生活垃圾熱解氣化燃燒試驗(yàn)研究

劉全美，常加富，張兆玲，徐鵬舉，于杰，董磊(山東百川同創(chuàng)能源有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

2019年全國(guó)生活垃圾清運(yùn)量24 206.2萬(wàn)噸，較2018年增長(zhǎng)6.16%[1]。目前，生活垃圾主要有衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥等無(wú)害化處理方式。填埋占用有限的土地資源，并且未使垃圾真正減量，對(duì)于日益增長(zhǎng)的生活垃圾需要巨大的填埋場(chǎng)地，致使多地新建填埋場(chǎng)選址困難甚至無(wú)地可填。2019年我國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理量24 012.8萬(wàn)噸，其中焚燒量達(dá)12 174.2萬(wàn)噸，焚燒處理占全部無(wú)害化處理比例超過50%，其中大中型集中式直燃焚燒發(fā)電與中小型分布式熱解氣化焚燒是生活垃圾無(wú)害化減量化處理的主要方式。

對(duì)于人口較少的縣域城鎮(zhèn)地區(qū)或丘陵山區(qū)，生活垃圾產(chǎn)生量較少，如果建設(shè)集中焚燒發(fā)電項(xiàng)目投資成本較高，且需要垃圾原料長(zhǎng)距離運(yùn)輸，目前主要采用熱解氣化工藝減量化處理生活垃圾。然而，在當(dāng)前尚未大規(guī)模實(shí)施分類收集、處置或分類比較粗放的背景下，收集清運(yùn)的生活垃圾成分復(fù)雜、含水率波動(dòng)范圍大，并且為控制投資一般不在熱解氣化處置前設(shè)置獨(dú)立的垃圾干燥處理環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的中小型分布式生活垃圾熱解氣化焚燒系統(tǒng)多采用固定床式的燜燒工藝，且煙氣凈化處理工藝簡(jiǎn)陋，造成垃圾處理量有限，不能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，二燃室溫度、灰渣熱灼減率及煙氣排放等指標(biāo)難以達(dá)到生活垃圾焚燒處理技術(shù)規(guī)范要求。

基于一種垃圾熱解氣化焚燒系統(tǒng)及工藝(202010737281.4)專利技術(shù)[2]，建立熱解氣化燃燒平臺(tái)，以城鎮(zhèn)生活垃圾為原料進(jìn)行減量化試驗(yàn)研究，供中小型生活垃圾的無(wú)害化焚燒處理工程應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原料

生活垃圾原料取自山東省某城鎮(zhèn)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站，先經(jīng)簡(jiǎn)易篩分去除大體積的磚瓦土塊等不燃部分，后將其余原料粉碎至粒徑≤10 cm備用。

參考CJ/T 313—2009對(duì)垃圾中的主要組分進(jìn)行物理分析，由表1中的分析數(shù)據(jù)可知，生活垃圾原料中含量較高的有橡塑類、紡織類和不可燃類，3類成分的比例均在22%～26%。因生活習(xí)慣與生活環(huán)境的差異，與城市生活垃圾相比，城鎮(zhèn)生活垃圾中的廚余類與紙類含量較少，而廢舊衣物紡織類與磚瓦陶瓷灰土等不可燃類含量明顯偏高。

