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城市生活垃圾热解气化特性及全过程多目标评价方法研究

董隽  
【摘要】:随着城市生活垃圾产量的急剧增长及由此带来的一系列能源环境问题,生活垃圾管理面临着日益严峻的考验,传统的偏重于末端处理的管理模式已经不能适应现代发展的需求,应向可持续全过程垃圾管理模式转变。这不仅要求生活垃圾管理达到清洁、高效的处理技术创新,同时要实现能源-环境-经济多目标全过程综合管理优化。目前,热处理是生活垃圾能源化利用的重要途径,其中以热解、气化为核心的生活垃圾控氧热处理方式由于其在二恶英、重金属等关键污染物的控制以及高效的能源化回收利用方面具有比传统垃圾直接焚烧更显著的优势而备受关注。然而,垃圾热解气化技术在我国的发展严重受到基础与应用研究不足的制约,控氧气氛下垃圾热转化特性及关键污染物生成、迁移、排放与控制规律尚不明确。此外,现有的生活垃圾管理评价方法也存在局限性与应用不足等缺点。鉴于此,本课题以发展适合我国生活垃圾能源化高效清洁利用方案为目标,针对热解气化控氧热转化、污染物控制、源头预处理提质、产物综合利用等生活垃圾全过程管理的不同单元模块,开展了实验探索及理论评价两方面的研究。在控氧热转化单元模块方面,采用流化床实验装置对热解、气化热转化特性及过程能量效率进行了实验研究。结果表明,过量空气系数的升高可以有效提高气化气产率,降低焦油、焦炭产率,但过高的过量空气系数会导致气化气品质由于氧化反应的加强而降低。反应温度的升高使焦油、焦炭等的裂解反应加强,有效促进了热解过程CH4及C2烃类气体的产生;但温度过高时由于烃类重整反应的加强导致气化过程的气化气热值明显下降。原料含水率的提高有利于H2的生成,然而会导致气化气品质及能量效率明显下降。针对我国城市生活垃圾的理化特性,过量空气系数0.4、温度650℃、含水率20~25%是实现控氧气氛下高效热转化的最优运行工况。在污染物控制单元模块方面,实验对比了热解、气化、焚烧等不同热转化过程重金属的迁移分布与二恶英的生成排放规律。结果表明,还原性气氛对Cd及Zn的挥发具有促进作用,但抑制了 Cu、Ni及Cr向气相的迁移。重金属在还原性气氛下主要以元素态或硫化态的形式存在,造成重金属在还原/氧化气氛下挥发性的差异主要受生成化学物质熔沸点的高低决定。金属的迁移机理研究表明,挥发性较强的重金属易通过蒸发-冷凝机理进入烟气;而还原性气氛下挥发性较弱的重金属则主要以固相颗粒的形式由气流夹带出炉膛,且流化床高气速特性使夹带作用得到增强。另一方面,流化床实验结果表明热转化过程中还原性气氛对于二恶英的生成具有明显抑制作用。气相及飞灰二恶英的生成总量随着过量空气系数的增加均呈现先降低后升高的趋势,在ER= 0.6的气化工况下达到最低值,分别为3.04及0.97 ng/g-MSW。热解、气化条件下的二恶英排放能够比焚烧工况低一个数量级,表明控氧气氛条件能够有效降低热转化过程的二恶英排放。为了全面评估生活垃圾管理系统运行情况及整体优化机制,建立了生命周期能源-环境-经济(3E)多目标耦合评价模型。模型以传统生命周期能源、环境2E评价的理论方法为基础,通过融入经济性评价模块,实现生命周期成本分析各项指标的全面整合,并通过优化多目标决策分析的数学算法,实现能源、环境、经济多目标因素的科学耦合。此外,进一步融入敏感性分析模块,通过综合考虑管理决策者、企业、公众等不同决策者意愿,从而确保模型运算结果公平合理。3E多.目标耦合评价模型应用于杭州市现行生活垃圾处理技术的评价的案例分析结果显示,评价模型的模块化程度高、赋权公平、应用灵活,可适应不同生活垃圾处理处置方式、或不同单元模块构成的集成处理系统综合评价的需要。对源头预处理提质单元模块及过程产物能量综合利用单元模块开展评价研究。源头预处理提质的分析结果表明,以塑料为代表的可回收物的再生利用不仅可以有效节省一次能源及原材料的开发利用,而且可以从源头降低垃圾中Cl元素含量,减少垃圾处理过程中酸性气体的排放。厨余垃圾的源头分离,使垃圾的热值得到明显提升,有效增加了系统的能量回收潜力。另一方面,对控氧气氛下生活垃圾不同热转化过程与不同后续能量利用方式的7种集成系统进行综合分析。结果显示,以控氧条件下热解气化为核心的生活垃圾热转化方案与传统的垃圾直接焚烧相比,由于NOx、HCl及S02等过程直接污染物排放的降低,以及能量回收效率的提高,对于降低各项环境影响潜力都具有积极作用。此外,热解、气化热转化过程产物与燃气轮机、内燃机等高效能量利用设备的联用有效提高了生命周期能量转化效率。气化相较于热解各方案具有更低的环境排放以及更高的能量转化效率,而气化燃气蒸汽联合循环方案及"两步式"热处理方案(气化+蒸汽轮机)是较为推荐的实现生活垃圾清洁高效能源化利用的转化方式。在单元模块研究的基础上,耦合上述控氧热转化、污染物控制、源头预处理提质、产物综合利用等研究结果,提出新型的以控氧气氛下热解气化技术为核心的城市生活垃圾热转化全过程耦合集成系统方案。建设中试规模试验平台并进行了验证性试验。结果表明,气化工况可以实现烟气常规污染物及重金属的达标排放;烟气净化装置前二恶英浓度仅为0.19ngI-TEQ/Nm3,明显低于直接焚烧工况;底渣及飞灰的重金属浸出毒性均符合国家标准限制。对该集成系统展开全流程3E综合评价,结果表明集成系统相对于传统垃圾直接焚烧技术在能源使用、环境影响及经济成本各方面均有较大的优势。该新型的城市生活垃圾控氧热转化方案可以作为现有垃圾直接焚烧技术的替代方案从而为最终实现生活垃圾管理系统能源化清洁高效利用提供理论基础和实践经验。


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