城市生活垃圾燃燒過程的探討*

古祝平，高麗紅，陳 穎

（1．廣西華藍設計（集團） 有限公司，廣西 南寧 530011；2．廣西大學環境學院，廣西 南寧 530004）

城市生活垃圾燃燒過程的探討*

古祝平1，高麗紅2，陳 穎2

（1．廣西華藍設計（集團） 有限公司，廣西 南寧 530011；2．廣西大學環境學院，廣西 南寧 530004）

利用TGA-601熱天平對廣西某縣未經分選的城市生活垃圾燃燒過程可燃組分進行了工業分析，探討了廚余、纖維、紙張、塑料、橡膠等可燃組分在垃圾焚燒水分蒸發、揮發分析出及固定炭燃燒和灰化階段垃圾性質的變化結果表明：該地區的生活垃圾焚燒過程具有水分蒸發量大、揮發物析出劇烈、固定炭燃燒過程緩慢等特點。

生活垃圾焚燒；燃燒階段；可燃組分

廣西壯族自治區西南部某縣，地處溶巖地帶，且土地性質為基本農田較多，縣城附近無法找到適合于進行垃圾衛生填埋的場地，垃圾只能作焚燒處理［1］。

焚燒法對可燃垃圾的處理能同時實現減量化、無害化和資源化，適合于經濟實力強，垃圾可燃成分高，用地緊張的城鎮和地區［1-2］。但垃圾焚燒法基建投資高、運行技術要求及運行成本高，對垃圾成分有嚴格要求。而對于高水分、低熱值的城市生活垃圾，掌握其焚燒機理非常困難。筆者將垃圾焚燒過程分為幾個階段，利用TGA-601熱天平對該縣未經分選的城市生活垃圾燃燒過程可燃組分進行了測定，并分析了其測定結果，以便為該縣的垃圾焚燒工藝提供一定的基礎數據。

1 生活垃圾的分類

城市生活垃圾按其組成成分大致可分為廚余、紙張、塑料、纖維、橡膠、玻璃、磚石、金屬、灰土及其他，其中前5類屬于可燃垃圾，是垃圾焚燒的主要作用對象。隨著自然條件和社會條件的變化，生活垃圾的物理成分也將有相應的改變。影響城市生活垃圾成分變化的因素很多，如人口結構、人民生活水平、居民生活習慣、城市燃料結構、氣候條件、地理環境等。隨著人民生活水平的提高，燃料電氣化的普及，商貿旅游業的高速發展，垃圾成分構成將發生較大的變化。其中廚余、塑料、纖維、金屬、玻璃等可腐有機物可燃物、可回收物含量逐年上升，而灰土、陶瓷磚瓦等無機物相對逐年減少，并逐步趨向穩定［3］圖1為2007—2011年廣西某縣人口和生活垃圾總產生量的變化趨勢，由圖1可知，該縣城的人口逐年呈直線增長，垃圾產生量也在不斷增加。

圖1 2007—2011年廣西某縣城人口和垃圾產生量

表1為某縣城生活垃圾中可燃組分的部分參數。濕基組分含量和含水率由天平稱出，樣品干基高位熱值由氧彈量熱計測出。總含水率、干基組分含量、混合樣品干基高位熱值、混合樣品濕基高位熱值、混合樣品濕基低位熱值均由公式計算得出［4］。5種可燃垃圾組分中，廚余垃圾所占的比例最多，為59%左右；其他組分的含量均在15%以下廚余垃圾的熱值最低，濕基高位熱值為12 120．kJ/kg；塑料的高位熱值最高，為29 099．8 kJ/kg垃圾總含水率為43.85%，混合樣品濕基低位熱值為2 632.1 kJ/kg，濕基高位熱值為3 702.1 kJ/kg，干基高位熱值為6 593.3 kJ/kg。垃圾的成分的綜合低位熱值小于垃圾焚燒要求的低位熱值3 350 kJ/kg，故在采用垃圾焚燒工藝時，需加入燃料助燃。

表1 某縣生活垃圾可燃組分參數

2 垃圾焚燒過程各階段的劃分

一般而言，生活垃圾的燃燒過程如下：固體表面的水分蒸發、固體內部的水分蒸發、固體中的揮發性成分著火燃燒、固體碳素的表面燃燒、完成燃燒。前2步為干燥過程；后3步為燃燒過程。垃圾的燃燒過程本質上是由熱分解、熔融、蒸發和化學反應等傳熱和傳質過程共同作用的綜合反應。從生活垃圾實際燃燒過程及固體燃料燃燒理論角度分析，可將垃圾燃燒過程定性劃分為水分蒸發階段、揮發物析出階段、固定炭燃燒與灰化階段。生活垃圾吸取熱量、溫度升高、失去外部和內部水分、熱解、析出可燃成分、著火、燃燒、放出熱量、直到燃盡冷卻。伴隨著這一系列過程的交替進行，垃圾的體積和質量都不斷減少，直到剩余殘留灰渣。圖2為某縣垃圾樣品中可燃組分的工業分析，包括5種可燃組分中水分、固定炭、揮發分和灰分的比例。不同類型的垃圾，幾種物質的含量比例大不相同。總的來說，幾種組分中水分和揮發分的含量較高，固定炭和灰分的含量相對較低。

