城市生活垃圾堆肥剩余物的燃燒特性及其焚燒處理
1 前言
西方發(fā)達國家由于城市生活垃圾回收采用分類收集法，所以垃圾堆肥剩余物已無回收利用價值，通常采用衛(wèi)生填埋方式處理。而我國目前的生活垃圾沒有分類收集，所以堆肥剩余物有其特殊性，主要表現(xiàn)為剩余物熱值較高，達到甚至超過國外目前生活垃圾的發(fā)熱值，而且比較均質，可以作為燃料使用。因此，對這些剩余物進行焚燒處理有利于熱能的回收。本文探討生活垃圾堆肥廠產(chǎn)生的堆肥剩余物的燃燒特性以及在流化床中焚燒處理的工業(yè)應用。
2 生活垃圾堆肥剩余物的工業(yè)分析及元素分析
垃圾堆肥處理廠產(chǎn)生的堆肥剩余物，經(jīng)過風力和人工將大塊物件如泡沫、竹筐、大塊塑料、金屬以及可回收利用的塑料袋(方便面袋)等分揀后，剩下的主要由尺寸較小的廢舊塑料、細木頭片、破布頭及泥土狀物質組成，約占垃圾總量的10%～20%。其特點是發(fā)熱值較高，與國外的垃圾熱值相當，適于焚燒處理。
為了保證取樣具有代表性，從供焚燒處理的該種垃圾堆肥剩余物堆中不同部位取回樣品，在空氣中干燥后，手工分選結果如表1所示，其工業(yè)分析和元素分析見表2。
表1垃圾堆肥剩余物的組成成分% |
表2垃圾堆肥剩余物的工業(yè)分析和元素分析(空氣干燥基) |
從表2可以看出，垃圾堆肥剩余物的空氣干燥基熱值達到14650kJ/kg，這種垃圾具有熱能回收利用價值，焚燒時無需輔助燃料，質地相對均勻，可以作為燃料使用。
3 垃圾堆肥剩余物的燃燒特性
3.1實驗樣品的制備
將實驗原料在空氣中自然干燥后，對泡沫、塑料等非脆性材料進行切碎至2mm以下，其它成分粉碎至1mm以下，然后按各組分的比例，充分混合，由于混合試樣比較蓬松，體積較大，必需壓實后才能放入坩鍋內(nèi)，試樣的質量為11.54mg。
3.2熱重分析實驗儀器及實驗參數(shù)描述
實驗采用日本理學熱分析儀TAS100高溫微分差熱天平進行。實驗時將準備分析的試樣放在坩鍋內(nèi)，通以空氣，使試樣在空氣氛圍中連續(xù)升溫，記錄試樣在升溫過程中TG(熱重，即重量隨溫度的變化)、DTG(熱重的微分即失重速率)及DTA(差熱分析即吸熱或放熱變化規(guī)律)隨溫度的變化曲線，如圖1所示。實驗條件為：升溫速率2000/min；空氣流量20ml/min；最高加熱溫度900℃。
3.3實驗結果與分析
圖1為垃圾堆肥剩余物的TG、DTG及DTA曲線。TG曲線失重分為三個階段，第一段244℃以前為水分蒸發(fā)和少量揮發(fā)分析出段，其中130℃時水分析出達到峰值，DTA曲線上表現(xiàn)為吸熱段。溫度高于244℃，第二失重段開始，DTG在320℃達到極值，表明揮發(fā)分在此溫度下強烈燃燒，溫度升至380℃失重相對緩慢。溫度大于244℃時DTA曲線表現(xiàn)為放熱，328℃時出現(xiàn)極值，它對應于DTG曲線320℃，說明在此溫度下燃燒最劇烈，放熱量最多。溫度高于420℃第三段失重開始，DTG曲線在428℃出現(xiàn)極值，對應于DTA曲線為450℃，說明是固定碳燃燒所致，此后仍緩慢失重直至750℃左右，說明仍有殘?zhí)荚诰徛紵艧帷?
