生活垃圾气化熔融技术(部分资料来自各公司网站gec.jp网站，维普文献，文字部分主要来自浙江大学博士学位论文)

 

        与直接焚烧一样，气化熔融技术同样属于热化学转化技术，但是不同的地方在于其氧浓度的控制。

        垃圾气化是将垃圾置于O2 不足的条件下，进行不完全燃烧，以产生气化气为主要目的过程；此过程通常为放热反应，不需要外热源。此外，还有利用水蒸气、CO2、H2 等作为气化剂的反应工艺也叫气化。垃圾气化，就其反应过程而言，首先是垃圾在气化炉中热裂解，之后才是裂解产物（包括热解气、热解油、热解炭）与气化介质发生氧化反应，或者再进一步裂解等一系列反应的综合过程。气化熔融技术中的气化，包括通常意义下的热解和气化两层含义。城市生活垃圾气化熔融系统中，热解或者气化的气态产物（高温下焦油也为气态，含气体携带的焦炭等），一般直接在二次燃烧室中燃烧后进行余热利用，或者进一步裂解后用作化工原料/燃气（如热选气化熔融方案）。

        气化熔融技术中的熔融，一般指的是垃圾热处理时产生的灰渣在1200℃以上的高温下熔融；高温熔融的根据技术系统的不同，有时发生在二次燃烧室内（如高温旋风燃烧室），有时发生在一次热解气化反应器的底部或尾部（如高炉型气化熔融系统或回转窑型气化熔融系统）。

        目前主要的气化熔融技术，如Thermoselect 方案、Siemens 方案、Ebara 方案、直接气化熔融方案等，虽然流程布置各异，但其主要的设计原则及污染物控制机理大致相同：首先，城市生活垃圾被送入热解/气化炉（400～700℃），垃圾中的有机物迅速热解或者气化，气化炉内为还原性气氛，大部分的金属（如Fe、Al、Cu 等）不会被氧化，可以随底渣排出，经过磁选或重力分离后可进一步回收利用，分选后的底渣中所含二恶英、重金属都很少[3、8]，可以卫生填埋或者送入高温燃烧熔融炉中，熔融后再进一步利用；热解/气化炉中生成的气化产物进入燃烧熔融炉，并能在较低的过量空气系数下（1.2～1.3）完全燃烧，使炉内温度达到1200℃以上，此时灰渣在炉内熔融为玻璃态物质，二恶英完全分解、重金属被固化到熔渣中（如果把气化炉和熔融炉合而为一，则为直接熔融系统），熔渣可以作为路基材料等，进行资源化利用。高温烟气经过余热锅炉和烟气净化处理系统后排出；烟气中的重金属和二恶英含量很少，加之燃烧过量空气系数较低，烟气量也较少，大大降低了烟气处理系统的投资和运行成本。

        气化熔融技术最早于二十世纪70～80 年代，出现在美国和西欧80～90 年代以后传入日本，并在日本迅速发展和推广，目前已经是应用气化熔技术最多的国家；90 年代以后，韩国、中国台湾、澳大利亚、东欧、南美等国家和地区都开始引进和研发相关技术。

 

        西门子（Siemens）公司1984 年开始在德国Ulm-Wiblingen 建立了一个200kg/H 的中试试验台，并于1988 年开始试运行；1998 年在德国Fürth 建立了480t/d 的垃圾气化熔融焚烧厂。日本三井造船（Mitsui Zosen Co.）于1991年及日本田熊（Takuma Co.）于1995 年，分别从西门子引进该技术。三井造船于1994 年在日本的Yokohama 建造一个20t/d 的中试台，在2000 年在日本Yame建造2×110t/d 的工业化应用装置。田熊公司引进后也于1998 年在日本Fukuoka建造了一座处理MSW（低位热值大约8000kJ/kg）的20t/d 气化熔融示范装置；西门子气化熔融技术方案主要流程如下图所示：

 

        瑞士的热选公司（The thermoselect Co.）从1985 开始研究和开发城市生活垃圾气化熔融处理系统，1992 年在意大利Fondotoce 建成100t/d 的垃圾气化熔融处理示范装置[18, 40, 47]；1998 年热选公司在德国Karlsruhe 建成第一个工业化装置（3×240t/d；225,000t/y），并开始投运。目前已有多座热选气化熔融系统在欧洲和日本运行。日本川崎钢铁（Kawasaki Steel Co.）引进该技术并建成两台150t/d的气化熔融装置，于1999 年开始投运

