第三节　城市固体废弃物能源化利用的技术构成

一、引言

城市固体废弃物（Municipal Solid Waste， MSW）作为能源利用时与煤在许多方面都有相似性：均为组成复杂，随着空间和时间变化很大的固体含能物质；在能源化利用过程中都有可能产生严重的污染。因此，将已较为成熟可靠的洁净煤技术（Clean Coal Technology， CCT），在考虑城市固体废弃物特性的基础上，“嫁接”到城市固体废弃物能源化利用技术的研发上，就具有技术上的可能性、技术开发周期的快速性和经济上的优越性。

二、城市固体废弃物高效洁净能源化利用的技术构成

1.洁净煤技术

煤炭在今后很长一段时间内仍将是我国及世界上其他一些国家的主要能源。煤炭的洁净利用对大幅度减少大气污染、减少煤炭利用的外部成本、提高煤炭的利用效率和经济效益有着重要的作用，因此煤炭洁净利用技术（洁净煤技术）得到了很大的发展。洁净煤技术主要包括：煤炭的燃前处理和净化技术（洗选、型煤、水煤浆），煤炭燃烧中的净化技术（各种脱硫脱硝技术），煤炭燃烧后烟气的净化技术（控制SO_x、NO_x和颗粒物技术），以及煤炭的转化技术（煤气化、煤液化、煤-油共炼、煤层气开发技术）。

2.城市固体废弃物与煤的组成和特性比较

城市生活垃圾和煤的组成都可分为有机质和无机质两大部分：有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成；无机质包括由硅、铝、铁、镁、钙、钾、钠、硫等元素组成的矿物质和水分。可以用工业分析和元素分析来确定城市固体废弃物和煤的组成和性质。

表2-2是几种主要煤种和典型城市生活垃圾的性质比较。从表中可以看出，垃圾和煤炭有很多相似性，但城市固体废弃物具有氯含量高、密度小、热值低、水分大等特点。另外，垃圾中的有害元素（如铅、锌、镉、汞）含量较煤炭的含量要高。

表2-2　几种主要煤种和典型城市生活垃圾的性质比较

注：1.下角标含义为：daf（dry ash free），干燥无灰基；d（dry），干燥基；ad（air dried），空气干燥基。

2. M为水分；S_t为全硫含量；A为灰分；V为挥发分。

3.垃圾的发热量为干基高位发热量（Q_gr，d），可燃基高位发热量（Q_gr，daf）与Q_gr，d的换算公式为，

Q_gr，daf=Q_gr，d×100/（100-A_d）。

4.实际垃圾的热值通常是指湿基低位发热量（Q_net，ar）， 一般为1500～6500kJ/kg。

煤炭和城市生活垃圾都必须进行预处理以适应后续工艺环节，将煤或垃圾进行粒度、形状、分类、热处理等加工所对应的破碎、成型、分选、燃烧、热解、气化等单元操作过程都需要过程控制、尾气处理、废渣处置等。

3.可用于城市固体废弃物能源化利用的洁净煤技术

（1）分选

分选是利用物质的各组成成分在物理、物理化学及化学性质上的差异，把它们分离开的方法。分选技术是洁净煤技术中最为重要的环节之一，已开发出了各类干、湿法分选技术和工艺。由于城市生活垃圾各种成分性质不同以及能源化利用方法的多样性，分选是城市生活垃圾处理过程中非常重要的环节之一，在城市生活垃圾进行能源化利用前必须进行分选预处理，目的是将其中的可回收利用成分或不利于后续处理处置工艺要求的物料分离出来，并为垃圾衍生燃料的均匀化做准备。

城市生活垃圾组分复杂多变，与煤炭的组成及性质也有较大差异，因而，洁净煤技术领域的分选技术需加以改造和拓展才可用于城市生活垃圾的分选。总的来说，适用于城市生活垃圾的分选技术是以粒度差、密度差等颗粒物理性质差别为基础的分选原理为主，如筛分、重力分选、风力分选、摇床分选等技术，而以磁性、电性、光学性质差别为基础的如磁力分选、电力分选技术为辅。一般城市生活垃圾的分选是多种技术的组合，比较典型的一种分选技术组合是：城市生活垃圾破袋→磁选→机械分选→风选→人工分选→分选组分利用与处置。

