开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

党的十八大报告明确提出“ 要努力建设美丽中国, 实现中华民族永续发展” , 第一次提出了城乡统筹协调发展共建“ 美丽中国” 的全新概念, 依据美丽中国的理念第一次提出了要建设“ 美丽乡村” 的奋斗目标, 新农村建设以“ 美丽乡村” 建设的提法首次在国家层面明确提出[1]。

近年来, 我国社会经济高速发展, 乡村城镇化水平不断提高, 乡村居民生活垃圾的产生量也随之增加, 政府对农村垃圾处理的投资规模也逐年递增, 2019年我国农村居民生活垃圾产生量高达52.2亿t, 农村垃圾处理投资规模达到387.74亿元（见图1）; 农村生产生活理念发生巨大变化, 垃圾成分日趋复杂化, 部分垃圾已无法通过自然降解去除, 处理难度大大增加[2]; 农村垃圾随意倾倒, 难以集中收集处理, 农村环保监管能力薄弱, 导致农村垃圾无害化处理的问题日趋严重。

目前, 我国正在大力推进农村生活垃圾无害化治理, 推广传统的集中处理模式— — “ 村收集、镇转运、县处理” 。但我国领土广阔, 大部分为山区丘陵, 人口密度存在巨大差异, 山区农村人口居住较为分散、道路交通不便, 各地区发展不均衡, 这种治理模式对于运距较长、道路不便的村镇存在垃圾运输成本高, 垃圾转运过程中的泄漏、管理不当, 还会造成二次污染, 难以持续良性运转的问题[4, 5]。因此, 乡村分散式生活垃圾热处理技术应运而生, 开始在全国范围示范和推广, 特别在西北山区农村地区得到了广泛的应用, 可有效解决农村垃圾无害化处理的难题（见图2）。

垃圾热处理技术最主要的优势是减容率可达到80% ~ 90%, 且重量可减少70% ~ 80%[6]。热处理过程可消灭垃圾中的细菌, 达到控制疾病传播的目的, 同时还可回收垃圾中的能量, 转化为可供居民使用的热水或蒸汽。因此, 热处理技术充分符合垃圾处理的“ 减量化、无害化、资源化” 原则[7], 已逐步成为城市生活垃圾无害化处理的主力军。

垃圾热处理技术主要包括层状燃烧技术、流化态燃烧技术及热解气化燃烧技术, 相对应的炉型为机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉及热解气化燃烧炉[8]。层状燃烧技术和流化态燃烧技术可统称为直接燃烧技术, 垃圾与空气直接充分混合燃烧, 该技术存在燃烧过程控制复杂、燃烧不充分、二次污染物产生量大和处置成本高等问题, 主要适用于经济较发达的大中小城市群体; 热解气化处理技术是指有机质在缺氧或无氧的条件下, 通过加热的方式充分分解, 产生以H2、CH4、CO为主要成分的低热值可燃气, 该技术的二次污染物产生量少, 处理成本低, 环境效益好, 主要适用于人口较少和分布不集中的县、乡镇、农村、岛屿的垃圾无害化处理（见表1）。

乡村生活垃圾的组分基本与城市生活垃圾相同, 组分比例上存在差异。大部分地区乡村生活垃圾厨余占比较大, 有机物含量高, 含水率较高, 大多数乡村生活垃圾产生量低于50 t/d, 小于集中式焚烧炉处理的最小规模, 收集点与大型焚烧处理厂的平均距离大于50 km, 虽然生活垃圾焚烧处理的相关技术规范中规定焚烧规模不能小于 150 t/d, 但由于小型生活垃圾焚烧炉、热解炉等, 具有垃圾减量化效果显著、投资建设费用低、选址灵活、投资费用低、适用范围广等优点, 已在我国多地广泛建设使用; 结合直接燃烧技术和热解气化燃烧技术的优缺点对比（表1）, 垃圾热解气化燃烧技术更适合处理乡村分散式生活垃圾。

以垃圾热解气化燃烧技术为核心, 集成了垃圾前段预处理、热解气化燃烧装置、多旋转内部水冷炉排、多点多角度进气结构、炉内雾化喷淋结构、烟气急速降温冷凝、烟气净化、自动化控制等多项技术, 设计了乡村分散式生活垃圾热解气化处理工程示范, 工程技术路线如图3所示。