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圖1垃圾堆肥剩余物的燃燒的熱重分析
4堆肥剩余物在流化床中的焚燒處理應用實例
4.1焚燒爐結構及基本參數(shù)
在上述研究基礎上，我們?yōu)槟抄h(huán)保集團設計了流化床垃圾焚燒爐，日處理垃圾堆肥剩余物70t/d，焚燒產(chǎn)生的熱量用于4萬m2垃圾堆肥處理廠房供暖及垃圾高溫發(fā)酵用熱。該焚燒系統(tǒng)為垃圾焚燒與余熱鍋爐一體化裝置。垃圾首先被送入流化床密相區(qū)燃燒，由于垃圾的比重較輕，容易被煙氣攜帶出爐膛而導致燃燒不完全，并且垃圾堆肥剩余物中細灰較多不能形成床料，而能夠形成床料的又是一些粒徑較大的顆粒如石子、瓦礫碎片，從而容易導致流化不良，為了保證垃圾與床料混合均勻，需定期向爐內(nèi)添加流化床底料來維持床料高度。由于垃圾的揮發(fā)分高，入爐后產(chǎn)生大量的可燃氣體，需及時補充燃燒所需的空氣，所以在密相區(qū)上方送入旋轉二次風，促進可燃成分與二次空氣的混合，延長燃燒所需的停留時間。稀相區(qū)出口進入旋風燃盡室，可燃氣體在此進一步燃盡。設計參數(shù)為：密相區(qū)燃燒溫度為900℃，稀相區(qū)出口850℃，旋風燃盡室出口不低于800℃，煙氣從密相區(qū)到旋風燃盡室出口之間的停留時間大于2s，從而滿足國家環(huán)保標準GB18485-2001《生活垃圾焚燒污染控制標準》要求的爐膛出口溫度不低于850℃，停留時間大于2s的要求。余熱鍋爐的設計參數(shù)為：表壓0.7MPa，飽和溫度170℃，蒸汽流量7t/h，垃圾低位熱值不低于10467kJ/kg(2500kcal/kg)。為了防止尾部受熱面HCl的低溫腐蝕，旋風燃盡室出口的對流煙道僅布置蒸發(fā)受熱面，保證管壁溫度大于HCl露點溫度120℃，不布置省煤器和空氣預熱器，排煙溫度為250℃左右。
4.2焚燒效果
該流化床焚燒爐于2000年11月投入正常運行，實踐表明，在不加任何輔助燃料條件下，額定負荷下爐膛出口溫度可控制在850℃以上。表3給出了不同負荷下焚燒爐各處溫度。可見，該焚燒爐燃燒狀況良好。
表3不同負荷下焚燒爐各處溫度℃
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4.3污染物排放及其控制
采用英國蘭德(LAND)公司生產(chǎn)的Land Series II型煙氣分析儀，對NOx、SO2原始排放濃度進行測定。HCl采用0.1N的NaOH溶液吸收，采用AgNO3容量法測定。當爐膛出口溫度為805～891℃時，NOx原始排放濃度為116～162mg/m3，SO2原始排放濃度平均值為112～164mg/m3，HCl排放濃度為365～467mg/m3(上述數(shù)據(jù)均折算到煙氣中O2=11%)。
為了控制污染物的排放，設計時采用文丘里+噴淋塔+兩級湍球塔煙氣凈化組合工藝對尾氣洗滌凈化，目的是為了控制顆粒物、HCl、SO2等酸性氣體的排放。在額定負荷下，燃用設計燃料時，凈化后的煙氣經(jīng)黑龍江省環(huán)境監(jiān)測站測定，結果如表4所示。
表4污染物實測結果mg/m3
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注：ND表示未檢出，所有結果均以標準狀態(tài)下含11%O2的干煙氣為參考值換算。
可見除含塵濃度外，其余各項都達到了國家環(huán)保標準。尤其是重金屬汞、鎘都檢不出，這主要得益于垃圾分選工藝，使得垃圾在焚燒之前，已將廢舊電池等重金屬污染物清除。由于省環(huán)境監(jiān)測站沒有二惡英檢測設備，所以，沒有二惡英檢測結果。
鑒于當時對垃圾焚燒尾氣凈化工藝認識的不足，導致排塵濃度不達標，應當采用半干法+噴活性炭+布袋除塵器組合工藝來解決。
4.4焚燒方式的探討
垃圾焚燒發(fā)展的障礙是二惡英的排放，本文控制二惡英的措施主要是控制爐內(nèi)溫度大于850℃，采用旋轉二次風增加爐內(nèi)混合強度以及停留時間大于2s即所謂的“3T”，對二惡英在爐內(nèi)的生成起到較好的控制作用，但是現(xiàn)在看來還遠遠不夠，因為，二惡英在尾部200～500℃溫區(qū)內(nèi)在Cu2+的催化作用下會再度合成。采用半干法+噴活性炭+布袋除塵器組合工藝，雖然布袋除塵器后的二惡英排放濃度遠低于1.0TEQng/m3，通？蛇_到0.1TEQng/m3，但布袋捕集灰中的二惡英可達798～7530TEQng/kg，而飛灰的處置費用很高，目前上海垃圾焚燒飛灰的處置費為960元/t，從這種意義講對于垃圾堆肥剩余物的焚燒處理由于其熱值達到國外垃圾熱值水平，采用爐排爐比較可行，因為爐排爐的飛灰量占垃圾總量的3%～5%，而流化床的飛灰量占10%～15%，從處理成本來看，采用爐排爐比較經(jīng)濟。這一點北京順義垃圾綜合處理廠做得很好，該廠將垃圾通過人工分揀，將玻璃、金屬等不燃物、大塊塑料紙張等可回收物以及電池等污染物分揀出，可燃垃圾經(jīng)發(fā)酵脫水后，熱值達到12560kJ/kg(3000kcal/kg)以上通過液壓推進裝置送入國產(chǎn)爐排爐內(nèi)燃燒，焚燒爐為絕熱爐膛，爐膛出口溫度達到1100℃，CO濃度幾乎為零，對控制二惡英十分有利。垃圾在爐排上燃燒非常充分，灰渣灼減率只有3%以內(nèi)。為了減少飛灰量，該廠在垃圾入爐前進一步過篩，篩去垃圾中灰土，這樣既提高垃圾熱值又減少布袋除塵器飛灰捕集量，值得垃圾堆肥廠剩余垃圾焚燒處理借鑒。
5 結論
(1)垃圾堆肥廠產(chǎn)生的堆肥剩余物熱值高，具有熱能回收利用價值。
(2)堆肥剩余物的熱天平燃燒特性分析結果表明，空氣干燥基下垃圾中的揮發(fā)分在240℃左右著火燃燒，在320℃左右劇烈燃燒，焦炭在420～450℃左右開始強烈燃燒，燃盡溫度達750℃左右。
(3)工業(yè)應用結果表明，堆肥剩余物能夠在流化床焚燒爐中穩(wěn)定燃燒。尾氣經(jīng)多級洗滌凈化后，主要污染物如NOx、SO2、HCl、CO及重金屬等的排放濃度達到國家環(huán)保標準。但是考慮飛灰處置費用高，建議采用爐排爐處理，以降低飛灰處置成本。
參考文獻略
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