（2）成型技术

粉煤成型是将煤粉或煤泥以适当的工艺方法和设备加工成具有一定几何形状和理化性能的块状燃料的加工过程，将劣质、低效和非洁净的煤转化为优质、高效、洁净的燃料或工业原料。燃烧型煤与燃烧原煤相比，可提高燃烧效率10%～21%，烟尘排放量减少80%～91.2%，SO₂排放量减少20%～36.3%。粉煤成型技术已较为成熟可靠，在许多行业得到了广泛应用，尤其是在化肥行业中。

城市生活垃圾是具有一定热值的固体燃料，但城市生活垃圾组分变化幅度大、水分含量高、密度小，造成其热值波动大、单位体积的热容量也低。这些都决定了垃圾作为能源在利用过程中的复杂性。显然，城市固体废弃物不能不经处理直接作为燃料使用。将城市生活垃圾加工成一种热值高、成分均匀稳定、易于运输和贮存的新型固体燃料的城市生活垃圾处理法，就是所谓的垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel， RDF）制备技术。

RDF加工工艺主要由破碎、分选、干燥、压制成型等环节组成。不同时期、不同国家和地区根据城市生活垃圾的组成和性质对RDF的加工有不同的生产工艺，大致可分为散状RDF（fluff-Refuse Derived Fuel，f-RDF）和致密RDF（densified-Refuse Derived Fuel，d-RDF）。其主要区别在于：d-RDF在干燥前加入一定量的具有一定活性的化学试剂（一般为CaO），而f-RDF不加入；d-RDF较f-RDF密度高，能在较长时间内贮存，且由于经压缩成型，具有易于机械抓取、便于长途运输等特点。d-RDF加工工艺在垃圾成型过程中加入化学试剂，解决了f-RDF工艺中存在的一些问题，得到的垃圾衍生燃料基本上克服了f-RDF工艺存在的不足，同时又有新的特点：首先，能防腐，RDF长时间贮存不发臭；其次，可固硫、固氯，燃烧时HCl、NO_x、SO_x的排放量减少；第三，通过化学反应，添加剂可起到固化作用，不需要高压固化装置；第四，压缩成型使城市固体废弃物的容量降低，减少动力消耗。

从目前我国的城市固体废弃物能源化利用方面来看，在RDF的制备方面可以借鉴开发较为成熟的粉煤成型技术及成套设备，同时进行适当改造，尤其是在添加性的化学试剂方面应着重考虑城市固体废弃物的固氯。

（3）热解-气化技术

热解-气化是有机物的热力降解过程。它是在无氧或近乎无氧条件下，利用热能破坏含碳高分子化合物元素间的化学键，使含碳化合物破坏或进行化学重组。

热解是煤转化的关键步骤，煤气化、液化、焦化和燃烧都要经过热解阶段。固态物料受热后总是先进行热解，析出大量的气态可燃成分，一般有机物热解后，生成小分子的CO、CH₄、H₂或其他分子量较小的C_mH_n等气态物质或残炭。热解过程有时也称为挥发分析出过程。挥发分析出的温度区间很宽，一般在200～800℃的范围内。同一物料在不同的温度区间下，热解析出的成分和数量不相同，不同物料热解析出量最大时和析出完毕的温度区间也各不一样。

垃圾在焚烧过程中有可能产生各种污染，为了有效控制污染，可将热解气化技术用于城市固体废弃物能源化利用。例如，先将城市固体废弃物进行预处理（分选、成型），然后在低温（<600℃）下热解，热解残渣再气化或燃烧，热解和气化（或焚烧）的气体分别净化处理，这样可以避免热解气中的一些有害气体与高温气化气体或焚烧烟气所含的芳环物质的直接接触而生成毒性更大的二英类产物。

现有城市固体废弃物热解、气化技术和装置包括：高炉型生活垃圾直接气化熔融焚烧技术，回转窑式生活垃圾直接气化熔融焚烧技术，NKK式生活垃圾直接气化熔融焚烧技术，氧气顶底复合吹式生活垃圾直接气化熔融焚烧技术，等离子体式生活垃圾直接气化熔融焚烧技术，两段热解气化技术。其中两段热解气化技术由中国矿业大学设计研制，该工艺主要包括干燥、热解、气化过程，其最终产品为可以高效、洁净利用的煤气。

