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有机固废制备固体回收燃料工艺技术现状与展望

齐佳楠 ,  呼永锋 ,  周硕 ,  王欢 ,  李兵 ,  刘海威

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 48 -53.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 48-53. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.010
技术进展

有机固废制备固体回收燃料工艺技术现状与展望

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Status and prospects of process and technology for preparation of solid recovered fuel from solid organic waste

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摘要

基于文献调研和项目实地调研,对SRF制备工艺技术展开全面综述。介绍了机械处理工艺、机械-生物处理工艺、最大能量化工艺等不同固体回收燃料(SRF)制备工艺的流程与特点,阐述了破碎、分选、干化和成型等SRF制备技术的研究进展,总结SRF制备工艺技术发展方向为多技术协同增效、多源有机固废协同处理、设备结构优化和智能化以及新技术深入应用等。旨在促进有机固废能源化、资源化利用,提升SRF制备的综合效益与技术水平,为相关领域发展提供参考与借鉴。

Abstract

Based on literature research and field investigation,the preparation technologies for solid recovered fuels (SRF) are comprehensively reviewed.The process and characteristics of various SRF preparation technologies,such as mechanical treatment,mechanical-biological treatment,and maximum energy recovery processes,are introduced.The research progress in SRF preparation technologies like crushing,sorting,drying,and molding is expounded.It is summarized that the development directions of SRF preparation technologies could be multi-technology synergistic efficiency,co-treatment of multiple sources of solid organic waste,optimization and intelligence of equipment structure,as well as the deep application of novel technologies.This account aims to promote to utilize solid organic waste as energy and resource,improve the overall benefit and technical level of SRF preparation,and provide reference and guidance for the development of related fields.

Graphical abstract

关键词

有机固废 / 焚烧 / 工艺技术 / 固体回收燃料

Key words

solid organic waste / incineration / process / solid recovered fuel

Author summay

齐佳楠(1994-),男,博士,工程师,从事有机固废处置与资源化研究,

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齐佳楠,呼永锋,周硕,王欢,李兵,刘海威. 有机固废制备固体回收燃料工艺技术现状与展望[J]. , 2025, 45(11): 48-53 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.010

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随着我国经济制造业发展和居民生活水平提高,我国有机固废的产量逐年增加。据统计,我国有机固废年产量超过60亿t[1],包括生活垃圾、污泥、秸秆、沼渣等城市有机固废、工业有机固废以及农林业有机固废。近年来焚烧发电和协同焚烧在有机固废处置领域发挥越来越重要的作用,截至2023年,我国水泥窑生活垃圾等有机固废协同处置项目超过80项,有机固废年处理能力达到800万t以上,覆盖27个省级行政区[2]。然而受限于部分有机固废含水率高、热值低、来源分散的特点,我国有机固废的能源化利用率仍处于较低水平[3],有机固废的不完善处置造成了严重的环境污染和经济损失。
固体回收燃料是以非危险性废弃物为原料制备的固体燃料,相对于废弃物原料具有更好的稳定性、均一性和设备适应性。目前利用有机固废制备固体回收燃料的项目正在我国快速推广,在北京、上海、广东、浙江等地开展了代表性的工程应用[4]。利用固体回收燃料制备技术可提高有机固废的密度、热值和燃烧性能,从而提升有机固废焚烧处置的经济运输半径,减少二次污染,可实现更好的经济效益和环境效益。应用固体回收燃料制备技术是促进我国有机固废能源化、资源化利用的有效手段。
近年来利用有机固废制备固体回收燃料的工艺和技术快速发展,基于文献调研和项目实地调研对SRF制备工艺技术进行全面综述。详细介绍各类SRF制备工艺的过程和原理,总结有机固废破碎、分选、干化和成型技术的研究进展,展望SRF制备工艺技术的发展方向,为SRF制备工艺技术的研究和应用提出建议。

