城市生活垃圾熱解氣化特性及全過程多目標評價方法研究.pdf

1、隨著城市生活垃圾產量的急劇增長及由此帶來的一系列能源環(huán)境問題，生活垃圾管理面臨著日益嚴峻的考驗，傳統(tǒng)的偏重于末端處理的管理模式已經不能適應現代發(fā)展的需求，應向可持續(xù)全過程垃圾管理模式轉變。這不僅要求生活垃圾管理達到清潔、高效的處理技術創(chuàng)新，同時要實現能源-環(huán)境-經濟多目標全過程綜合管理優(yōu)化。目前，熱處理是生活垃圾能源化利用的重要途徑，其中以熱解、氣化為核心的生活垃圾控氧熱處理方式由于其在二惡英、重金屬等關鍵污染物的控制以及高效的能源化回

2、收利用方面具有比傳統(tǒng)垃圾直接焚燒更顯著的優(yōu)勢而備受關注。然而，垃圾熱解氣化技術在我國的發(fā)展嚴重受到基礎與應用研究不足的制約，控氧氣氛下垃圾熱轉化特性及關鍵污染物生成、遷移、排放與控制規(guī)律尚不明確。此外，現有的生活垃圾管理評價方法也存在局限性與應用不足等缺點。
　　本研究主要內容包括：⑴在控氧熱轉化單元模塊方面，采用流化床實驗裝置對熱解、氣化熱轉化特性及過程能量效率進行了實驗研究。結果表明，過量空氣系數的升高可以有效提高氣化氣產率，

3、降低焦油、焦炭產率，但過高的過量空氣系數會導致氣化氣品質由于氧化反應的加強而降低。反應溫度的升高使焦油、焦炭等的裂解反應加強，有效促進了熱解過程CH4及C2烴類氣體的產生；但溫度過高時由于烴類重整反應的加強導致氣化過程的氣化氣熱值明顯下降。原料含水率的提高有利于 H2的生成，然而會導致氣化氣品質及能量效率明顯下降。針對我國城市生活垃圾的理化特性，過量空氣系數0.4、溫度650 oC、含水率20~25％是實現控氧氣氛下高效熱轉化的最優(yōu)運行

4、工況。⑵在污染物控制單元模塊方面，實驗對比了熱解、氣化、焚燒等不同熱轉化過程重金屬的遷移分布與二惡英的生成排放規(guī)律。結果表明，還原性氣氛對 Cd及 Zn的揮發(fā)具有促進作用，但抑制了Cu、Ni及Cr向氣相的遷移。重金屬在還原性氣氛下主要以元素態(tài)或硫化態(tài)的形式存在，造成重金屬在還原/氧化氣氛下揮發(fā)性的差異主要受生成化學物質熔沸點的高低決定。金屬的遷移機理研究表明，揮發(fā)性較強的重金屬易通過蒸發(fā)-冷凝機理進入煙氣；而還原性氣氛下揮發(fā)性較弱的重金

5、屬則主要以固相顆粒的形式由氣流夾帶出爐膛，且流化床高氣速特性使夾帶作用得到增強。另一方面，流化床實驗結果表明熱轉化過程中還原性氣氛對于二惡英的生成具有明顯抑制作用。氣相及飛灰二惡英的生成總量隨著過量空氣系數的增加均呈現先降低后升高的趨勢，在ER=0.6的氣化工況下達到最低值，分別為3.04及0.97 ng/g-MSW。熱解、氣化條件下的二惡英排放能夠比焚燒工況低一個數量級，表明控氧氣氛條件能夠有效降低熱轉化過程的二惡英排放。⑶建立了生命

6、周期能源-環(huán)境-經濟(3E)多目標耦合評價模型。模型以傳統(tǒng)生命周期能源、環(huán)境2E評價的理論方法為基礎，通過融入經濟性評價模塊，實現生命周期成本分析各項指標的全面整合，并通過優(yōu)化多目標決策分析的數學算法，實現能源、環(huán)境、經濟多目標因素的科學耦合。此外，進一步融入敏感性分析模塊，通過綜合考慮管理決策者、企業(yè)、公眾等不同決策者意愿，從而確保模型運算結果公平合理。3E多目標耦合評價模型應用于杭州市現行生活垃圾處理技術的評價的案例分析結果顯示，評

7、價模型的模塊化程度高、賦權公平、應用靈活，可適應不同生活垃圾處理處置方式、或不同單元模塊構成的集成處理系統(tǒng)綜合評價的需要。⑷對源頭預處理提質單元模塊及過程產物能量綜合利用單元模塊開展評價研究。源頭預處理提質的分析結果表明，以塑料為代表的可回收物的再生利用不僅可以有效節(jié)省一次能源及原材料的開發(fā)利用，而且可以從源頭降低垃圾中 Cl元素含量，減少垃圾處理過程中酸性氣體的排放。廚余垃圾的源頭分離，使垃圾的熱值得到明顯提升，有效增加了系統(tǒng)的能量回

8、收潛力。另一方面，對控氧氣氛下生活垃圾不同熱轉化過程與不同后續(xù)能量利用方式的7種集成系統(tǒng)進行綜合分析。結果顯示，以控氧條件下熱解氣化為核心的生活垃圾熱轉化方案與傳統(tǒng)的垃圾直接焚燒相比，由于NOx、HCl及SO2等過程直接污染物排放的降低，以及能量回收效率的提高，對于降低各項環(huán)境影響潛力都具有積極作用。此外，熱解、氣化熱轉化過程產物與燃氣輪機、內燃機等高效能量利用設備的聯用有效提高了生命周期能量轉化效率。氣化相較于熱解各方案具有更低的環(huán)境

9、排放以及更高的能量轉化效率，而氣化燃氣蒸汽聯合循環(huán)方案及“兩步式”熱處理方案（氣化+蒸汽輪機）是較為推薦的實現生活垃圾清潔高效能源化利用的轉化方式。⑸在單元模塊研究的基礎上，耦合上述控氧熱轉化、污染物控制、源頭預處理提質、產物綜合利用等研究結果，提出新型的以控氧氣氛下熱解氣化技術為核心的城市生活垃圾熱轉化全過程耦合集成系統(tǒng)方案。建設中試規(guī)模試驗平臺并進行了驗證性試驗。結果表明，氣化工況可以實現煙氣常規(guī)污染物及重金屬的達標排放；煙氣凈化裝