新型城市生活和医疗卫生垃圾处理设备的研制

　　中国工程热物理学会燃烧学 ２００２年学术会议 编号：０２４０２７ 新型城市生活和医疗卫生垃圾处理设备的研制 （天津大学环境科学与工程学院，天津３０００７２）摘要；本文探讨了目前我国城市生活和医疗卫生垃圾处理的发展趋势，分析７＂－－恶英物质的产生原 理和解决办法，讨论了热解技术处理垃圾的工作机理，介绍了研制成功的新型的城市垃圾热解处理装 置的特点，试验情况和二恶英的测试结果，二恶英的排放量达到了国际先进指标。 关键词：垃圾资源化处理，垃圾热解处理旺猡，环境保护 ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｆｏｒＰｒｉｎｃｉｐｌｅ ＵｒｂａｎａｎｄＭｅｄｉｃａｌＧａｒｂａｇｅＤｉｓｐｏｓａｌ ＺｈａｎｇＹｕｆｅｎｇ Ｗｕ Ｔｉｎｇ Ｘｕ Ｃｈａｎｇｚｈｏｎｇ Ｄｅｎｇ Ｎａ ＬｉｎｇＪｉｈｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ ｔｅｃｈｅｎｏｌｏｇｙ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓｍｏｄｅｓｏｆｔｈｅ ｒｅｆｕｓｅ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｒｅｆｕｓｅ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ， ｇａｒｂａｇｅｐｏｗｅｒ，ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｏｓｔ ａｎｄｅｍｂｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｉｎｇ Ｃｈｉｎａｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄｅｖａｌｕａｔｅｄｆｏｒｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｔｏｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｎｅｗｋｉｎｄ ｏｆａｐｐａｒａｔｕｓ ｂａｓｅｄＯｎｔｈｅ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｈａｄｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｄｅａｌｉｎｇｔｈｅｕｒｂａｎ ｇａｒｂａｇｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｎｙ ｈａｒｍｆｕｌ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ．１１１ｅ ｔｅｓｔｓｈｏｗｓ ｕｐ ｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｄｉｏｘｉｎｓｍａｔｔｅｒｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．１ ｎｇＴＥＱ／ｍ３ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｇａｓ．Ｔｈｅｓｏｌｉｄ ｅｘｐｕｌｓｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ ｋｅｅｐｓｏｎｌｙ ５—７％ｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｒｅｆｕｓｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍｓｏｌｉｄ ｇａｒｂａｇｅ， ｒｅｆｕｓｅ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ０城市垃圾的危害分析 城市生活污染是全球性的难题。