垃圾热裂解高效转化装置的设计*

□ 李 凯 □ 陈银清 □ 黎 明 □ 叶 宁

1.广东石油化工学院机电工程学院 广东茂名 525000

2.高州市中亮机械制造有限公司 广东茂名 525200

1 设计背景

随着社会经济的快速发展及城市化进程的加快，居民生活中产生的垃圾逐年增加。据中投顾问发布的《2018—2022年中国生活垃圾处理行业深度调研及投资前景预测报告》数据显示，2016年全国生活垃圾清运量约为21 500.5万t，比上年增长12.3%。尽管近年来国家高度重视环境保护问题，生活垃圾处理和污水防治工作已取得长足发展，但是，在我国城市垃圾产量不断增加的同时，生活垃圾的分类、回收和处理能力与发展水平仍相对滞后，生活垃圾的处理技术非常薄弱。目前，生活垃圾常规的处理方法主要包括卫生填埋法、堆肥法、焚烧法及热裂解等。这些方法分别存在不同的缺点：填埋处理法占用土地面积大，对环境污染大，易造成土壤板结和地下水水质变坏，并且垃圾处置周期长；焚烧处理法产生的二 英对空气污染严重，是导致群体事件的罪魁祸首，且浪费大量可回收利用的资源。此外，这些方法普遍存在处理成本高、劳动强度大、效率低、可资源化空间小、对环境都有不同程度污染等问题［1-6］。

热裂解指在无氧或低氧环境下，物质被加热升温引起分子分解，产生焦炭、燃油和可燃气体产物的过程。热裂解技术是当前垃圾处理研究的前沿技术，也是行业研究的重点。

目前垃圾热裂解多采用在特定的裂解炉中使用催化剂进行低温下催化裂解，垃圾量越大，需要的催化剂越多，而现有的催化剂一般都较为昂贵，由此使得垃圾处理成本高，不适于大规模应用。同时，热裂解设备存在进料慢、投资大、密封性差、传热效率低等问题。针对现有技术存在的问题，为确保生活垃圾得到及时、高效、无害化处置，亟需一种处理成本较低、结构简单、可大规模应用的垃圾处理装置［7-12］。

2 设计要求

为满足垃圾处理的减量化、无害化及资源化，设计出密封性高、物料受热效果好、能连续作业且裂解产品能回收再利用的垃圾热裂解高效转化装置，设计方案需满足以下要求。

（1）热裂解控制工艺创新设计。需保证垃圾在裂解过程中达到充分的分解，解决现工艺存在的进料慢、密封性差、传热效率低、资源再利用率低、成本高等问题。

（2）资源回收利用系统设计。设计供热系统、气液分离回收系统、油水分离回收系统、炭渣系统。生产过程中实现气体回收供热，实现动力能源自给自足，不产生新生有害物，无废气、废液、废物等排放污染物。

（3）密封设计。确保在高温状态下不会发生自燃。整体生产过程必须保证垃圾在高温裂解中不会与空气接触，进而避免发生燃烧。

（4）智能控制设计。设计安装垃圾热裂解高效转化装置自动化操作系统及监控设备，对设备的原料流量、主机速度、物料温度、气体流量、混合油流速及所需温度进行控制，对整机温度、气体浓度、混合油温度等设置安全报警，达到全面的智能自动管理。

3 工艺原理

传统垃圾热裂解处理工艺流程为：原料干燥→粉碎→快速热裂解反应→分离炭和灰→液体收集。这一工艺存在进料慢、密封性差、传热效率低、资源再利用率低、成本高等问题。

为了更好地解决以上问题，根据反应温度和加热速度的不同，对热裂解垃圾处理工艺进行创新，设计新工艺，工艺流程如图1所示。

（1）粗碎。将垃圾送入第一粉碎机中粉碎处理，分拣出石头、砖块及泥沙等无机物。

（2）磁选。使用除铁器或磁选机去除磁性金属。

（3）筛分。使用筛分装置对经磁选处理的垃圾进行筛分，去除密度大的沙子、泥土及石粒。

（4）细碎。将经筛分处理的垃圾送入第二粉碎机中再次粉碎。

▲图1 新工艺流程

（5）脱水。城市生活产生的垃圾水分比重较大，通过压榨方式去除垃圾中的大部分水分。

（6）干燥。在进入下一道工序前需先干燥，以免水分影响垃圾的预热及裂解。将脱水后的垃圾送入干燥机进行处理，得到有机垃圾料。

（7）预热处理。将有机垃圾料送入垃圾热裂解高效转化装置密封、贫氧的预热段中，在250～450℃的温度下灭菌并部分分解。在250～450℃的温度下，有机垃圾料中的含卤物质完全分解，并消灭所有的细菌，从而实现分解有害物质、杀菌消毒的目的。

