危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施灰渣收集技術(shù)研究與實(shí)踐

徐俊虎，孫巖斌，盧 靜，夏麗華

（1.廣州雅居樂(lè)固體廢物處理有限公司，廣東 廣州 510623；2.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120；3.中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100044；4.華油惠博普科技股份有限公司，北京 100088）

1 引言

危險(xiǎn)廢物是指列入國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄或根據(jù)國(guó)家危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)和鑒別方法認(rèn)定具有危險(xiǎn)特性的固體廢物。2019年我國(guó)危險(xiǎn)廢物經(jīng)營(yíng)許可證共有3 220份，核準(zhǔn)處置、利用和收集量1.02 ×108t/a（其中收集量1.201 ×107t/a），實(shí)際處置、利用和收集量2.697 ×107t（其中收集量5.7 ×105t/a），核準(zhǔn)能力和實(shí)際能力差距較大。在處置、利用的2.542 ×107t危險(xiǎn)廢物中（不含醫(yī)廢和存量），資源化、填埋、焚燒、水泥窯和其他無(wú)害化處置方式占比分別為75.0%、6.2%、7.1%、4.0%和7.7%。故我國(guó)實(shí)際焚燒規(guī)模約為1.804 8 ×106t/a，隨著《危險(xiǎn)廢物名錄》更新修訂、綜合性處置要求提升、社會(huì)資本不斷進(jìn)入，焚燒等無(wú)害化處置方式占比有望進(jìn)一步提升。

我國(guó)焚燒類危險(xiǎn)廢物灰分含量一般為22%～26%［1］，原 始 灰渣量為4.332 ×105t/a（取 值24%），而在煙氣處理中添加藥劑反應(yīng)截留灰渣量一般為焚燒量的8%～12%，該部分灰渣量為1.805 ×105t/a（取值10%），故灰渣總量為6.137 ×105t/a。目前我國(guó)焚燒灰渣管理規(guī)范有GB 16889—2008生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)和GB 18598—2019危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)，其中感染類醫(yī)廢焚燒灰渣滿足GB 16889—2008要求［2］，可進(jìn)入生活垃圾填埋場(chǎng)中單獨(dú)分區(qū)填埋。其他焚燒灰渣應(yīng)滿足GB 18598—2019要求［3-4］，未經(jīng)處理飛灰采用密封包裝后，可進(jìn)入剛性填埋場(chǎng)，經(jīng)處理滿足入場(chǎng)要求的可進(jìn)入柔性填埋場(chǎng)填埋。近年我國(guó)固廢處置項(xiàng)目基于節(jié)省選址成本，常在循環(huán)產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行協(xié)同實(shí)施［5］，而焚燒灰渣的資源化利用也已轉(zhuǎn)入實(shí)踐階段，例如灰渣熔融玻璃化后建材利用已有突破［6］，卻受制于技術(shù)銜接、政策成本等原因難以推廣應(yīng)用［7-8］。

2 危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施灰渣產(chǎn)生特性

2.1 焚燒設(shè)備線灰渣產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)

目前我國(guó)危險(xiǎn)廢物焚燒行業(yè)污染控制、合規(guī)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)監(jiān)管和性能測(cè)試等標(biāo)準(zhǔn)體系比較完善，焚燒設(shè)施采用的主流工藝路線和灰渣排放節(jié)點(diǎn)也大同小異［9］（圖1），主流工藝有回轉(zhuǎn)窯+二燃室+余熱鍋爐（非選擇催化還原法SNCR）+急冷塔+干法塔+袋式除塵器+濕法塔+煙氣加熱器+煙囪等，其主要灰渣產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)有回轉(zhuǎn)窯焚燒爐（分體式）、二燃室灰渣排放口、余熱鍋爐卸灰閥、急冷塔卸灰閥和袋式除塵器灰斗排口等，考慮到目前大多數(shù)回轉(zhuǎn)窯尾部直接伸入二燃室，焚燒爐系統(tǒng)灰渣排放口僅考慮二燃室底部。

圖1 危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施工藝流程及灰渣排放節(jié)點(diǎn)Figure 1 The process flow and ash＆slag discharge nodes of hazardous waste incineration facility

2.2 焚燒灰渣性質(zhì)及收集方式

我國(guó)多數(shù)危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施通過(guò)前端配伍將大部分的危險(xiǎn)廢物混合處理，導(dǎo)致后端收集的灰渣性質(zhì)差別較大（表1），主要反饋為以下幾個(gè)方面：①進(jìn)料種類性質(zhì)復(fù)雜決定了不同焚燒設(shè)施焚燒灰渣性質(zhì)不同；②相同條件下的焚燒爐設(shè)施爐內(nèi)物態(tài)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和湍流場(chǎng)的變化引起煙氣中隨灰分進(jìn)入的重金屬種類、體量不等導(dǎo)致灰渣性質(zhì)不一；③煙氣在不同凈化單元中反應(yīng)產(chǎn)物因加入藥劑種類、體量不同致使灰渣性質(zhì)差異較大。