（4）高效洁净燃烧（焚烧）技术

垃圾燃烧（焚烧）是一种对城市生活垃圾进行高温热化学处理的技术。将生活垃圾作为固体燃料送入炉膛内燃烧，释放出热量并转化为高温气体和少量性质稳定的固体残渣。常见有固定床、回转窑、流化床等焚烧方法，应用最多的是固定床焚烧。垃圾焚烧处理是目前实现城市生活垃圾减量化、无害化和资源化的最有效的手段之一。

但是，焚烧过程容易产生粉尘、有毒微量元素、高温氯腐蚀、有机物等污染。粉尘主要包括燃烧空气卷起的细颗粒物质、高温阶段气化物质在低温段的冷凝物质（也是有毒微量元素形成的原因之一）。高温氯腐蚀是由于垃圾中的氯在高温燃烧时形成HCl气体，在高于400℃时对金属产生剧烈腐蚀。

有机物污染中最为突出的是二英类（polychlorinated dibenzo-p-dioxins，polychlorinated dibenzo-p-furans， PCDDs/PCDFs）物质，它们是目前发现毒性最强的物质。对二英在焚烧炉中的产生原理目前有各种不同的观点，但归纳起来主要有两种：一是垃圾在干燥过程和燃烧的初始阶段，当氧含量充足时，垃圾中的低沸点的烃类物质燃烧生成CO、CO₂、H₂O，但若氧含量不足，就会生成二英前驱物；二是不完全燃烧所产生的二英前驱物以及垃圾中未燃尽的环烃物质在烟尘中的Cu、Ni、Fe等金属颗粒催化作用下，在温度为300℃左右时与烟气中的氯化物和O₂发生反应，生成二英类物质，即所谓的“二次合成”（de novo synthesis）。

煤炭燃烧的历史较长，燃烧过程污染物的控制技术发展较为成熟。燃煤过程主要是控制SO_x和NO_x的排放，近年来对HCl、CO₂等气体排放方面的技术也有所研究。燃烧过程SO_x控制技术主要是根据SO_x与碱金属氧化物CaO、MgO等反应生成CaSO₄、MgSO₄等而被脱除，其脱硫工艺根据其炉型不同而不同。NO_x根据其生成机理分为热力型、燃料型、快速型等，其控制技术也是采用破坏其生成条件的机理。目前出现了一些低NO_x燃烧技术，如低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分机燃烧、烟气再循环、采用低NO_x燃烧器等。

烟气的净化是洁净煤技术应用中的重要环节，主要是烟气的除尘和SO_x、NO_x、HCl的脱除等。其工艺技术较为成熟，在实际生产应用很广。近年来又出现新一代的高效低污染洁净煤燃烧技术，如循环流化床燃烧（Circulating Fluidized Bed Combustion，CFBC）、煤气化联合循环发电（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）等技术。

城市生活垃圾热处理的尾气净化可以直接利用洁净煤技术中的烟气净化技术。由于洁净煤技术中的烟气净化较少涉及二英处理问题，因此需对原有的烟气净化技术加以改造。目前二英净化技术主要有生活垃圾焚烧烟气湿法净化处理工艺、干法净化处理工艺、急冷技术、活性炭喷射吸附技术等，可以把这些技术与洁净煤的烟气净化技术结合起来应用。

（5）填埋气净化与利用

在填埋气（Landfill Gas，LFG）中，甲烷气体占50%，而甲烷气体是一种宝贵的清洁能源，具有很高的热值（4500～5500kcal/m³），与普通的城市燃气热值相当。填埋气的组分与天然气的组分相近，区别在于填埋气中二氧化碳的体积含量较大，但经过适当的预处理，去除填埋气中的大部分二氧化碳和几乎全部的微量杂质气体后，填埋气中的甲烷含量可达到90%以上，其组分和热值都与天然气相似，可作为汽车燃料和其他原料等。填埋气的净化与利用途径见图2-2。

图2-2　填埋气的净化与利用途径

三、城市固体废弃物能源化利用的技术路线

城市生活垃圾与煤炭具有许多相似之处，在把城市固体废弃物作为能源使用而进行处理时，对目前较为成熟而先进的洁净煤技术做一些必要的改造后用于城市固体废弃物能源化利用的方法是可行的。城市固体废弃物的能源化处理借助成熟的洁净煤技术更有利于城市生活垃圾的减量化、无害化、资源化。

根据目前洁净煤技术及城市固体废弃物的处理情况，城市固体废弃物能源化利用的技术路线主要包括以下2种。

（1）热处理法城市固体废弃物能源化利用

（2）垃圾填埋场填埋气能源化利用