基于爐排爐的生活垃圾與污泥混燒技術(shù)

鄭雪艷，王定國，劉 海

(重慶三峰卡萬塔環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司，重慶市生活垃圾焚燒處理及利用企業(yè)工程技術(shù)研究中心，重慶 400084)

0 引言

截至到2010 年底，我國城鎮(zhèn)污水處理廠已建成2 500 多座，污水處理能力已達到1．22 億m3/d，按污泥含水率80%計，每年污泥產(chǎn)生量近3 000 萬t［1］。污泥處理已經(jīng)成為我國城市發(fā)展面臨的棘手問題。目前，污泥處理主要采用的技術(shù)為堆肥、填埋和焚燒等［2－3］。據(jù)統(tǒng)計，其中只有6%采用焚燒處理，8%進行堆肥，其它絕大部分采用填埋進行處理。

填埋技術(shù)占用大量的土地資源，我國污泥處理緊張的城市，同時存在人口多、土地資源非常緊缺的問題，因此對國內(nèi)大城市、特大城市采用填埋方式進行處理往往并不適宜［4］。同時，經(jīng)過簡單脫水的污泥，含水率仍非常高，流動性較好。如此數(shù)量巨大的污泥進入填埋場，不僅占用了大量的堆存空間，同時給填埋場的安全運行帶來了極大的隱患。

堆肥不適用于重金屬含量高的污泥，用于農(nóng)業(yè)前需要對其進行穩(wěn)定化處理，有一定的風(fēng)險。目前污泥堆肥產(chǎn)物主要用于園林綠化［5］。另外，堆肥還存在周期長，占地面積大，衛(wèi)生條件差，肥效差，成本高，經(jīng)濟效益差等缺點。

污泥焚燒是一種高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)，通入一定量的過剩空氣與被處理的污泥在焚燒爐內(nèi)進行氧化燃燒反應(yīng)，污泥中有機質(zhì)和有毒有害物質(zhì)在高溫下氧化、熱解而被破壞，實現(xiàn)了污泥無害化、減量化與資源化。以焚燒為核心的處理方法是最徹底的處理方法［6］，它能使有機物全部碳化，殺死病原體，可最大限度地減少污泥體積，缺點在于處理設(shè)施投資大，處理費用高。焚燒是今后我國提倡的方式，在經(jīng)濟發(fā)達、土地緊張的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用焚燒方式。

如果利用污水處理廠附近的垃圾焚燒廠、電廠和水泥廠等現(xiàn)有的燃燒設(shè)備就近焚燒處理污泥，不僅運輸費用低，而且投資少，運行成本低，見效快，在經(jīng)濟效益和環(huán)境保護上均具有顯著的優(yōu)勢。污泥與生活垃圾混燒，已經(jīng)成為污泥處理的一個新發(fā)展方向。生活垃圾與污泥混燒國內(nèi)研究較少，本文主要介紹了這兩種燃料混燒的技術(shù)優(yōu)勢，影響混合燃料燃燒效果的主要因素，混燒面臨的主要問題及解決方案。

1 技術(shù)優(yōu)勢

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策(試行)》，經(jīng)濟較為發(fā)達的大中城市，可采用污泥焚燒工藝。鼓勵采用干化焚燒的聯(lián)用方式，提高污泥的熱能利用效率;鼓勵污泥焚燒廠與垃圾焚燒廠合建;在有條件的地區(qū)，鼓勵污泥作為低質(zhì)燃料在火力發(fā)電廠焚燒爐、水泥窯或磚窯中混合焚燒。

