運用煉焦工藝處理城市有機垃圾
摘要：文章介紹了城市有機垃圾的構成及危害。根據目前城市有機垃圾處理的主要方法和發展現狀，提出了運用煉焦工藝處理中國城市有機垃圾的新思路。論述了煉焦工藝處理城市有機垃的技術原理和可行性，為合理、有效地處理城市有機垃圾提供了一條新的途徑。
關鍵詞：城市有機垃圾 煉焦工藝 有機垃圾
隨著社會經濟的發展和人口的增長，垃圾污染已經成為我國城市環境衛生面臨的緊迫問題。目前我國城市生活垃圾正以每年10%的速度增長，估計到2010年日產量為60～70萬ｔ，年產量為25200萬ｔ[1]，其中以北京、上海、廣州等城市尤為嚴重。由于受到時間和空間、城市的規模、居民生活習慣和生活水平等方面的影響，各個城市的生活垃圾各成分所占的比例有所差別。中、小城市的生活垃圾中的有機物含量為20%左右，而北京、上海等大城市的生活垃圾中有機物含量則高達40%以上[2]。城市有機垃圾由于其自身的穩定性而長期存在，對環境構成嚴重污染，因而尋求合理的辦法處理城市有機垃圾已迫在眉睫。
本文根據我國國情，通過分析國內外城市有機垃圾處理的方法，重點分析城市有機垃圾的熱力處理法，并結合煉焦工藝在處理廢塑料、廢橡膠、生物質等方面的應用，提出了運用煉焦工藝處理城市有機垃圾的新思路。
1 城市有機垃圾的構成及危害
城市有機垃圾的成分十分復雜，主要包括食物、紙、塑料、木、布塊、植物、糞便等。隨著生活水平的提高，社會科技的發展，能源結構的調整，垃圾構成呈有機物比例增加以及灰土等無機物比例減少的趨勢。城市有機垃圾不但占用大量土地，影響城市市容市貌，而且還影響人體健康，破壞生態環境。有機垃圾堆放將滋生大量細菌、病毒，形成疾病傳染源，并可通過蚊蠅傳播；有機垃圾長期堆放會產生毒害性氣體和污水，破壞土壤體系，影響植被生長，嚴重危及人體健康，破壞生態平衡。因此，如何處理城市有機垃圾已成為世人關注的焦點。
2 城市有機垃圾傳統處理技術簡介
世界各國對于城市有機垃圾的處理開展了大量的實驗研究，其中研究較多的方法是填埋、堆肥、熱力處理法。填埋法是一種較為原始的方法，目前研究較多的是衛生填埋法，即將城市有機垃圾在選定的適當場所填埋使其發酵的方法。堆肥法主要是利用微生物對有機物進行代謝分解，在高溫下進行無害化處理，并能產生有機肥料的方法。熱力處理法主要有焚燒法和熱解法。焚燒法是有機垃圾經過簡單分選處理后，在焚燒爐中充分燃燒，利用其產生的熱能用于發電、供熱等，其主要局限在于易生成二噁英(Dioxins)等大氣污染物。有機垃圾熱解技術是利用有機物的熱不穩定性，在無氧或缺氧的條件下，加熱使其在高溫下分解，從中提取燃料氣、燃料油、焦油、炭黑等的過程。熱解被認為是焚燒的下一代垃圾熱化學處理技術，但與焚燒有本質的區別。焚燒是垃圾直接發生燃燒反應放熱，而熱解過程發生熱裂解反應，是一個吸熱反應，產生熱值比垃圾更高的燃油和燃氣。熱解將熱能轉化為可直接利用的能量形式，可以解決焚燒不穩定的缺陷，且NOx、COx、氯化物、二噁英產生相對較少，二次污染小。熱解法與填埋法、堆肥法、焚燒法的比較如表1所示。
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表1 4種城市有機垃圾處理方法比較
