沼气成分分析仪在生活垃圾处理技术中的应用

　　面对巨大的垃圾存量，以垃圾填埋、堆肥为主的第一代垃圾处理技术和以焚烧为主的第二代垃圾处理技术不仅难以解决垃圾的减量化问题，还面临着严重的二次污染问题。这些困境，为各级政府部门改善民生带来了严峻的考验，国家环保部、财政部等有关部委纷纷出台优惠政策，鼓励行业内的技术创新，诞生了以机械生物处理、垃圾热解气化及隧道窑干式厌氧发酵等第三代垃圾处理技术。在生活垃圾处理技术发展进程中，沼气能源化利用始终贯穿其中。

　　从发展历程来看，垃圾处理一共经历了三代：

　　第一代——最古老的垃圾处理技术：填埋、堆肥

　　第二代——目前广泛采用的垃圾焚烧发电技术，对垃圾中的热值进行充分的利用

　　第三代——从两个角度解决生活垃圾处理的问题

　　利用垃圾中的热值，回收利用有价值的物质——沼气、合成气等，实现垃圾资源化能源化利用；

　　通过多级的机械与各种分类技术，将垃圾有害物质提前分离出来，从源头上遏制二噁英的生成。

　　一、第一代生活垃圾处理技术

　　1、填埋

　　生活垃圾一旦填埋到填埋场，就发生一系列的生物降解和物理化学转化，填埋过程中会产生高热值填埋气（沼气），是一种利用价值较高的清洁燃料，可用于沼气发电、热利用或提纯。

　　填埋场封场数年后(在南方一般至少在8~10年以上，北方地区10~15年以上)，垃圾中易降解物质完全或接近完全降解，垃圾填埋场表面沉降量非常小(如小于1~5mm/a)，垃圾自然产生的渗滤液和气体量极少或不产生，垃圾中可生物降解含量(BDM)下降到3%以下，此时的垃圾填埋场可以认为达到稳定化状态，所形成的垃圾被称为矿化垃圾。

　　但由于垃圾组成成分复杂，物理、化学和生物特性差异很大，以及垃圾填埋场结构设计上的问题，其无法为微生物提供适宜的生长条件，垃圾的生物降解过程因而受到限制，因此，现行传统的卫生填埋场除了占地面积大之外，还具有降解过程缓慢、稳定化时间长、降解不完全、产气率低、渗滤液成分复杂，且难以处理等缺点。

　　2、堆肥

　　堆肥法处理生活垃圾是指凭借微生物的生化作用，在人工控制条件下，将生活垃圾中有机质分解、腐熟、转换成稳定的类似腐殖质土的方法。目前国内广泛采用好氧堆肥和厌氧堆肥两种。

　　好氧堆肥是以好氧微生物对废物进行吸收、氧化、分解，微生物通过自身的生命活动，把一部分吸收的有机物氧化成简单的无机物，并释放出生物生长活动所需的能量，把另一部分有机物转化成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。好氧堆肥温度一般为50℃~65℃，最高可达80℃~90℃，堆制周期短，堆料中寄生虫卵、病原菌、蝇蛆、草籽等均能被杀死。

　　厌氧堆肥也称“厌氧发酵堆肥”，是废物在厌氧的条件下通过微生物的代谢活动而稳定化，同时伴有沼气的产生，可收集进行能源化利用，但其有机物分解速度缓慢，制作堆肥需要数个月时间，发酵周期长、占地面积大。

表1.垃圾填埋与堆肥优缺点分析

　　二、第二代生活垃圾处理技术

　　目前，垃圾焚烧是大多数国家处理垃圾时的主要选择方式，共有36个国家和地区建有生活垃圾焚烧厂，欧盟、日本、美国建设的垃圾焚烧发电厂占全世界的80%以上。

　　生活垃圾能否采用焚烧处理技术，取决于垃圾中可燃质量、低位发热值和垃圾含水率。一般要求，生活垃圾低位发热值在3350kJ/kg以上，垃圾含水率50%以下，垃圾能够自然焚烧，但无法满足炉膛内烟气850℃/2S的要求。

　　当生活垃圾低位发热值在6280kJ/kg以上，方可实现稳定燃烧，满足发电的需要，有效利用能源，建设垃圾焚烧发电厂。其中，焚烧炉是垃圾焚烧发电的核心，决定着垃圾处理的效果和运行的经济性。焚烧炉充分燃烧后才能达到无害化和减量化的目标。

