0 引 言
随着国民经济的快速发展，生活垃圾的产生量越来越大。目前，我国生活垃圾处理方式还是以填埋为主[1]，约占总处理量的70%以上[2]。但是，焚烧处理已日渐成为我国城市生活垃圾处理的一种主要方法，但焚烧处理设备在实践过程中具有投资大、运行成本高等特点，更适用于大中城市生活垃圾处理，一般投资规模较大，由于是过氧燃烧,其过程中易生成二噁英[3]，且烟气中含有较多的飞灰，易对环境造成二次污染[4]，因此后续尾气处理工序复杂。
热解气化技术作为一种绝氧或缺氧燃烧技术，可明显降低二噁英的生成量[5]，并减少飞灰排放量，同时具有投资低的优势，成为一般城镇生活垃圾处理的一种重要技术[6]。热解气化炉主要在农村秸秆、农业废弃物、干化污泥以及生活垃圾等领域推广应用，但该工艺在国内尚未有大规模的成功运行经验。为此，本文介绍了河北省秦皇岛市某县生活垃圾处理工程设计，以期为生活垃圾热解气化技术在生活垃圾热解气化的工程应用提供有用参考。
1 项目概况
本工程处理对象为河北省某县城乡一体化垃圾收运体系收集的城镇生活垃圾，其成分预测分析见表1。
表1 城市生活垃圾成分预测分析
Table 1 Prediction and analysis of urban waste
种类可气化物不可气化物其他可燃物厨余垃圾无机物渣土磁性金属玻璃灯管电池陶瓷等质量分数/%37.4532.030.00.050.5
注：干态数据，可燃物包括纸张类、塑料类、橡胶类、泡沫类、草木类；厨余垃圾是指厨房菜叶、果皮、蛋壳、茶渣、骨、贝壳等。
本工程设计总处理规模为400 t/d。热解气化系统气化生产线产能为22万 m3/d，新建1套旋转窑烧结制砖系统，产能为25万标砖/d。热解气化可燃气体可为烧砖和生活垃圾烘干热风炉供能，年工作时长为330 d。
2 垃圾处理系统概述
本工程建设内容包含垃圾前处理系统、垃圾热解气化系统、热解气净化系统、焦油回收利用、制砖系统及配套设施建设，其核心工艺技术为热解气化工艺。生活垃圾先经过人工分选、除铁、干燥等处理后[7]，进入热解气化炉产生可燃气体；净化后的可燃气体用作制砖燃料；少量垃圾渗沥液经处理装置净化后与炉渣经处理后可掺入页岩、矸石等用作制砖原料。人工分拣出的少量电池、灯管等，属于危险废物,交由具有危废处置资质的企业处置，不属于危险废物的运至当地垃圾填埋场填埋处理。最终达成生活垃圾的减量化、资源化、无害化要求，总体工艺流程如图1所示。
图1 处理工艺流程
Figure 1 Process flow chart of the project
进场垃圾车经过地磅称重后，将垃圾直接卸料在原生垃圾受料斗中，原生垃圾由板式给料机送料，尾端拨料滚筒将垃圾均匀布料于链式输送带上。之后，垃圾首先进入人工分拣平台进行大件分选，分拣出的少量大件砖石、瓷器、玻璃、木器、被服等物料，经人工破碎后，不可气化物作为制砖原料，可气化物送垃圾料仓。原生垃圾根据需要进入烘干滚筒烘干处理后进入储料仓备用。
干燥后的储料仓垃圾，根据需要由抓斗上料至热解气化炉进料口，并经液压机构压入炉内。热解气化装置对物料进行干燥、热解、碳化和气化处理。热解气化获得的可燃气体(主要成分有CO、H2、CmHn、焦油、飞尘和少量的HCl、SO2、H2S等)，经净化设备进行降温、除尘、脱酸、增压、干燥、脱焦油处理后，为砖窑烧结砖坯提供部分燃料，还用作干燥垃圾。热解气化回收的液态产物主要为焦油，作为副产品回收处理；固态产物主要为炉渣，并入烧结制砖车间作为制砖原料。
制砖系统原料来源除本项目垃圾人工分选后的渣土、垃圾热解气化后产生的炉渣以外，需添加页岩(尾矿)、煤矸石等其他成分。砖窑采用移动式旋转隧道窑，产量为25万块/d(折合普通砖)。制砖尾气经净化处理后实现达标排放。
3 前处理系统设计
前处理系统采用自动机械分选垃圾的方法分选，分选出可利用的金属类进行回收利用；少量的无机渣土和可燃物进入热解气化炉处置，炉渣作为制砖原料，原生垃圾实现资源化、减量化，为后续工艺提供工艺准备[8]。
前处理系统包括均匀给料、分拣、除铁、烘干、输送，干燥垃圾储料仓等部分。