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由此看來，填埋、堆肥、焚燒作為處理城市有機垃圾的傳統方法雖然已經在世界各地廣泛應用，技術相對成熟，但它們都有較大的局限性，而熱解技術與其他處理方法相比在解決城市有機垃圾污染問題上有明顯的優勢, 有望從根本上解決城市有機垃圾污染的問題。傳統的熱解法一般直接對垃圾進行熱解，其工藝流程如圖1所示，垃圾經過分選、破碎、烘干等前處理后投入熱解爐進行熱解，產生的煙氣先經過凈化處理，然后通過冷卻收集燃油，余下的可燃氣體可作為液化氣裝罐或通過煤氣管道輸送到用氣單位，固體灰渣分選出金屬、玻璃等有用物質后作為建筑材料。
目前關于城市有機垃圾熱解的研究主要還集中在理論階段，前人通過實驗研究，對垃圾熱解的產物、熱解動力學等進行了大量研究。Garcia 等[3]把城市有機垃圾的不同有機組分加熱到850 oC熱解發現可產生煤氣和燃油；Garcia等[4]還應用流化床熱解研究了城市生活垃圾的熱解動力學規律。Diparimento di Ingegneria Chimca 等[5]通過線性加熱研究了塑料和纖維素的熱解規律。Wu Chaohsiung等[6]通過實驗發現，廢紙熱解的產物包括H2、CO、CO2、H2O和碳氫化合物。前人的研究證明，城市有機垃圾熱分解可產生燃氣和燃油，具有一定的理論可行性。
 圖1 垃圾熱解一般工藝流程示意圖 |
3 利用煉焦工藝處理城市有機垃圾的新思路
3.1 傳統熱解法處理城市有機垃圾的局限性
傳統的垃圾熱解法存在著較大的局限性：設備投資巨大，運行費用極高；產品中焦油成分復雜，用作化工原料有較大難度；又由于焦油中水分含量多，不易作為燃料油；所得煤氣熱值很低，利用價值不高。由于城市有機垃圾單純熱解存在以上局限，因而單純用熱解法處理城市生活垃圾并不實際可行。
3.2 共焦化技術在處理廢舊輪胎、廢舊塑料和生物質方面的進展
由于廢橡膠、廢塑料、生物質與煤存在共同的熱分解區間，20世紀90年代以來，國內外研究者從塑料、合成塑脂、橡膠輪胎、生物質等高分子廢料再利用的角度出發，進行添加上述廢料與煤共熱解或共焦化研究，以期上述廢料能與煤發生良好的協同效應，能作為配煤煉焦的粘結劑，減少煉焦煤的用量，同時能夠獲得焦化副產品煤焦油、煤氣。日本廣炯煉鋼廠將切塊輪胎裝入擠壓機上送入焦爐后，由爐頂投入煤料，被送入約1000 ℃的焦爐中，經過約20 min，使爐內的輪胎與煤同時干餾，得到焦爐氣（COG）、輕油、焦油、焦炭，效果理想[7]；Collin等[8]將廢塑料先與煤焦油、瀝青共熱解制得活性瀝青，再將其與煤共焦化，所得焦炭質量得到改善；中科院山西煤化所李保慶等[9]將廢塑料與煤均勻混合后煉焦，研究結果表明，廢塑料與焦煤共焦化的過程中，添加塑料能提高焦油收率，改變了半焦的光學各向異性組織。周仕學等[10]將棗莊肥煤與鋸末、廢橡膠輪胎和廢PVC塑料按煤與有機廢棄物比例為30:70混合破碎到粒徑＜3 mm，投入電加熱外熱式回轉爐共熱解，得到煤氣、焦油和熱解水。Sharypov等[11～13]將木材、纖維素、水解木質素、聚乙烯塑料等按不同比例混合放入旋轉高壓釜內熱解，發現油品在400 ℃時析出速度達到最大值，輕質油增加，并發現生物質和塑料在共熱解過程中存在相互作用。城市有機垃圾和煤由于其化學組成的相似相容性，在共焦化過程中存在一定的協同效應，在不影響焦炭質量的情況下能得到高品位焦油和煤氣，因而利用煉焦工藝處理城市有機垃圾具有可靠的理論基礎。
3.3 煉焦工藝處理城市有機垃圾技術簡介