表1 焚燒設(shè)施不同排放節(jié)點(diǎn)灰渣性質(zhì)及收集方式Table 1 The properties and collection methods of ash at different discharge points of incineration facilities

由表1可知，危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施在二燃室、余熱鍋爐、急冷塔和除塵器底部等處產(chǎn)生的灰渣，在溫度、均質(zhì)度、含水率、外觀性狀、主要成分以及密封、收集方式等方面差別較大。

3 危險(xiǎn)廢物焚燒灰渣收集設(shè)計(jì)

3.1 某100 t/d焚燒線灰渣產(chǎn)生計(jì)算

選取某100 t/d回轉(zhuǎn)窯焚燒設(shè)施（主要尺寸φ4.2 m×16.0 m，傾角1.5 °，窯內(nèi)停留時(shí)間60～90 min），焚燒物料配伍后特性見(jiàn)表2。焚燒各系統(tǒng)藥劑添加量及灰渣產(chǎn)生量見(jiàn)表3，其物料平衡見(jiàn)圖2。

表2 焚燒物料配伍后特性Table 2 The compatibility characteristics of incinerated materials

表3 焚燒各系統(tǒng)藥劑添加量及灰渣產(chǎn)生量Table 3 The additive amount and ash yield of each system of the incineration

圖2 焚燒物料平衡Figure 2 The material balance of the incineration

3.2 通用灰渣收集輸送系統(tǒng)性能比較

我國(guó)通用的灰渣收集輸送系統(tǒng)大致分為機(jī)械輸灰系統(tǒng)和氣力輸灰系統(tǒng)，其中機(jī)械輸灰系統(tǒng)包括螺旋輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、斗式提升機(jī)和空氣斜槽等，氣力輸灰系統(tǒng)包括正壓氣力除灰系統(tǒng)、低正壓氣力除灰系統(tǒng)、負(fù)壓氣力除灰系統(tǒng)和小倉(cāng)泵正壓氣力輸送系統(tǒng)等。

3.2.1 機(jī)械輸灰系統(tǒng)比較

機(jī)械輸灰系統(tǒng)大約有4種（表4）：螺旋輸送機(jī)利用螺旋葉片旋轉(zhuǎn)推移物料；刮板輸送機(jī)借助運(yùn)動(dòng)刮板鏈條連續(xù)輸送散裝物料；斗式提升機(jī)是垂直輸送粉料的機(jī)械；空氣斜槽是利用低壓空氣輸送蓬松粉料［11］。

表4 機(jī)械輸灰系統(tǒng)性能對(duì)比Table 4 The performance comparison of mechanical ash delivery system

由表4可知，螺旋輸送機(jī)每段輸送距離和輸送量有限，適合水平輸送中低溫、低含水率粉狀物料，但動(dòng)力消耗大、易磨損，不適宜塊狀/砂狀物料。刮板輸送機(jī)輸送距離、輸送量較螺旋輸送機(jī)有大幅提高，能在10m高度范圍內(nèi)向高位料倉(cāng)輸送物料，但需要設(shè)置矩形廊道以方便設(shè)備安裝。斗式提升機(jī)適合向高位料倉(cāng)輸送物料?？諝庑辈蹌?dòng)力消耗僅為螺旋輸送機(jī)的1%～3%，但要求物料含水率低于1%，只能向下輸送。

危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施二燃室、余熱鍋爐、急冷塔、布袋除塵器等干態(tài)排灰點(diǎn)位置分散，排灰量大小不等，排出灰渣顆粒度、均勻度、含水率、化學(xué)組分及性質(zhì)各不相同，故各排灰點(diǎn)收集方式不宜完全相同。綜合表4分析，對(duì)灰渣量較小的排灰點(diǎn)可直接用灰斗收集，對(duì)灰渣量較大的排灰點(diǎn)可采用螺旋輸送機(jī)收集。

3.2.2 氣力輸灰系統(tǒng)比較

氣力輸灰系統(tǒng)大約有4種：高正壓除灰系統(tǒng)（大倉(cāng)泵）是干灰經(jīng)閘板閥、星型卸灰閥進(jìn)入空氣斜槽，通過(guò)斜槽將來(lái)自不同灰斗的干灰集中輸送給1臺(tái)大倉(cāng)泵再遠(yuǎn)距離輸送；低正壓除灰系統(tǒng)是利用回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)作為氣源，產(chǎn)生0.1 ～0.2 MPa的輸送正壓，灰斗下設(shè)手動(dòng)插板閥、鎖氣閥，鎖氣閥進(jìn)卸料按設(shè)定程序逐個(gè)控制，將分散灰斗排灰逐個(gè)輸送至灰?guī)欤回?fù)壓氣力除灰系統(tǒng)是利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)壓，灰斗下設(shè)物料輸送閥，工作按設(shè)定程序逐個(gè)打開，將分散灰斗排灰直接集中輸送至灰?guī)欤恍}(cāng)泵正壓氣力輸送系統(tǒng)是灰斗下設(shè)有小倉(cāng)泵和氣動(dòng)出料閥，利用壓縮空氣將灰斗排灰通過(guò)倉(cāng)式泵與空氣混合，并吹入輸送管道直接排入灰?guī)欤?2-14］。4種氣力輸灰系統(tǒng)的性能對(duì)比情況如表5所示。

