利用水泥生產中余熱干燥生活垃圾的試驗研究*

孫　進，劉淑玲，王　琦，閔海華，靳俊平，丁西明，張　磊，陳運啟

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300071）

·固廢處理·

利用水泥生產中余熱干燥生活垃圾的試驗研究*

孫進，劉淑玲，王琦，閔海華，靳俊平，丁西明，張磊，陳運啟

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300071）

針對水泥生產中的余熱利用，采用自行設計的固定床試驗臺，對生活垃圾進行了干燥試驗研究。結果表明：塔內干燥過程可分為干燥段、過渡段和預熱段；通過1個周期的干燥，干燥段產品含水率為14.3%，過渡段的含水率為35.3%，而預熱段僅有少量失水；床層壓力損失隨料層變厚近似呈線性增加，最高可達1 370 Pa；冷凝水的COD和SS均較低，滿足GB 8978—1996污水綜合排放標準中的三級標準。

生活垃圾；干燥；固定床；水泥；余熱利用

生活垃圾水泥窯協同處置具有環境無害化、處置能力強等特點，不但可以節省新建處置設施的投資，還可以緩解社會固體廢物處理壓力和新建處置設施選址占地等問題［1-2］。為完善水泥窯協同處置的技術工藝和排放標準，我國六部委聯合印發了《關于開展水泥窯協同處置生活垃圾試點工作的通知》，重點提出在現有基礎上進一步研究生活垃圾替代燃料和原料（AFR）的技術，優化協同處置過程中生活垃圾的預處理。

現有水泥窯協同處置生活垃圾的干燥預處理技術多選取篦冷機的抽氣（280～350℃）作為熱源，減少了“有用能”的利用率，增加了系統的耗能［3-4］。此外，中溫干燥工藝的排氣溫度較高，不能滿足除臭工藝小于40℃的要求，必須進行冷卻處理，而且冷凝水也需要凈化，增加了系統的投資和運營成本［5］。

現有研究多在小型試驗臺下完成，缺乏針對水泥窯協同處置生活垃圾時與工程實際相關的研究成果［6-8］。本研究模擬余熱鍋爐排放的余熱（100℃左右）作為熱源，采用自行設計的固定床干燥系統，研究入窯垃圾的濕分遷移規律，并對固定床的最大壓力損失進行分析，為開發固定床低溫干燥設備及工藝提供基礎研究。

1　材料和方法

1.1實驗裝置

實驗裝置采用自行設計的固定床干燥系統，工藝流程如圖1所示。原生的生活垃圾由鏟車先送至生活垃圾接收系統①；然后經皮帶輸送至破碎分選系統②，通過打散、粗破碎及風選等工藝過程將輕物質塑料、紡織物、紙張等篩上物去除；剩余的篩下物作為進窯垃圾被送至干燥系統③。干燥熱源選用空氣模擬余熱鍋爐排氣，通過加熱系統④，將空氣加熱至指定溫度。為了檢驗工程應用中除臭工藝的要求，干燥系統③的排氣被送至空氣冷卻系統⑤，將排氣降低至40℃以下，冷凝水被收集并進行水質檢測。

圖1　實驗系統工藝流程

干燥塔采用立式多層組合布置，每層高1.5 m，箱體長、寬、高為0.8 m×0.8 m×1.0 m。布風板的風孔兒采用順列布置，風孔直徑為20 mm，節距為40 mm。為提高布風板的強度，在四周及中心布置20mm加強筋板，并與布風板一起焊接在干燥塔內壁。

1.2實驗材料

實驗材料取自天津市武清區某生活垃圾處置中心的原生垃圾，生活垃圾的物理組成如表1所示。干燥物料選用破碎分選機的篩下物作為入窯垃圾，其外貌類似于腐殖土。

表1　原生垃圾的物理組成%

1.3實驗方案及步驟

熱源參考水泥生產中余熱鍋爐的排氣，溫度設定為100℃。通過調節熱空氣出口流量控制閥，保證干燥箱體入口風速為0.1 m/s。

待干物料采用人工填裝的方法。為了保證試驗結果具有可比性，每個箱體都填裝320 kg，料層厚度約為0.6 m。

實驗首先對干燥熱負荷的分配進行標定，即箱體內物料不變考察含水率隨時間的變化規律。然后對干燥塔進行調試，試驗設計4 d為1個周期。每天將垃圾從第4格取出，第1至第3格依次送到后面料格，變為第2格、第3格和第4格，第1格加新鮮垃圾。干燥4 d后，原來第1格內的篩下物在第4格內已被干燥了1 d，并將其視為干燥的產品。

1.4分析與檢測方法

物料中的濕分采用濕基含水率定義［4］：

式中：mw和md分別為濕物料中濕分的質量和絕干的質量。

實驗采用的干燥箱型號為A201345。其主要技術指標：電源電壓220V；額定功率2.7 kW；溫度范圍室溫～300℃；溫度分辨率1℃；示值誤差±1℃。

依據CJ/T 313—2009生活垃圾采樣和分析方法的要求對篩下物采樣，然后送至干燥箱內加熱至恒重，10次抽樣檢測得到濕基含水率為45%～53%，平均濕基含水率為48%。

冷凝水檢測依據《水和廢水監測分析方法》第4版，委托中國市政工程華北設計研究總院有限公司給排水技術研究院進行檢測。

2　結果

2.1干燥熱負荷標定

圖2為干燥熱負荷分配的標定結果。

圖2　干燥熱負荷的分配

干燥1 d（24 h）之后，第4格箱體內篩下物的含水率顯著降低，由48%減少至31.6%；而第3格至第1格內物料的含水率降低較小，分別降低3.1%、1.1%和0.5%。繼續干燥至第2天（總計48 h），第4格箱體的含水率降低至4.5%，篩下物已經接近完全干燥；而從第3格開始篩下物的含水率的減少量雖較第1天時有所增加，但仍然與第4格的差距較大。

