生活垃圾可燃組分的分選及干基制備工藝研究

王健

（南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226002）

引言

我國與大多數(shù)發(fā)展中國家一樣，用于焚燒制能的生活垃圾，主要來源是未經(jīng)分選處理的原生垃圾，存在“灰分高、含水量高、有害物質(zhì)排放量高、產(chǎn)熱量低”等問題，嚴(yán)重制約了垃圾焚燒的產(chǎn)能效益。由于缺少相應(yīng)的預(yù)處理措施，許多垃圾焚燒廠對(duì)無機(jī)物、高碳酸鈣物、金屬等一類不具焚燒價(jià)值的物質(zhì)，仍采用傳統(tǒng)的機(jī)選和人工分選方法[1]，不僅用工多，勞動(dòng)環(huán)境差，且分選效果差，因此迫切需要更高效的生活垃圾焚燒發(fā)電預(yù)處理工藝。

垃圾的可燃組分分選與干基制備工藝是一個(gè)全新的生活垃圾焚燒發(fā)電預(yù)處理工藝，通過該工藝可達(dá)到兩個(gè)目的：1）清除不可焚燒垃圾，保留可燃垃圾，提高單位體積垃圾熱值，減少焚燒總量，減少有害物質(zhì)排放；2）使可燃垃圾以干基形態(tài)進(jìn)入垃圾焚燒爐，易著火，節(jié)省助燃劑，減少焚燒時(shí)間和煙氣排放。

1 應(yīng)用密度分選清除生活垃圾中不可焚燒物質(zhì)

1.1 生活垃圾的密度與可燃性的關(guān)系

生活垃圾構(gòu)成復(fù)雜，根據(jù)與水密度（水的密度為1000g/cm3）的比較，可將生活垃圾分為三類，一類屬高密度物質(zhì)，二類是中等密度物質(zhì)，三類是低密度物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，不同密度的垃圾與可燃性存在較大的關(guān)聯(lián)，生活垃圾中的煤渣、灰土、沙石、磚瓦、玻璃、陶瓷等一類無機(jī)物，貝殼、螺殼、蛋殼、骨骼等一類高碳酸鈣物以及金屬等，都比水的密度要高很多，屬于高密度物質(zhì)，同時(shí)它們也是生活垃圾中的不可燃組分，也是主要的灰分源；橡膠、塑料、皮革、竹木、紙張等的密度比水小，屬于低密度物質(zhì)；廚余垃圾中除可溶解于水的鹽、糖、食用堿以外，絕大多數(shù)物質(zhì)的密度都與水的密度接近，屬于中等密度物質(zhì)，中等密度和低密度的物質(zhì)幾乎都是生活垃圾中的可燃組分，灰分含量亦較低，其中橡膠、塑料是高分子化合物，其“干基”熱值為32～44MJ/kg；皮革、竹木、紙張的“干基”熱值也達(dá)到12MJ/kg以上；廚余中的植物根莖、皮葉果殼及一些主副食品的“干基”熱值也能達(dá)到垃圾正常焚燒所需要的4.18MJ/kg的低位發(fā)熱量[2]。

對(duì)于上述密度不同的三大類物質(zhì)，將它們放入水溶液中，由于水的流動(dòng)性，給物質(zhì)的遷移流動(dòng)創(chuàng)造了條件，又因?yàn)樗芤旱拿芏戎到橛诟呙芏群偷兔芏任镔|(zhì)之間，因此水溶液是十分理想的分選介質(zhì)。通過密度分選，可有效去除生活垃圾中不能燃燒的物質(zhì)，保留高熱值物質(zhì)。

1.2 生活垃圾密度分選工藝及設(shè)施

密度分選是生活垃圾預(yù)處理的前道工序，由進(jìn)料、破袋、攪拌、分選、分類收集、分選液配置及回流凈化處理等工藝環(huán)節(jié)及相應(yīng)設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 密度分選工藝系統(tǒng)

密度分選的主要設(shè)施包括生活垃圾入口、破袋機(jī)、分選倉、攪拌機(jī)等。分選倉內(nèi)儲(chǔ)有水溶液，分選倉內(nèi)有刮板及其運(yùn)行軌道、不可燃物質(zhì)收集區(qū)、可燃物質(zhì)收集區(qū)，在兩個(gè)收集區(qū)均有集料斗和集料斗上下運(yùn)行軌道。

分選液回流凈化處理設(shè)施包括回流凈化處理池、分選液配置裝置（圖1中未畫出），保障分選液處理后可循環(huán)使用。由于分選液配置和凈化需要一定的時(shí)間，為提高密度分選工藝系統(tǒng)的效率，共配有兩個(gè)分選液回流凈化處理池，一個(gè)配置、凈化分選液并儲(chǔ)存已經(jīng)處理好的分選液，一個(gè)空置準(zhǔn)備接受需要處理的分選液，當(dāng)分選倉中的分選液不符合要求時(shí)，直接排入空置的分選液回流凈化處理池進(jìn)行處理，這樣兩個(gè)分選液回流凈化處理池輪流配置、凈化分選液。