表1 原料物理組成分析 單位：%

表2為對(duì)垃圾原料工業(yè)分析與元素分析的測(cè)試數(shù)據(jù)，因經(jīng)過初步分選，原料中的灰分含量較低，但較高的水分含量對(duì)垃圾熱值的影響較大。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)工藝流程如圖1所示，系統(tǒng)主要包括進(jìn)料機(jī)構(gòu)、垃圾熱解氣化焚燒爐、換熱器、煙氣凈化裝置、點(diǎn)火燃燒器及輔助燃燒器。垃圾熱解氣化焚燒爐包括一體成型的干燥段、熱解段、氣化段、灰渣燃盡段與二次燃燒段，其中干燥段、熱解段與氣化段依次相接，且底部為連續(xù)向下傾斜的通道通至灰渣燃盡區(qū)，且傾斜程度逐級(jí)增大，并設(shè)置由相間布置的活動(dòng)爐排片與固定爐排片組成機(jī)械式往復(fù)爐排，以便于帶動(dòng)固體灰渣向爐體下游運(yùn)動(dòng)；二次燃燒段位于灰渣燃盡段的上部，且在其內(nèi)部設(shè)置折流與擾流裝置，用于熱解氣化氣體及灰渣灼燒煙氣的二次燃燒，保證氣體組分的均勻混合并具備較充足的反應(yīng)時(shí)間。點(diǎn)火燃燒器火焰口設(shè)于焚燒爐干燥段垃圾原料入口處，用于點(diǎn)火起爐時(shí)整體預(yù)熱爐膛溫度；輔助燃燒器火焰口設(shè)于熱解氣化氣體及灰渣灼燒煙氣進(jìn)入二次燃燒段的入口處，起爐及停爐階段或運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)需要開啟輔助燃燒器，保持二次燃燒段溫度達(dá)標(biāo)與燃燒穩(wěn)定。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)工藝流程示意圖

原料在焚燒爐內(nèi)相應(yīng)腔室內(nèi)依次經(jīng)過干燥、熱解、氣化、灰渣灼燒和氣體二次燃燒過程，灰渣由排渣口排出，煙氣經(jīng)換熱器換熱后進(jìn)入凈化系統(tǒng)凈化后排放。為了應(yīng)對(duì)垃圾原料中水分含量較高的問題，在焚燒爐干燥區(qū)頂部設(shè)置開孔的管道并負(fù)壓抽取爐內(nèi)干化蒸發(fā)的水分，經(jīng)干化廢氣出口排至冷凝器，去除水分的廢氣作為部分空氣源經(jīng)換熱器預(yù)熱后供給焚燒爐助燃，避免廢氣可能造成的二次污染。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 運(yùn)行溫度

試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)處理量500 kg/h，起爐時(shí)首先開啟點(diǎn)火燃燒器與輔助燃燒器，待爐溫達(dá)到預(yù)定溫度后將初步分揀與粉碎預(yù)處理的垃圾原料通過進(jìn)料系統(tǒng)供給熱解氣化焚燒爐，逐漸增大垃圾進(jìn)料量達(dá)到額定值，并逐步調(diào)小燃燒器輸出功率直至完全關(guān)閉。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)T1、T2位置分別對(duì)應(yīng)于焚燒爐熱解與氣化反應(yīng)區(qū)，T3、T4分別位于焚燒爐氣體二次燃燒反應(yīng)區(qū)的入口與出口。以垃圾原料開始入爐為始點(diǎn)，焚燒爐各測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 運(yùn)行溫度曲線

垃圾入爐后，隨著進(jìn)料量的增多與輔助燃燒器輸出功率的調(diào)小，焚燒爐運(yùn)行溫度略有下降，約2 h后進(jìn)料量達(dá)到設(shè)計(jì)額定值并完全關(guān)閉燃燒器停止額外熱量的補(bǔ)充，此時(shí)焚燒爐基本達(dá)到正常工作狀態(tài)并可保持連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。由溫度變化曲線可以看出，由于垃圾原料的繁雜多樣性，焚燒爐運(yùn)行溫度會(huì)有一定程度的變化，但各測(cè)點(diǎn)溫度的波動(dòng)區(qū)間基本在50 ℃范圍內(nèi)，整體處于穩(wěn)定可控狀態(tài)，熱解與氣化反應(yīng)區(qū)運(yùn)行溫度分別是約450 ℃、620 ℃，而氣體二次燃燒區(qū)的運(yùn)行溫度則處于較高的870～940 ℃之間，符合垃圾焚燒相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范二燃室850 ℃以上的溫度要求，且正常工作狀態(tài)下無(wú)需補(bǔ)充外部熱源，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

