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(dá)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(jià)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(dá)到甚至超過國外目前生活垃圾的發(fā)熱值，而且比較均質(zhì)，可以作為燃料使用。因此，對(duì)這些剩余物進(jìn)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(yīng)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(fēng)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(xì)木頭片、破布頭及泥土狀物質(zhì)組成，約占垃圾總量的10%～20%。其特點(diǎn)是發(fā)熱值較高，與國外的垃圾熱值相當(dāng)，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(jié)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(dá)到14650kJ/kg，這種垃圾具有熱能回收利用價(jià)值，焚燒時(shí)無需輔助燃料，質(zhì)地相對(duì)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(shí)驗(yàn)樣品的制備
將實(shí)驗(yàn)原料在空氣中自然干燥后，對(duì)泡沫、塑料等非脆性材料進(jìn)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(shí)后才能放入坩鍋內(nèi)，試樣的質(zhì)量為11.54mg。
3.2熱重分析實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)參數(shù)描述
實(shí)驗(yàn)采用日本理學(xué)熱分析儀TAS100高溫微分差熱天平進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)將準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)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(shí)水分析出達(dá)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(dá)到極值，表明揮發(fā)分在此溫度下強(qiáng)烈燃燒，溫度升至380℃失重相對(duì)緩慢。溫度大于244℃時(shí)DTA曲線表現(xiàn)為放熱，328℃時(shí)出現(xiàn)極值，它對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(yīng)用實(shí)例
4.1焚燒爐結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)
在上述研究基礎(chǔ)上，我們?yōu)槟抄h(huán)保集團(tuán)設(shè)計(jì)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(dǎo)致燃燒不完全，并且垃圾堆肥剩余物中細(xì)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(dǎo)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?xì)怏w，需及時(shí)補(bǔ)充燃燒所需的空氣，所以在密相區(qū)上方送入旋轉(zhuǎn)二次風(fēng)，促進(jìn)可燃成分與二次空氣的混合，延長燃燒所需的停留時(shí)間。稀相區(qū)出口進(jìn)入旋風(fēng)燃盡室，可燃?xì)怏w在此進(jìn)一步燃盡。設(shè)計(jì)參數(shù)為：密相區(qū)燃燒溫度為900℃，稀相區(qū)出口850℃，旋風(fēng)燃盡室出口不低于800℃，煙氣從密相區(qū)到旋風(fēng)燃盡室出口之間的停留時(shí)間大于2s，從而滿足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB18485-2001《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》要求的爐膛出口溫度不低于850℃，停留時(shí)間大于2s的要求。余熱鍋爐的設(shè)計(jì)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(fēng)燃盡室出口的對(duì)流煙道僅布置蒸發(fā)受熱面，保證管壁溫度大于HCl露點(diǎn)溫度120℃，不布置省煤器和空氣預(yù)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(yùn)行，實(shí)踐表明，在不加任何輔助燃料條件下，額定負(fù)荷下爐膛出口溫度可控制在850℃以上。表3給出了不同負(fù)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(fù)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(duì)NOx、SO2原始排放濃度進(jìn)行測定。HCl采用0.1N的NaOH溶液吸收，采用AgNO3容量法測定。當(dāng)爐膛出口溫度為805～891℃時(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)采用文丘里+噴淋塔+兩級(jí)湍球塔煙氣凈化組合工藝對(duì)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(fù)荷下，燃用設(shè)計(jì)燃料時(shí)，凈化后的煙氣經(jīng)黑龍江省環(huán)境監(jiān)測站測定，結(jié)果如表4所示。
表4污染物實(shí)測結(jié)果mg/m3
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注：ND表示未檢出，所有結(jié)果均以標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)都達(dá)到了國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)備，所以，沒有二惡英檢測結(jié)果。
鑒于當(dāng)時(shí)對(duì)垃圾焚燒尾氣凈化工藝認(rèn)識(shí)的不足，導(dǎo)致排塵濃度不達(dá)標(biāo)，應(yīng)當(dāng)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(zhuǎn)二次風(fēng)增加爐內(nèi)混合強(qiáng)度以及停留時(shí)間大于2s即所謂的“3T”，對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)椋河⒃谖膊?00～500℃溫區(qū)內(nèi)在Cu2+的催化作用下會(huì)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(yuǎn)低于1.0TEQng/m3，通？蛇_(dá)到0.1TEQng/m3，但布袋捕集灰中的二惡英可達(dá)798～7530TEQng/kg，而飛灰的處置費(fèi)用很高，目前上海垃圾焚燒飛灰的處置費(fèi)為960元/t，從這種意義講對(duì)于垃圾堆肥剩余物的焚燒處理由于其熱值達(dá)到國外垃圾熱值水平，采用爐排爐比較可行，因?yàn)闋t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(jì)。這一點(diǎn)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(dá)到12560kJ/kg(3000kcal/kg)以上通過液壓推進(jìn)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(dá)到1100℃，CO濃度幾乎為零，對(duì)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(jìn)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(jié)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(jià)值。
(2)堆肥剩余物的熱天平燃燒特性分析結(jié)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(qiáng)烈燃燒，燃盡溫度達(dá)750℃左右。
(3)工業(yè)應(yīng)用結(jié)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(jí)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(dá)到國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。但是考慮飛灰處置費(fèi)用高，建議采用爐排爐處理，以降低飛灰處置成本。
參考文獻(xiàn)略
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