垃圾围城、白色污染在我国表现的更为突出，己危 害到千家万户。医疗卫生垃圾的污染又是垃圾污染之首，是垃圾处理中的难题。我国目 前各大城市对医疗卫生垃圾处理主要采用简易焚烧的方式，简易焚烧只是将垃圾减量 化，但对大气产生＝次污染，同时也产生对人体及其有害气体——二恶英。目前我国城 市人口的比例达到了３０％，城市垃圾平均以每年８’１０％的速度增长，２０００年达到１．４－－ １．６亿吨。已经建立的垃圾处理场远远不能满足城市垃圾的日益增长量，给市政管理带 来了前所未有的压力，使城市生态环境保护的矛盾更加突出。目前全国垃圾存储占地累 计达７５万亩。全国的城市中已有２／３被垃圾带所包围。面对日益严峻的城市垃圾问题， 国家高度重视环境保护问题，加大了对城市环保基础设施的投入。 有统计资料表明：我国历年垃圾的堆存量已达６０多亿吨，占用的土地面积超过５ 亿平方米。据有关媒体报道，１９９８年至１９９９年两年间，我国共投资１８０亿元用于处理 城市垃圾。目前，我国对垃圾的处理总体上属于最终处理，承受着巨额的费用，据估算 每处理一吨垃圾需费用１００多元，处理的办法无非是焚烧或掩埋；几十年前，人们开始 寻求垃圾前端处置的对策，分类收集处理应运而生；近些年，随着消费水平的提高，垃 圾量猛增，人类面临着环境污染和资源短缺的双重困扰，人类又在探索更科学更合理的 处理和利用办法。 我们的经济活动一直在循着这样一个模式发展：大量开采资源、大规模生产、大量 消费、大量产生废弃物。从表面上看，垃圾是消费的终结，但对社会和人类而言，尤其 是当人类社会普遍认识到可持续发展的今天，垃圾回收利用日益得到重视。把大部分垃 圾转化为资源，一方面可以减少环境污染，另一方面可以缓解资源危机，同时还可以节 省垃圾处理的费用，形成良性的生态环境循环，是一件一举三得的事。 ｌ城市垃圾处理中的二恶英及其发生机理 二恶英（ＤＩＯＸＩＮｓ）是某些氯化物族的简称，有时是指ＰＣＤＤｓ，有时又是ＰＣＤＤｓ 与ＰＣＤＦｓ的统称。美国环保局在１９９８年考虑毒物申报清单时，将ＰＣＢｓ也列入其中。 日本的一些文献也有将ＰＣＢｓ列入二恶英中的。一般情况下认为是ＰＣＤＤｓ与ＰＣＤＦｓ的 统称。 ＰＣＤＤ和ＰＣＤＦ分别为由２个和１个氧原子连接被氯取代的苯环（平面结构）。每 个苯环上可以取代１—４个氧原子，所以共有７５个ＰＣＤＤ异构体和１３５个ＰＣＤＦ异构体。 各种二恶英的同族异构体毒性相似，程度不同，其中毒性最大的是２，３，７，８一ＴＣＤＤ （四氯二苯对位二恶英），它的毒性是氰化物的１０００倍，是迄今为止发现的最具毒性的 化合物。其它各种二恶英类异构体的毒性与２，３，７，８－－ＴＣＤＤ相比较，称为毒性因子 或毒性当量（ＴＥＱ），用卜吼Ｆ表示。毒性最大的２，３，７，８－－ＴＣＤＤ毒性当量为ｌ， 其它二恶英类异构体的毒性当量均以小数表示，毒性总量用浓度加权平均表示，国际的 先进排放标准为０．１ｎｇ／ｍ。 二恶英毒性很强，且易在生物体内积累。大量动植物表明很低浓度的二恶英就对动 物表现出致死效应。ＰＣＤＤ和ＰＣＤＦ暴露可引起皮肤痤疮、头痛、失聪、忧郁、失眠等 症，并可能具有长期效应，如染色体损伤、心力衰竭、癌症等。越南战争期间，美国在 越南施放了４０万Ｌ落叶剂，含有２ＰＰＭ以上的Ｔ４ＣＤＤ，引起了生育缺陷；在日本和台 湾分别发生了有名的米糠油事件，在受害者体内的血液、脂肪组织和肝脏中发现了 ＰＣＤＦ，受害者症状为：皮肤病、慢性支气管炎、细胞免疫力下降、肝脏转氨酶增生、 新生儿重量减轻及头盖骨非正常钙化、神经症状、引发癌症等，并具长期效应。我国对 此类研究的报道尚少，但已发现的报导显示二恶英毒物在南方某血吸虫病疫区人群血液 人乳与湖泊底泥中均有检出，其来源为以往灭钉螺使用的国产药物五氯酚钠，尽管检出 的量低于发达国家。但此结果已表明我国环境中也存在着二恶英。由于其自身物性，二 恶英在环境中难以降解，具有累积性。而且会通过食物链放大造成进一步危害。二恶英 类的环境污染现在已成为世界上最敏感的问题。并认为城市垃圾焚烧炉是向环境中排放 二恶英类物质的最大污染源之一。 自然界中二恶英的来源大致有三种，一种是在农药中作为副产品或杂质形成的；二 是高温焚烧含有氯元素的有机物的过程中形成的；三是在纸浆的氯气漂白过程后，以废 气废水的形式排放出来。