圖2 某縣生活垃圾樣品可燃組分的工業分析

3 垃圾在焚燒各階段的變化

3.1 水分蒸發階段

水分蒸發階段即垃圾的干燥，是利用熱能使水分汽化，并排出水蒸氣的過程。城市生活垃圾的含水率較高，故干燥過程中需要吸收很多的熱能。生活垃圾的含水率越大，干燥過程所需的熱能就越多，所用的時間也越長，導致垃圾焚燒爐內的溫度下降也就越快，對生活垃圾焚燒的影響也就越大。圖3為水分蒸發階段垃圾各組分參數曲線。

圖3 水分蒸發階段垃圾中各組分參數

由圖3可見，在平衡蒸發階段，蒸發速率從大到小排列為橡膠、紙張、塑料、廚余、纖維平衡蒸發時間由小到大為橡膠、塑料、纖維、紙張、廚余。纖維蒸發速率小的原因可能是其含水率低。而就總蒸發過程來說，塑料是最容易蒸發的，也是蒸發速率最快的；廚余垃圾的含水率最高，蒸發時間最長。

為了提高水分蒸發效率，縮短蒸發時間，提高垃圾熱值，可以適當延長垃圾在焚燒前的堆放時間，或者將廚余垃圾分類，先經過堆肥處理后投入垃圾焚燒爐。

3.2 揮發分析出階段

揮發分析出階段是垃圾中的氣相可燃成分不斷析出，伴隨著失重過程。如圖4所示，廚余紙張揮發分析出的初始溫度較低，均在270℃以下；對比之下，纖維、橡膠和塑料揮發分析出的初始溫度要高很多，都在330℃以上，其中橡膠需要的溫度最高。揮發分析出過程各組分峰值速度從高到低排列分別為廚余、紙張、纖維、橡膠和塑料；對應的快速揮發時段呈不斷下降趨勢廚余最高21．4 min，塑料最低12．6 min，約為前者的59%。

圖4 揮發物析出階段各組分參數

圖5 固定炭燃盡階段各組分參數

3.3 固定炭燃燒和灰化階段

圖5所示為固定炭燃燒和灰化階段。垃圾經過該階段的燃燒最后生成灰渣，完成焚燒過程。如圖5所示，橡膠和塑料并沒有明顯的燃盡峰，即該類垃圾中的固定炭還未構成明顯的燃盡過程就已經被燒盡；而廚余垃圾中的固定炭最難燃盡，歷時最長，速率最慢；紙張和纖維次之。

該結果表明了城市生活垃圾中固定炭的含量較低，固定炭的燃燒過程并不劇烈，釋放的能量也較少，該過程在垃圾焚燒中并不占主導地位。在垃圾焚燒工藝中，不應試圖從該階段汲取過多的熱量。

4 結論

1） 某縣生活垃圾的低位熱值為2 632．1 kJ/kg，故采用垃圾焚燒工藝時，需加入燃料助燃。

2）幾種可燃垃圾組分中，水分和揮發分的含量較高，固定炭和灰分的含量相對較低。而燃燒過程，水分蒸發量大，揮發物析出劇烈，固定炭燃燒過程緩慢不明顯。

3）揮發分析出的初始溫度由低到高分別為廚余、紙張、纖維、塑料、橡膠，塑料的揮發分析出過程最為激烈。

4） 廚余垃圾中的固定炭最難燃盡，歷時最長，速率最慢，橡膠和塑料中的固定炭還未構成明顯的燃盡過程就已經被燒盡。

5）橡膠的水分最容易蒸發，廚余的水分最難蒸發，蒸發速率最慢。為了提高水分蒸發效率，縮短蒸發時間，增加垃圾發熱值，可以適當延長垃圾在焚燒前的堆放時間，或者將廚余垃圾分類，先經過堆肥處理后再投入垃圾焚燒爐處理。

［1］ Chang Y H，Chen W C，Chang N B．Comparative Evaluation of RDF and MSW Incineration［J］．J Hazard Mater，1998，58 （1/3）：33-45．

［2］ Chimenos J M，Segarra M，Fernandez M A，et al．Characterization of the Bottom Ash in Municipal Solid Waste Incinerator［J］．J Hazard Mater，1999，64 （3）：211-222．

［3］ Liu Z Q，Liu Z H，Li X L．Status and Prospect of the Application of Municipal Solid Waste Incineration in China［J］．Appl Therm Eng，2006，26（11/12）：1193-1197．

［4］古吉群．垃圾發熱值的實用測定方法［J］．節能與環保，2006（12）：54．

Combustion Process of Municipal Domestic Waste

Gu Zhuping1，Gao Lihong2，Chen Ying2

（1．Guangxi Hualan Design and Consulting Group Co．Ltd，Nanning Guangxi530011；2．School of the Environment，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004）

TGA-601 thermobalance was used to analyze the combustion process of unsorted municipal domestic wast which was from a country in Guangxi．The property changes of combustible waste （kitchen waste，fiber，paper，plastic rubber，etc） were discussed during the stage of water evaporation，devolatilization，fixed charcoal burning and ashing．Th results showed that the domestic waste combustion process in the area has the following features,including large evaporatio capacity，severe devolatilization and slow fixed carbon burning process．

domestic waste incineration；combustion phase；combustible component

X705

A

1005-8206（2012）04-0015-03

廣西科技攻關基金項目（10142001）

2012-05-14

古祝平（1954—），工程師，主要從事環衛工程的概預算。

（責任編輯：張藝）