城市生活垃圾熱解氣化特性及全過程多目標(biāo)評價(jià)方法研究.pdf

1、隨著城市生活垃圾產(chǎn)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(yán)峻的考驗(yàn)，傳統(tǒng)的偏重于末端處理的管理模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展的需求，應(yīng)向可持續(xù)全過程垃圾管理模式轉(zhuǎn)變。這不僅要求生活垃圾管理達(dá)到清潔、高效的處理技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)多目標(biāo)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(guān)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(guān)注。然而，垃圾熱解氣化技術(shù)在我國的發(fā)展嚴(yán)重受到基礎(chǔ)與應(yīng)用研究不足的制約，控氧氣氛下垃圾熱轉(zhuǎn)化特性及關(guān)鍵污染物生成、遷移、排放與控制規(guī)律尚不明確。此外，現(xiàn)有的生活垃圾管理評價(jià)方法也存在局限性與應(yīng)用不足等缺點(diǎn)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在控氧熱轉(zhuǎn)化單元模塊方面，采用流化床實(shí)驗(yàn)裝置對熱解、氣化熱轉(zhuǎn)化特性及過程能量效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，過量空氣系數(shù)的升高可以有效提高氣化氣產(chǎn)率，

3、降低焦油、焦炭產(chǎn)率，但過高的過量空氣系數(shù)會導(dǎo)致氣化氣品質(zhì)由于氧化反應(yīng)的加強(qiáng)而降低。反應(yīng)溫度的升高使焦油、焦炭等的裂解反應(yīng)加強(qiáng)，有效促進(jìn)了熱解過程CH4及C2烴類氣體的產(chǎn)生；但溫度過高時(shí)由于烴類重整反應(yīng)的加強(qiáng)導(dǎo)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(dǎo)致氣化氣品質(zhì)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(shù)0.4、溫度650 oC、含水率20~25％是實(shí)現(xiàn)控氧氣氛下高效熱轉(zhuǎn)化的最優(yōu)運(yùn)行

4、工況。⑵在污染物控制單元模塊方面，實(shí)驗(yàn)對比了熱解、氣化、焚燒等不同熱轉(zhuǎn)化過程重金屬的遷移分布與二惡英的生成排放規(guī)律。結(jié)果表明，還原性氣氛對 Cd及 Zn的揮發(fā)具有促進(jìn)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?lián)]發(fā)性的差異主要受生成化學(xué)物質(zhì)熔沸點(diǎn)的高低決定。金屬的遷移機(jī)理研究表明，揮發(fā)性較強(qiáng)的重金屬易通過蒸發(fā)-冷凝機(jī)理進(jìn)入煙氣；而還原性氣氛下?lián)]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(qiáng)。另一方面，流化床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱轉(zhuǎn)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(shù)的增加均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在ER=0.6的氣化工況下達(dá)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(gè)數(shù)量級，表明控氧氣氛條件能夠有效降低熱轉(zhuǎn)化過程的二惡英排放。⑶建立了生命

6、周期能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)(3E)多目標(biāo)耦合評價(jià)模型。模型以傳統(tǒng)生命周期能源、環(huán)境2E評價(jià)的理論方法為基礎(chǔ)，通過融入經(jīng)濟(jì)性評價(jià)模塊，實(shí)現(xiàn)生命周期成本分析各項(xiàng)指標(biāo)的全面整合，并通過優(yōu)化多目標(biāo)決策分析的數(shù)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)多目標(biāo)因素的科學(xué)耦合。此外，進(jìn)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(yùn)算結(jié)果公平合理。3E多目標(biāo)耦合評價(jià)模型應(yīng)用于杭州市現(xiàn)行生活垃圾處理技術(shù)的評價(jià)的案例分析結(jié)果顯示，評

7、價(jià)模型的模塊化程度高、賦權(quán)公平、應(yīng)用靈活，可適應(yīng)不同生活垃圾處理處置方式、或不同單元模塊構(gòu)成的集成處理系統(tǒng)綜合評價(jià)的需要。⑷對源頭預(yù)處理提質(zhì)單元模塊及過程產(chǎn)物能量綜合利用單元模塊開展評價(jià)研究。源頭預(yù)處理提質(zhì)的分析結(jié)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(zhuǎn)化過程與不同后續(xù)能量利用方式的7種集成系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。結(jié)果顯示，以控氧條件下熱解氣化為核心的生活垃圾熱轉(zhuǎn)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(xiàng)環(huán)境影響潛力都具有積極作用。此外，熱解、氣化熱轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)物與燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等高效能量利用設(shè)備的聯(lián)用有效提高了生命周期能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率，而氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)方案及“兩步式”熱處理方案（氣化+蒸汽輪機(jī)）是較為推薦的實(shí)現(xiàn)生活垃圾清潔高效能源化利用的轉(zhuǎn)化方式。⑸在單元模塊研究的基礎(chǔ)上，耦合上述控氧熱轉(zhuǎn)化、污染物控制、源頭預(yù)處理提質(zhì)、產(chǎn)物綜合利用等研究結(jié)果，提出新型的以控氧氣氛下熱解氣化技術(shù)為核心的城市生活垃圾熱轉(zhuǎn)化全過程耦合集成系統(tǒng)方案。建設(shè)中試規(guī)模試驗(yàn)平臺并進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。結(jié)果表明，氣化工況可以實(shí)現(xiàn)煙氣常規(guī)污染物及重金屬的達(dá)標(biāo)排放；煙氣凈化裝