1 SRF制备工艺

SRF的制备和应用起源于欧洲,发展出了较为成熟的机械处理工艺(MT)、机械-生物处理工艺(MBT),利用生活垃圾、装修垃圾等有机固废制备的SRF产品广泛地应用于水泥生产、火力发电等行业。近年来有机固废的能源化利用和资源化利用受到我国研究人员的广泛关注,国内外学者在MT/MBT工艺的基础上开发出了新的工艺和技术。下面对不同SRF制备工艺的流程进行介绍和总结。

1.1 机械处理工艺

机械处理工艺通过破碎、筛分、风选等手段将有机固废中的惰性不可燃物分离,生产均质的SRF产品,并回收金属、塑料、玻璃等材料。典型的MT制备SRF的工艺路线如图1所示[5]。首先,生活垃圾进行初级破碎,筛除15 mm以下的颗粒后进行磁选和涡流选,回收其中的金属,然后通过风选除去生活垃圾中的重组分(砂石等不可燃物),再通过红外分选剔除物料中的含氯塑料,最终经过次级破碎成为SRF产品。机械处理工艺适用于生活垃圾、装修垃圾和工业垃圾等低含水率混合固体废弃物的处理。针对不同的物料组成和性质,可采用不同的破碎粒度,组合多种筛分和分选方法。

1.2 机械-生物处理工艺(MBT)

机械-生物处理工艺是在机械处理工艺的基础上增加生物干化处理流程,利用生物好氧代谢产生的热量将物料中的水分蒸发,实现降低水分、提升热值的目的,可利用含水率较高的有机固废制备SRF。典型的MBT工艺流程如图2所示[6],生活垃圾经过破碎、筛分和分选等机械处理流程,回收生活垃圾中的金属、玻璃、塑料等组分,然后进行生物干化,降低物料水分。再经过后分选去除砖石等惰性杂质和高氯含量的PVC,得到固体回收燃料产品。
上述MBT工艺先进行机械处理,后进行生物干化,此类MBT工艺广泛应用于芬兰、德国、意大利等欧洲国家。然而我国生活垃圾含水率显著高于欧洲国家,生活垃圾中较多的水分会造成机械处理设备的污染和损坏,难以长期稳定运行。因此,在我国广东揭阳、山东临淄、浙江温州等地应用的MBT工艺主要采用“预处理-生物干化-机械分选”的流程[7]。

1.3 最大能量化工艺(MYT)

德国2001年新的垃圾填埋规定要求进入填埋场垃圾的有机物含量不能超过5%,德国维尔利公司开发了最大能量化工艺(maximum yield technology,MYT),以降低填埋垃圾中有机质的含量。该工艺的主要流程如图3所示[7],相比于MBT技术,MYT流程中增加了生物水解和厌氧发酵处理。生活垃圾首先通过机械分选分离出可回收材料和杂质,再通过生物水解技术将可降解有机质分离至液相。液相产物进行厌氧发酵产生沼气,生物水解剩余固体组分进行生物干化,最后剔除低热值的杂物和惰性物料,得到SRF产品。
MYT工艺的生物水解和厌氧发酵处理使该工艺更适用于含水率较高的有机固废。江苏维尔利环保科技股份有限公司引进MYT技术,利用含水率约70%的厨余垃圾制备SRF,在杭州开展了50 t/d的示范项目[8]。然而MYT工艺的流程相比于MT和MBT工艺更长,需要依赖更多的设施,这也意味着更大的投资和运营成本。

1.4 其他工艺

如上文所述,MT、MBT等工艺主要用于处理生活垃圾、装修垃圾等有机固废。而从SRF的概念上讲,污泥、农林废弃物等非危有机固废亦可作为SRF制备的原料。近年来污泥的处置受到广泛关注,国内外学者开发出利用污泥制备SRF的工艺。北京通州河东污泥处理厂利用市政污泥制备SRF,SRF的产率为55.5%,含水率降至40%,其热值相对于污泥原泥得到了显著的提升。符勇等[9]以含水率约80%的污泥、秸秆和污泥固结剂混合成型,制备固体回收燃料。Chen等[10]利用锯末和工业污泥制备SRF,在干燥污泥中加入10%的锯末后混合均匀进行压制,所得SRF的灰分低于20%,热值达到20 MJ/kg。