　　垃圾焚烧发电工艺流程

　　最为常见的炉排炉和循环流化床两种模式：

　　炉排炉技术——通过炉排的机械运动加强垃圾扰动，促进垃圾完全燃烧。

　　循环流化床——高速气流驱动垃圾在炉膛内沸腾流动，促进完全燃烧。

表2.炉排炉焚烧炉与循环流化床焚烧炉应用分析对比

　　在国外，由于垃圾分类严格，以炉排炉为主。在中国，由于是混合收集的生活垃圾，具有成分复杂多变、热值低、含水率高的特点，所选择的垃圾焚烧技术必须与这些特性相适应。

　　因此，国内炉排炉、流化床焚烧炉两者并举。国家建设部、国家环保总局发布的《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》要求：“目前垃圾焚烧宜采用以炉排炉为基础的成熟技术，审慎采用其它炉型的焚烧炉”。所以机械炉排炉作为垃圾焚烧炉首选炉型。

　　虽然采用焚烧发电方式处理城市垃圾已成为越来越多省份的选择，但垃圾焚烧发电厂依然面临诸多争议，困扰大家的还是垃圾焚烧发电前后产生的烟气、灰渣、渗滤液、臭气的处理问题。如果未能很好地处理三废的排放，焚烧厂可能遭自环保局的严厉惩罚，甚至因为对二次废物的违法处理，被追究刑事责任。

　　三、第三代生活垃圾处理技术

　　1、机械生物处理技术

　　机械生物处理技术由山东科技人员研发，是结合山东省混合收集、成分复杂、含水率高、厨余垃圾含量高的生活垃圾特点，对混合垃圾经破袋、磁选、破碎、筛选机械减量处理后，将剩余垃圾生化处理，从废弃物中分离出有价值的材料及物质，并最终将剩余物制作成垃圾衍生燃料，广泛应用于电厂、水泥厂等企业生产，也被称为“绿色煤炭”。该技术具有如下特点：

　　1）作为垃圾处理的预处理技术，可结合其他工艺完成无害化处理(机械生物预处理结合卫生填埋技术)；

　　2）通过各种机械、物理和生物化的处理手段来对垃圾进行精细地分拣和再利用；

　　3）从废弃物中分离出有价值的材料及物质(绿色煤炭)用于燃煤发电设施一起燃烧利用；

　　4）可在碳交易中获得相应的二氧化碳排放额度。

　　2、生活垃圾热解气化技术

　　生活垃圾热解技术由神雾集团历时5年的专项攻关研发而成，并实现了商业运营，系“十二五”国家科技支撑计划课题与北京市科委和中关村重大专项。该技术具有如下特点：

　　1）可彻底解决生活垃圾和各种有机固废处理的世界难题，从原理上杜绝二噁英产生，整体排放达到天然气锅炉标准。

　　2）避免了传统焚烧垃圾产生危险废弃物-飞灰的问题。

　　3）在垃圾处理过程中，物料中重金属一直处于还原性环境，不向环境大气中排放，最终实现固化处置。

　　4）预处理采用全封闭厂房，负压操作，有效避免了恶臭的扩散。

　　5）酸性气体和污水排放指标远低于相关标准限定值。

　　6）减量化效果明显，最终剩余的无机物残渣热灼减率低于1%。

　　7）资源化水平高，真正实现了垃圾的资源高效利用。

　　8）该热解技术杜绝了绝大部分污染物，相对于第一、第二代垃圾处理，极其清洁

　　9）该技术不仅可以从垃圾中提取高热值的燃油和燃气直接出售，还可以就地发电，商业模式灵活多样，达到更好的经济效益

。

垃圾热解气化发电工艺流程

　　垃圾热解气化后产生的可燃气体主要是CH4、CO和H2，经过除尘、电捕焦油、净化、降温和捕滴等过程，最后可得合成气的热值为1000kcal/m3左右。每吨垃圾平均产气约1500~1800m3，实现不间断、连续输出，用于发电。但由于垃圾中含有部分塑料，热解气化产生的合成气中还含有部分C2H2和C2H4。

表3.合成气中可燃气体成分的热值

　　由于温度变化对热解气化产物产量、成分比例有较大的影响，低温时，CO2、CH4增加，CO减少；随着温度升高，脱氢反应加剧，H2含量增加，C2H2、C2H4减少；高温阶段，CO逐渐增加。因此，在合成气回收利用过程中，为了提高合成气的回收率和利用率，通常需要实时检测合成气中CH4、CO、H2、C2H2和C2H4体积浓度，以便及时调整优化气化和净化工艺，如调控工艺温度，以提高合成气回收率和利用率。