近年來，機械爐排爐垃圾焚燒技術(shù)在我國取得了成功，在減量化、無害化和資源化方面都取得了顯著的效果，究其原因在于爐排爐對燃料的適應(yīng)能力很強，其設(shè)計初衷就考慮了燃料復(fù)雜性以及高含水率、低熱值等不利特點。目前，我國應(yīng)用較好的機械爐排爐，都能夠很好的焚燒高水份、低熱值的垃圾。垃圾與污泥雖有較大不同，但都具有含水率高、熱值低等特點。只要控制好合適的混燒比例，對垃圾焚燒發(fā)電廠正常運行的影響就比較小。機械爐排爐主要技術(shù)優(yōu)勢如下:技術(shù)成熟，尤其大型焚燒廠幾乎都采用機械爐排爐;更適應(yīng)國內(nèi)垃圾高水分、低熱值的特性，確保垃圾完全燃燒;操作可靠方便，對垃圾適應(yīng)性強，不易造成二次污染;經(jīng)濟性高，垃圾不需要預(yù)處理直接進入爐內(nèi)，運行費用較低;設(shè)備壽命長，穩(wěn)定可靠，運行維護方便。

同時，生活垃圾發(fā)電廠具有配套煙氣處理系統(tǒng)。將污泥與生活垃圾按一定比例混入焚燒爐，在爐膛高溫作用下，可將有毒有害有機物氧化分解，排放的煙氣進入煙氣處理系統(tǒng)，避免了二次污染，焚燒產(chǎn)生的熱量經(jīng)余熱鍋爐回收后用于發(fā)電［7］。焚燒后的爐渣可作為建筑材料，如作為瀝青填料、路床或路基材料、磚瓦材料和水泥原料等，實現(xiàn)了污泥處理與電廠發(fā)電的雙重“節(jié)能減排”。

表1 為我公司運行的垃圾發(fā)電廠今年6 月份的運行數(shù)據(jù)，從表中可以看出，垃圾焚燒發(fā)電發(fā)電量高，廠用電率低，工業(yè)水和天然氣(輔助燃料)耗量也比較低，具有很好的經(jīng)濟效益。且在電廠不停爐大修且設(shè)備沒有故障、垃圾正常供應(yīng)的情況下，不需要消耗輔助燃料。同時我公司運行的垃圾焚燒電廠停爐大修周期一般都在9 個月以上。

表1

2 混合燃料焚燒過程及主要影響因素

生活垃圾與污泥組成混合燃料的燃燒是在氧氣存在的條件下有機物質(zhì)的快速、高溫氧化。混合燃料的實際焚燒過程十分復(fù)雜，經(jīng)過干燥和熱分解后，產(chǎn)生許多不同種類的氣、固可燃物，這些物質(zhì)與空氣混合，達到著火所需的必要條件時就會形成火焰而燃燒。因此，混合燃料的焚燒是氣相燃燒和非均相燃燒的混合過程，它比氣態(tài)燃料和液態(tài)燃料的燃燒過程更復(fù)雜。燃料燃燒過程分為完全燃燒和不完全燃燒。燃燒過程中應(yīng)盡量避免不完全燃燒現(xiàn)象，盡可能使混合燃燒完全。在理想的狀態(tài)下，混合燃料進入焚燒爐后，依次經(jīng)過干燥、燃燒、燃盡三個階段后，其中的有機可燃物在高溫條件下可以完全燃燒，生成二氧化碳和水，并放出熱量。但是在實際的燃燒過程中由于焚燒爐內(nèi)的操作條件達不到理想的效果，致使燃燒不完全，嚴(yán)重的情況下將產(chǎn)生大量的黑煙，并且排出的爐渣還含有有機可燃物。因此，實際運行過程中的燃燒控制很重要，要根據(jù)燃燒情況及時調(diào)整配風(fēng)、進料速度和爐排運行速度等相關(guān)參數(shù)。影響混合燃料燃燒的主要因素為停留時間(垃圾的停留時間、煙氣的停留時間)、溫度(最高溫度)和湍流度(生活垃圾和空氣的混合程度)稱為3T 要素，是反應(yīng)垃圾焚燒爐性能的重要指標(biāo)。