2 固体回收燃料制备技术

2.1 破碎技术

固体废弃物的破碎方法根据破碎的作用方式可分为挤压、劈裂、剪切、冲击和弯曲等。生活垃圾、工业垃圾、装修垃圾中通常含有纸张、塑料、木料、金属等硬度和韧性不同的物料,因此对于生活垃圾、装修垃圾、工业垃圾等混合废弃物通常需要结合多种破碎方式。近年来学界重点关注餐厨垃圾、生活垃圾、装修垃圾、汽车破碎残余物等有机固废的破碎技术和设备的研发。
目前对有机固废破碎设备的研究方向主要为破碎机结构改进、运行参数优化、破碎过程改进等,实现提升破碎机对物料的适应性、降低破碎能耗、提升破碎效率的目的。例如,Luo等[11]提出一种新型双通道破碎机用于生活垃圾的破碎,对于塑料、纸张、生物质等不同材质物料具有较好的适应性。张显潮等[12]优化了剪切式破塑机刀片结构和轴承密封结构,从而提升了破碎机对高油、高水分餐厨垃圾的适应性。

2.2 分选技术

应用于有机固废分选的技术主要包括尺寸筛分、弹跳筛分、气流分选、近红外分选、磁选和涡电流分选等,各项分选技术的分选原理如表1所示。这些分选技术已在国内外生活垃圾、装修垃圾、工业垃圾的处理中成熟应用,应用目的在于回收垃圾中金属、塑料和纸张等可回收利用材料,除去生活垃圾中砂土等不可燃物,以提高SRF产品的品质。目前关于有机固废分选技术的主要研究方向为分选设备优化、分选方法创新和分选装备的智能化。
关于有机固废分选设备优化的研究中,一些学者通过模拟计算和有限元分析指导分选设备的结构优化,Yang等[13]利用Fluent软件对塑料风选机进行模拟,改进进风口形态、进风口尺寸、进风口的位置以及出风口的位置等结构参数;薛方亮等[14]使用三维模型进行有限元分析,对餐厨垃圾分选装置的结构进行优化,提出一种新的分选结构形式,提升了自动化性能。
除了表1所列常规分选方法外,近年来针对塑料、橡胶等有机固废组分开发出新的分选方法。Su等[15]提出一种基于光子计数探测器的X射线分选方法,实现了多种材料的选择性成像,能在塑料材料混合的情况下将单个材料很好地分离出来。赵礼弢等[16]提出温热分选法,利用塑料和橡胶颗粒升温过程中颗粒表面黏度变化的差异实现塑料和橡胶颗粒的有效分离。
近年来有机固废装备的智能化发展迅速,图像识别和诸多深度学习技术正越来越多地应用于有机固废的分选过程,利用人工智能分拣机器人可通过机器学习改进分选过程,提升系统整体性,确保识别操作准确性。Gupta等[17]提出一种基于深度学习架构的垃圾分类硬件解决方案,利用神经网络对垃圾进行实时图像分析,实现对垃圾的分类。Zhang等[18]集成物料的图像识别算法和归堆算法进行废旧汽车破碎料中有色金属的分选。

2.3 干化技术

污泥、厨余垃圾、生活垃圾和沼渣等有机固废含有较多水分,导致热值低、易腐败,收集和储运过程中易产生二次污染,对其资源化利用和无害化处置造成困难。因此,有机固废的干化是其在资源化、能源化利用过程中的关键技术。

