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垃圾的能源化技术(Waste to Energy)

时间:2017-07-17  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  国际上普遍观点认为,垃圾是一种放错了位置的“资源”。目前垃圾转变为能源(waste to energy)包括国际能源署(IEA)在内国际重要组织及国家的发展目标之一。

 

  针对城市生活垃圾(Municipal Solid Waste)的主要处理方式可分为资源再生(包括堆肥处理)、焚烧(包括附带发电等能源回收的焚烧设施)和最终处置(包括土地填埋、海上填埋、海洋处置等)三大类。实际上,这些处理方式都不可能单独存在的,往往是作为整个处理体系(或者是处理流程)中的一个工艺步骤存在。

 

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Solid Waste Management Hierarchy

 

  国外发达国家一直注重垃圾处理及处置方面的技术开发和应用。垃圾处理技术近些年出现了新的趋势:首先,改进热处理工艺,开发垃圾衍生燃料法,并且大规模使用热裂解法,如利用水热碳化方法处理垃圾中的有机固体,其产物是一种具有巨大潜力固体燃料。其次,更加注重生化法,用化学、生物转化制备液态或气态燃料以及肥料。

 

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WTE conversion pathways. Illustration by NREL

 

  当然,垃圾焚烧发电仍是目前WTE的主流技术。垃圾焚烧处理法垃圾的燃烧过程,本质上是质量传递、热传递、动量传递、化学反应、结构变化等物理化学反应综合在一起的一个复杂过程。其中,垃圾焚烧余热的利用成为人们普遍关注的问题,其利用方式主要有三种:发电、供热和热电联产。

 

  城市生活垃圾能否采用焚烧处理技术,取决于垃圾中可燃质含量、低位发热值和垃圾含水率。一般要求,生活垃圾可燃成分为30%~40%以上,低位发热值在3350 kJ/kg以上,垃圾含水率50%以下,垃圾能够自燃焚烧,但在此条件下垃圾焚烧,无法满足炉膛内烟气850℃/2S的要求。生活垃圾低位发热值在6280 kJ/kg以上,可以实现稳定燃烧,不但可以满足炉膛内烟气850℃/2S的要求,而且可以满足工质发电的需要,有效利用能源,建设垃圾焚烧发电厂。

 

  垃圾焚烧发电技术类型包括回转窑焚烧炉(Rotary Kiln Incinerators)、流化床焚烧炉(Fluidized bed Incinerators)等。

 

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日本使用的先进垃圾焚烧设施(Advanced Moving Grate MSWI system)

 

  然而垃圾在燃烧温度850℃时会产生具有强致癌性的二噁英,主要是由于燃料中本身含有的二噁英在燃烧中未被破坏、燃料不完全燃烧或固体性灰表面发生异相催化反应合成。目前主要的解决办法就是把炉膛温度控制在1200℃以上,生成物中将不包含二噁英前驱物,大大降低后期的重新合成几率,但当排烟温度冷却到300~500℃时,会重新组合生成二噁英,一般采用急冷技术使烟气急速冷却到200℃以下,从而减少烟气在二噁英合成温度区的停留时间,扼制其再合成,但这种温度控制在技术上要求较高,急冷的方法也不利于焚烧余热的利用,而且高温除尘技术现在还不过关。

 

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Mass balance of MSW Incineration

 

  目前垃圾焚烧技术的主要替代技术是新型热解/气化技术。

 

  垃圾热解是指在无氧或缺氧加热的条件下,有机垃圾组分发生大分子断裂,产生小分子气体、热解溶液和碳渣的过程,城市生活垃圾热解过程可表示为:

 

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  焚烧的主要产物是二氧化碳和水,而热解的主要产物是可燃的低分子化合物:气态的氢气、甲烷、一氧化碳;液态的甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等。固态的主要是焦炭和炭黑。

 

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  气化法不同于热解法在于气化法是有氧气在高温高压(1000+℃,30bar)条件下参与反应,与垃圾中的有机碳生成可燃气体、焦油和灰渣的过程。气化法和热解法都是可以将多种有机质、以及生物质转化为有机的燃料的处理方法,但是其造价比较高。

 

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Conceptual Overview of a High Temperature Waste Gasifier

 

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  以垃圾热解气化代替燃煤,不仅节约了煤(不可再生能源)的消耗,在一定程度上降低碳排放及二次污染,更重要的是实现了垃圾的资源化再利用,将垃圾本身蕴含的能量用于发电或者供热,充分体现了可持续发展战略的落实。相较于普通的焚烧或填埋处置,对垃圾进行热解气化处置更有利于促进目标产物高值化,抑制其它产物及污染物的生成。显著的环保优势使得该技术被越来越多的国家、政府接受。

 

  目前国际上主流的垃圾热解气化技术包括:Nippon Steel的热解气化设备、JFE的Fixed Beds WTE技术、EBARA的流化床气化技术、Takuma的垃圾热解气化和熔融系统、ENERGOS的WTE系统,以及由西屋公司发明的等离子气化设备。

 

  现阶段我国仍以垃圾填埋为主要垃圾处理方法,占垃圾处理量的70%,而焚烧只有10%,但由于垃圾填埋场选址要求复杂、严格,我国城市周边符合填埋的场地严重缺乏,卫生填埋已远远满足不了对增长迅速、数量巨大的垃圾处理需求,焚烧势必将发展成为我国今后垃圾处理的主要方法。近些年来,为了解决垃圾填埋场紧缺问题,通过自主研发和技术引进方法使垃圾焚烧发电项目在我国陆续开工和投产。

 

  2015年,全国城市生活垃圾清运量为19142.17万吨(约1.91亿吨),处理量为18750.64万吨(约1.88亿吨),城市生活垃圾处理率97.95%。截至2015年,共建设生活垃圾无害化处理厂(场)890座,其中填埋场640座,焚烧厂220座,堆肥及其他类型处理厂(场)30座。

 

  “十三五”期间,估计全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设总投资约1924亿元。其中,无害化处理设施建设投资1360亿元,收运转运体系建设投资227亿元,餐厨垃圾专项工程投资136元,存量整治工程投资77亿元,垃圾分类示范工程投资86亿元,监管体系建设投资38亿元。

 

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