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城市固废垃圾如何处理才能做到低污染、能源回收最大化?

  固废垃圾的污染是当今世界各国所共同面临的一个重大的环境问题,全世界固废垃圾的排放量十分惊人,一些工业化国家的固体废物排放量,每年以2%-4%的速度增长。在自然条件影响下,固废垃圾中的有害成分可以通过水、大气、土壤等途径进入环境,给人类造成潜在的、长期的危害。
 
  一、固废垃圾如何处理?
 
  当前,国内的垃圾处置方式主要是卫生填埋和焚烧发电,卫生填埋对于垃圾填埋场已填满的城市来说,处于再选土地困难甚至无地可征的窘困状态;随着国民经济及城市建设的发展,城市中的固废垃圾主要是由塑料袋、废旧衣物、塑料、渣土、餐余垃圾和废纸等以及一部分建筑垃圾组成。
 
  垃圾中的塑料袋废旧衣等成分含有较高的热值,使焚烧技术成为近年来成为解决固废垃圾的主要出路。但由于环境指标日益严格和各国对固体废弃物焚烧处理的重视,而垃圾焚烧会产生二噁英等大量有毒有害气体,污染空气,危害人类健康。因此,新的固废焚烧发展趋势是热解气化焚烧。
 
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  二、固废垃圾热解气化处理技术
 
  固废垃圾的热解气化技术,是指将可气化生活垃圾送入热解气化炉中,在高温、贫氧的条件下,经过一段时间热解气化反应,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的甲烷等烷类可燃气体;同时,经碳化后的有机物在高温下与二氧化碳和水反应产生大量的一氧化碳,剩余物为玻璃状熔融炉渣。
 
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  图1、热解气化流程图
 
  普通垃圾热解气化后产生的可燃气体主要是CH4、CO和H2,经过除尘、电捕焦油、净化、降温和捕滴等过程,最后可得纯净气体的热值为1000kcal/m³左右。每吨垃圾平均产气约1500-1800m³,实行不间断、连续输出。但由于垃圾中含有部分塑料,热解气化产生的合成气中还含有部分C2H2和C2H4。

 
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表1、合成气中可燃气体成分的热值
 
  三、固废垃圾热解气化及发电工艺流程
 
  1. 接收:固废垃圾经称重后集中存放在厂内专储区,然后送至分类区进行分类。
 
  2. 分类:将垃圾中可回收利用的金属先行分出,然后将不能气化的物质如石块、水泥块、玻璃等分选去除;其他可气化物质送至干燥室或暂时储存起来。
 
  3. 干燥:通过输送带将垃圾通过高温烘干室,使水分大大降低。
 
  4. 切碎:将烘干后的垃圾切成0.05平方英寸大小送入储仓,此小块成为垃圾燃料RDF。
 
  5. 气化:RDF通过锁气阀进入热解气化炉,在贫氧情况下热分解气化,得到含CO、H2、CH4、C2H2、C2H4等的合成气体。
 
  6. 净化:通过标准的净化装置,净化可燃气体中的杂质。
 
  7. 蒸汽产生:净化后的可燃气体送入后燃烧室燃烧,热烟气加热锅炉,产生一定品质的蒸汽。
 
  8. 发电:蒸汽推动汽轮发电机做功,产生一定容量的电能。
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图2、固废垃圾热解气化发电工艺流程
 
  四、垃圾热解气化发电过程的影响因素
 
  1、温度
 
  温度变化对热解气化产物产量、成分比例有较大的影响,是最重要的控制参数。在较低温度下,油类含量相对较多。随着温度升高,许多中间产物也发生二次裂解,C5以下分子及H2成分增多,气体产量与温度成正比增长,各种有机酸、焦油、碳渣相对减少。随着温度升高,脱氢反应加剧,H2含量增加,C2H2、C2H4减少;低温时,CO2、CH4等增加,CO减少。高温阶段,CO逐渐增加。
 
  2、氧含量
 
  固废垃圾热解气化过程是一个贫氧的过程,但研究发现,少量O2有利于垃圾在热分解过程中CH4、H2和CO的生成。垃圾热解气化产生的合成气具有一定的易燃易爆炸属性,且当合成气经过电捕焦油环节时,电捕焦油器电极间有电晕,可能会发生火花放电现象。如果合成气中混有较多氧气,极易发生爆炸。
 
  在热解气化过程中,温度的控制主要通过在燃烧室出口处安装温度传感器来检测,也可通过合成气体成分监测,判断温度是否满足热解气化工艺要求;而氧量则通常电化学传感器来监测,通过电化学传感器检测含氧量还可计算出过量空气系数等热工参数。
 
  五、产出合成气的监测分析
 
  在垃圾热解气化发电过程中,为保证气化产生的合成气有效、安全回收,必须要对炉内或管道中的气体成分、浓度进行实时检测。在合成气回收利用过程中,为了提高合成气的利用率,保证安全,通常还需要实时检测各种燃烧产物的成分以及混合前后的成分。
 
  传统的奥式化学分析方法全组分分析时间周期长,且存在着无法避免的系统误差和操作中难以控制的偶然误差,准确度已不能满足分析精度的要求。而传统的煤气色谱分析采用的是全填充柱的多维色谱,由于填充柱的柱效率低,分析时间长,分离效果差,煤气中许多关键组分得不到分离,且采用热导检测器(TCD)测定烃类灵敏度低。
 
  随着红外光谱技术的成熟,红外气体分析仪因其取样、分析全自动,响应快,精度高,一次性投资,使用成本低等优势得到了快速发展及应用。如一种基于双光束红外技术的多组分在线煤气分析仪Gasboard-3100,结合MEMS热导技术及长寿命电化学技术,实现了一台仪器对煤气/合成气中CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、CnHm、H2、O2等8种气体成分的高效、快速、灵敏测定。
 
 
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  同时,Gasboard-3100还进行了严格试验和产品优化,对各种气体间的相互影响进行了修正和补偿,消除了CnHm对CH4测量结果的干扰,及CO、CO2、CH4对H2测量结果的干扰;消除了气体采样流量变化对H2热导传感器测量结果的影响,保证了仪器测量的高精度与强性能稳定。
 
  此外,Gasboard-3100可根据气体成分,自动计算燃气热值,为优化燃气质量提供依据;可实现自动调零,降低标定校准频率;还具备RS-232/RS-485通讯和4-20mA模拟输出功能,为实现远程监测和工艺调整提供实时数据。
 
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  六、结语
 
  垃圾热解气化技术是一种能将能源综合利用、又避免因直接焚烧垃圾而产生新的污染源的先进的垃圾处理技术。热解气化可实现固废垃圾完全资源化、减量化,即国际上常说的WTEwastetoenergy。虽然目前的垃圾热解气化技术还有很多的不足,比如投资额高,运行不稳定,尾渣处理有一定难度等,但就行业发展和节能环保而言,垃圾热解和气化必定是国际国内解决固废垃圾、改善生活环境、变废为宝的主要手段。
 
(来源:工业过程气体监测技术)
 
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