寒冷地區(qū)生活垃圾焚燒設計

薛淑香

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

隨著人們生活水平的提高，生活垃圾產(chǎn)生量逐年增多。垃圾堆放時間太長，會對環(huán)境資源產(chǎn)生破壞性影響。最初生活垃圾的處理采用掩埋、堆放等方式，隨著環(huán)衛(wèi)設施系統(tǒng)的升級，逐漸采用衛(wèi)生填埋、高溫堆肥、焚燒等方法。焚燒處理的方式使垃圾處理實現(xiàn)無害化、減量化、資源化，也成為寒冷地區(qū)垃圾處理采用的主要方法。

寒冷地區(qū)氣候具有地方特色，冬季較長，溫度較低。以黑龍江省某市為例，年均溫為3.2 ℃，1月均溫-25.7 ℃，7月均溫為22.8 ℃，歷史上最高氣溫發(fā)生在1980年6月26日，為33.68 ℃，最低氣溫發(fā)生在1956年1月8日，低至-39.5 ℃。因冬季溫度的影響，寒冷地區(qū)生活垃圾易凍結且不易散開。冰凍成團的垃圾水分被鎖住，含水率較高。以黑龍江某市垃圾為例，原生垃圾含水率為58.67%，15 ℃時垃圾熱值為5 107 kJ/kg，可以推算出-25.7 ℃時垃圾熱值為4 842 kJ/kg。垃圾熱值低不僅影響垃圾在焚燒爐內(nèi)燃燒狀態(tài)，同時增加爐渣熱灼減率[1]。

針對寒冷地區(qū)冬季垃圾冰凍成團、垃圾熱值偏低的特點，為更好保障冬季垃圾燃燒，本文從促進垃圾發(fā)酵措施、垃圾預處理措施等方面進行總結，并以實際工程實例介紹寒冷地區(qū)生活垃圾焚燒設計。

1 促進生活垃圾發(fā)酵措施

寒冷地區(qū)冬季寒冷，室外環(huán)境溫度低，生活垃圾長時間放置在室外，其中的水分結冰粘結成團，在收集運輸過程中一直是冰凍的狀態(tài)。考慮到垃圾池內(nèi)防腐及垃圾吊碰撞等影響，垃圾池內(nèi)不建議敷設采暖管道，因此冰凍生活垃圾運至焚燒廠垃圾池后，如果僅靠垃圾卸料平臺上的5 ℃采暖設計溫度進行熱交換，解凍時間長且無法達到垃圾發(fā)酵溫度15 ℃[2]，故需要采取一定的措施。為了促進生活垃圾發(fā)酵，可采取進倉前加熱及進倉后提高環(huán)境溫度、增加垃圾儲存時間等措施。

1.1 冰凍垃圾的進倉前加熱

冰凍垃圾卸料時可采取利用熱廢水加熱垃圾或利用加熱后的滲瀝液伴熱措施。

1.1.1 利用熱廢水加熱垃圾

熱廢水主要來源于余熱鍋爐汽包連續(xù)排污的廢水。連續(xù)排污是為維持額定的鍋水含鹽量，通常在汽包含鹽量最大的部位連續(xù)放出鍋水。正常情況下，鍋爐汽包連續(xù)排放的污水進入連排擴容器，冬季則通過閥門切換進入垃圾池內(nèi)，同時閃蒸汽也可以作為熱源對垃圾加熱。采用汽包連續(xù)排污水加熱垃圾，工質(zhì)直接換熱，熱效率更高，同時不會造成更高品質(zhì)的熱水或蒸汽的浪費，是一種在經(jīng)濟上更具優(yōu)勢的方案[3]。

1.1.2 利用加熱后的滲瀝液加熱垃圾

生活垃圾滲瀝液含有多種微生物，在一定的溫度條件下可以促進垃圾發(fā)酵，故在嚴寒地區(qū)可考慮增設滲瀝液循環(huán)加熱裝置。將垃圾池側滲瀝液收集池內(nèi)的滲瀝液通過收集箱中通入汽輪機二抽抽汽進行加熱，在卸料口處用噴槍噴入加熱后的滲瀝液，及時加熱冰凍垃圾。這種方式具有換熱效率高，同時減少滲瀝液處理流程，對解凍垃圾有一定的效果。

