生活垃圾熱解氣化燃燒試驗研究

劉全美，常加富，張兆玲，徐鵬舉，于杰，董磊(山東百川同創(chuàng)能源有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

2019年全國生活垃圾清運量24 206.2萬噸，較2018年增長6.16%[1]。目前，生活垃圾主要有衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥等無害化處理方式。填埋占用有限的土地資源，并且未使垃圾真正減量，對于日益增長的生活垃圾需要巨大的填埋場地，致使多地新建填埋場選址困難甚至無地可填。2019年我國城市生活垃圾無害化處理量24 012.8萬噸，其中焚燒量達12 174.2萬噸，焚燒處理占全部無害化處理比例超過50%，其中大中型集中式直燃焚燒發(fā)電與中小型分布式熱解氣化焚燒是生活垃圾無害化減量化處理的主要方式。

對于人口較少的縣域城鎮(zhèn)地區(qū)或丘陵山區(qū)，生活垃圾產生量較少，如果建設集中焚燒發(fā)電項目投資成本較高，且需要垃圾原料長距離運輸，目前主要采用熱解氣化工藝減量化處理生活垃圾。然而，在當前尚未大規(guī)模實施分類收集、處置或分類比較粗放的背景下，收集清運的生活垃圾成分復雜、含水率波動范圍大，并且為控制投資一般不在熱解氣化處置前設置獨立的垃圾干燥處理環(huán)節(jié)。現有的中小型分布式生活垃圾熱解氣化焚燒系統(tǒng)多采用固定床式的燜燒工藝，且煙氣凈化處理工藝簡陋，造成垃圾處理量有限，不能連續(xù)穩(wěn)定運行，二燃室溫度、灰渣熱灼減率及煙氣排放等指標難以達到生活垃圾焚燒處理技術規(guī)范要求。

基于一種垃圾熱解氣化焚燒系統(tǒng)及工藝(202010737281.4)專利技術[2]，建立熱解氣化燃燒平臺，以城鎮(zhèn)生活垃圾為原料進行減量化試驗研究，供中小型生活垃圾的無害化焚燒處理工程應用參考。

1 試驗設計

1.1 試驗原料

生活垃圾原料取自山東省某城鎮(zhèn)垃圾轉運站，先經簡易篩分去除大體積的磚瓦土塊等不燃部分，后將其余原料粉碎至粒徑≤10 cm備用。

參考CJ/T 313—2009對垃圾中的主要組分進行物理分析，由表1中的分析數據可知，生活垃圾原料中含量較高的有橡塑類、紡織類和不可燃類，3類成分的比例均在22%～26%。因生活習慣與生活環(huán)境的差異，與城市生活垃圾相比，城鎮(zhèn)生活垃圾中的廚余類與紙類含量較少，而廢舊衣物紡織類與磚瓦陶瓷灰土等不可燃類含量明顯偏高。

表1 原料物理組成分析 單位：%

表2為對垃圾原料工業(yè)分析與元素分析的測試數據，因經過初步分選，原料中的灰分含量較低，但較高的水分含量對垃圾熱值的影響較大。

1.2 試驗裝置

試驗工藝流程如圖1所示，系統(tǒng)主要包括進料機構、垃圾熱解氣化焚燒爐、換熱器、煙氣凈化裝置、點火燃燒器及輔助燃燒器。垃圾熱解氣化焚燒爐包括一體成型的干燥段、熱解段、氣化段、灰渣燃盡段與二次燃燒段，其中干燥段、熱解段與氣化段依次相接，且底部為連續(xù)向下傾斜的通道通至灰渣燃盡區(qū)，且傾斜程度逐級增大，并設置由相間布置的活動爐排片與固定爐排片組成機械式往復爐排，以便于帶動固體灰渣向爐體下游運動；二次燃燒段位于灰渣燃盡段的上部，且在其內部設置折流與擾流裝置，用于熱解氣化氣體及灰渣灼燒煙氣的二次燃燒，保證氣體組分的均勻混合并具備較充足的反應時間。點火燃燒器火焰口設于焚燒爐干燥段垃圾原料入口處，用于點火起爐時整體預熱爐膛溫度；輔助燃燒器火焰口設于熱解氣化氣體及灰渣灼燒煙氣進入二次燃燒段的入口處，起爐及停爐階段或運行不穩(wěn)定時需要開啟輔助燃燒器，保持二次燃燒段溫度達標與燃燒穩(wěn)定。

圖1 試驗平臺工藝流程示意圖

原料在焚燒爐內相應腔室內依次經過干燥、熱解、氣化、灰渣灼燒和氣體二次燃燒過程，灰渣由排渣口排出，煙氣經換熱器換熱后進入凈化系統(tǒng)凈化后排放。為了應對垃圾原料中水分含量較高的問題，在焚燒爐干燥區(qū)頂部設置開孔的管道并負壓抽取爐內干化蒸發(fā)的水分，經干化廢氣出口排至冷凝器，去除水分的廢氣作為部分空氣源經換熱器預熱后供給焚燒爐助燃，避免廢氣可能造成的二次污染。