3 爐排爐焚燒污泥面臨的主要問題及解決方案

3．1 面臨的主要問題

在已有的垃圾焚燒廠混燒污泥首先要解決污泥的加入方式問題，避免污染廠區(qū)環(huán)境;污泥含水量高、熱值極低，可以利用的熱量有限，會對垃圾的燃盡產(chǎn)生影響，從而使?fàn)t渣的熱灼減率提高;污泥混燒后爐排底部的漏渣有一定程度的增加，因此需要對爐排的間隙進行調(diào)整;混燒污泥影響垃圾燃燒工況，降低垃圾焚燒系統(tǒng)的發(fā)電量，因此混燒比例不能太高，需嚴(yán)格控制，實現(xiàn)最佳的燃燒工況和較低的爐渣熱灼減率;混燒污泥后要防止造成二次污染，評估現(xiàn)有的煙氣凈化系統(tǒng)，保證NOx、CO、HCl 和SO2等污染物，以及Hg、Pb、Cr 和Zn 等重金屬達標(biāo)排放。由于污泥的重金屬含量一般較高，且高于生活垃圾，煙氣中的重金屬會有明顯的上升。因此重金屬含量過高的污泥不宜于直接混燒，否則易帶來二次污染。

3．2 污泥加入方式

第一種方案:污泥直接進入垃圾坑，利用起重機對垃圾和污泥進行混合，然后一起進入焚燒爐給料斗和溜槽，該系統(tǒng)為開式系統(tǒng)。

第二種方案:污泥經(jīng)固體泵進入噴射系統(tǒng)，在噴嘴出口被粉碎為小顆粒進入爐排的干燥區(qū)域，然后燃燒。該系統(tǒng)可以布置在鍋爐或焚燒爐的側(cè)墻上，為閉式系統(tǒng)。

第三種方案:污泥利用分配集箱進入進料斗，集箱的每個支管都安裝控制閥，閥門可以間隔性地打開或關(guān)閉，把污泥分配到進料斗整個寬度范圍內(nèi)。分配集箱可以安裝在垃圾坑內(nèi)進料斗一邊的側(cè)壁上，為開式系統(tǒng)。

第四種方案:污泥經(jīng)分配集箱進入溜槽，集箱的每個支管都安裝控制閥，閥門可以間隔性地打開或關(guān)閉，把污泥分配到溜槽整個寬度范圍內(nèi)。分配集箱可以安裝在鍋爐房內(nèi)，溜槽側(cè)墻，鍋爐前墻附近，為閉式系統(tǒng)。

第一種方案費用較低，但是污泥容易積在坑底，且不容易控制實際的進料量，因此不建議采用此方式。第二種方案垃圾與污泥混合均勻，但是投資運行費用較高，且需要在爐排上開孔。第三種方案費用較低，簡單可靠，但是只能在大修時維護，抓斗可能與分配裝置相碰，垃圾與污泥混合相對較差。第四種方案運行可靠，垃圾與污泥混合均勻，且運行時可以維護，但相比第三種方案費用較高?？紤]到經(jīng)濟、工藝、運行、維護、健康和安全等各個方面，計量后直接進入溜槽的封閉系統(tǒng)更加可行。但是污泥進料方式還需要根據(jù)實際情況進行綜合評估。如果在已經(jīng)建成的垃圾焚燒廠進行焚燒，采用第三種方式進行技改的費用就相對較低，這種情況建議采用第三種方式。如果混燒的污泥量很低，主要追求的是混燒效果，就可以采用第二種方案。

工程應(yīng)用實例:兩條生產(chǎn)線，在垃圾焚燒爐旁邊設(shè)置一套輸送系統(tǒng)，將污泥通過該系統(tǒng)直接輸送至焚燒爐的進料斗后入爐。該系統(tǒng)包括1 個污泥料倉、1 臺螺旋輸送機、2 臺斗式提升機、2 臺埋刮板輸送機、焚燒爐料斗處設(shè)置的污泥進料口等組成的污泥進料系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工藝流程圖見圖1。