分選倉采用直立、長方體形設(shè)計(jì)，為了確保生活垃圾有充分的分選空間，其容積至少為處理垃圾體積的6倍，液面高度根據(jù)處理的垃圾量確定。分選液回流凈化池建在分選倉側(cè)面或下方。分選倉垃圾入口位于分選倉邊緣，破袋機(jī)位于垃圾入口下方，破袋機(jī)軸安裝在分選倉左右壁上，破袋機(jī)軸上焊有“△”形的固定刀具，破袋機(jī)軸旋轉(zhuǎn)后，刀具對(duì)垃圾進(jìn)行切割、撕扯、擠壓，實(shí)現(xiàn)垃圾破袋（包括塑料容器等）、分散的作用。垃圾進(jìn)入分選液后，設(shè)置在分選倉上部中心的攪拌機(jī)開始工作，攪拌機(jī)的葉片浸入分選液的深度為分選液深度的1/4～1/3，經(jīng)過攪拌，垃圾一邊分布到整個(gè)液面，一邊開始充分分層分選[3]。分選倉底部左右兩側(cè)各開有出料口，垃圾分選結(jié)束，刮板自右向左移動(dòng)（分選前刮板在分選倉最右側(cè)），推動(dòng)沉淀在分選倉底部的不可燃垃圾從出料口排出，落入集料斗，集料斗立即沿軌道上行到液面上方濾水（待濾水結(jié)束后把不可燃垃圾倒入垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車），接著打開排水閥1或2，分選液排入分選液回流凈化處理池1或2，分選液排空后，中、低密度的可燃燒垃圾落到池底及集料斗中，然后刮板自左向右推動(dòng)可燃垃圾全部落入集料斗中，可燃垃圾濾水后進(jìn)入壓榨處理工序。關(guān)閉排水閥，打開潛水泵，分選液從上行管道進(jìn)入分選倉，準(zhǔn)備下次分選使用。

密度分選的配套設(shè)施有高架運(yùn)輸通道（圖2），通過高架運(yùn)輸通道的垃圾運(yùn)輸車輛可將所載垃圾經(jīng)由高架通道過磅稱重后，從設(shè)置在道面的垃圾入口直接卸入通道下方的分選倉中，這樣利用高低位差和垃圾重力，可以方便高效地使生活垃圾進(jìn)入預(yù)處理程序，不用在焚燒廠區(qū)內(nèi)設(shè)置垃圾的存放場(chǎng)地，省去了起吊裝卸和輸送機(jī)械，節(jié)約了處理成本，實(shí)現(xiàn)了生活垃圾在相對(duì)密閉化的環(huán)境下清潔化處理。

1.3 生活垃圾密度分選實(shí)驗(yàn)

為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的主體設(shè)備是用玻璃制作的水池，作為分選倉，其高度為2.25m、長度為0.55m、寬度為0.3m、容積0.37m3，其為直立式長方體，底部開有排水孔。

圖2 高架運(yùn)輸通道示意圖

實(shí)驗(yàn)開始后，將配置好的分選液注入分選倉，使之達(dá)到2m高度的液面線，再將15kg原生垃圾徐徐倒入運(yùn)轉(zhuǎn)的破袋機(jī)，垃圾袋立即被撕扯開，袋內(nèi)打餅結(jié)塊的垃圾得到破碎并充分松散開后落入分選水池，在人力攪拌下分選液產(chǎn)生流動(dòng)，分選液流中的垃圾按密度差異開始了“↓→”分離，高密度物質(zhì)受到液流的影響很小，迅速下沉；低密度、中低密度物質(zhì)隨液流移動(dòng)，紙張、廚余、纖維類織物吸入水分后出現(xiàn)下沉，并最終懸浮在分選液中，橡塑、皮革、木材等吸水性差的物質(zhì)仍然浮在液面。攪拌3分鐘后，靜置10分鐘整個(gè)分選過程基本完成，針對(duì)彌漫在分選液中的泥沙顆粒，向分選倉中注入約4kg濃度為15%的石灰液作為絮凝劑，10分鐘后水中懸浮泥沙沉降下去，池內(nèi)界面變得清澈，分選結(jié)束后，撈取浮在水面和懸在水中的低、中密度垃圾并進(jìn)行人工分揀，找出夾雜其中密度分選時(shí)漏選的高密度物質(zhì)。下表是3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（原生垃圾15kg）。