2 試驗結果

2.1 運行溫度

試驗平臺設計處理量500 kg/h，起爐時首先開啟點火燃燒器與輔助燃燒器，待爐溫達到預定溫度后將初步分揀與粉碎預處理的垃圾原料通過進料系統(tǒng)供給熱解氣化焚燒爐，逐漸增大垃圾進料量達到額定值，并逐步調小燃燒器輸出功率直至完全關閉。溫度監(jiān)測點T1、T2位置分別對應于焚燒爐熱解與氣化反應區(qū)，T3、T4分別位于焚燒爐氣體二次燃燒反應區(qū)的入口與出口。以垃圾原料開始入爐為始點，焚燒爐各測點的溫度數據如圖2所示。

圖2 運行溫度曲線

垃圾入爐后，隨著進料量的增多與輔助燃燒器輸出功率的調小，焚燒爐運行溫度略有下降，約2 h后進料量達到設計額定值并完全關閉燃燒器停止額外熱量的補充，此時焚燒爐基本達到正常工作狀態(tài)并可保持連續(xù)穩(wěn)定運行。由溫度變化曲線可以看出，由于垃圾原料的繁雜多樣性，焚燒爐運行溫度會有一定程度的變化，但各測點溫度的波動區(qū)間基本在50 ℃范圍內，整體處于穩(wěn)定可控狀態(tài)，熱解與氣化反應區(qū)運行溫度分別是約450 ℃、620 ℃，而氣體二次燃燒區(qū)的運行溫度則處于較高的870～940 ℃之間，符合垃圾焚燒相關標準規(guī)范二燃室850 ℃以上的溫度要求，且正常工作狀態(tài)下無需補充外部熱源，具有良好的經濟性。

利用高溫煙氣換取的熱空氣作為干化介質與助燃配風，提供蒸發(fā)垃圾中水分所需的熱量，并為垃圾熱解氣化與燃燒補充部分熱源，實現了垃圾燃燒熱量的直接回收利用，提高了熱量利用效率，并且可以保證足夠的干燥風穿透垃圾料層攜帶出蒸發(fā)的水分，保證后續(xù)的熱解氣化及二次燃燒反應的穩(wěn)定均勻，避免了因局部原料水分過大可能出現的反應熄火或者需要提供額外燃料的問題，提高了對高含水率垃圾物料處置的適應性。

2.2 煙氣測試

以垃圾原料開始入爐為始點，在煙氣凈化系統(tǒng)前的煙道測試取樣點檢測煙氣主要組分，重點關注反應焚燒爐過量空氣系數和對煙氣凈化工藝影響較大的煙氣組分，包括氧氣、一氧化碳與氮氧化物，其變化曲線如圖3所示。

圖3 煙氣主要組分測試曲線

由圖3煙氣檢測結果可知，垃圾入爐起始階段，由于輔助燃燒機的運行提供了溫度保障，為保證垃圾原料的充分分解燃燒，焚燒爐過量空氣系數較大，煙氣中的O2濃度達到13%以上。隨著焚燒爐進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，O2濃度逐漸趨于穩(wěn)定，雖然運行中為保證焚燒爐的正常工作對于配風量進行了微調，但O2濃度基本可以保持在9%～10%。從圖3中還可以看出，正常工作狀態(tài)下，焚燒爐煙氣中的CO可以保持在20 mg/m3以下，NOx穩(wěn)定在約200 mg/m3的較低水平，表明不需凈化處理煙氣中的CO、NOx指標即可滿足排放限值，熱解氣化與燃燒均在低氧控氧的環(huán)境中運行，在溫度上也保證了氮氧化物、一氧化碳甚至重金屬及二噁英污染物的低生成率，驗證了采用“熱解氣化+燃燒”工藝焚燒處理生活垃圾具有顯著的環(huán)保性。

2.3 焚燒爐渣熱灼減率

根據GB 18485—2014中要求的檢測方法并參考HJ/T 20—1998，對焚燒爐穩(wěn)定運行階段排出的爐渣進行取樣測試熱灼減率。平行取樣5組測試的焚燒爐渣熱灼減率結果分別是1.23%、1.18%、0.92%、1.56%、1.27%。假設熱灼減率以1.5%估算，垃圾經過熱解氣化燃燒工藝處理后，除無機灰分成分之外的質量減少率為：

由焚燒爐渣熱灼減率測試計算數據可知，垃圾熱解氣化燃燒工藝完全可以滿足焚燒爐渣熱灼減率≤5%的標準規(guī)范要求，且對于垃圾原料中除無機灰分成分外的質量減少率達99.69%，表明垃圾原料在焚燒爐內經過干燥、熱解氣化、灰渣灼燒及氣體二次燃燒，有機質已基本燃盡，可實現生活垃圾固體廢棄物的最大程度減量化。

生活垃圾在爐內熱解氣化與燃燒分步進行并相互耦合，可實現對垃圾物料的擾動，使得反應充分均勻，促使固體可燃物在排渣前完全燃燒，實現垃圾原料的最大減量化。

3 結語

以中小型城鎮(zhèn)生活垃圾快速無害化減量處置為背景，采用集“干化+熱解氣化+灰渣灼燒+氣體二次燃燒”為一體的工藝裝置進行試驗研究，驗證了技術工藝的可行性及經濟與環(huán)保特性，為城鎮(zhèn)生活垃圾的即時無害化減量處置提供了新途徑。