2.3.1 热干化

热干化技术是目前国内外进行有机固废应用最广泛、技术最成熟的技术。根据加热介质是否与物料直接接触,有机固废的热干化技术可分为直接热干化、间接热干化和直接-间接联合式干化技术。
有机固废的热干化需要消耗大量热量,为节省成本,通常优先选择附近可利用的余热、废热作为热源。近年来发展出来利用太阳能和热泵的绿色干化技术,适用于周边缺乏廉价热源的场景,已经在木材、谷物水产品、化工等行业得到广泛应用[19]。
热泵工质通过逆卡诺循环利用环境中或其他物质中的热量使物料中的水分蒸发,在相同的温度条件下,热泵干燥的能量消耗可比传统热干化降低60%~80%[20]。利用热泵进行有机固废干化的方式主要有2种,第一种是利用热泵获取环境中的热量进行干化;第二种是利用热泵进行除湿,将干化器排出的湿热气体中的水分除去,再将产生的干热空气通入干燥器。太阳能干化的方式也分为2种,分别为利用太阳能集热器获取阳光中的热量进行干燥介质或物料的加热;或将太阳能转化为电能,再利用电能加热物料。
若将太阳能干化技术和热泵干化技术组合运用,可结合2种干化技术的优势,保证干化设施热源的稳定性,并降低热泵的运行电耗。钱兵等[21]将太阳能干化棚排除的热气的能量回收返回太阳能干化棚,干化过程中始终保持干化棚中温度40~50℃,仅需3 d时间即可将污泥的含水率从60%降至30%以下。

2.3.2 生物干化

生物干化是处理有机固废的重要手段。传统的生物干化于1984年在处理牛粪时提出,在生物干化反应器中,将微生物降解有机废弃物释放热能与过量的曝气相互结合,使物料快速干化。生物干化具有投资低、运行费用低等特点[22]。
在关于生物干化新技术的开发中,研究者主要关注生物干化设备和生物干化方法。新兴生物干化设备的典型特征包括可连续操作的功能、独特的通风装置、能量回收装置、辅助热源以及渗滤液回喷装置。近年来专利中的生物干化新方法包括干化物料与气流循环、分段设定通风流量、干化颗粒造粒等过程。

2.3.3 机械挤压干化

挤压脱水是利用机械力压缩物料,使液体从物料中脱离的干化方法。针对有机固废,国内外开发出了带式压滤机、板框压滤机、旋转挤压机和螺旋挤压机等挤压脱水设备。其中板框压滤机和带式压滤机已得到广泛的应用,螺旋挤压机是近年来发展较快的挤压脱水设备。螺旋挤压机具有能耗低、造价低、结构紧凑、易于维护且运行连续性好的优点,可用于生活垃圾、污泥、农林废弃物和粪便的干化。国内环保企业和科研单位如启迪环境、北京环卫集团、朗坤和中国运载火箭技术研究院等开发了螺旋挤压脱水设备[23]。

2.3.4 水热碳化技术

水热碳化技术是近年来新兴的有机固废干化技术,在污泥、厨余垃圾干化领域受到广泛关注。水热碳化以水为介质,在相对较低温度(180~250℃)及自生压力下进行的温和反应。在亚临界水的高溶解性和催化性作用下,物料中各类有机质在液相中均能得到充分的反应,破坏原料的絮体结构,减少亲水官能团,促进结合水向自由水的转化,从而提高水热炭的机械脱水性能[24]。
在关于有机固废水热碳化技术的研究中,主要涉及水热干化反应器的创新和水热干化工艺的创新。具有较高技术水平的水热碳化专利通常具有操作连续、可能量回收的功能。典型水热污泥干化流程如图4所示[25]。经过预热的污泥进入水热反应釜,高温蒸气或导热油将反应釜加热至180~250℃。反应一段时间后的污泥经过余热回收和泄压系统进入缓冲仓,再经过机械脱水得到含水率较低(30%~50%)的生物炭。
相比于传统的热干化处理而言,水热碳化技术在减耗方面具有明显的优势。Escala等[26]将污泥在205℃下水热处理并进行机械脱水,得出污泥水热脱水处理要比直接机械脱水干化处理减少65%热能消耗与69%电能消耗。
不同干化技术的干化效果和能耗如表2所示[27],机械挤压的能耗最低,但对于污泥、沼渣等物料的脱水效果不佳,干化后物料仍含有较多水分;热干化具有较为完善的干化效果,但能耗最高;水热干化能耗显著低于热干化,可实现较好的干化效果;生物干化的能耗低于热干化和水热干化,且能够实现较好的干化效果,具有节能的优势,但干化周期较长,通常需要7 d以上。