垃圾前段预处理系统包括破碎、输送、储存、上料, 系统采用全封闭式, 内部长期保持微负压, 防止臭气外漏; 垃圾破碎之前需进行简易的筛选, 去除大件的无机物, 通过破碎机破碎成大小均匀的垃圾颗粒置于储存仓, 最终通过上料装置送入热解气化炉。

热解气化燃烧装置[9]内部分为热解气化室和燃烧室, 垃圾进入热解气化室, 完成热解气化反应, 产生大量的可燃气体（H2、CO、CH4、CnHm）, 可燃气通过引风机, 进入燃烧室内实现充分燃烧, 可燃气在燃烧室内燃烧温度高于850℃且停留时间超过2 s, 可促进二噁英等污染物的彻底分解; 燃烧室炉顶采用尿素喷淋的方式, 去除烟气中的NOx。

多旋转内部水冷炉排[10]是气化炉的核心部件, 垃圾需要在炉排上发生热解气化反应, 由于垃圾成分复杂、物性差异较大, 炉排通常在高温、高压、易磨损、易腐蚀的环境下工作, 特别是高温对金属材料的影响较大, 多旋转内部水冷炉排有效解决了高温对炉排的影响, 大大延长了炉排的使用寿命。

多点多角度进气结构[9]可改善气化炉内的流场分布、湍流强度及湍流动能分布, 以使有机固废颗粒浓度分布均匀且停留时间长, 增加有机固废颗粒与气体分子之间的碰撞频率, 提高垃圾的碳转化率和气化效率。

炉内雾化喷淋结构可改善垃圾颗粒的吸热性能, 提高上升燃气与干燥区垃圾颗粒的传热效率, 大幅降低燃气温度, 促使燃气中的重质及部分轻质焦油组分冷凝回流, 于热解区内进行二次裂解。雾化喷淋尿素可降低氮氧化物含量, 同时大幅降低气化炉出口燃气的焦油浓度, 还能促进大部分焦油分子进行二次裂解, 提高垃圾的能源利用率。

烟气急速降温冷凝结构可使烟气短时间内降低到180℃, 烟气与换热介质采用间接换热的方式, 避免产生二次污染, 换热介质通过冷却塔散热, 实现循环利用。

烟气净化结构包括活性炭吸附、布袋除尘器、脱酸塔。烟气经过活性炭吸附塔和布袋除尘器, 可有效去除烟气中的二噁英和重金属, 经过脱酸塔去除烟气中的酸性物质, 最终实现烟气达标排放。

利用上文中设计的热解气化处理工艺, 选取甘肃省武威市古浪县土门镇为工程示范点, 见图4。设计额定处理量为10 t/d, 选取的示范点符合山区农村人口居住较为分散、道路交通不便、各地区发展不均衡等特点, 根据当地人口数量、垃圾产生量和检测分析结果（见表2和表3）进行系统设计、生产加工、安装调试、运行与检测, 实现了系统的稳定连续运行, 烟气排放符合国家生活垃圾焚烧污染控制标准[11]中的要求（见表4）; 炉渣产生量约为原料的10% ~ 15%, 符合生活垃圾填埋场污染控制标准[12]中的规定, 可直接填埋处理。乡村分散式垃圾热解气化处理系统工程示范具有以下优势：

注：检测方法均参照生活垃圾焚烧污染控制标准（GB18485-2014）。

（1）系统运行产生的飞灰量远远小于直接焚烧法, 降低了飞灰处理成分;

（2）未经处理烟气中的二氧化硫、氮氧化物、粉尘低于直接燃烧法, 经过处理的烟气可达到超低排放;

（3）系统技术先进, 融合多项自主知识产权技术, 且操作简单, 检修周期长, 运行稳定;

（4）系统结构紧凑, 占地面积小, 且设备之间相对独立, 可根据实际情况转运地点;

（5）系统投资成本低, 约为直接燃烧法的50%; 运行费用约为直接燃烧的40%。

乡村分散式垃圾热解气化处理工程可有效解决人口较少的偏远乡村面临的生活垃圾无害化处理问题, 工艺流程融合多项专利技术, 实现烟气排放NOx ≤ 17 mg/m3、CO ≤ 10 mg/m3、SO2 ≤ 6 mg/m3、HCL ≤ 3 mg/m3, 远远低于国家排放标准。可有效保障乡村居民的身心健康和生态环境保护, 助力“ 美丽中国” “ 美丽乡村” 的建设。