链式给料机上的受料斗接收清运车的卸料，由拨料滚筒均匀限量地给料，再通过链式输送带将垃圾输送到干燥滚筒；在干燥滚筒前设置一个人工分拣台(分拣大块砖石等)，分拣后的垃圾经除铁后由皮带机输送到干燥滚筒；干燥滚筒对垃圾进行干燥处理，当地生活垃圾随季节不同，垃圾综合含水率为45%～65%，低位热值为4000～6000 kJ/kg。干燥所需的热量由燃气热风炉燃烧热解气产生，干燥后的尾气经喷淋塔、除臭设备处理达标后排入大气，干燥后的垃圾由皮带机输送到干燥垃圾储料仓，作为垃圾热解气化使用。
前处理系统设计本着简单实用的原则，同时充分结合城镇生活垃圾的主要成分和团队设计经验，并未采取复杂的筛分以及风选等工艺。一方面，因为常见的筛分和风选工艺不能有效分离有机成分和无机成分，导致筛下物中仍有大量果壳等有机成分，不能直接充当制砖原料。另一方面，增加多工序的分选预处理对垃圾后续热解气化及制砖系统效能提高影响有限。为此，经过以上粗分离预处理后，含水率达到35%以下，能够满足入炉要求，产生的炉渣能够满足制砖系统原料要求。该工艺仅针对北方干燥地区城镇生活垃圾预处理设计，具体到含水量较高的区域，可调整烘干效率或延长热解气化炉生产周期，以满足热解气化要求。
本工程前预处理系统主要设备：行车抓斗、受料漏斗、链板式输送机、拨料滚筒、人工分选台、悬挂式磁选机、皮带输送机、干燥滚筒、渗滤液处理装置、链式输送带、热风炉、废气处理系统等。
4 热解气化系统设计
4.1 垃圾热解气化工艺原理
生活垃圾的热解气化技术，是指将可气化生活垃圾放入热解气化炉中，在高温、缺氧的条件下，使生活垃圾中有机类组分得到充分的热解气化，在热解气化过程中有机质大分子态裂解成小分子态可燃气体，剩余物为熔融炉渣。各类有害病原体在此过程被彻底杀灭。
热解气化炉是利用生活垃圾有机物在不同梯度温度下实现干燥、热解、碳化和气化的原理，对生活垃圾的可气化物进行处理。
第1步：干燥。抓斗起重机将垃圾抓运至料斗，由液压推进装置将垃圾从炉顶部加入。垃圾在下降过程中与80～120 ℃的热解燃气接触，1～2 h内不断脱去附着水，水变成蒸汽和热解燃气一起排出炉外，垃圾逐步变干燥(见干燥层)。
第2步：热解。干燥后的垃圾可燃物在反应层200～450 ℃灼热燃气的烘烤下发生热解反应，生成烷类(CmHn)、一氧化碳(CO)等可燃气体及焦油和水蒸气(H2O)。塑料橡胶等物质中的Cl元素生成HCl气体，S元素生成H2S气体，以上所有气体共同从炉体上部排出(热解层)。
第3步:气化。经过热解后的垃圾，主要残留物是焦炭和少量黏土等，不可燃物在1100～1200 ℃高温下，通过水蒸气的作用，发生氧化还原反应产生CO、H2等可燃气体，从炉体中部排出(反应层)。
第4步:排渣。垃圾可燃物气化完成，变成含少量固定碳的无机炉渣，通过特定的除渣机构从反应炉底部排除(灰渣层)。
图2 垃圾热解气化炉原理示意
Figure 2 The principle sketch map of the garbage pyrolysis furnace
4.2 垃圾热解气化工艺流程
原生垃圾经过分选处理后，进入干燥滚筒进行干燥，含水率降至30%以下，以提高热解气化炉处理效率。干燥后的垃圾进入热解气化炉内进行气化处理。可燃物从炉体的料斗进入炉体内，固体废物在炉内热解生成可燃气，炉体进料端采用液压进料的方式，保证密封性。
热解产生的气化产物中除含有可燃气外，还含有少量飞灰和焦油等污染物质，因此需要经过进一步净化处理，气体先后通过喷淋双竖管、燃气喷淋塔、燃气加压机、捕滴塔、捕焦塔等设备进行净化处理，洁净的可燃气通过燃气输配系统，一部分输送至制砖系统用于烧结制砖用气，另一部分输送至热风炉作为干燥燃料。
净化区域建有多级沉淀净化循环水池。喷淋双竖管、燃气喷淋塔、捕滴塔、尾气喷淋塔内的喷淋水均流入多级沉淀净化循环池，经过净化后循环利用。
可燃气在喷淋净化过程捕集的焦油，随着喷淋水进入循环水系统，焦油与水不互溶且密度不同发生分层，焦油可定期从循环水系统中分离出来。垃圾热解气化炉产生的炉渣用于制砖原料。
4.3 垃圾热解气化主要工艺特点
