生活垃圾分類對(duì)垃圾焚燒的影響研究
——以仁懷市生活垃圾為例

馮華仲 任智超 趙寧波 鄭珊珊

(茅臺(tái)學(xué)院，貴州 仁懷 564507)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平不斷提高，城鄉(xiāng)生活垃圾產(chǎn)生量越來越多。仁懷市對(duì)生活垃圾實(shí)行無害化填埋處理，該法占地面積大，垃圾資源化利用程度低。2020年1月仁懷市建成生活垃圾焚燒發(fā)電廠(含兩條生產(chǎn)線)投入運(yùn)行，生活垃圾無害化處理量快速增加，無害化處理率提高到98%，一條線年發(fā)電量8000萬kW·h，目前處理能力尚有富余。當(dāng)前仁懷市正在推進(jìn)生活垃圾分類工作，垃圾分類有利于提高其資源化利用率，提高垃圾焚燒發(fā)電效率，但垃圾分類造成垃圾組分變化，對(duì)垃圾焚燒造成較大影響。本文根據(jù)垃圾分類后的組分，計(jì)算垃圾熱值、焚燒溫度、煙氣量及酸性氣體，研究分析其影響，據(jù)此提出垃圾焚燒爐設(shè)備運(yùn)行的調(diào)節(jié)改造策略，為工程應(yīng)用提供參考。

1 仁懷市生活垃圾處理現(xiàn)狀

從仁懷市近3年生活垃圾統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看(見表1)，垃圾增長(zhǎng)速度快，2020年達(dá)23.54萬噸，按仁懷市65.5萬人口計(jì)，人均日產(chǎn)生活垃圾1.0 kg。

仁懷市生活垃圾處理模式為“戶投放、村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)、市處理”模式，收集方式主要是混合收集，然后集中運(yùn)輸?shù)教幚韴?chǎng)進(jìn)行處置。仁懷市于2007年投入運(yùn)行貴州省首個(gè)一級(jí)生活垃圾無害化填埋場(chǎng)，設(shè)計(jì)服務(wù)年限17年，日處理垃圾140噸、滲濾液70噸；這種填埋處理方法占地面積大，存在滲濾液處理問題，垃圾資源化利用程度低。生活垃圾是資源，應(yīng)遵循“無害化、減量化、資源化”處理原則，生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)很好地滿足該原則要求，我國(guó)大力推廣該焚燒發(fā)電技術(shù)。2020年1月仁懷市建成生活垃圾焚燒發(fā)電廠(含兩條生產(chǎn)線)投入運(yùn)行，日處理規(guī)模1200噸，生活垃圾無害化處理量得到快速增加，垃圾無害化處理率提高到98%(見表1)，2020年一條生產(chǎn)線運(yùn)行，年發(fā)電量8000kW·h。

表1 仁懷市生活垃圾數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

仁懷市生活垃圾主要由居民生活、商場(chǎng)、學(xué)校、餐飲行業(yè)、旅游地區(qū)、酒廠等場(chǎng)所產(chǎn)生，組成成分有：餐廚類、塑料類、木竹類、紡織類、紙類、灰土類、金屬類、玻璃類、陶瓷磚石類等，垃圾物理組分百分含量(平均值)見表2。

表2 仁懷市生活垃圾物理組分百分含量(平均值)

從表2可知，餐廚類垃圾占比最高，達(dá)46.58%，而塑料類、木竹類、紡織類、紙類等可燃物垃圾合計(jì)占比43.77%。混合收集的原生垃圾(簡(jiǎn)稱為混合垃圾)的成分復(fù)雜，含水量高(餐余類垃圾占比高)、熱值低，這導(dǎo)致垃圾焚燒工作穩(wěn)定性較差，處理運(yùn)行成本較高。因此，混合垃圾不利于垃圾資源化利用。

我國(guó)正在大力推行生活垃圾分類，提高垃圾資源化利用率，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾分類標(biāo)志》(GB/T 19095-2019)把生活垃圾分成四大類：可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾和其它垃圾?？苫厥绽侵缚杀欢卫玫膹U物，包含紙類、塑料類、金屬類、包裝物、紡織類、玻璃類等。仁懷市生活垃圾按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分類，在可回收垃圾基礎(chǔ)上進(jìn)行再分選，即把金屬類、玻璃等不可燃物分選出來，余下的就是紙類、塑料類、紡織類等可燃物，稱之為可燃垃圾。垃圾分類前的可燃垃圾總質(zhì)量百分比為43.77%，分類后可燃垃圾中塑料類、紙類、木竹類和紡織類的相對(duì)質(zhì)量百分含量(平均值)見表3。

表3 仁懷市生活垃圾分類后可燃垃圾質(zhì)量百分含量(平均值)

從表2、表3可見，可燃垃圾含量由分類前43.77%提高到分類后100%，塑料類垃圾含量從22.8%提高到52.1%，其它成分也相應(yīng)增加，這種成分變化將對(duì)垃圾焚燒性能造成影響。