利用高溫?zé)煔鈸Q取的熱空氣作為干化介質(zhì)與助燃配風(fēng)，提供蒸發(fā)垃圾中水分所需的熱量，并為垃圾熱解氣化與燃燒補(bǔ)充部分熱源，實(shí)現(xiàn)了垃圾燃燒熱量的直接回收利用，提高了熱量利用效率，并且可以保證足夠的干燥風(fēng)穿透垃圾料層攜帶出蒸發(fā)的水分，保證后續(xù)的熱解氣化及二次燃燒反應(yīng)的穩(wěn)定均勻，避免了因局部原料水分過大可能出現(xiàn)的反應(yīng)熄火或者需要提供額外燃料的問題，提高了對(duì)高含水率垃圾物料處置的適應(yīng)性。

2.2 煙氣測(cè)試

以垃圾原料開始入爐為始點(diǎn)，在煙氣凈化系統(tǒng)前的煙道測(cè)試取樣點(diǎn)檢測(cè)煙氣主要組分，重點(diǎn)關(guān)注反應(yīng)焚燒爐過量空氣系數(shù)和對(duì)煙氣凈化工藝影響較大的煙氣組分，包括氧氣、一氧化碳與氮氧化物，其變化曲線如圖3所示。

圖3 煙氣主要組分測(cè)試曲線

由圖3煙氣檢測(cè)結(jié)果可知，垃圾入爐起始階段，由于輔助燃燒機(jī)的運(yùn)行提供了溫度保障，為保證垃圾原料的充分分解燃燒，焚燒爐過量空氣系數(shù)較大，煙氣中的O2濃度達(dá)到13%以上。隨著焚燒爐進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，O2濃度逐漸趨于穩(wěn)定，雖然運(yùn)行中為保證焚燒爐的正常工作對(duì)于配風(fēng)量進(jìn)行了微調(diào)，但O2濃度基本可以保持在9%～10%。從圖3中還可以看出，正常工作狀態(tài)下，焚燒爐煙氣中的CO可以保持在20 mg/m3以下，NOx穩(wěn)定在約200 mg/m3的較低水平，表明不需凈化處理煙氣中的CO、NOx指標(biāo)即可滿足排放限值，熱解氣化與燃燒均在低氧控氧的環(huán)境中運(yùn)行，在溫度上也保證了氮氧化物、一氧化碳甚至重金屬及二噁英污染物的低生成率，驗(yàn)證了采用“熱解氣化+燃燒”工藝焚燒處理生活垃圾具有顯著的環(huán)保性。

2.3 焚燒爐渣熱灼減率

根據(jù)GB 18485—2014中要求的檢測(cè)方法并參考HJ/T 20—1998，對(duì)焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行階段排出的爐渣進(jìn)行取樣測(cè)試熱灼減率。平行取樣5組測(cè)試的焚燒爐渣熱灼減率結(jié)果分別是1.23%、1.18%、0.92%、1.56%、1.27%。假設(shè)熱灼減率以1.5%估算，垃圾經(jīng)過熱解氣化燃燒工藝處理后，除無(wú)機(jī)灰分成分之外的質(zhì)量減少率為：

由焚燒爐渣熱灼減率測(cè)試計(jì)算數(shù)據(jù)可知，垃圾熱解氣化燃燒工藝完全可以滿足焚燒爐渣熱灼減率≤5%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，且對(duì)于垃圾原料中除無(wú)機(jī)灰分成分外的質(zhì)量減少率達(dá)99.69%，表明垃圾原料在焚燒爐內(nèi)經(jīng)過干燥、熱解氣化、灰渣灼燒及氣體二次燃燒，有機(jī)質(zhì)已基本燃盡，可實(shí)現(xiàn)生活垃圾固體廢棄物的最大程度減量化。

生活垃圾在爐內(nèi)熱解氣化與燃燒分步進(jìn)行并相互耦合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾物料的擾動(dòng)，使得反應(yīng)充分均勻，促使固體可燃物在排渣前完全燃燒，實(shí)現(xiàn)垃圾原料的最大減量化。

3 結(jié)語(yǔ)

以中小型城鎮(zhèn)生活垃圾快速無(wú)害化減量處置為背景，采用集“干化+熱解氣化+灰渣灼燒+氣體二次燃燒”為一體的工藝裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了技術(shù)工藝的可行性及經(jīng)濟(jì)與環(huán)保特性，為城鎮(zhèn)生活垃圾的即時(shí)無(wú)害化減量處置提供了新途徑。