1.2 進倉后提高環(huán)境溫度及增加垃圾儲存時間

寒冷地區(qū)的冬季垃圾卸料平臺取暖設計溫度為5 ℃，室外環(huán)境溫度可達到-15 ℃以下。為了保證垃圾池負壓，垃圾焚燒廠的一次風從垃圾池吸風，由于室外環(huán)境溫度較低，必然導致較低溫度的冷風吸入垃圾卸料平臺和垃圾池，這不僅破壞了垃圾卸料平臺的取暖平衡，而且降低了垃圾池上部環(huán)境溫度，影響垃圾發(fā)酵。為了促進垃圾發(fā)酵，需要提高垃圾池上方環(huán)境溫度、增加垃圾池容量。

1.2.1 提高垃圾池上方環(huán)境溫度

垃圾池內(nèi)儲存的垃圾是焚燒廠主要惡臭污染源之一。防止惡臭的對策是抽取垃圾池內(nèi)的氣體作為焚燒爐助燃空氣，使惡臭物質(zhì)在高溫條件下分解，同時保持垃圾池內(nèi)處于負壓狀態(tài)。以黑龍江某市生活垃圾焚燒廠為例，為保證垃圾池負壓及焚燒爐穩(wěn)定燃燒，一次風風量需要86 000 Nm3/h，除去濕解處理車間30 000 Nm3/h溫度為140 ℃的臭氣，其余56 000 Nm3/h的風量均從外界環(huán)境取風。黑龍江某市1月均溫低至-25.7 ℃。通常一次風取風的路徑是外部環(huán)境風經(jīng)過垃圾卸料平臺、垃圾卸料門、垃圾池然后進入焚燒爐。由于卸料平臺的采暖設計溫度為5 ℃，風量為56 000 Nm3/h、溫度為-25.7 ℃的冷空氣的流入，使得垃圾卸料平臺及垃圾池內(nèi)的環(huán)境溫度降低，影響室內(nèi)取暖，導致冰凍垃圾無法融化、發(fā)酵，故改變一次風的取風路徑很有必要。

以黑龍江省某市生活垃圾焚燒廠為例，將一次風蒸汽空氣預熱器分為兩組，一組放置在卸車平臺上，另一組放置在焚燒廠房。放置在卸車平臺上的蒸汽空氣預熱器的作用是提前將一次風加熱到5 ℃，然后通過管道將暖風送到卸車平臺，再送入垃圾池內(nèi)。同時一次風機從垃圾池內(nèi)抽取加熱到5 ℃的氣體送入位于另一組焚燒廠房內(nèi)的一次風蒸汽空氣預熱器，氣體加熱到220 ℃后送入焚燒爐助燃。修改后的取風路徑不僅維持了卸料平臺取暖的平衡，同時也提高了垃圾池上方的環(huán)境溫度，對于垃圾的發(fā)酵有良好的促進作用。

1.2.2 增加垃圾池容量

生活垃圾比較復雜，是多種生活廢棄物的混合物，其含水率有季節(jié)波動性。在南方雨季及瓜果蔬菜類較多的地區(qū)，7～8月份垃圾的含水率偏高，冬季含水率偏低。但寒冷地區(qū)的冬季較長，冰雪量大，故寒冷地區(qū)冬季冰雪天氣的垃圾含水率也較高。在收集垃圾進入垃圾池儲存過程中，會進行倒料、存儲發(fā)酵5～7 d。在常溫下，垃圾會發(fā)酵，經(jīng)過一系列擠壓及生化反應，析出外在水分和內(nèi)在水分，析出水分量約15%，從而降低垃圾含水率，提高垃圾入爐熱值。而寒冷地區(qū)冬季垃圾由于需要解凍吸熱，常規(guī)5～7 d的垃圾池有效容積偏小，增加垃圾池容量很有必要。根據(jù)工程經(jīng)驗，減少垃圾卸料門的數(shù)量，用于存儲垃圾，能有效增加垃圾池的存儲容積。