圖1 污泥加入焚燒爐的方式

3．3 污泥混燒后的爐排漏渣的解決方案

我公司采用的焚燒爐技術(shù)爐排以列為單位，每列爐排框架上固定爐排片和移動爐排片以行為單位交替布置，移動爐排片行在固定爐排片行上作往復(fù)的逆推運動。每行單元的爐排片之間采用加工面接觸并用螺栓固定，移動爐排片與固定爐排片之間的運動接觸面采用加工面形式，即所有爐排片之間都無間隙存在，因此，不會出現(xiàn)漏渣情況。每行爐排片與中間隔墻(或兩邊側(cè)墻)間均設(shè)置了合理的膨脹間隙，該間隙是理論計算和多年運行經(jīng)驗相結(jié)合得出的，既能吸收爐排片因受熱產(chǎn)生的橫向膨脹，又能讓每行爐排片邊沿與隔墻(或側(cè)墻)的間隙在運行中始終維持在較小的范圍內(nèi);既保證了爐排片的長期往復(fù)運動不因其熱膨脹出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，又有效防止了過多的爐渣漏到爐排下灰斗。所以該焚燒爐技術(shù)爐排的漏渣量非常小。

3．4 污泥混燒比例

污泥混燒比例在很大程度上取決于污泥和垃圾的特性以及熱值。

本文以重慶市2011 年檢測的垃圾組分數(shù)據(jù)為分析對象，垃圾低位熱值4 514 kJ/kg(注明:原生垃圾取樣)，詳見表2。根據(jù)我公司在垃圾焚燒廠的檢測結(jié)果，垃圾在垃圾坑發(fā)酵3 ～5 d，會脫出一定比例的滲濾液，本文按10%考慮，熱值就會得到提高。經(jīng)計算垃圾在垃圾坑發(fā)酵3 ～5 d 左右后，入爐垃圾熱值約5 400 kJ/kg。污泥以重慶某污泥廠典型的組分為分析對象，詳見表3。

表2 垃圾組分及熱值

表3 污泥組分及熱值

以600 t/d 處理量的焚燒爐和余熱鍋爐系統(tǒng)為例，分析在當(dāng)前垃圾熱值下，加入污泥量不同時的理論燃燒溫度和煙氣在高溫區(qū)域的停留時間。其中《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ － 90 －2009)規(guī)定“煙氣在不低于850℃的條件下滯留時間不應(yīng)小于2 s”。如表4 所示，污泥混燒比例不同時，經(jīng)過2 s 的流動，溫度仍大于850℃，滿足規(guī)范的要求。因此在較低的比例范圍，生活垃圾和污泥混燒是可行的。當(dāng)污泥混燒比例超過20%時，混合燃料熱值低于4 500 kJ/kg 時，煙氣經(jīng)過2 s 的流動，溫度低于850℃，無法滿足規(guī)范的要求。

但是污泥的混入，對垃圾的著火和燃燒都有一定的影響，經(jīng)過在我公司生活垃圾焚燒廠做實驗證實:80%以上含水率的污泥加入5%對燃燒工況就有很大的影響，因此含水率很高的污泥不宜采用焚燒方式處理;污泥混燒之前最好經(jīng)過干化使含水率降至80%以下?；鞜勰嘣谝欢ǔ潭壬辖档土巳紵Ч桶l(fā)電量［8］，建議污泥混燒比例為10% ～15%，最高不能超過20%。最佳的干化含水率和混燒比例需要經(jīng)過試驗和經(jīng)濟性對比后進一步研究確定。

表4 混燒污泥比例不同時的煙氣溫度和在850℃以上的停留時間

4 結(jié)論

(1)時間、溫度和湍流度是影響混合燃料效果的主要因素，80%以上含水率的污泥加入5%對燃燒工況就有很大的影響，因此含水率很高的污泥不宜采用直接焚燒方式處理;

(2)重金屬含量過高的污泥不宜于與生活垃圾混燒，否則易帶來二次污染;

(3)污泥熱值較生活垃圾熱值低，相應(yīng)的焚燒發(fā)電量會有一定的損失。同時污泥混燒在一定程度上降低了垃圾的燃燒效果，污泥加入后應(yīng)保證良好的燃燒效果，建議污泥混燒比例為10% ～15%，最高不能超過20%。

(4)工程應(yīng)用中需根據(jù)現(xiàn)場條件和焚燒爐裝置的特點等因素選擇合理的污泥加入方式，并解決好爐排底部的漏渣問題。

(5)在生活垃圾焚燒廠混燒污泥為污水廠的污泥處理提供了一個方向，但是混燒比例有限，混燒工藝也需要進一步研究。

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