2 垃圾分類前后的垃圾熱值對(duì)比分析

通過調(diào)研獲得仁懷市生活垃圾組分，采用物理組分計(jì)算法計(jì)算垃圾熱值[1]，每種物理組分的單位熱值的加權(quán)平均數(shù)為該垃圾的發(fā)熱量值，公式如下：

H=ΣHi×Gi/100

(1)

式中：H—垃圾的干基發(fā)熱量，kJ/kg；

Hi—垃圾各組分的干基發(fā)熱量，kJ/kg；

Gi—垃圾各組分的干基質(zhì)量組成，%。

各組分高位干基發(fā)熱量見表4。

表4 生活垃圾各物理組分的單位熱值

(1)分類前的垃圾熱值

將生活垃圾分類前的物理組分?jǐn)?shù)據(jù)(見表2)、各組分單位熱值數(shù)據(jù)(見表4)代入公式(1)，得到生活垃圾分類前的干基高位熱值為13 230 kJ/kg。

(2)分類后的垃圾熱值

將生活垃圾分類后的物理組分?jǐn)?shù)據(jù)(見表3)、各組分單位熱值數(shù)據(jù)(見表4)代入公式(1)，得到生活垃圾分類后的干基高位熱值為24 770 kJ/kg。

(3)影響分析

垃圾分類前的干基高位熱值為13 230 kJ/kg，分類后的干基高位熱值為24 770 kJ/kg，二者對(duì)比分析，垃圾分類后熱值提高了87.2%。

3 垃圾分類對(duì)焚燒性能的影響

生活垃圾分類造成垃圾組分、熱值等物性參數(shù)變化，勢(shì)必影響垃圾焚燒的煙氣量及排氣成分、焚燒溫度和焚燒爐設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 煙氣量及排氣成分的影響

生活垃圾焚燒時(shí)，煙氣中主要成分為CO2和H2O，以及少量的酸性氣體(主要是HCl、SO2和NOx)。垃圾分類后成分變化會(huì)導(dǎo)致垃圾焚燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣量和酸性氣體的變化。

(1)煙氣量的影響分析

根據(jù)垃圾熱值估算理論空氣量和煙氣量[2]：

V理空=1.01H/4200 +0.5

(2)

V煙=(λ-1)V理空+0.89H/4200+1.65

(3)

式中：V理空—理論空氣量，Nm3/kg；

V煙—實(shí)際煙氣量，Nm3/kg；

λ—過?？諝庀禂?shù)，爐排焚燒爐一般取1.5～1.9，本文取1.7。

①垃圾分類前的煙氣量

垃圾分類前熱值H=13 230 kJ/kg，代入公式(2)、(3)，得到：

V理空=3.68 Nm3/kg

V煙=7.03 Nm3/kg

②垃圾分類后的煙氣量

垃圾分類后熱值H=24 770 kJ/kg，代入公式(2)、(3)，得到：

V理空=6.46 Nm3/kg

V煙=11.42 Nm3/kg

③影響分析

垃圾分類前煙氣量7.03 Nm3/kg，分類后煙氣量11.42 Nm3/kg，分類后煙氣量增加了62.45%。

(2)酸性氣體的影響分析

生活垃圾中存在塑料類垃圾，其焚燒產(chǎn)生酸性氣體：HCl、SO2和NOx。根據(jù)生活垃圾焚燒產(chǎn)生的酸性氣體排放控制研究[3]，HCl濃度最大，分別是SO2和NOx濃度3倍以上，本文以濃度最大的HCl研究分析影響程度。仁懷市生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣檢測(cè)數(shù)據(jù)表明(垃圾分類前)，煙氣凈化系統(tǒng)入口的HCl濃度為600 mg/Nm3(平均值)。

垃圾分類后，HCl濃度計(jì)算式：

(G塑1/G塑0)MHCl0V煙0=MHCl1V煙1

(4)

G塑0，G塑1—垃圾分類前后的塑料的質(zhì)量百分含量：22.8%，52.1%；

V煙0，V煙1—垃圾分類前后的煙氣量：7.03 Nm3/kg，11.42 Nm3/kg；

MHCl0，MHCl1—垃圾分類前后的HCl濃度：MHCl0=600 mg/Nm3。

把上述數(shù)據(jù)代入公式(4)，得到：

MHCl1=844 mg/Nm3

垃圾分類前HCl濃度為600 mg/Nm3，分類后HCl濃度為844 mg/Nm3，分類后HCl濃度增加了40.7%。

3.2 焚燒溫度的影響分析

理論焚燒溫度T：

(5)