（8）高温裂解。将经预热处理的有机垃圾料送入垃圾热裂解高效转化装置密封、贫氧、高温的裂解段中，在900～1 100℃的温度下完全裂解，得到混合气体、焦油及焦炭。

新工艺设计合理、结构简单，得到的可燃气体回收用做热裂解能源，产物焦炭、焦油可收集再用，创造新的经济利益，充分达到垃圾的资源化、无害化及减量化的要求，实现垃圾处理的零排放及垃圾处理产物再利用的效益最大化。

4 总体设计

根据设计要求，垃圾热裂解高效转化装置整机由驱动装置、进料装置、预热段、裂解段、降温段及回收装置等组成，其结构如图2所示。

5 关键部件

5.1 驱动装置

垃圾热裂解高效转化装置连续进料驱动装置的动力部分设计有四套驱动电机。垃圾由上料输送机送至进料斗，再通过进料螺杆送至预热段炉体。进料螺杆的驱动选用带减速箱的星形异步电动机，其结构如图3所示。进料螺杆驱动装置结构简单、成本低、传动链短，因而传动效率高，维修安装方便。虽然可调速范围小，但可通过增加变频器进行变频调速，实现无级调速［13］。

预热段、裂解段、降温段的送料螺杆直接贯穿炉体内部，便于实现连续送料，由电机通过皮带轮将动力传至减速箱。送料螺杆驱动装置可调速范围广，可根据实际需要设计减速器箱体，结构相对复杂，制造成本高，驱动装置可保证每天24 h连续运行。送料螺杆设计有联轴器、耐高温轴承、气体离合器等。

5.2 裂解装置

裂解装置包括预热段、裂解段、降温段等，具体有密封装置、耐高温抽风装置、实时监控装置、设备外围附属能源回收装置及能源再利用装置。

预热段、裂解段的炉体结构均采用耐热钢制作，设置耐热层和保温层结构。预热段内的送料螺杆转速低、送料慢，中温热裂解产生可燃气体和混合油。裂解段内的送料螺杆转速加快50%，并设定至最高温度，加快流速，保证裂解炭的形成和流出。

▲图2 垃圾热裂解高效转化装置结构

预热段机体结构内设置耐高温抽风装置，铺设保温气体管道，抽取裂解中产生的可燃气体，设计可控温度的气体燃烧室，通过智能电子控温系统可自动调节燃烧温度，另备有安全合格的气体储备罐收集多余气体。

裂解段的裂解过程中将产生高温状态下的雾状化混合油，因此设置了油类收集器，专门收集产生的混合油。在混合油管道中加装热风装置，确保油类可在管道流动，不会产生凝结，输送到油类收集器。

预热段、裂解段的炉体内均设置有一层防漏气密封装置，外面再设置一层防漏油装置，装配完后，机外整体加装不锈钢板密封，最后泄漏出来的气体及烟雾在不锈钢壳体里经强力抽风送至燃烧室，在高温中燃烧掉。

设计垃圾热裂解高效转化装置自动化操作系统及监控设备，对设备的原料流量、主机速度、物料温度、气体流量、混合油流速所需温度进行控制，对整机温度、气体浓度、混合油温度等进行安全报警，达到全面的智能自动化管理。

5.3 供热系统

供热系统由燃烧室、裂解残渣送进装置、可燃气体及烃油送进装置、炉渣输出装置等组成。垃圾热裂解处理过程中会产生大量可燃气体、多种成分混合油、炉渣及裂解炭等。气体通过回收气体转换器循环至燃烧室进行燃烧，作为本裂解装置热裂解过程中所需加温热量的主要来源。混合油提取后汇集到回收装置。炉渣经提炼后和裂解炭用作制砖原料。

▲图3 进料螺杆结构

6 装置的应用

垃圾热裂解高效转化装置能实现生活垃圾处理规模化、连续化、减量化、无害化及资源化，实现真正意义上的零排放。装置设有热能循环利用系统，耗能少，无需外加辅助能源。垃圾在入炉前基本不需要分选，运作成本低，1 t垃圾处理费用低于40元。装置适应性强，日处理能力可在100～500 t的范围内选择。装置占地面积小，1 t处理能力建设用地为40～50 m2。这一装置已在多家企业推广应用，效果良好。

7 装置特点

垃圾热裂解高效转化装置具有如下特点。

（1）裂解工艺合理、简单。采用低温段及高温段裂解方法，得到的可燃气体回收用作热裂解能源。产物焦炭、焦油可收集再利用，创造新的经济效益，充分达到垃圾的资源化、无害化及减量化要求，实现垃圾处理的零排放，以及垃圾处理产物再利用的效益最大化。

（2）结构稳定性好。装置设计为三段——预热段、裂解段和降温段，主机载体材料采用高温耐热钢，螺杆支撑部件均用进口高温轴承，裂解炉采用三重密封结构，主体安装完毕后，用不锈钢板在外围进行密封，杜绝气体的泄漏，保温、密封效果好。

（3）设计热能循环利用系统。系统采用燃烧机提供热能，垃圾热裂解分解得到的气体、裂解残渣回收后再燃烧，为热裂解提供热能。同时，垃圾热裂解分解得到的裂解炭和炉渣可用作制砖的原料。