利用生活垃圾生产木炭 焦油和木煤气

利用生活垃圾生产木炭焦油和木煤气
云南云维集团电仪黄兆荣
摘要：生活垃圾主要由固体可然物和非可燃物组成利用垃圾中的可燃物（在干馏条件下）生产木炭、焦油和木煤气（煤气）。

关键词：生活垃圾干馏木炭焦油可燃气
一、概述：全国已有200多个城市处于垃圾的包围中，且年产垃圾量2.2亿吨，并以每年8-10%的速度增长。

现在能源短缺，油价上涨，迫切需要寻找新的替代能源。

在城市生活垃圾中，有机物占60%-70%，塑料占15%-20%，纸张类占2%-3%，玻璃占3%-5%，及少量金属成份等。

可利用的成份达95%，其价值相当可观。

目前世界垃圾的处理方法有垃圾发电机，填埋和沼气池。

垃圾发电要排出大量二氧化碳和发电成本高。

填埋会污染地下水。

沼气池不能处理大量的垃圾。

根据资料（城市生活垃圾收运与处理重庆：重庆大学出版社，1991），人均垃圾日产量与国民收入和人均工资收入2项指标有较好的线性关系，国民收入每增加100元，人均年垃圾产量增加408kg；人均年工资收入增加100元，人均年垃圾产量增加15.1kg。

由此可见，人均收入增加对垃圾产量增加的影响比国民经济收入增加对垃圾产量的影响要大得多。

我们不容易确定众多因素中哪一个对垃圾产量的增加贡献最大，但是垃圾产量的增长与经济发展的关系是非常密切的。

众所周知，垃圾是一种废弃物，处理不当将成为一大公害，不仅对城市建设和城市管理带来巨大压力，而且还影响人们的日常生活，阻碍经济社会的可持续发展；但是垃圾也是一种可再生利用的资源，垃圾内含有金属、塑料、纸张、木质、织物、玻璃、橡胶等无机物，也含有许多可腐物、蛋白质等有机物，还有大量的建材原料,被称为是第二矿产资源。

据不完全统计，目前全国每年从垃圾中回收再利用的资源不足四成，扔掉的再生资源价值高达300亿人民币，而发达国家却利用先进的管理和技术，抢回了这些资源财富。

作为资源相对贫乏的我国，更应更新并树立新的垃圾价值理念，类比选择最先进的垃圾处理方式方法，使垃圾处理真正做到“系人所弃，为人奉献，变废为宝，化害为财，从生活中来，再到生活中去”，形成人类与自然界的真正良性循环。