(1)垃圾分類前的理論焚燒溫度

分類前垃圾熱值H=13 230 kJ/kg，λ取1.7，數(shù)據(jù)代入公式(5)，得到理論焚燒溫度：

T=1 400 K

(2)垃圾分類后的理論焚燒溫度

分類后垃圾熱值H=24 770 kJ/kg，數(shù)據(jù)代入公式(5)，得到理論焚燒溫度：

T=1 680 K

(3)影響分析

垃圾分類前的理論焚燒溫度1 400 K，分類后的理論焚燒溫度1 680 K，分類后理論焚燒溫度提高了20%。焚燒溫度提高，所需提供的輔助燃料用量減少，且產(chǎn)熱量增加，可使垃圾處理成本降低，發(fā)電效率增加。

3.3 焚燒爐設(shè)備調(diào)節(jié)策略

通過以上研究分析可知，生活垃圾分類提高了垃圾熱值和焚燒溫度，同時(shí)提高了煙氣量及酸性氣體排放量，對(duì)原有焚燒爐設(shè)備運(yùn)行造成以下影響：

(1)垃圾熱值和焚燒溫度提高，造成焚燒爐內(nèi)熱負(fù)荷上升，焚燒爐出口煙氣溫度將會(huì)高于初始設(shè)計(jì)值，進(jìn)入余熱鍋爐煙氣溫度過高會(huì)使煙氣中的飛灰處于熔融狀態(tài)，不易沉降且粘連在其受熱面，不但降低了傳熱效果，易形成受熱面腐蝕，對(duì)爐墻造成破壞。

(2)垃圾焚燒空氣量和煙氣量增大，造成煙道阻力增大，現(xiàn)有焚燒爐的供風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)將會(huì)處于超負(fù)荷狀態(tài)或工作能力不足。

(3)煙氣中酸性氣體濃度增大，加大了煙氣凈化處理系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷。

針對(duì)上述影響，焚燒爐設(shè)備需進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足垃圾分類的焚燒運(yùn)行要求，本文提出兩種策略方法：

一是在焚燒爐構(gòu)件不變的情況下，按以下方法處理：

(1)根據(jù)實(shí)際焚燒煙氣量，加大原有供風(fēng)量，同時(shí)降低氧含量，較低的過?？諝庀禂?shù)有助于控制金屬腐蝕反應(yīng)的發(fā)生[4]；

(2)根據(jù)實(shí)際垃圾熱值降低垃圾進(jìn)料量，保證爐排內(nèi)焚燒溫度不超負(fù)荷；

(3)垃圾含水率降低、熱值高，可減少垃圾在爐排爐內(nèi)的燃燒時(shí)間，或提高爐排料厚度，以免對(duì)爐排出現(xiàn)燒透現(xiàn)象；

(4)煙氣中酸性氣體增加，需增加堿液用量。

二是對(duì)焚燒爐進(jìn)行改造，按以下方法處理：

(1)增大爐內(nèi)換熱面積，增加受熱面；

(2)焚燒爐壁的耐火絕熱結(jié)構(gòu)改為可吸熱的膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，控制爐膛溫度；

(3)增設(shè)霧化噴槍，通過向爐膛內(nèi)噴水，控制爐膛溫度；

(4)余熱鍋爐提升材質(zhì)抗腐蝕能力，可采用碳鋼+Inconel625復(fù)合管、熱噴涂、堆焊等方法來抑制或延緩腐蝕；

(5)調(diào)節(jié)一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)的工作參數(shù)；

(6)改造噴霧除酸塔，增加堿液流量及霧化性能。

4 結(jié)論

通過分析仁懷市生活垃圾分類前后的物理組分變化，研究對(duì)垃圾熱值和焚燒性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)垃圾分類后，垃圾熱值24 770 kJ/kg，提高87.2%，有利于垃圾能源化利用；

(2)垃圾分類后，理論焚燒溫度1 680 K，提高20%，有利于降低垃圾處理運(yùn)行成本，提高熱能利用效率；

(3)垃圾分類后，煙氣量11.42 Nm3/kg，增加62.45%，增大了焚燒爐運(yùn)行負(fù)荷；

(4)垃圾分類后，煙氣中酸性氣體HCl濃度844 mg /Nm3，增加40.7%，增大了煙氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷。

生活垃圾分類后，對(duì)垃圾焚燒爐設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足焚燒運(yùn)行要求。提出兩種調(diào)節(jié)處理策略：一是在焚燒爐構(gòu)體不變情況下的處理策略，即通過調(diào)節(jié)控制供風(fēng)量、進(jìn)料量及垃圾在爐內(nèi)停留時(shí)間、堿液量等參數(shù)，滿足垃圾分類后的焚燒運(yùn)行要求；二是對(duì)焚燒爐進(jìn)行改造處理策略，即增加爐內(nèi)換熱面積或爐內(nèi)增設(shè)水冷壁，提高余熱鍋爐抗腐蝕能力，增大供風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)工作參數(shù)等，適應(yīng)垃圾分類后的焚燒運(yùn)行要求。

生活垃圾分類有利于垃圾資源化利用，有效地提高了利用效率和效益。