2.3 工艺特点分析
本技术应用示范工艺主要特点如下：
1)垃圾热解充分，烟气处理充分，排放无异味。热解炉炉内温度在250 ℃以下，属于低温缺氧燃烧技术，能有效抑制含二噁英等有毒有害物质的烟气生成。
表2 常规污染物排放检测结果
Table 2 Concentration of conventional pollutant emission
分类值常规排放污染物ρ(烟尘)3.3 mg/m3ρ(SO2)11.7 mg/m3ρ(NOx)0 mg/m3ρ(CO)47.3 mg/m3ρ(HCl)4.6 mg/m3ρ(Hg)3.2×10-5 mg/m3ρ(Cr)8.6×10-6 mg/m3常规排放污染物ρ(Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni)5.7×10-3 mg/m3烟气ρ(二噁英)6×10-4 ng-TEQ/m3灰渣浸出毒性ρ(Pb)0.24 mg/Lρ(Hg)3.9×10-3 mg/Lρ(As)0.0327 mg/L灰渣含水率10%热灼减率3.5%
2)工艺设备操作简单方便。只要经过现场简单培训，即可单独操作使用。
3)垃圾热解量大。每个热解炉每小时可热解垃圾约0.65 t，24 h运行，夜间无需投料。
4)运行成本低。总装机容量为30 kW，上料机和渣机每天使用时间<2 h，实际每小时用电≤10 kW·h，经过第1次点火热解运行后，只需按时添加垃圾即可长期运行，垃圾热解过程中不需要添加辅助燃料。
5)结构简单，设备使用维护费用低，普通技术工人即可维修使用。
3 效益分析
经济效益方面，工程总投资为人民币590万元，其中土建投资为240万元，主要设备和材料投资为287.62万元，设计、运输安装以及调试费为35.5万元，税费为26.88万元。建成后，运营水费为0.2元/t，电费为4元/t，垃圾转运费用为30元/t，人工费用为8元/t，总运营成本为42.2元/t，其中处理站成本仅为12.2元/t，占总运营成本的29%。
环境效益方面，工程稳定运行后，每年按运行300 d计算，生活垃圾年处理量为9900 t，废渣年产生量为1188 t，综合利用量为950 t。与同等处理量的小型焚烧炉相比，每年排放废气产生量为396万m3，其废气排放量仅为10%，其中含SO2、NOx-B、颗粒物等主要污染物量分别为1.08，1.26，1.44 t；主要污染物中，SO2削减量达1.04 t，NOx削减量为1.2 t，颗粒物PM削减量为1.4 t，二噁英排放远远低于GB 18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》。
4 结束论
经2年的工程实际运行效果表明，低温热解耦合高压等离子体处理技术可有效实现农村生活垃圾的无害化与减量化，日处理30 t/d设备每年可处理生活垃圾9900 t，废渣产生率为12%，其中80%的废渣可综合利用；烟气处理方面，热解炉炉内保持在650 ℃以下，能有效抑制含二噁英等有毒有害物质的烟气生成，同时高压等离子体烟气净化系统能有效控制烟气中的二噁英、SO2、NOx-N、颗粒物等主要污染物，排放满足GB 18485—2014[9]。
采用低温热解耦合高压等离子对农村生活垃圾进行处理，运行效果稳定、运维成本低、设备占地面积小、建设周期短、日常维护方便、自动化程度高、易于操作和管理，可充分解决农村生活垃圾垃圾量少、稳定性差及转运难等问题，同时也为未纳入城镇生活垃圾填埋场的垃圾收集范围的偏远小城镇的垃圾处理提供了相应的工程技术支持。
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