运用炼焦工艺处理城市有机垃圾
摘要：文章介绍了城市有机垃圾的构成及危害。根据目前城市有机垃圾处理的主要方法和发展现状，提出了运用炼焦工艺处理中国城市有机垃圾的新思路。论述了炼焦工艺处理城市有机垃的技术原理和可行性，为合理、有效地处理城市有机垃圾提供了一条新的途径。
关键词：城市有机垃圾 炼焦工艺 有机垃圾
随着社会经济的发展和人口的增长，垃圾污染已经成为我国城市环境卫生面临的紧迫问题。目前我国城市生活垃圾正以每年10%的速度增长，估计到2010年日产量为60～70万ｔ，年产量为25200万ｔ[1]，其中以北京、上海、广州等城市尤为严重。由于受到时间和空间、城市的规模、居民生活习惯和生活水平等方面的影响，各个城市的生活垃圾各成分所占的比例有所差别。中、小城市的生活垃圾中的有机物含量为20%左右，而北京、上海等大城市的生活垃圾中有机物含量则高达40%以上[2]。城市有机垃圾由于其自身的稳定性而长期存在，对环境构成严重污染，因而寻求合理的办法处理城市有机垃圾已迫在眉睫。
本文根据我国国情，通过分析国内外城市有机垃圾处理的方法，重点分析城市有机垃圾的热力处理法，并结合炼焦工艺在处理废塑料、废橡胶、生物质等方面的应用，提出了运用炼焦工艺处理城市有机垃圾的新思路。
1 城市有机垃圾的构成及危害
城市有机垃圾的成分十分复杂，主要包括食物、纸、塑料、木、布块、植物、粪便等。随着生活水平的提高，社会科技的发展，能源结构的调整，垃圾构成呈有机物比例增加以及灰土等无机物比例减少的趋势。城市有机垃圾不但占用大量土地，影响城市市容市貌，而且还影响人体健康，破坏生态环境。有机垃圾堆放将滋生大量细菌、病毒，形成疾病传染源，并可通过蚊蝇传播；有机垃圾长期堆放会产生毒害性气体和污水，破坏土壤体系，影响植被生长，严重危及人体健康，破坏生态平衡。因此，如何处理城市有机垃圾已成为世人关注的焦点。
2 城市有机垃圾传统处理技术简介
世界各国对于城市有机垃圾的处理开展了大量的实验研究，其中研究较多的方法是填埋、堆肥、热力处理法。填埋法是一种较为原始的方法，目前研究较多的是卫生填埋法，即将城市有机垃圾在选定的适当场所填埋使其发酵的方法。堆肥法主要是利用微生物对有机物进行代谢分解，在高温下进行无害化处理，并能产生有机肥料的方法。热力处理法主要有焚烧法和热解法。焚烧法是有机垃圾经过简单分选处理后，在焚烧炉中充分燃烧，利用其产生的热能用于发电、供热等，其主要局限在于易生成二噁英(Dioxins)等大气污染物。有机垃圾热解技术是利用有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧的条件下，加热使其在高温下分解，从中提取燃料气、燃料油、焦油、炭黑等的过程。热解被认为是焚烧的下一代垃圾热化学处理技术，但与焚烧有本质的区别。焚烧是垃圾直接发生燃烧反应放热，而热解过程发生热裂解反应，是一个吸热反应，产生热值比垃圾更高的燃油和燃气。热解将热能转化为可直接利用的能量形式，可以解决焚烧不稳定的缺陷，且NOx、COx、氯化物、二噁英产生相对较少，二次污染小。热解法与填埋法、堆肥法、焚烧法的比较如表1所示。
|
表1 4种城市有机垃圾处理方法比较
|
由此看来，填埋、堆肥、焚烧作为处理城市有机垃圾的传统方法虽然已经在世界各地广泛应用，技术相对成熟，但它们都有较大的局限性，而热解技术与其他处理方法相比在解决城市有机垃圾污染问题上有明显的优势, 有望从根本上解决城市有机垃圾污染的问题。传统的热解法一般直接对垃圾进行热解，其工艺流程如图1所示，垃圾经过分选、破碎、烘干等前处理后投入热解炉进行热解，产生的烟气先经过净化处理，然后通过冷却收集燃油，余下的可燃气体可作为液化气装罐或通过煤气管道输送到用气单位，固体灰渣分选出金属、玻璃等有用物质后作为建筑材料。
目前关于城市有机垃圾热解的研究主要还集中在理论阶段，前人通过实验研究，对垃圾热解的产物、热解动力学等进行了大量研究。Garcia 等[3]把城市有机垃圾的不同有机组分加热到850 oC热解发现可产生煤气和燃油；Garcia等[4]还应用流化床热解研究了城市生活垃圾的热解动力学规律。Diparimento di Ingegneria Chimca 等[5]通过线性加热研究了塑料和纤维素的热解规律。Wu Chaohsiung等[6]通过实验发现，废纸热解的产物包括H2、CO、CO2、H2O和碳氢化合物。前人的研究证明，城市有机垃圾热分解可产生燃气和燃油，具有一定的理论可行性。
 图1 垃圾热解一般工艺流程示意图 |
3 利用炼焦工艺处理城市有机垃圾的新思路
3.1 传统热解法处理城市有机垃圾的局限性
传统的垃圾热解法存在着较大的局限性：设备投资巨大，运行费用极高；产品中焦油成分复杂，用作化工原料有较大难度；又由于焦油中水分含量多，不易作为燃料油；所得煤气热值很低，利用价值不高。由于城市有机垃圾单纯热解存在以上局限，因而单纯用热解法处理城市生活垃圾并不实际可行。
3.2 共焦化技术在处理废旧轮胎、废旧塑料和生物质方面的进展