        在此技术中，垃圾不需要预处理，而是利用液压机将其压缩后，直接推入热解通道（degasification Channel），热解通道由气化气或者动力柴油燃烧后的烟气在通道外壁加热；垃圾在热解通道内停留1 小时左右，排出时温度达到800℃以上。热解后的垃圾被送入高温反应器（High temperature Reactor），其中热解残渣落入高温反应器底部，与送入的纯氧反应，保持底部温度大约在2000℃，促使所有的无机物熔融，并在大约1600℃的匀相通道中分层（停留1～2 小时），从而有效分离金属（>7g/cm3）与无机熔渣（>2.5g/cm3），最后淬冷分选。热解通道中产生的气体以及热解残渣氧化生成的气体在高温反应器的上部（大约1200℃）停留2～4 秒后，在水洗塔中骤冷（气体从1200℃骤降到80℃），以防止二恶英等污染物的重新合成，气体经过净化后得到的高质量合成气可以用作燃料气或者化学原料使用。水洗塔使用的水可以用作区域供暖等使用。

        新日本制铁（Nippon Steel）所开发高炉型气化熔融系统，工业化应用最多，其系统如下图。其大约在30 年前进行相关研究，并于1979 年在日本Kamaishi建立了一座2×50t/d 的炼铁高炉型垃圾焚烧系统（由于在此系统中，垃圾的干燥、热解、气化、燃烧与底渣的熔融都在一个高炉中完成，所以也成为垃圾直接气化熔融系统）。随后于1980 年在日本Ibaraki 又建立了一座3×150t/d 的工业化装置，到目前为止，新日本制铁至少在16 个地方，建造了25 座垃圾气化熔融处理厂。在新日本制铁的高炉型气化熔融系统中，焦炭、石灰石和城市垃圾一起由高炉顶部给入，向下运动；富氧空气（含氧量大约28％，）则由高炉底部送入，向上运动；按照物理化学反应过程，高炉内可分为三个主要反应区：预热干燥区、热解气化区和燃烧熔融区。在预热干燥区，垃圾温度由20℃左右的室温升高到300～400℃；由下向上运动的气流则由于对垃圾的干燥、加热，而从1000℃下降到400℃左右，生成的合成气从上部出口进入二次燃烧室（1000℃）内完全燃烧、余热利用、净化后由烟囱排出。在热解气化区，固相垃圾从300～400℃升高到1000℃左右，并在高温下热解，与气相中的O2、CO2、H2O 等发生气化等反应；而从燃烧熔融区流出的高温烟气则由1800℃左右，迅速下降到1000℃左右。在燃烧熔融区，由于富氧空气的鼓入，热解产生的固相残炭在1800℃左右的温度下高温完全燃烧，促使无机灰渣及金属熔融（1700～1800℃）后从底部排出，分离回收利用；燃烧过程中产生的高温烟气（>1800℃）则向上运动进入热解气化区。在新日本制铁的一个20t/d 的试验台中，即使不使用活性炭，烟囱入口处二噁英也能控制在0.01 ng-TEQ/Nm3 以下。

新日本制铁（Nippon Steel）高炉型气化熔融系统

 

        基于飞灰熔融的气化熔融技术以流化床气化熔融方案为代表，由于其对垃圾热值要求较低，不需外加热系统或富氧空气，投资和运行成本较低，目前，已有多家公司参与到该技术的研究和开发中来。

        流化床气化熔融技术是日本荏原公司（Ebara Co.）在以前的流化床焚烧炉及灰渣熔融技术的基础上，于1997 年在建造了一座20t/d 的垃圾气化熔融中试装置，并成功于2000 年在日本Aomori 建立了一座2×225t/d 的工业化装置，截止到2004年，荏原已经推广了20 多座城市生活垃圾气化熔融装置。目前韩国晓星（Hyosung）公司也正与荏原公司合作在韩国推广该技术。

        在该技术流程中，垃圾经过破碎预处理后，由给料系统送入流化床气化炉中，在550～650℃的温度下气化，流化床内采用不均匀布风方式促进物料内循环；气化合成气从顶部进入高温旋风燃烧熔融炉；气化残渣由流化床底部排渣口排出，经过分选（回收金属、回送床料）、碾磨后由风力输送到高温旋风熔融炉；在旋风熔融炉内，合成气及残渣在1300～1450℃温度下高温燃烧，燃烧后的灰渣在高温下熔融，在高强度的旋流及离心力作用下，被炉膛内壁捕获，然后顺着内壁流入熔渣排出口，骤冷后作为路基等材料资源化利用；燃烧产生的高温烟气经过余热利用后，进入水洗塔急冷到150℃，再进行烟气净化排放。在本技术流程中，过量空气系数保持在1.1～1.3。100t 垃圾中大约能回收0.9t金属、8.4t 熔渣及0.7t 熔融飞灰（飞灰捕积率92％）。在回收金属中没有检测到二恶英等污染物，融渣中二恶英含量大约在0.01ng-TEQ/g 以下。烟囱出口烟气中二恶英含量在0.01ng-TEQ/Nm3 及以下。

荏原流化床气化熔融技术流程

       
        日本神户制钢、川崎重工、三机工业、三菱重工等也都在开发各自的流化床城市生活垃圾气化熔融技术。此外，瑞士ABB 公司也与1999 年从引进该技术，在欧洲进行市场化运作。