表5 氣力輸灰系統(tǒng)性能對(duì)比Table5 The performance comparison of pneumatic ash conveying system

由表5可知，大倉(cāng)泵、小倉(cāng)泵適合若干分散灰斗集中長(zhǎng)距離輸送至某一灰斗，低正壓系統(tǒng)適合某處灰斗向多處灰斗短距離分散輸送，負(fù)壓系統(tǒng)適合若干低位灰斗向某一高位灰斗集中輸送。綜合考慮能耗、輸送距離和輸送方向，小倉(cāng)泵系統(tǒng)更適合危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施灰斗灰渣收集。

3.3 灰渣收集技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用實(shí)踐

目前我國(guó)危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施未有灰渣自動(dòng)化收集系統(tǒng)，考慮到各干態(tài)排灰點(diǎn)灰渣位置、性質(zhì)、成分、產(chǎn)生量各不相同，一般灰渣量大的排灰點(diǎn)采用螺旋輸送機(jī)收集，灰渣量小的排灰點(diǎn)直接采用灰斗貯存，難以達(dá)到自動(dòng)化、連續(xù)化的運(yùn)行效果。本次研究擬采用小倉(cāng)泵系統(tǒng)對(duì)焚燒設(shè)施灰渣進(jìn)行收集輸送。

焚燒設(shè)施二燃室排渣因工藝差別可能為濕渣，本次小倉(cāng)泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅對(duì)余熱鍋爐、急冷塔和布袋除塵器排出灰渣進(jìn)行收集，其中余熱鍋爐、急冷塔和布袋除塵器灰渣量比例由表3可知分別為1.6%、0.8%和33.6%。本次設(shè)計(jì)對(duì)灰渣量大的布袋除塵器若干灰斗設(shè)置1套大型號(hào)小倉(cāng)泵系統(tǒng)，并電加熱輔助灰斗保溫避免板結(jié)；對(duì)灰渣量小的余熱鍋爐和急冷塔灰斗集中設(shè)置1套或2套小型號(hào)小倉(cāng)泵系統(tǒng)，焚燒設(shè)施灰渣收集系統(tǒng)配套空壓機(jī)及灰渣貯存系統(tǒng)共用（圖3）。

圖3 灰渣收集系統(tǒng)優(yōu)化工藝示意Figure3 The process schematic of ash and slag collection system

通過(guò)對(duì)焚燒設(shè)施灰渣收集系統(tǒng)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化（圖4），可減少螺旋輸送機(jī)、儲(chǔ)存灰斗和灰渣暫存庫(kù)等附屬設(shè)施，優(yōu)化后系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，減少員工值守及其工作量。

圖4 灰渣收集系統(tǒng)優(yōu)化后焚燒設(shè)施工藝流程示意Figure 4 The process flow schematic of incineration facility after optimization of ash collection system

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2019年我國(guó)337個(gè)一至五線城市生活垃圾產(chǎn)生量約達(dá)3.43 ×108t［15］，估算出2020年中國(guó)城市生活垃圾產(chǎn)生量達(dá)3.6 ×108t。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，生活垃圾無(wú)害化處置比例為99.2 5%（焚燒比例約為50%），據(jù)此計(jì)算生活垃圾焚燒飛灰產(chǎn)生量約為6.087 1 ×106t（占比約為5%）［16-17］，考慮到生活垃圾焚燒飛灰也屬于危險(xiǎn)廢物，且基本屬性與危險(xiǎn)廢物焚燒飛灰相近［18］，本系統(tǒng)在生活垃圾焚燒設(shè)施飛灰收集方面具有潛在應(yīng)用空間［19］。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)機(jī)械輸灰、氣力輸灰全面比較，綜合考慮能耗、輸送距離和輸送方向，小倉(cāng)泵系統(tǒng)更適合作為危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施灰斗灰渣收集的動(dòng)力設(shè)備，避免直接接觸，有利于勞動(dòng)安全衛(wèi)生。

2）通過(guò)對(duì)焚燒設(shè)施灰渣收集系統(tǒng)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，可減少螺旋輸送機(jī)、儲(chǔ)存灰斗和灰渣暫存庫(kù)等附屬設(shè)施，優(yōu)化后系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，減少員工值守及其工作量。

3）2020年中國(guó)城市生活垃圾焚燒飛灰產(chǎn)生量約為6.087 1 ×106t，《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》明確指出，2025年焚燒產(chǎn)能8.0 ×105t/d、焚燒產(chǎn)能占比達(dá)65%，未來(lái)5 a內(nèi)飛灰增長(zhǎng)預(yù)計(jì)超過(guò)33%，該套焚燒設(shè)施灰渣收集系統(tǒng)在生活垃圾焚燒設(shè)施領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用空間。