热解气化法：一种高效的能源转化技术

垃圾热解气化是指在无氧或缺氧的条件下，垃圾中有机组分的大分子发生断裂，产生小分子气体、焦油和残渣的过程。

6.3.1.1　背景

20世纪70年代，热解气化焚烧垃圾发电技术在北美取得应用和发展，主要处理市政固态垃圾（MSW）和工业废弃物，最大处理容量为90～100 t/d［42］。

常规的焚烧工艺装备在垃圾焚烧处理中暴露出许多环保和安全运行的问题，尤其是氯化物对设备的腐蚀和气固相排放物的二次污染。

根据垃圾的特性，研究者将一个垃圾焚烧中的热解气化和燃烧燃尽过程分解成两个独立的、可控过程，即热解气化过程属中低温、欠氧燃烧过程；将气化炉发生的气固相物质送入高温过氧的燃烧室进行燃尽。这样的技术处理改变了炉内化学反应的环境条件，使垃圾在还原性气氛下进行气固相物质的交换，在过氧高温环境下彻底地燃尽碳组分，并利用急冷处理和净化处理，达到清洁焚烧垃圾的目的。

20世纪80年代西方国家着手城市垃圾“热解气化”的研究，逐步形成技术比较成熟和设备成套的市场。

控气型热分解垃圾处理（CAO）技术的实践表明，MSW的热解气化处理收到垃圾减量化、无害化和资源化的积极效果。

瑞士最先提出比较完善的热分选气化技术，于1992年在意大利米兰北部建立了示范厂。1998年在德国法兰克福南部卡兹鲁克建成热分选气化垃圾处理厂商业运行。而后被一些国家引用热分选气化技术建厂。

1999年，日本川崎重工引进热分选气化技术，在东京千叶县建成示范厂，至今已投运多台，并应用于城市垃圾焚烧市场的设备改造。

显然，人们认识到社会经济发展与生态环境、能源之间有着密切联系。城市生活垃圾（生物质）气化热裂解技术是一项可实现产业化的选项，成为在环境和能源条件约束下可持续发展之路。近年来，国内MSW的热值也有了显著的增加，从以前的平均热值3 349 kJ/kg上升到5 860 kJ/kg。城市生活垃圾中有较多的有机物，最适于应用气化热解处理技术。

国内一些热解气化技术应用情况如表6-18所示。

表6-18　国内热解气化技术应用情况

中国林业研究院研究者在流态化气化炉665～712℃温度范围内进行MSW的气化热解试验，实验条件：粉碎颗粒不大于5 mm，含水率6%，干基热值18 893 kJ/kg，炉内停留时间13 s；经过干燥处理的垃圾可产出6 500～7 500 kJ/m3的可燃气体，MSW气化比生物质容易，其灰渣结构疏松。

数据分析表明，在热解过程中，垃圾产生的炭和凝结产物与生物质相比，大致分别为生物质的70%和60%；在气化过程中温度对CO和CO2的含量影响不大，其CO波动范围为6.99%～7.54%，CO2为14.14%～15.85%；但对CH4和CmHn的影响较明显；当温度达550℃时，气体带明显的汽油味，含有较多（约6%）的烃类物质。(www.xing528.com)

6.3.1.2　原理

各国政府和相关企业都在寻觅垃圾处理的近零污染排放的出路，文献［43］中对国内外垃圾干馏、气化热解焚烧技术做了比较详细的介绍。

1）气化热裂解反应条件

生物质热裂解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热降解，大分子团裂解为小分子（见图6-19），最终生成生物油、木炭和可燃气体的过程。产出物的比例取决于热裂解工艺和反应条件：低温慢速热裂解（小于500℃），产物以木炭为主；中温闪速热裂解（500～650℃），产物以生物油为主；高温快速热裂解（700～1 100℃），产物以气体为主。

图6-19　生物质热裂解过程示意图

生物质热裂解液化一般在中温（500～650℃）、高加热速率（104～105℃/s）和极短气体停留时间（小于2 s）的条件下，将生物质直接热解，产物经快速冷却可使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝，从而得到高产量的生物油。在合适的反应条件下，可获得原生物质80%～85%的能量，生物油产率可达70%（质量分数）以上［44］。

众所周知，燃料燃烧过程可分解为干燥、气化、燃烧和燃尽阶段。在追求燃烧效率的驱动下，干燥、气化段逐渐形成相对独立的控制手段，使气化热解技术的研究向纵深方向发展。

2）乏氧气化技术

为了使焚烧炉适应垃圾的特质，在焚烧炉燃烧室及炉排设计时特别留意物料的干燥和气化过程。

（1）焚烧气化技术 国外的焚烧炉要求垃圾的热值控制在1 700 kcal/kg^[2]以上，而我国的垃圾热值太低。为了解决垃圾的着火，调整炉膛结构，加长干燥气化段、降低该区域的过剩空气系数，提高炉内高温烟气回流，自动控制垃圾气化段的风量，甚至投助燃油保证机组运行。

（2）少氧干馏技术应用 为了清洁焚烧城镇生活垃圾以及危险品，国内引进少氧干馏焚烧技术和焚烧炉。

该系统采用自控两级燃烧方式，配A/B两个静态干馏气化炉，固定装料，24 h连续交替运行。干馏炉温度控制在850℃，产出的合成气在二次燃烧炉内燃尽，温度控制在850～1 150℃。若燃烧温度不足，则配油喷嘴助燃。它每天可处理几十吨生活垃圾或危险物品，输出热能。这种装备的大气排放污染物基本达标，焚烧残渣的热灼率小于3%，但仍存在黏稠带强烈刺激臭味的冷却物体，难以处理。据资料介绍，设备投资的单价为20～40万元/吨（有害垃圾），测算运行费为120～160元/吨［45］。

先进的MSW气化技术包括生物法、低中温气化和高温气化熔融技术。该技术已经为业内研发的热点。