2.4 燃料成型技术

生活垃圾、废塑料以及生物质废弃物自身结构松散、密度低、形状不规则,导致这类物料制备的SRF运输和储存成本高。燃料成型技术将松散有机固废挤压成颗粒状、块状和立方状,可以显著提高堆积密度,进而降低储存、运输成本,使其适用于标准的处置和利用设备,便于进行燃烧、气化、热解或其他方式的利用。各类挤压成型设备的特点如表3所示[28],螺旋挤压和轧辊式成型机的优势在于能够稳定连续运行,而冲压成型机的优势在于能耗低。含水率较高的物料更适用于轧辊式成型机。
除了上述压缩成型设备外,压缩打包技术近年来也成为有机固废成型燃料制备的重要技术,将物料压实后用捆扎绳将物料扎紧,使物料保持压缩状态。压缩打包技术相对于挤压成型技术,对于软性、形状不规则、组成复杂的生活垃圾和工业垃圾的处理具有更强适应性。张许等[29]将陈腐垃圾中的轻质可燃物打包,将散堆物料的密度从0.4 t/m3增加至0.8 t/m3。Markidis等[30]将瑞典生活垃圾进行压缩捆包,可将生活垃圾的密度增加至1 320 kg/m3。

3 总结与展望

随着循环经济建设和环境保护要求的提高,有机固废制备固体回收燃料的工艺技术将在有机固废资源化、能源化领域发挥越来越重要的作用。近年来在我国迅速推广应用的同时伴随着工艺技术的进步,从传统的MT/MBT工艺逐渐发展出新的技术,不断提升物料适应、强化物料分选效率,降低SRF的制备成本和能耗。通过对新工艺和新技术的调研,总结SRF制备工艺技术的发展方向主要为以下方面。
(1)多技术协同增效。未来有望进一步融合生物干化、机械分选、生物水解和厌氧发酵等不同技术的优势,形成更高效、更具针对性的综合处理流程。开发出与其他工业过程相耦合的SRF制备工艺,共享各类设施,充分利用其他工艺过程产生的余热和废弃物,实现能量和物料的高效循环利用。
(2)多源有机固废协同处理。目前通常利用生活垃圾、工业有机垃圾为单一原料制备SRF,利用多种有机固废协同制备SRF的工艺较少。未来可针对各类有机固废的特点开发多源有机固废协同制备SRF的工艺,发挥各类有机固废的优势,弥补单一有机固废的不足。例如利用高热值工业有机垃圾弥补生活垃圾含水率高热值低的缺点,利用低氯的生物质废弃物弥补工业有机固废氯含量高的缺点。多源有机固废协同制备SRF能够进一步扩大SRF的原料来源,提升有机固废的资源化利用率。
(3)设备结构优化和智能化。一方面,借助先进的模拟软件和数据分析技术,对各环节设备的关键参数进行更精准的优化,增强设备对不同物料的适应性,提升设备运行的稳定性,强化对物料的处理效果,如提升物料分选的精确性、增强成型燃料的强度、提高物料干化的热量利用效率等。另一方面,应用智能化设备,实现设备的远程监控、故障诊断、自动调节等功能,利用机器学习算法进行分析处理,实现设备的自适应运行和多目标优化控制。比如,智能分选设备可根据物料的实时特性自动调整分选参数,确保分选效果的最优,或各环节设备协同调控,在保证SRF品质的同时实现生产成本最小。
(4)新兴技术在SRF制备工艺中的应用。近年来国内外学者开发出高压挤压、热泵技术、太阳能技术、水热处理技术(水热碳化、湿式氧化)等技术用于有机固废的处理。这些技术对于有机固废的处理具有能量利用效率高、成本低、处理周期短等优势。将这些技术融入现有SRF制备工艺,有望提高SRF制备工艺的技术经济性和对不同有机固废的适应性。目前这些新兴技术在SRF制备领域的应用尚不成熟,有待于深入研究有机固废在新兴技术处理过程中物质转化与迁移规律,探索新兴技术与现有SRF制备工艺的结合方式。

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