　　此外，垃圾热解气化过程是一个贫氧的过程，但研究发现，少量O2有利于垃圾在热分解过程中CH4、H2和CO的生成。而垃圾热解气化产生的合成气具有一定的易燃易爆炸属性，且当合成气经过电捕焦油环节时，电捕焦油器电极间有电晕，可能会发生火花放电现象，如果合成气中混有较多氧气，极易发生爆炸。因此，为保证气化产生的合成气有效、安全回收，必须要对炉内或管道中的O2浓度进行实时检测。

　　综上所述，采用热解气化技术工艺处理生活垃圾时，有必要采用气体分析仪器对热解合成气中的CH4、CO、H2、C2H2、C2H4和O2进行实时检测，以保证合成气的高效回收利用和现场工艺的安全。

表4.垃圾热解气化合成气成分分析仪器选型

　　3、隧道窑干式厌氧发酵技术

　　隧道窑干式发酵技术主要是针对有机废物、城市绿化垃圾以及剩余垃圾有机部分的可持续隧道干式发酵方法。此技术工艺可使原来的垃圾处理回收利用率达到了99%。其核心部件是隧道窖，窖内的桨式搅拌器缓慢旋转，确保发酵物的最佳混合，同时，基板经热水加热器加热，使发酵罐内始终处于55℃左右的最佳发酵温度。经过20多天的高温发酵后，沼气会不断产生并被收集，用来实现集中供热、供电和家用以及汽车用的天然气能源，沼渣则被加工成高质量的固体有机肥，而沼液则作为流质农业有机肥。该技术具有如下特点：

　　1）分离出低燃烧值，高含水量的有机物，降低焚烧发电成本；

　　2）提高剩余垃圾的燃烧值，提升焚烧发电效率；

　　3）垃圾焚烧总量大幅减少，减少垃圾焚烧尾气与残渣污染；

　　4）通过干式厌氧发酵获得最高价值生物能源：沼气、有机肥。

　　该技术是德国联合新能源集团在国内推广的重点。并且已得到国内中国市政工程华北设计研究总院、上海环境卫生工程设计院、上海市政工程设计研究总院、中国城市建设研究院等几大设计院的认可和关注，并着力推广此技术在国内的落地和应用。

　　四、沼气能源化利用在生活垃圾处理中的应用

　　在垃圾处理过程中，无论是垃圾填埋、厌氧堆肥，还是厌氧发酵均会产生沼气这种高价值生物能源，可用于发电上网、热利用或提纯生物天然气，其能源化利用是生活垃圾减量化、资源化和无害化处理的关键。

　　1、沼气发电

　　生活垃圾处理场的沼气主要来自垃圾中的有机物质分解所产生的生物质气，根据相关资料，国外每吨湿垃圾大约产生沼气量可达200~400m3。而国内实测资料显示，每吨垃圾产生沼气量为110~140m3；沼气热值范围一般为7450~22350kJ/m3（天然气热值为37260kJ/m3）。以1吨垃圾每年产生约6~7m3沼气，每立方米的沼气发电1.5千瓦时折算，1吨垃圾产生沼气每年发电量达到9~10千瓦时。

　　2、沼气热利用

　　生活垃圾处理产生的沼气具有一定热能，对这部分热能利用可以获得一定的经济效益。常见用于砖瓦厂燃料，锅炉房锅炉燃料等直接用于燃料燃烧的行业。

　　3、沼气提纯

　　提纯后的沼气，硫等杂质均已被去除，甲烷含量可提高到91%以上，燃烧时将不会产生二次污染。提纯气用于民用或车用燃料的利用率通常在90%以上，相比于发电和热能利用项目，其能量利用率也大大提高。但垃圾处理场一般位于城市郊区，提纯气进入市政管网需要投资巨大的管线工程，所以提纯气进管网用于民用燃料，受制于管网的布局。

　　为了能够安全可靠地对沼气进行综合利用，一般建议在厌氧工艺后端、沼气净化提纯后端或沼气发电前端设置沼气分析仪，实时监测沼气中CH4、CO2、O2、CO、H2S、H2等气体浓度，业主可根据项目需求进行选择。

表5.垃圾处理技术工艺沼气成分分析仪器选型

　　根据目前，我国的经济和社会发展水平，在当前和今后相当长期内，生活垃圾仍然会以卫生填埋为主，辅以清洁焚烧、生物处理等其他处理方法，因此必须采取适宜的措施防治处理过程中的渗滤液、焚烧渣、臭气等二次污染问题。随着我国垃圾处理技术的不断创新，相信我国生活垃圾处理会逐渐向减量化、资源化和无害化的静脉产业（废弃物收集运输、分解分类、资源化或最终处置等循环经济产业）方向升级，其中沼气的能源化利用将成为产业发展的重要一环。

（来源：沼气圈）