2 垃圾預處理措施

為了加強換熱，達到垃圾發(fā)酵溫度，除了上述措施外，設計中還可考慮加入預處理措施，使冰凍垃圾破碎，粒徑變小，促進冰凍垃圾在短時間內(nèi)解凍融化，降低垃圾中的含水率，從而提高垃圾熱值，保證焚燒爐穩(wěn)定運行。垃圾預處理措施包括增設垃圾破碎預處理系統(tǒng)及增設垃圾濕解預處理系統(tǒng)。

2.1 增設垃圾破碎預處理系統(tǒng)

垃圾破碎預處理系統(tǒng)包括垃圾吊給料系統(tǒng)、垃圾輸送系統(tǒng)、液壓破碎系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)等。經(jīng)過皮帶或鏈板輸送至液壓破碎機后，冰凍垃圾被破碎，垃圾粒徑得到均化。最初，為保證流化狀態(tài)，流化床垃圾焚燒爐需加設預處理系統(tǒng)，而爐排爐為層狀燃燒，不需要加設預處理系統(tǒng)。但在寒冷地區(qū)，為促使冰凍垃圾盡快融化，考慮將此破碎預處理系統(tǒng)引入爐排爐。冰凍垃圾被破碎機破碎后，粒徑一般保持在200～250 mm，再通過在垃圾池堆放過程中勤倒料，增加重力擠壓等，使垃圾中的水分盡可能多析出，從而維持冬季爐排爐的穩(wěn)定燃燒。

黑龍江某市生活垃圾焚燒廠設置2條600 t/d的爐排爐焚燒線。未設破碎預處理系統(tǒng)之前，冬季需要添加輔助燃料才能達到煙氣在爐膛二次燃燒室不低于850 ℃的條件下滯留時間不小于2 s的要求，否則焚燒垃圾污染物達不到排放標準。增設2臺液壓破碎機后，垃圾粒徑為200～250 mm。經(jīng)過均化后，垃圾擠壓及融化速度加快，存放一段時間后滲瀝液析出量達到垃圾總量的8%(未均化前，滲瀝液析出量約近乎為零)，垃圾熱值得到了提高，可以在不添加輔助燃料的情況下保證穩(wěn)定燃燒。

2.2 增設垃圾濕解預處理系統(tǒng)

垃圾濕解預處理系統(tǒng)是一種對垃圾直接加熱的預處理系統(tǒng)，包括垃圾吊給料系統(tǒng)、濕解罐濕解預處理系統(tǒng)、液壓推料機系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)等。垃圾濕解預處理系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 垃圾濕解預處理系統(tǒng)工藝流程圖

濕解預處理系統(tǒng)的機理是利用具有一定壓力的蒸汽，將垃圾在濕解密封罐中進行穩(wěn)壓降解。它由濕解罐、進料快開門、排料閥、進汽閥、排汽閥、物位計及壓力表組成。其中，濕解罐為核心系統(tǒng)。

原始未進行任何處理的生活垃圾通過垃圾吊給料系統(tǒng)抓至濕解罐的料斗中，料斗設有自動計量裝置和料位計，上到一定量后，封閉濕解罐，開始向濕解罐通入0.8 MPa的飽和蒸汽，在蒸汽及催化劑共同作用下，進行90～120 min的高溫濕解。在此過程中完成對易腐有機垃圾(廚余、紙、草、樹葉)的降解、殺菌、脫水、減容等，使易降解的成分轉化為粉末、纖維、顆粒狀的穩(wěn)定腐殖質(zhì)，而難降解有機物(竹木、纖維織物、塑料、橡膠)和無機物不發(fā)生反應，垃圾中的結合水轉化為自由水。經(jīng)高溫濕解后進行帶壓排放，排放降壓過程對物料具有輸送、閃蒸干燥、膨化、混合、粉碎、分離的作用。噴放出的物料通過濕解罐底部的液壓推料機系統(tǒng)送至緩沖垃圾池。