實(shí)驗(yàn)表明某市夏季原生生活垃圾分選后高密度物質(zhì)約占原生垃圾總質(zhì)量的8.3%，其余為低密度、中密度可燃物及水分，通過密度分選高密度不可燃物質(zhì)選出率約為91.6%。

密度分選高密度物質(zhì)選出率數(shù)據(jù)表

2 應(yīng)用壓榨和垃圾焚燒余熱干燥形成干基垃圾

生活垃圾中的水分一般占生活垃圾總量的40%～50%，密度分選后經(jīng)濾水的可燃垃圾含水率（實(shí)驗(yàn)方法：《木材含水率測(cè)定方法》（GB/T 1931—2009）干燥法，下同）比密度分選前高8%～12%，增加的含水率主要為體表水，其余為吸附水（毛細(xì)管內(nèi)的水分）、結(jié)合水（碳水化合物中的水分）、腐生水等，這些水有的通過機(jī)械壓榨可以清除，有的則需要通過加溫干燥才能去除。

干燥除水工藝是生活垃圾預(yù)處理的后道工序，包括機(jī)械壓榨除水（一次除水）和利用焚燒垃圾產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣蛴酂徨仩t尾氣作為熱源對(duì)壓榨后的可燃物質(zhì)的二次除水。壓榨除水的壓機(jī)，倉容量大、壓縮比高、密閉性好，能連續(xù)工作，配備有排水管、排水口、自動(dòng)進(jìn)出料等裝置，壓榨產(chǎn)生的廢水（滲濾液）流入分選液回流凈化處理池，壓榨后的垃圾進(jìn)入烘干流程。

烘干主要是除去深藏于垃圾物組織內(nèi)部的水分。烘干設(shè)施為熱風(fēng)循環(huán)式烘房，采用隧道式設(shè)計(jì)，其前端連接著壓縮機(jī)的出料口，終端與垃圾焚燒爐的進(jìn)料口相連，將高溫?zé)煔鈱?dǎo)入烘房，塊體垃圾在隧道內(nèi)沿軌道緩緩前行，為提高干燥速率，垃圾塊壓制成中間帶孔類似蜂窩煤狀，隧道長度隨處理量和干燥速率而定。高溫?zé)煔膺M(jìn)入烘房后，通過熱交換設(shè)備，將熱能傳遞給垃圾塊體，將塊體垃圾中的水分轉(zhuǎn)變?yōu)樗羝瑥暮娣壳岸说呐艥窨谂懦?，?jīng)冷凝器冷凝后再還原為水經(jīng)下水道流入分選液回流凈化處理池。生活垃圾經(jīng)過干燥預(yù)熱處理，降低了含水量、提高了垃圾的入爐溫度，容易著火，減少助燃劑的使用量。

3 入爐垃圾預(yù)處理工藝

入爐垃圾預(yù)處理工藝流程，主要由密度分選和壓榨干燥兩部分組成，如圖3所示。

圖3 生活垃圾預(yù)處理工藝流程

該工藝在實(shí)施過程中，需注意以下幾方面：

（1）工藝過程應(yīng)在封閉空間內(nèi)實(shí)施，防止異、臭味發(fā)散，減少二次污染。特別要注意：1）垃圾入口的及時(shí)封閉；2）分選倉與壓機(jī)及分選液回流凈化池的連接；3）壓機(jī)壓榨液出口與下水道的連接；4）烘房排濕口與冷凝裝置的連接；5）冷凝液出口與下水道的連接。

（2）分選液是一種加入了適量堿性加重質(zhì)、滅菌劑、生物除臭劑的水溶液，由于不同城市、不同季節(jié)生活垃圾的成分有所差異，分選液密度值在1.11～1.27g/cm3之間，分選時(shí)要隨時(shí)檢查分選效果，調(diào)整分選液密度。

（3）破袋效果是密度分選的重要影響因素，破袋機(jī)應(yīng)設(shè)有防纏繞結(jié)構(gòu)，并定期清理。

（4）垃圾經(jīng)壓機(jī)壓榨成塊狀后，經(jīng)輸送軌道直接進(jìn)入隧道式熱風(fēng)循環(huán)烘房，要確保烘房內(nèi)熱空氣循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)由于水分在不同溫度下的蒸發(fā)速度不同，烘房可根據(jù)溫度分區(qū)設(shè)置，提高熱風(fēng)利用效率。

4 結(jié)論

生活垃圾密度分選、壓榨烘干預(yù)處理工藝，能有效去除生活垃圾中的不可燃物質(zhì)，并使可燃物質(zhì)以“干基”形態(tài)入爐焚燒，不僅著火快、升溫快、燃燒過程易于控制、減少了飛灰量，而且節(jié)省了助燃劑，利用了高溫?zé)煔庥酂?，降低了預(yù)處理成本，可為提高垃圾發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益發(fā)揮重要的作用。