由于废橡胶、废塑料、生物质与煤存在共同的热分解区间，20世纪90年代以来，国内外研究者从塑料、合成塑脂、橡胶轮胎、生物质等高分子废料再利用的角度出发，进行添加上述废料与煤共热解或共焦化研究，以期上述废料能与煤发生良好的协同效应，能作为配煤炼焦的粘结剂，减少炼焦煤的用量，同时能够获得焦化副产品煤焦油、煤气。日本广炯炼钢厂将切块轮胎装入挤压机上送入焦炉后，由炉顶投入煤料，被送入约1000 ℃的焦炉中，经过约20 min，使炉内的轮胎与煤同时干馏，得到焦炉气（COG）、轻油、焦油、焦炭，效果理想[7]；Collin等[8]将废塑料先与煤焦油、沥青共热解制得活性沥青，再将其与煤共焦化，所得焦炭质量得到改善；中科院山西煤化所李保庆等[9]将废塑料与煤均匀混合后炼焦，研究结果表明，废塑料与焦煤共焦化的过程中，添加塑料能提高焦油收率，改变了半焦的光学各向异性组织。周仕学等[10]将枣庄肥煤与锯末、废橡胶轮胎和废PVC塑料按煤与有机废弃物比例为30:70混合破碎到粒径＜3 mm，投入电加热外热式回转炉共热解，得到煤气、焦油和热解水。Sharypov等[11～13]将木材、纤维素、水解木质素、聚乙烯塑料等按不同比例混合放入旋转高压釜内热解，发现油品在400 ℃时析出速度达到最大值，轻质油增加，并发现生物质和塑料在共热解过程中存在相互作用。城市有机垃圾和煤由于其化学组成的相似相容性，在共焦化过程中存在一定的协同效应，在不影响焦炭质量的情况下能得到高品位焦油和煤气，因而利用炼焦工艺处理城市有机垃圾具有可靠的理论基础。
3.3 炼焦工艺处理城市有机垃圾技术简介
利用炼焦工艺处理城市有机垃圾是传统热解技术的延伸，其根本的技术原理是有机物共热解，但是又突破了传统热解法局限于单一有机物热解或少数几种有机物共热解的局限，把技术成熟的炼焦工艺引入到处理城市有机垃圾上来。该工艺也是对炼焦工艺处理废塑料等单种有机垃圾的发展，可以大大减少垃圾分选的程序。其基本工艺流程如图2所示。从城市生活垃圾分选得到废橡胶、废塑料、可燃生物质等有机垃圾，分别破碎后按一定比例混合，作为添加剂与炼焦配煤进行混合炼焦。其混合方式可以与配煤简单混合；也可以先与配煤混合制成型煤，再用此型煤与配煤进行混合炼焦等。混合炼焦所得焦炭、焦油、煤气运用现有焦化技术即可收集处理。
 图2 炼焦工艺处理城市有机垃圾工艺流程示意图 |
该工艺具有如下特点：
（1）处理规模较大，工艺简单，投资较小，建设期短，无需对传统焦化工艺进行改造即可投入生产应用；无需增加化学产品回收、气体净化与回收和废塑料入炉与焦炭出炉等系统设备，大大降低传统城市有机垃圾热解工艺的初期投资和运行费用。
（2）利用城市有机垃圾代替部分炼焦用煤，既有效解决城市有机垃圾的污染问题，又节约了炼焦煤资源，具有明显的社会效益和环保效益。在不影响焦炭质量的前提下，增加了炼焦工艺的焦油产率和高热值煤气，有利于城市有机垃圾100%资源化利用，并产生较好的经济效益。
（3）城市有机垃圾处理过程实行全密封操作，而且不直接焚烧，从原理上防止了二恶英（Dioxins）类剧毒物质的产生，实现城市有机垃圾处理的彻底无害化。
4 工艺的可行性预测
城市有机垃圾的处理问题是环保领域的热点问题之一。利用炼焦工艺处理城市有机垃圾，具有如下可行性。
4.1 技术方面
煤与城市有机垃圾在焦炉环境中共焦化由于热解自由基作用[14，15]而存在一定的协同效应，这种协同效应有对炼焦有利的方面，也有不利的方面。通过研究找到城市有机垃圾的各成分与煤的合适配比，发挥协同效应中对炼焦有利的方面，在不影响或提高焦炭质量的情况下可以实现提高焦油、煤气等副产品的产率和质量，因而利用炼焦工艺处理城市有机垃圾在技术原理上是可行的；利用炼焦工艺处理废塑料、废橡胶在国外已经有成功应用，也为利用炼焦工艺处理城市有机垃圾打下了良好的基础。
4.2 经济效益方面
该工艺依托现有钢铁企业的炼焦炉、焦油回收系统、煤气净化与回收利用系统，无需进行改造，只需增加风力分选等简单分选设备和破碎混合成型设备即可进行生产，初期投资小，运行费用低；同时，通过共焦化处理，可以节省炼焦配煤的使用量，将城市有机垃圾转变为焦炭、焦油和煤气，也为钢铁企业焦化厂的多元化发展开辟了一条新的渠道。因而，该工艺具有良好的经济效益。
4.3 社会效益方面
该工艺可以彻底处理城市有机垃圾的塑料、橡胶、废纸、木块等成分，且二次污染小，对于一个年处理量500万t的中型焦炉，按处理城市有机垃圾5%的比例运行，每年即可处理25万t城市有机垃圾，其强大的处理能力可以大大缓解因日益增加的城市有机垃圾而带来的环境压力，体现垃圾处理的三化（无害化、资源化、减量化）。因此，运用炼焦工艺处理城市有机垃圾具有广阔的发展前景。
5 结 语
炼焦工艺是一项较为成熟的工艺，运用炼焦工艺处理城市有机垃圾具有良好的技术可行性，并有望以较小的成本从根本上解决城市有机垃圾污染问题，实现城市有机垃圾的资源化利用。同时，利用城市有机垃圾代替部分炼焦煤，可以节省煤炭资源，也有利于钢铁企业的多元化发展，有利于实现钢铁企业的城市化功能。
参考文献
1 李春晖，于海霞.我国城市生活垃圾问题及其对策.中国人口?资源与环境，2000，10（专刊）：143～144
2 王庆兵，张永伟.浅论城市生活垃圾的环境影响及防治措施.山东环境，2000，(1)：13～14