根据垃圾的来源及基本性质可将其分为三类：
1、食品垃圾：这是食用各种食品所产生的残余废物的总称。

其主要特征是生物分解速度快，腐蚀性强，并产生令人厌恶的各种刺鼻气味。

食品垃圾的处理要求不高，主要需解决处理速度的问题。

2、普通生活垃圾：这是人们日常生活废物的总称。

包括废弃的木制品、纸制品、塑料、橡胶、纺织品、皮革制品及丢弃的碎玻璃及金属制品和尘土等。

普通垃圾是城市中垃圾回收的主要对象。

3、危险垃圾：对人类和动植物的生命具有瞬间的、短期或长期危害的垃圾称为危险垃圾。

包括干电池、日光灯管、体温计等各种化学、生物的危险品、易燃、易爆品，含放射性物质的废物。

这类垃圾一般不能混入普通垃圾中，应单独分类清运、回收处理
目前，我国对城市垃圾（主要是食品垃圾和普通生活垃圾）处理的主要方法有堆积、填埋、堆肥、焚烧等4种。

而发达国家垃圾处理的原则是：无害化、减量化、资源化。

这也是评价垃圾处理方法优劣的标准。

1、堆积和填埋法。

这是最主要的垃圾处理方法，约占全部处理量的70%以上。

世界多数国家，特别是不发达国家的多数垃圾处理采用此方法。

其特点是：建设和运行费用较低，操作简单，处理量大。

主要弊端：一是占用大量土地。

由于公众对把农村当作垃圾消纳场所已有抵制，选址日益困难，并且土地征拨费用高；二是浪费大量的垃圾内含资源。

城市垃圾构成中，部分具有一定价值
的成份是可利用的，填埋法则人为地将垃圾化为“不能增长的资源、扔掉的巨额财富”，达不到资源化处理需求；三是环境污染严重。

因现有的填埋场建设大多达不到卫生填埋的要求，垃圾中的菌毒物不断向下渗沥，污染了土地和水质，并随着堆积量的增加和时间的延续，污染向周边与地下深层扩散，遗害千年。

垃圾所散发的毒、臭气体向周围漫散，形成空中、周边、地下立体污染，而且易引起甲烷爆炸事故,由此对人、畜、生态环境酿成悲剧的事例，屡见不鲜。

虽然，在许多发达国家和我国一些较发达城市建设了少数“卫生填埋场”，减少了一些污染，但由于技术上的不完善而造成的环境污染问题依然很多，不能从根本上解决问题。

2、堆肥法。

就是将分选后的垃圾经过发酵和生化处理，制成有机复合肥或“多菌种生物肥”。

此法的主要弊端：一是堆肥处理能力较小，不能满足日益增多的垃圾处理要求；二是占地面积大，垃圾在处理过程中渗出的废液污染周边环境；三是产品使用范围受到一定限制，经济效益不佳，同时会导致土壤的重金属污染及垃圾化、渣化、砂化，不能适应新的农业生产节奏和习惯。

堆肥技术还很难大面积推广。

3、焚烧法。

焚烧是一种对城市垃圾进行高温化学处理的技术。

经过焚烧处理，垃圾中的细菌、病毒能彻底被消灭，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经处理达标后排放。

焚烧法是目前实现垃圾无害化、减量化和资源化处理最有效的手段之一。

焚烧法优点：占地少；减容、减量效果明显，体积、重量分别可缩减到原来的8%～12%和25%～40%；焚烧对垃圾处理彻底、迅速，残渣二次污染危险较小；利用垃圾燃烧产生的热量发电，残渣可作建材利用。

但实践证明，其弊端也较明显：一是投资大，运行费用高；二是焚烧对垃圾的热值有一定要求，必须混加助燃燃料；三是焚烧的废气治理难度大，费用高，处理不当，焚烧垃圾所产生的二恶英将严重污染环境。

离对垃圾实行无害化、减量化、资源化处理，化害为利，综合利用还有一定的差距。

而本人发明的利用垃圾生产木炭、焦油和煤气装置（获国家专利，专利号ZL0.4）
其原理和过程是利用密闭装置中对垃圾进行干馏处理。

干馏是物质在无氧或缺氧高温状态下，进行炭化的一个过程。

其过程是将垃圾中的可燃物（或碳水化合物）干馏后得木炭、焦油、木醋液和木煤气，对垃圾中不可燃物经过消毒，可分离分类再利用，如玻璃、金属、器碎片等回收再生产。

染环境、干馏后的固体物质是木炭，焦油和煤气可供生产生活再使用。

使垃圾无害化、减量化、资源化。

这也是评价垃圾处理方法优劣的标准。

二、原理：
生活垃圾是由固体可燃物和非可燃物组成，可燃物有塑料、衣物、果蔬残留物等，可燃物达78~95%。

非可燃物包括玻璃、煤灰、石头、砖块、极少量金属等。

可燃物是由碳水化合物组成，在高温条件下干馏可产出木炭、木焦油和木煤气。

木炭和木煤气都是能源，木焦油是一种化工原料，可以收集利用。

干馏：在高温无氧状态下对物质进行分离。

在干馏状态下：
垃圾中的塑料能分离大量的可燃煤气、少量焦油和黑炭。

植物（包括木质类、草类、菜叶类）能分离大量木炭、木焦油和木煤气。

同样纸张、衣物也是如此。

生活垃圾在高温隔氧状态下都可分离出木炭，焦油和可燃气体。

塑料分离出可燃气体最多，炭最少，木料类分离木炭最多，可燃气体最少，其他植物类居中。

我们知道煤炭在高温干馏条件能分离出焦炭、焦油和煤气，即煤化工或能源工业。

植物能源工程即生物质能转换工程。

是利用一切植物体为原料，经过热解化学加工，可制取经济价值高的可燃气、焦油、醋液、类木炭（或活性炭），做到了废植物全部回收利用，不产生任何废物，开辟了新的能源和化工原料资源。

我国可开发的生物资源达7亿吨，如果能充分开发，可以在我国的能源消费中占重要的地方，这对改善我国能源结构，减少我国对石化燃料的依赖，进而减少我国CO2和SO2等污染物的排放，最终缓解能源消耗给环境造成的压力有重要的意义
三、生产工艺过程
大家都知道，煤化工行业的焦化企业所使用炼焦炉的功能，炼焦炉主要是由炭化室、加热室组成，是将煤饼在炭化室中的高温状况下进行干馏分离出可燃气、焦油、焦炭、硫等。

