首届“碳中和绿色生产力论坛”启动会暨中国碳中和50人论坛硬核技术交流报告提要

三、垃圾变宝

“允清炉”有机固废气化技术

导读

目前生活垃圾等大宗有机固废的热处理以焚烧发电为主，但焚烧适用于大型化集中处理，投资规模大，依赖财政补贴。当下，垃圾分类和“无废城市”建设广泛深入推广，同时垃圾焚烧发电行业的补贴红利正逐步削减，使得市场对投资小、适应广、自身盈利能力强的非直燃技术求之若渴。有机固废热处理团队所研发的“允清炉”气化装备产品，是一种区别于焚烧发电的分布式处理与热-电-气-化多元利用技术，符合中小城市、县域和园区化的有机固废处理与资源化要求。

允清炉气化技术的原理

“允清炉”为多元气化剂双氧化层固定床气化系统，有机固废成型颗粒（RDF）经过700-900℃气化处理，减量化程度达到95%以上，有机组分转化为以氢气和一氧化碳为主的合成燃气，粗燃气产品焦油含量低于1g/Nm3 ，远低于传统气化燃气高达几十克的焦油含量；无二噁英和飞灰产生，燃气净化单元负荷低；无机组分以气化灰渣形式排出，含碳率低于3%，并可全量资源化利用；清洁燃气可用于高效率发电、移动供热、化工合成、绿氢制备等多元化、分布式能源供应体系。（图一为有机固废分类管理与分质处理模式）

图一

允清炉气化技术的优势

1、场景适应范围宽

焚烧发电适合大型化集中处理设施，一般在600吨/天以上规模才具有经济性。而“允清炉”气化则可以适应小规模的有机固废处理，单机日处理从几吨到 300吨的需求均可以满足，并可设计为移动式撬装化设备，适应性强。

2、二次污染控制负荷低 

与焚烧发电相比，“允清炉”全程还原性气氛产生高品质燃气，无飞灰和二噁英产生；燃气发电的烟气量仅为焚烧发电40%，净化单元负荷显著降低；与传统的气化技术相比，“允清炉”处理工艺保证低焦油运行，无高浓度酚氨废水问题，避免了传统的热解气化焦油作为危废带来的次生问题。

3、能源转化效率高

对于焚烧发电，每吨生活垃圾焚烧产生4000-7000Nm3 的烟气，温度在850℃以上，虽然余热锅炉回收部分热量，但大部分热量释放到了大气中造成了能源的浪费；焚烧发电的效率仅约18%。“允清炉”垃圾气化的可燃气出口温度低，约为300℃，进一步通过热管换热空气再次带入到炉内气化，炉内一次能源转换效率是传统热解的3倍；燃气发电的烟气量是焚烧发电的40%，发电效率可达到30%。

4、经济性好

“允清炉”气化处理的产品可多元转化：

（1）气化可燃气净化后直接代替工业燃气；

（2）气化可燃气可采用多组500kw内燃机组发电，自用或上网；

（3）气化可燃气驱动热水锅炉供热；

（4）纯氧气化制备的燃气热值可高达3000kCal/Nm3，H2纯度超过45%，可用于提纯制备“绿氢”。而焚烧发电的主要产品是发电上网，在目前补贴政策逐渐缩水的背景下，其自身盈利能力也在下降。焚烧发电投资大，项目建设吨投资成本在100万元以上，且规模难以下沉，小规模焚烧项目难以盈利。

“允清炉”气化发电、气化–热电联供以及气化–燃气利用等工程的总建设成本在

20-60万元之间，投资回报周期在2-5年之间，经济性优于大型直接焚烧项目；制氢方面，煤炭气化与天然气重整制氢成本超过15元/kg，可再生能源电解水制氢成本在20元 /kg以上，而“允清炉”气化有机固废制氢成本仅约10元/kg左右。（图二为同类技术对比图）

图二

允清炉气化技术的适用领域

（1）如果原始物料含水率较高，则可以用于物料干化，降低干化过程能耗；

（2）多余的热能通过换热可以对气化剂（空气或者纯氧）进行预热，降低气化炉能耗，提升气化效率；

（3）如果产生的合成气链接燃气锅炉，则可生产大宗的蒸汽热能，通过管道提供住宅、机关、学校、酒店、餐饮、园区等使用；也可通过移动供热车来提供移动式热能；或是提供冷库制冷用能源；