3 Garcia A N，M Mar Esperanza，Rafael Font. Comparison between product yields in the pyrolysis and combustion of different refuse. J Anal. Appl. Pyrolysis，2003，(68～69)：577～598
4 Garcia A N，Font R，Marcilla A. Kinetic study of the flash pyrolysis of municipal solid waste in a fluidized bed reactor at high temperature.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，1995，31：101～121
5 Diparimento di Ingegneria Chimica.Unicesita deli Studi di Napoli Federico Ⅱ，P le V Tecchio. Linear pyrolysis of cellulosic and plastic waste.Jounal of Analytical and Applied Pyrolysis，1997，40～41：463～479
6 Wu Chaohsiung，Chang Chingyuan，Tseng Chaoheng，et al. Pyrolysis Product distribution of waste newspaper in MSW.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2003，67：41～53
7 陈明珠，罗清华，倪得良.国内外废橡胶的利用方法.中国物资再生，1993，2：9～12
8 Collion G，Bujnowska B，Placzek J.CO-coking of coal woth pitches and waste plastics.Fuel Process Techn，1997，50(1)：179～184
9 Li Baoqing，Li Dongtao，Li Wen.Co-carbonization of coking coal with different waste plastics.燃料化学学报，2001，29(1)：20～23
10 周仕学，刘振学，张桂英.强粘结性煤与有机废弃物共热解的研究.煤炭转化，2001，24(3)：70～73
11 Sharypov V I，Marin N，Beregovtsova N G，et al. Co-pyrolysis of wood biomass and synthetic polymer mixture.PartⅠ:Influence of experimental conditions on the evolution of solids， liquids and gases.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2002，64：15～28
12 Marin N，Collura S，Sharypov V I， et al. Co-pyrolysis of wood biomass and synthetic polymer mixture. PartⅡ:Characterization of the liquid phases.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2002，65：41～55
13 Sharypov V I，Beregovtsova N G，Kuznetsov B N，et al.Co-pyrolysis of wood biomass and synthetic polymer mixture. PartⅠⅢ:Characterization of heavy products.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2003，67：325～340
14 Xiao X，Zmierczak W，Shabtal J. Depolymerezation-liquefaction of plastics and rubbers 1. Polytbeylene，Polypropylene and Polybutadiene.ACS，Div of Fuel Chen.，1995，40(1)：4～8
15 Mehi M T，Zhen F，Huggins F E，et al.Co-liquefaction of waste plastics with coal，Energy & Fuels，1994，(8)：1228～1232
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