利用煉焦工藝處理城市有機垃圾是傳統熱解技術的延伸，其根本的技術原理是有機物共熱解，但是又突破了傳統熱解法局限于單一有機物熱解或少數幾種有機物共熱解的局限，把技術成熟的煉焦工藝引入到處理城市有機垃圾上來。該工藝也是對煉焦工藝處理廢塑料等單種有機垃圾的發展，可以大大減少垃圾分選的程序。其基本工藝流程如圖2所示。從城市生活垃圾分選得到廢橡膠、廢塑料、可燃生物質等有機垃圾，分別破碎后按一定比例混合，作為添加劑與煉焦配煤進行混合煉焦。其混合方式可以與配煤簡單混合；也可以先與配煤混合制成型煤，再用此型煤與配煤進行混合煉焦等。混合煉焦所得焦炭、焦油、煤氣運用現有焦化技術即可收集處理。
 圖2 煉焦工藝處理城市有機垃圾工藝流程示意圖 |
該工藝具有如下特點：
（1）處理規模較大，工藝簡單，投資較小，建設期短，無需對傳統焦化工藝進行改造即可投入生產應用；無需增加化學產品回收、氣體凈化與回收和廢塑料入爐與焦炭出爐等系統設備，大大降低傳統城市有機垃圾熱解工藝的初期投資和運行費用。
（2）利用城市有機垃圾代替部分煉焦用煤，既有效解決城市有機垃圾的污染問題，又節約了煉焦煤資源，具有明顯的社會效益和環保效益。在不影響焦炭質量的前提下，增加了煉焦工藝的焦油產率和高熱值煤氣，有利于城市有機垃圾100%資源化利用，并產生較好的經濟效益。
（3）城市有機垃圾處理過程實行全密封操作，而且不直接焚燒，從原理上防止了二惡英（Dioxins）類劇毒物質的產生，實現城市有機垃圾處理的徹底無害化。
4 工藝的可行性預測
城市有機垃圾的處理問題是環保領域的熱點問題之一。利用煉焦工藝處理城市有機垃圾，具有如下可行性。
4.1 技術方面
煤與城市有機垃圾在焦爐環境中共焦化由于熱解自由基作用[14，15]而存在一定的協同效應，這種協同效應有對煉焦有利的方面，也有不利的方面。通過研究找到城市有機垃圾的各成分與煤的合適配比，發揮協同效應中對煉焦有利的方面，在不影響或提高焦炭質量的情況下可以實現提高焦油、煤氣等副產品的產率和質量，因而利用煉焦工藝處理城市有機垃圾在技術原理上是可行的；利用煉焦工藝處理廢塑料、廢橡膠在國外已經有成功應用，也為利用煉焦工藝處理城市有機垃圾打下了良好的基礎。
4.2 經濟效益方面
該工藝依托現有鋼鐵企業的煉焦爐、焦油回收系統、煤氣凈化與回收利用系統，無需進行改造，只需增加風力分選等簡單分選設備和破碎混合成型設備即可進行生產，初期投資小，運行費用低；同時，通過共焦化處理，可以節省煉焦配煤的使用量，將城市有機垃圾轉變為焦炭、焦油和煤氣，也為鋼鐵企業焦化廠的多元化發展開辟了一條新的渠道。因而，該工藝具有良好的經濟效益。
4.3 社會效益方面
該工藝可以徹底處理城市有機垃圾的塑料、橡膠、廢紙、木塊等成分，且二次污染小，對于一個年處理量500萬t的中型焦爐，按處理城市有機垃圾5%的比例運行，每年即可處理25萬t城市有機垃圾，其強大的處理能力可以大大緩解因日益增加的城市有機垃圾而帶來的環境壓力，體現垃圾處理的三化（無害化、資源化、減量化）。因此，運用煉焦工藝處理城市有機垃圾具有廣闊的發展前景。
5 結 語
煉焦工藝是一項較為成熟的工藝，運用煉焦工藝處理城市有機垃圾具有良好的技術可行性，并有望以較小的成本從根本上解決城市有機垃圾污染問題，實現城市有機垃圾的資源化利用。同時，利用城市有機垃圾代替部分煉焦煤，可以節省煤炭資源，也有利于鋼鐵企業的多元化發展，有利于實現鋼鐵企業的城市化功能。
參考文獻
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