基本反应包括：
C + O2 = CO2 2C + O2 = 2CO
2H2O + C = CO2 + 2H2 2CO + O2 = 2CO2
H2O + CO = CO2 + H2 CO2 + C = 2CO
CH4 + CO2 = 2CO +2H2 C + 2H2 = CH4
CO + 3H2 = CH4 + H2O 2H2 + O2 = 2H2O
S + O2 = SO2 2SO2 + O2 = 2SO3
CO、CO2、H2等气体用于生产甲醇。

固体可分离出来，作为副产品出售，这项技术已经是一项十分成熟技术。

利用垃圾生产木炭、焦油和煤气的工艺流程方框图如下图所示：
每1000kg干植物（水分小于10%）产出
1.类木炭：250～300kg
2.木焦油：60～150kg
3.木酸液：200～220kg
4.可燃气：200～250m3 热值＞3500Kcal/m3
生物质燃气本产品生产的燃气为村镇居民提供炊事用气与供暖用气，为干燥设备提供直接热源烘干物料，为蒸气或热水锅炉提供热源，为工农业生产提供热源，为燃气发电机提供气源。

生物质炭可用于有色金属冶炼、铸造脱模剂、防氧化剂、制成活性炭、农业改良土壤和高档食品烧烤等，深加工可制成橡胶用炭黑，使附加值增加5倍。

用生物质炭生产的N220炭黑，经国家炭黑检测中心检测，全部指标合格。

木焦油经分馏可提炼出苯及衍生物(18%)和苯酚及衍生物(42%)两大类贵重化工原料,还可用作有机溶剂、农药中间体和防腐剂等.闪点84 ～86 ℃燃点93 ～97 ℃高位热值32.93MJ/kg 运动粘度9.82m2 /s 密度1.08g /cm3 含水量<15 ％。

木焦油主要由液态和固态芳烃以及一些焦油酸和焦油碱所组成。

经木焦油防腐剂处理后的木材可能无法顺利上
漆，一般用于铁路枕木、木椿及电线杆。

结论：利用生活垃圾生产木炭、焦油和木煤气是在煤化工的基础上发展而来的。

工艺、设备都是于煤化工生产相同的，只是工艺参数不同而矣
木炭的用途
一、工业领域
1. 冶金工业
木炭冶炼的生铁一般具有细粒结构，铸件紧密，没有裂纹的特点，用木炭生产的生铁含杂质少，适于生产优质钢。

在有色金属生产中，木炭常用作表面助熔剂，既可减少熔融金属的飞溅损失，又可降低熔融物中气体的饱和度。

大量木炭还用于结晶硅生产，但生产结晶硅用的木炭不应含有生炭头和过多的灰分。

2. 化工业
凡是要求表面具有较高的硬度和耐磨性，而中心具有良好韧性的所有钢制品都要进行渗碳。

用来对钢制品进行渗碳作用的含碳混合物称为渗碳剂。

木炭作为原料，再加入一定数量的接触剂，制成渗碳剂。

木炭是制造二硫化碳的最好原料，用来制造二硫化碳的木炭，应当是坚硬、容积重大、灰分和水分含量小，固定碳含量高。

木炭砖具有吸湿性和吸水性小、比重大和热值高的优点，可用于冶金、移动式气化炉等。

发热量 14943.4
二、农业领域
提高地温：土壤中施加炭粉后，由于黑色炭粒吸收太阳热能，可使土壤温度升高几摄氏度，促进种子发芽。

特别是可以促进不易发芽的种子发芽，提高发芽率。

改良土壤：在土壤中施加炭粉后，在炭表面上可以生成根粒菌，因而形成适合植物栽培的农业土壤，避免了所谓“连续耕作障碍”。

且炭对谷物、豆类和蔬菜的生长、色泽、食味都有改善。

保持土壤水分：炭在相对湿度为50%以上时，能迅速吸附20%左右的水分，可以用来保持土壤水分。

同时还可改善土壤的透气性和排水性，为有益于植物的微生物提供良好的生存空间。

作为农药或肥料的缓释剂：利用炭的吸附能力，使农药和有机肥料含量保持一个平衡状态，利用这一平衡可以使农药或肥料缓慢释放，保持相当时间，而且不易随雨水流失。

此外，炭还可改变土壤酸碱，增加土壤CO2含量，吸附土壤中有害金属，提高土壤微生物的活力等。

三、生活领域
人们常用木炭取暖，烧烤、火锅用的燃料，特别是机制木炭，由于它的无烟味，发热量大，燃烧时间长，故越来越受到人们的青睐。

木炭上有着纵横无数的洞孔，这些洞孔具有吸附各种各样的物质以及发放出吸附着的物质的功能，所以，人们用它作除湿剂。

在潮湿时，木炭会吸收潮气，在干燥的时候，它会把吸收了的潮湿发放出来，从而出色地发挥调节湿度的作用。

此外，木炭还能消除房间里的气味和有害物质等。

多孔性木炭不仅可以蓄留植物根部所需水分，还可以改善土壤的透气性和排水性，为有益于植物的微生物提供良好的生存空间，因此在花木盆栽土里掺进5%-10%豆粒大小的木炭，能为植物提供健康的生长环境。