（4）如果产生的合成气链接燃气轮机，则燃气轮机产生的烟气经余热锅炉产生的高压蒸汽还可以通过蒸汽轮机发电。

（5）向陶瓷等建材企业供工业燃气。

图三

图四

图五

允清炉气化技术的经济性

以某乡镇总人口2万人，人均产生垃圾1.25 kg/d，日产生垃圾25 t/d为例；另外，农村地区禁止焚烧的生物质废物（树枝叶、秸秆等）日收集量预计15 t/d，共计40 t/d复合垃圾。经过分选干燥成型制成棒状物料（SRF）约30 t/d。

采用清华大学环境学院推荐设计的固定床无焦油气化清洁利用工艺。经过预处理成型后的RDF经过约1000 ℃高温气化，有机质转变成氢气、一氧化碳、甲烷等合成气体，合成气再经余热产生蒸汽。

图六

图七（日处理50吨市政污泥经济匡算）

有机固废弃物泛能管理方案

导读

20 世纪 40 年代起，欧洲一些发达国家开始尝试研究和使用干式厌氧发酵工艺，历经数十年的发展，干式厌氧发酵技术在法国、德国、荷兰、瑞士和比利时等欧洲国家开始市场化地广泛应用，是一项经过市场多年技术认证的可靠成熟的处理工艺。

有机固废弃物处理的原理

通过干式厌氧发酵技术，可获得平价的清洁可再生能源，能源的输出形式灵活多变，可为生物天然气、电能、蒸汽、氢能、热水等多种形式。干式厌氧发酵技术通过厌氧菌与有机废弃物进行混合发酵，在发酵降解过程中产生一种可再生能源—沼气，沼气是一种清洁和可再生的能源，净二氧化碳排放量为零。设备从有机垃圾中提取甲烷，通过燃烧或氧化二氧化碳来释放能量。甲烷是一种非常强效的温室气体，能吸收的热量是二氧化碳的20倍以上。因此，通过生产沼气而不是让垃圾在开放的环境中降解，从而减少了直接向大气排放的甲烷。

图一

图二（能源效率）

有机固废弃物处理的优点

生物天然气被认为是供热中最清洁的燃料之一。此外，与使用柴油或汽油作为车用燃料相比，生物天然气最多可减少90%的颗粒物、80%的氮氧化物和50%的噪声排放。当用生物天然气替代燃油锅炉、燃煤锅炉或发电厂中的相关工艺时，也同样可以降低氮氧化物和颗粒物的排放。生物天然气还可将二氧化硫的排放量降至接近零。因此，使用沼气和生物天然气可以极大改善当地的空气质量。为了实现双碳目标，我国将大力发展可再生清洁能源，而这些能源中，生物天然气成为了继太阳能、风能、水能之后一个新的可再生能源技术方式。据世界沼气协会估算，沼气和生物天然气行业减排潜力巨大，可减少10-13%的全球温室气体排放量。2019年国家发委联合十部门联合印发了《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》，正式将生物天然气纳入国家能源体系。我国天然气市场供需不平衡、需求较大，城乡各类有机废弃物资源比较丰富，生物天然气发展潜力较大。《指导意见》提出，到2025年年产量超过100亿立方米，到2030年超过200亿立方米。

那么什么是生物天然气？沼气和生物天然气的区别是？

生物质是唯一可以转化为气态、液态和固态的含碳清洁可再生资源。生物天然气主要由沼气提纯所得，沼气是生物质厌氧发酵的产物之一，含有约55%-60%的甲烷（CH4）和40%-45%的二氧化碳（CO2）以及其他微量气体（包括水蒸气和二氧化硫SO2）。沼气净化提纯是指从混合气体中去除二氧化碳并得到甲烷含量不低于90%的最终产品的过程。生物天然气根据其质量可以用于天然气应用或并入公共燃气管网，如今公共燃气管网主要用于运输天然气。生物天然气具有许多经济和生态方面的优势。生物天然气不仅是循环经济的典范，而且能够通过提供本地价值链来强化本地和区域经济体系。生物天然气生产储存灵活、功能多样。它可以通过多种有机废弃物制取产生，与大多数其他可再生能源不同，由于通过沼气生产生物天然气的过程可规划、可控制，特别是可将生物天然气存储在天然气管网中，这使其适用于更灵活的能源供应。由于生物天然气可与天然气互相替代，通常很容易建立备用的天然气管网连接。（如图三所示）

图三

图四

有机固废弃物处理的适用范围

图五

图六

有机固废弃物处理的经济性

图七

图八