由試驗結果可知，箱體間的干燥熱負荷分配極不均衡，可將第4格箱體視為主要干燥段，而第3格至第1格內濕分的遷移較少。為了優化熱負荷的分配，考慮將前級物料依次送入后級，實現干燥熱負荷的合理分配。

2.2干燥特性試驗

圖3為隨時間延長篩下物的干燥曲線。實驗結果表明，4 d后干燥產品的含水率為14.3%。通過箱體間物料的輪換，第4格內篩下物的含水率逐漸降低，由第1天的31.6%逐漸降低至14.3%。第3格內的篩下物隨著干燥時間延長含水率同樣逐漸降低，由第1天的44.8%逐漸降低至35.3%。第1和第2格箱體內篩下物含水率變化較小，第2格內篩下物含水率最大減少1.9%，而第1格內篩下物最大減少0.6%。

圖3　篩下物含水率變化

根據上述實驗結果可知：干燥過程主要發生在第4格；第3格內篩下物含水率較2.1節減少了6.5%，可視為干燥過渡段；而第2格和第1格可視為干燥的預熱段。

表2為檢測篩下物含水率時所記錄的各箱格出口溫度。結果表明，隨時間延長第1格和第2格箱體出口溫度有小幅波動；第3格出口溫度呈現降低的趨勢；相反，第4格箱體出口溫度呈現升高的趨勢。第3格出口溫度在40℃左右，基本上滿足除臭工藝對溫度的要求。

表2　箱格出口的空氣溫度℃

表3為檢測篩下物含水率時所記錄的各箱格出口相對濕度。結果表明，隨箱格出口溫度降低，第1格和第2格出口相對濕度快速升高；第1格出口的相對濕度甚至接近于飽和。考慮工程應用中環保的要求，干燥排氣需進行除塵處理，以防止篩下物被攜帶而排入環境。由表3可知，尾氣的相對濕度最高可達95.6%，并且在除塵器中會繼續降溫，從而導致除塵器存在大量凝結水，對系統安全穩定運行帶來不利因素。由前述可知，第1格和第2格被視為干燥的預熱段，僅有少量水分蒸發；而且第3格出口溫度已滿足除臭工藝的要求；故可考慮重新設計干燥工藝，將4格干燥塔改為3格，提升排氣溫度從而保證除塵器的穩定運行。

表3　箱格出口的相對濕度%

2.3固定床壓力損失

圖4為干燥塔固定床層的壓力損失。對比干燥塔底部的壓力測點，第1格顯示的壓力值為全部4床層的壓力損失，為1 370 Pa；第4格顯示的壓力值為第4格床層的壓力損失，為315 Pa。隨固定床數目變多，系統壓力損失近似呈線性增加。

圖4　固定床的壓力損失

2.4冷凝水質檢測

表4為排氣冷凝水水質分析結果。干燥時段不同，選取水樣的COD和SS均有不同程度的波動，但是從表4可以看出，冷凝水的COD和SS均較低，COD平均值為339.23 mg/L，SS平均值為26.7 mg/L。該實驗結果表明，垃圾干燥時，從空氣中帶出的垃圾中的污染物質較少。由于冷凝水監測指標能夠滿足GB8978—1996污水綜合排放標準中的三級標準，因此可將冷凝水直接排至廠區附近的市政污水管網。

表4　原生垃圾的物理組成mg/L

3　結論

1）干燥過程可分為干燥段、過渡段和預熱段。

2）篩下物依次輪換使得干燥系統的熱負荷更加均衡，干燥產品的含水率14.3%。

3）固定床壓力損失隨床層變厚呈近線性增加。

4）考慮排氣濕分較高，工程上建議采用3層的塔式結構。

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［3］周圣慶，王占磊，陳竹，等.深度脫水低溫干化焚燒發電的污泥處置工藝可行性研究［J］.環境衛生工程，2014，22（3）：61-63，66.

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［5］凌永生，金宜英，王雷，等.蘇州市生活垃圾焚燒飛灰水泥窯煅燒資源化示范工程［J］.環境工程，2008，26（S1）：220-223．

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Experimental Study on Drying Municipal Solid Waste by Waste Heat from Cement Production

Sun Jin，Liu Shuling，Wang Qi，Min Haihua，Jin Junping，Ding Ximing，Zhang Lei，Chen Yunqi
（North China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300071）

Aiming at the waste heat in cement production，the municipal solid waste（MSW）was conducted drying experiment in a self-designed fixed bed dying tower.The resultsshowed that the drying processin the tower can be divided into drying section，transition section and preheating section.Through one cycle of drying，the moisture content of the drying section was 14.3%，the transition section was 35.3%，while the preheating section had only a small amount of water loss.The bed pressure loss increased linearly with the increase of the thickness of the material layer，and the maximum was 1 370 Pa.The COD and SS of condensate water were low，and met the third grade standard of Integrated Wastewater Discharge Standard（GB 8978—1996）.

MSW；drying；fixed bed；cement；waste heat utilization

X799.3

A

1005-8206（2016）03-0006-04

孫進（1976—），博士，主要從事固體廢物處置的研究和設計工作。

E-mail：13261791176@163.com。

中國建筑設計研究院（集團）2015年科技計劃（SANY-03-2015）

2015-12-19