而庭院树木，则增强很强的抗病虫害能力。

当今的装修理念已开始注意环保、自然、健康、人性化的特点。

装饰性木炭，利用孔隙小小空间，一撮土，便育出一棵繁茂的盆景。

洗衣服时用木炭加盐来代替洗衣粉，效果非常好。

木炭可以帮助保存食品，冰箱上用它作除臭剂。

去掉鞋里的异味。

清洁室内的空气。

木焦油
木焦油的主要成分是木杂酚油，通常把从非充脂木材制得的焦油加以蒸馏，用氢氧化钠处理、再酸化及再蒸馏使之与其他成分分离后制得。

木杂酚油是无色液体，但在空气与光的作用下呈现颜色，有烟味，有腐蚀性，主要用作消毒剂及防腐剂。

木焦油是一种含烃类、酸类、酚类较高的有机化合物，加工后可获得杂酚油、抗聚剂、浮选起泡剂，木沥青等产品。

也可用于医药、合成橡胶和冶金等部门。

精制木焦油，通过蒸馏木焦油而得。

其中的轻油（含有脂族烃、萜烯及高级酮）用于制羊用药浴水及园艺喷剂，而重油（含有脂族烃及芳族烃、高级酮及高级酚）用于浸渍木材及提取木杂酚油。

提取杂酚油后所得的木杂酚油根据其特性可用于浮选法精选矿物、制杀虫剂及用作溶剂及燃料等。

木杂酚油是木焦油的主要成分，通常把从非充脂木材制得的焦油加以蒸馏，用氢氧化钠处理、再酸化及再蒸馏使之与其他成分分离后制得。

木杂酚油是无色液体，但在空气与光的作用下呈现颜色，有烟味，有腐蚀性，主要用作消毒剂及防腐剂。

但切勿与杂酚油或矿物杂酚油相混淆，杂酚油或矿物杂酚油均归入税号27.07。

粗木精，处理焦木水而得。

它是一种浅黄色液体，有焦臭味，通常含70～90％的甲醇及不同比例的丙酮及其他酮（通常8～20％），还含有其他杂质（乙酸甲酯、高级醇、焦油状物质等）。

某些粗木精用作乙醇变性剂。

木酸液
木酸液是从生物质材料中提取出的天然精髓，内含酸类、醇类、酚类、酮类等200多种有机物质，是一种组份复杂、功能多样和相对稳定的系统物质。

由于木醋液中众多微量物质活性因子的天然综合平衡作用机理。

木酸液广泛地应用于化工业、林业、农业、畜牧业、食品加工业和医药卫生业。

在农业上，木醋液具有杀菌、治虫、抗病、提高水和土壤有益微生物活性、促进作物生长等作用，可作为绿色无公害农药、微肥使用，提高作物产量和品质。

与化学农药、化肥混合使用，可提高农药、化肥的效能，并能降解农药残留。

木醋液用于稻田可防治水稻立枯病，用于防治苹果腐烂病效果优于常用药“病必清”，防治西瓜枯萎病优于常用药“甲基托布律”，防止黄瓜霜霉病效果高于“乙磷铝”，用于食菌可增产21—42％。

在畜牧业上，用木醋液作饲料添加剂可改善肉质，提高增重和蛋鸡产蛋量及蛋品质量，还可消除粪便臭味。

在医药上，木醋液对脚气病、皮肤病、肝脏病和糖尿病有良好的效果。

在轻工业上，木醋液用于化妆品添加剂、沐浴液和食品饮料添加剂。

木酸液用来生产生物农药肥料，不需要添加任何物质，简单加工即可作为商品出售，也可与其它有机物混配生产生物复合肥料。

作为饲料添加剂，添加量为饲料的0.4％。

木焦油是制炭过程中分离出的一种焦油，具有柔和度好、耐老化、耐温度高等优点，耐温可达280℃，是生产防水材料、防腐涂料、船舶漆和木焦油系硬质聚氨酯泡沫的优良原料（作为多元醇组份原料）,还是良好的抗凝剂原料。