本项目未采用垃圾直接焚烧方式，热解装置内属于低氧环境，具有如下特点[9，10]：
1)本工艺采用垃圾热解气化炉，垃圾在热解炉中经干燥阶段80～120 ℃下脱水，在200～450 ℃对干燥垃圾进行热解，在1100～1200 ℃高温下气化，产生甲烷类可燃气体，这个阶段的反应是在缺氧和还原气氛下进行的，可有效地遏制二噁英的产生[11]。设备出口实测二噁英浓度为0.023345 ng-TEQ/m3。
2)物料在热解气化室进行“静态”热解气化反应，因此炉内产生的飞灰极少，铜、钴等金属催化物质也不易析出并附着于烟气中，从而二噁英产生的源头媒介得到大大降低。
3)物料经热解气化室进行充分热力分解，热解气化后物料的可燃性、燃尽特性得到大大提高。
4)垃圾热解气化技术可以弥补垃圾焚烧技术的不足，主要适用于垃圾产量为100～500 t/d的中小型垃圾处理规模，尤其县域范围内生活垃圾的及时处置，能有效解决县域条件下垃圾填埋场永久占地的问题。
5)相对于垃圾焚烧，热解气化工艺具有投资省、占地小、设备布置灵活等优势，具有一定的推广价值。
图3 垃圾热解气化工艺流程
Figure 3 Process flow chart of the waste pyrolysis gasification
本项目单台垃圾热解气化炉额定产气量为3500 Nm3/h，物料消耗量为1.1～2.1 t/h，真空工作压力为0.002～0.008 MPa，热解炉气体出口温度为80～450 ℃，气体热值为2500～5000 kJ/Nm3，气化气体中焦油、灰分含量<10 mg/Nm3。
5 制砖系统设计
本项目利用垃圾热解气化后产生的炉渣用作制砖原料，配合页岩(尾矿)等辅料烧结制砖，垃圾热解气化后产生的热解气用于烧结制砖，当热解气的热值不足以保证砖焙烧工序，正常工作时，允许添加辅助燃料(如煤矸石、煤等)，砖窑采用移动式旋转隧道窑(以下简称“旋转窑”)，产量为25万块/d(折合普通砖)。普通烧结砖抗压强度等指标满足GB 5101—2003《烧结普通硅》指标要求。
图4 制砖工艺流程
Figure 4 Process flow chart of the production of bricks
该生产线利用部分生活垃圾热解后的炉渣、煤矸石、页岩(尾矿)生产烧结标准砖。在热解气化炉尚未稳定产气时，允许隧道窑采用燃煤启动。当地煤矸石热值约为1222.62 kJ/kg，炉渣、煤矸石、页岩(尾矿)初定配比为2.0∶3.5∶4.5(千重)，准确的配比需要根据制砖原料成分、热值检测结果确定。3种原材料由装载机运至配料机，按比例配料后，用板式给料机供入粗碎颚式破碎机，粗碎后的原料经滚筒筛筛分，粗料经带式输送机供给高速细碎粉机进行二次破碎，直至满足制砖粒度要求。破碎后的原料可保证出料粒度90%<0.5 mm。经过计量的原料进入双轴搅拌机加水搅拌混合均匀，进入陈化库进行陈化处理。使用可逆配仓皮带机，按一定规律将原料均匀地分布在陈化库中，经72 h充分陈化后，由多斗挖掘机均匀挖出。
陈化后的混合料，加水搅拌进一步处理，依次经过高速强力对辊机、精细对辊机、搅拌机等做混匀处理。经过搅拌挤出的泥条由自动切条机、自动切坯机切割成要求尺寸的砖坯，经自动码坯机码放。
6 结 论
1)本工程设计日处理生活垃圾为400 t，建设投资为15243.79万元，主要工程内容包括垃圾预处理、垃圾热解气化系统、垃圾制砖系统，总占地面积为70702 m2(折合106亩)。
2)本项目处理工艺先进，在全国尚未大量采用，且工艺实际选型时需要专业的设备厂家配合。生活垃圾预处理后将可燃物热解制气，可燃气和炉渣用于烧结制砖，整个工程各单元系统衔接性强，可充分实现废物减量化与资源化。
3)本工艺适用于100～500 t/d处理规模的县城中小型垃圾处理设施，能够有效弥补焚烧工艺的不足，为县域生活垃圾的处理处置提供了新思路。
4)本工艺适用范围较宽，针对成分和含水率，不同的生活垃圾仅需适当调整预处理工艺即可应用，具有实际推广价值。
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