这三种来源虽然都是二恶英的污染源，但是从日本国内对二恶 英的排放量进行调查结果来看，１９９０年日本的二恶英排放量为３９４０～８４５０９（ＴＥＱ）， 其中由垃圾焚烧排放出来的二恶英为３１００～７４００９（ＴＥＱ），占二恶英总排放量的８０％～ ９０％。正如许多刊物所报道，垃圾焚烧是二恶英最主要的来源，这就是世界各国对垃圾 焚烧排放出来的二恶英以极大关注的原因所在。 在垃圾焚烧过程中不可避免的会产生可造成二次污染的有害物质，如伴随焚烧灰排 放的重金属尘粒、ＰＣＤＤｓ（多氯二苯并二恶英）、ＰＣＤＦｓ（多氯二苯并呋喃）、ＰＣＡ（多 环芳香族化合物）、ＰＣＢ（多氯联苯）及有害气体（如ＨＣＬ、ＨＦ、Ｓ０２等）。其中二恶英 是世界上迄今为止毒性最强的毒物。以往仅将废气中的烟尘、重金属尘粒、ＨＣＬ和ＳＯ： 等作为污染防治对象，到１９８６年左右，垃圾焚烧炉排放的二恶英类物质的防治才被作 为一个世界性问题提出来。 生活垃圾在焚烧过程中，二恶英的生成机理相当复杂，至今为止国内外的研究成果 还不足以完全说明问题，已知的生成途径可能有以下几方面： 生活垃圾本身含有微量的二恶英，由于二恶英具有热稳定性，尽管大部分在高温 燃烧时二恶英得以分解，但仍会有一部分在燃烧以后排放出来： 在燃烧过程中由含氯前体物生成二恶英，前体物包括聚氯乙烯、氯代苯、五氯苯 酚等，在燃烧中前体物分子通过重排、自由基缩合、脱氧及其他分子反应等过程会生成 ＰＣＤＤ和ＰＣＤＦ，生成温度为３００～８００， 燃烧生成以后：因不完全燃烧产生的前驱物质和废气中的氯化物、氧等在烟尘中 所含的Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ等的催化作用下，在３００＂（２左右的温度范围内可能生成二恶英类物 质，也被称为ＰＣＤＤ和ＰＣＤＦ的“从头合成”。 以上三个途径在固体废物焚烧炉的二恶英形成中都可能起作用，各种途径的重要性 则取决于具体的炉形、工作状态和燃烧条件。 ２控制二恶英发生的设想 实验表明，在流动气体中，温度在８５０＂Ｃ以上时，维持一定的流动时间，二恶英的 化学健就会断裂分解、浓度低化，达到标准要求。因此在垃圾焚烧中，二恶英的产生除 与垃圾成分有关外，还与焚烧炉构造、焚烧工况有很大关系。主要是炉温、气体在高温 区内停留的时间和气体湍流程度（即３Ｔ理论）。 控制二恶英发生的设想是采用热解方法处理生活垃圾，既垃圾在缺氧状态下首先进 行热化处理，使有机挥发份分解，而垃圾自身炭化。炭化后的垃圾一部分作为燃料燃烧 以维持垃圾热解温度９００－１０００＂Ｃ，由于炭化后的垃圾中有机物质已经基本分解，因此燃 烧过程不会产生二恶英，垃圾自身含有的二恶英，经过高温下的滞留和扰动将被分解， 浓度低化：剩余的炭化垃圾在设计的气化过程中基本全部气化成为燃烧气体，从而完成 了垃圾的热解过程。尤其注意在３００＂（２左右的热解过程中控制为缺氧或无氧状态时，把 二恶英生成可能性降到最低水平。 根据以上设想我们研制了一套新的垃圾处理技术——垃圾热解处理装置，处理后的 垃圾可产生清洁可燃气体能源，并排出５—８％的垃圾灰。可用于花草养殖，而二恶英的 含量达到极低的标准，彻底解决生活垃圾和医疗卫生垃圾处理产生的污染，带来巨大的 经济社会环保效益。 ３新型城市垃圾热解处理装置的特点、运行机理和试验 近期我们研究成功的新型城市固体垃圾熟解处理装置在９００’１０００＂Ｃ左右的温度下， 通过简单且巧妙的气化流程系统，就可以达到垃圾的净化处理和清洁产生能源的效果。 主要的温度是固体垃圾自身能够产生的温度，无需外来能源的消耗，是真正变害为益的 垃圾处理设备。这种用于城市固体垃圾的处理装置，采用了先进的热解技术处理垃圾， 产生清洁可燃气体能源，无污染物排放，可彻底解决生活垃圾和医疗卫生垃圾的污染问 题，并带来巨大的经济、社会和环保效益。装置的主要技术特点： １．１设备体积小，安装灵活，自动化程度高，操作方便，占地面积小。可将垃圾处理场 建在居民生活小区或医院内，就地对垃圾进行封闭化处理，节省垃圾运输车辆及运 费，非常适合居民居住密集区。 ２热解垃圾过程无需外来能源，垃圾热解产生的可燃气体部分用于装置的自身消耗，剩余部分作为热水锅炉燃料提供小区居民生活或采暖热水，垃圾资源化和无害化效 果优于简单的垃圾焚烧方式，而“三化”效果也优于垃圾卫生填埋方式；同具有垃 圾“三化”处理特征的垃圾焚烧发电方式比较，投资费用少，运行管理方便，消耗 １．３任何有机物类垃圾，包括废塑料、橡胶、石油及秸杆、树叶、稻草、剩饭、剩菜及动物尸体和粪便等。 １．４由于热解过程是温度效应过程，无转动部件，因此不像垃圾发电的燃烧过程需要对 垃圾提前分类，适合我国目前的国情； １．５无二次污染，完全资源化处理，从垃圾中获取大量的燃料气体，可解决居民取暖锅 炉和生活热水锅炉用气。使居民区达到一个新的生活环境。 １．６垃圾处理过程产生的二恶英排放低于国际最低标准０．１ｎｇＴＥＱ／ｍ３（由中国科学院生 态环境研究所提供）； 垃圾中的废电池、金属和玻璃等作为固体排出物排出。由于排出量只有５’８％，可将 溶解了的玻璃、金属很容易地分出，剩余的无机物将作为花草养殖土或卫生填埋。目前 尚无对废电池的有效处理。 城市生活和医疗卫生垃圾处理装置的气化流程图见图一。其工作原理是这样的：有 机物生活垃圾的主要成份是由碳（Ｃ）、氢（Ｈ２）、氧（０２）、氮（Ｎ２）、硫（Ｓ）和其它一些 元素组成。将有机垃圾装入热反应罐内加热，在高温、缺氧和压力等条件下进行热解， 有机物中的分子链开始断裂和分解，其表面水分、二氧化碳、甲烷析出，产生含有甲烷、 一氧化碳、二氧化碳、氢、有机酸及焦油和水蒸气等组成的混合气体，而垃圾则转化以 碳元素为主的焦炭一“垃圾炭”。经过这样的化工流程反应，使混合气体中的有机酸、 焦油、水蒸气等与“垃圾碳”进行二次反应，再次产生以一氧化碳、二氧化碳、氢和甲烷 为主的燃料气体。这种清洁能源一部分用于设备自身来维持反应温度，剩余部分则提供 给用户使用。整个过程循环进行，整个垃圾处理过程中，没有废气的排放，唯一的排放 物是５～８％的无害无机物固体。这种固体土可以用来作为植物的培置土，试验证明其营 养成分优于一般的土壤。 根据提出的工作原理研制的城市垃圾处理装置近期在天津大学完成试验，垃圾处理 量为５顿／天，占地面积约为６０ｍ２，在对城市垃圾的处理试验中得到了较为理想的结果。 以下是试验得到的燃气成分数据。 ２７９ 图一 新型城市垃圾热解处理设备流程图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｕｒｂａｎ ｇａｒｂａｇｅｐｙｒｏｌｙｓｉｓａｐｐａｒａｔｕｓ 煤气成分测试数据 Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄａｔａｏｎｔｈｅ ｃｏｍｐｏｅｎｔｏｆｇａｓ 成分分析 平均值％ 成分分析 平均值％ 二氧化碳 １．４ １５．２高碳化氢 ０．４ 甲烷 ９．６ ８．８氮气 ４７．２ 一氧化碳 １７．４ 热值（ＫＪ／ｍ３） ８０００ 测试单位：天津市第二煤气厂检测站 四、结论 生活垃圾和医疗卫生垃圾处理应走一条无二次污染、减量化和资源化的道路，研制安装、 维修、操作等简单又方便的处理设备，这在我国这个人口众多的发展中国家中有着巨大的发 展前景。研制出的城市生活垃圾与医疗卫生垃圾热解处理设备，使在处理垃圾时对环境没有 污染，二恶英的排放量超过国际先进标准，完全达到国家对生活垃圾和医疗卫生垃圾处理无 害化和减量化的标准。同时垃圾可作为一种资源，在处理过程中产生大量的可燃气体，带来 巨大的经济效益。 参考文献 Ｉ．杨国清，刘康怀，《固体废物处理工程》，科学出版社，２０００年。 ２．Ｌ．Ｌ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｄ．Ａ．Ｔｉｌｌｍａｎ， 《废物和燃料》，白怡然等译。科学文献技术出版社， １９８４年。 ３．李水清等，“生物质废弃物在回转窑内热解研究”，《太阳能学报》，Ｐ．３３３—３４０，第２１卷， 第４期，２０００年。 ４．唐时明，《美国二恶英处理技术》，上海环境科学出版社，１９８７年。

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