木焦油可提取很多名贵药材。

在农业上,与底肥混合施田,可有效杀灭地下害虫。

木焦油属国家出口退税产品，退税率13％。

木煤气
木煤气可供锅炉燃烧发电，或生产甲醇。

城市生活垃圾是由可燃物和非可燃物组成，可燃物有塑料、衣物、鞋、帽、植物类等，垃圾中有机成分占总量的60％，无机物约占40％，其中废纸、塑料。

玻璃、金属、织物等可回收物约占总量的20％。

2009年7日22日实验气分柝结果如下：H2 40.99% CO2 1.75% C2H6 5.11% O2 0.27 N2 0.23% CH4 47.76% CO 3.90%
非可燃物包括玻璃、煤灰、石头、砖块、极少量金属等。

可燃物是由碳水化合物组成，在高温条件下干馏可产出木炭、木焦油和木煤气。

木炭和木煤气都是能源，木焦油是一种化工原料。

干馏：在高温无氧状态下对物质进行分离。

过程机理干馏是一个复杂的化学反应过程，包括脱水、热解、脱氢、热缩合、加氢、焦化等反应。

不同物质的干馏过程虽各有差别，但一般均可分为三个阶段：①脱水分解。

干馏操作初期，温度相对较低，有机物首先脱水，随着温度升高，逐渐分解产生低分子挥发物。

②热解。

随着干馏温度的继续升高，有机物中的大分子发生键的断裂，即发生热解，得到液体有机物(包括焦油)。

这些干馏产物随干馏物质而异，如干馏糠壳可得糠醛，干馏油页岩可得页岩油和一些杂环化合物。

③缩合和碳化。

当温度进一步提高时，随着水和有机物蒸气的析出，剩余物质受热缩合成胶体。

同时，析出的挥发物逐渐减少，胶体逐渐固化和碳化。

随着温度升高、加热时间延长，所生成的固体产物中的碳含量逐渐增多，氢、氧、氮和硫等其他元素含量逐渐减少。

从木材干馏可得木炭，从煤可得焦炭。

在干馏状态下：
塑料能分离大量的可燃煤气、少量焦油和黑炭。

植物（包括木材类、草类、叶子类）能分离大量木炭、木焦油和木煤气。

同样纸张、衣物也是如此。

生活垃圾在高温隔氧状态下都可分离出木炭，焦油和可燃气体。

塑料分离出可燃气体最多，炭最少，木料类分离木炭最多，可燃气体最少，其他植物类居中。

资料表明任何一种或多种混合的植物残体（垃圾）产品：每1000kg干植物（水份小于10%）产出
1.类木炭： 250～300kg
2.木焦油： 60～150kg
3.木酸液： 200～220kg
4.可燃气： 200～250m3 热值＞3500Kcal/m3
四、利用垃圾生产木炭焦油和煤气装置结构
利用垃圾生产木炭焦油和煤气装置是由炭化室（或气化室）、加热室、蓄热室、上升管、气液分离器、冷却器等组成。

如下图所示
垃圾在高温气化室（炭化室）中进行炭化或气化，气体在压力的作用下，经上升管、集气管离开炭化室，剩下的就是固体木炭。

集气管中的气体经冷却器到常温，液体是木焦油和木酸液。

垃圾车过磅后进入垃圾场地，将垃圾的可燃物与非可燃物分离开来(等待批专利)，可燃物成饼后送入气化室干馏，一定时间后通过推炭车将木炭推出，通过栏炭车将木炭送进缺氧熄炭车中熄炭，通过上、左、右喷水给缺氧熄炭车降温。

降温后将木炭倒出成型销售。

气体经冷却后，将气体中的木焦油和木酸液冷却至常温，这两种物质变成液体。

气体用于烧锅炉发电。

利用煤气发电的硫化床锅炉如下二图：
在上两图中，红色的为煤气管。

下图为硫化床锅炉的点火装置流程图：
五、结论：
垃圾实质上是一种放错地方的资源，应加以好好利用。

利用垃圾发电固然可以处理大量的城市垃圾，但也会排出大量的CO2，破坏臭氧层，使环境温度升高。

采用填埋方式，会占用大量土地资源，并且污染地下水。

利用垃圾生产肥料和沼气对塑料等有机物是不能进行完全分解处理的。

而利用垃圾生产木炭、木焦油、可燃性气体等化工产品和能源，解决了现有垃圾处理方法关键性问题，将垃圾变成能源，这是人类可持续发展重要途经之一,也符合国家新能源、低炭经济、环保、循环利用的政策。

六、参考文献：
1、炼焦工艺操作规程大为制焦编制
2 炼焦工艺流程大为制焦编制。