經(jīng)過該系統(tǒng)處理后，垃圾被打散，粒徑被均化，水分含量降低，垃圾熱值也顯著提高。根據(jù)試驗研究[4]，濕解后，生活垃圾含水率由53.81%降至35%以下，垃圾熱值可提高約3 000 kJ/kg；且排放過程中，通過瞬間帶壓排料，垃圾個體組織因承受不住壓力瞬間變化所形成的膨化沖擊波而瞬間被破碎，垃圾粒徑得到均化。均化后的垃圾燃燒更容易。

鑒于寒冷地區(qū)冬季生活垃圾易凍結，幾乎無滲瀝液析出，導致垃圾熱值較低，從而影響爐膛穩(wěn)定燃燒，在寒冷地區(qū)生活垃圾焚燒廠引入垃圾濕解預處理工藝，將垃圾濕解預處理工藝與垃圾焚燒工藝相結合，利用濕解后的高熱值垃圾與未濕解垃圾進行混合發(fā)酵。混合發(fā)酵后，入爐垃圾熱值可達到爐膛設計熱值，焚燒爐內(nèi)不需要再添加任何輔助燃料就可以穩(wěn)定運行。垃圾濕解預處理系統(tǒng)與焚燒廠配套建設，既可以有效利用焚燒廠的蒸汽資源，又可以提高焚燒入爐垃圾熱值，降低污染物排放[4]，同時還可以利用焚燒廠的垃圾給料系統(tǒng)、垃圾池儲料系統(tǒng)、滲瀝液收集系統(tǒng)、垃圾池除臭系統(tǒng)等。

3 工程案例

以黑龍江省某市垃圾焚燒廠為例，設計規(guī)模2臺400 t/d爐排爐，增設了卸車平臺蒸汽加熱系統(tǒng)及垃圾濕解預處理系統(tǒng)。其中，垃圾濕解預處理系統(tǒng)與焚燒廠給料系統(tǒng)共用，需要的0.8 MPa飽和蒸汽為焚燒廠汽輪機一抽減壓后的抽汽，濕解系統(tǒng)降壓產(chǎn)生的臭氣經(jīng)過處理后進入垃圾池，同時垃圾池閃蒸汽被一次風機吸入焚燒爐中進行燃燒。

為保證焚燒爐冬季穩(wěn)定運行，開啟了卸車平臺蒸汽加熱系統(tǒng)及垃圾濕解預處理系統(tǒng)。設備運行時，一次風取風經(jīng)過卸車平臺蒸汽加熱系統(tǒng)后，卸料平臺溫度仍可以達到5 ℃以上，保證了卸料平臺的取暖平衡，同時經(jīng)過垃圾池的一次風溫度也在5 ℃以上，改善了垃圾上方的環(huán)境溫度。冰凍垃圾經(jīng)過濕解預處理系統(tǒng)處理后，被溶解打散，垃圾溫度升高到65 ℃以上，析出約17%的滲瀝液，相對于未經(jīng)過濕解預處理的垃圾，滲瀝液析出明顯增多。

垃圾濕解預處理系統(tǒng)處理量為垃圾總處理規(guī)模的50%，與未經(jīng)過濕解預處理的垃圾進行混合發(fā)酵，其熱值達到爐膛設計熱值，蒸發(fā)量可以滿負荷發(fā)出。

4 結束語

寒冷地區(qū)冬季環(huán)境溫度較低，生活垃圾中的水分易凍結，垃圾熱值低于5 000 kJ/kg，如果不投入輔助燃燒器，很難保證煙氣在二次燃燒室溫度850 ℃下滯留2 s，同時爐渣熱灼減率很難控制在5%以內(nèi)，需要采取措施去除冰凍垃圾水分，從而提高垃圾熱值。采取提高垃圾池上方環(huán)境溫度及增加濕解預處理系統(tǒng)措施后，不僅能保證垃圾卸料平臺采暖系統(tǒng)的平衡，同時也能快速解凍垃圾，提高垃圾熱值，保證冬季極寒情況下的穩(wěn)定燃燒。

此外，鑒于寒冷地區(qū)冰凍垃圾處理復雜，破解冰凍垃圾消耗能量較多，建議增加垃圾收運系統(tǒng)防凍結措施，通過縮短室外垃圾存放時間，在中轉站內(nèi)增設取暖設備，同時盡快將垃圾運出等措施，避免垃圾凍結。