生活垃圾分類對垃圾焚燒的影響研究
——以仁懷市生活垃圾為例

馮華仲 任智超 趙寧波 鄭珊珊

(茅臺學院，貴州 仁懷 564507)

隨著我國經濟發展和人民生活水平不斷提高，城鄉生活垃圾產生量越來越多。仁懷市對生活垃圾實行無害化填埋處理，該法占地面積大，垃圾資源化利用程度低。2020年1月仁懷市建成生活垃圾焚燒發電廠(含兩條生產線)投入運行，生活垃圾無害化處理量快速增加，無害化處理率提高到98%，一條線年發電量8000萬kW·h，目前處理能力尚有富余。當前仁懷市正在推進生活垃圾分類工作，垃圾分類有利于提高其資源化利用率，提高垃圾焚燒發電效率，但垃圾分類造成垃圾組分變化，對垃圾焚燒造成較大影響。本文根據垃圾分類后的組分，計算垃圾熱值、焚燒溫度、煙氣量及酸性氣體，研究分析其影響，據此提出垃圾焚燒爐設備運行的調節改造策略，為工程應用提供參考。

1 仁懷市生活垃圾處理現狀

從仁懷市近3年生活垃圾統計數據看(見表1)，垃圾增長速度快，2020年達23.54萬噸，按仁懷市65.5萬人口計，人均日產生活垃圾1.0 kg。

仁懷市生活垃圾處理模式為“戶投放、村收集、鎮轉運、市處理”模式，收集方式主要是混合收集，然后集中運輸到處理場進行處置。仁懷市于2007年投入運行貴州省首個一級生活垃圾無害化填埋場，設計服務年限17年，日處理垃圾140噸、滲濾液70噸；這種填埋處理方法占地面積大，存在滲濾液處理問題，垃圾資源化利用程度低。生活垃圾是資源，應遵循“無害化、減量化、資源化”處理原則，生活垃圾焚燒發電技術很好地滿足該原則要求，我國大力推廣該焚燒發電技術。2020年1月仁懷市建成生活垃圾焚燒發電廠(含兩條生產線)投入運行，日處理規模1200噸，生活垃圾無害化處理量得到快速增加，垃圾無害化處理率提高到98%(見表1)，2020年一條生產線運行，年發電量8000kW·h。

表1 仁懷市生活垃圾數據統計表

仁懷市生活垃圾主要由居民生活、商場、學校、餐飲行業、旅游地區、酒廠等場所產生，組成成分有：餐廚類、塑料類、木竹類、紡織類、紙類、灰土類、金屬類、玻璃類、陶瓷磚石類等，垃圾物理組分百分含量(平均值)見表2。

表2 仁懷市生活垃圾物理組分百分含量(平均值)

從表2可知，餐廚類垃圾占比最高，達46.58%，而塑料類、木竹類、紡織類、紙類等可燃物垃圾合計占比43.77%。混合收集的原生垃圾(簡稱為混合垃圾)的成分復雜，含水量高(餐余類垃圾占比高)、熱值低，這導致垃圾焚燒工作穩定性較差，處理運行成本較高。因此，混合垃圾不利于垃圾資源化利用。

我國正在大力推行生活垃圾分類，提高垃圾資源化利用率，建設節約型社會。國家標準《生活垃圾分類標志》(GB/T 19095-2019)把生活垃圾分成四大類：可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾和其它垃圾。可回收垃圾是指可被二次利用的廢物，包含紙類、塑料類、金屬類、包裝物、紡織類、玻璃類等。仁懷市生活垃圾按國家標準分類，在可回收垃圾基礎上進行再分選，即把金屬類、玻璃等不可燃物分選出來，余下的就是紙類、塑料類、紡織類等可燃物，稱之為可燃垃圾。垃圾分類前的可燃垃圾總質量百分比為43.77%，分類后可燃垃圾中塑料類、紙類、木竹類和紡織類的相對質量百分含量(平均值)見表3。

表3 仁懷市生活垃圾分類后可燃垃圾質量百分含量(平均值)

從表2、表3可見，可燃垃圾含量由分類前43.77%提高到分類后100%，塑料類垃圾含量從22.8%提高到52.1%，其它成分也相應增加，這種成分變化將對垃圾焚燒性能造成影響。

2 垃圾分類前后的垃圾熱值對比分析

通過調研獲得仁懷市生活垃圾組分，采用物理組分計算法計算垃圾熱值[1]，每種物理組分的單位熱值的加權平均數為該垃圾的發熱量值，公式如下：

H=ΣHi×Gi/100

(1)

式中：H—垃圾的干基發熱量，kJ/kg；

Hi—垃圾各組分的干基發熱量，kJ/kg；

Gi—垃圾各組分的干基質量組成，%。

各組分高位干基發熱量見表4。

表4 生活垃圾各物理組分的單位熱值

(1)分類前的垃圾熱值

將生活垃圾分類前的物理組分數據(見表2)、各組分單位熱值數據(見表4)代入公式(1)，得到生活垃圾分類前的干基高位熱值為13 230 kJ/kg。

(2)分類后的垃圾熱值

將生活垃圾分類后的物理組分數據(見表3)、各組分單位熱值數據(見表4)代入公式(1)，得到生活垃圾分類后的干基高位熱值為24 770 kJ/kg。

(3)影響分析

垃圾分類前的干基高位熱值為13 230 kJ/kg，分類后的干基高位熱值為24 770 kJ/kg，二者對比分析，垃圾分類后熱值提高了87.2%。

3 垃圾分類對焚燒性能的影響

生活垃圾分類造成垃圾組分、熱值等物性參數變化，勢必影響垃圾焚燒的煙氣量及排氣成分、焚燒溫度和焚燒爐設備運行狀態。

3.1 煙氣量及排氣成分的影響

生活垃圾焚燒時，煙氣中主要成分為CO2和H2O，以及少量的酸性氣體(主要是HCl、SO2和NOx)。垃圾分類后成分變化會導致垃圾焚燒時產生的煙氣量和酸性氣體的變化。

(1)煙氣量的影響分析

根據垃圾熱值估算理論空氣量和煙氣量[2]：

V理空=1.01H/4200 +0.5

(2)

V煙=(λ-1)V理空+0.89H/4200+1.65

(3)

式中：V理空—理論空氣量，Nm3/kg；

V煙—實際煙氣量，Nm3/kg；

λ—過剩空氣系數，爐排焚燒爐一般取1.5～1.9，本文取1.7。

①垃圾分類前的煙氣量

垃圾分類前熱值H=13 230 kJ/kg，代入公式(2)、(3)，得到：

V理空=3.68 Nm3/kg

V煙=7.03 Nm3/kg

②垃圾分類后的煙氣量

垃圾分類后熱值H=24 770 kJ/kg，代入公式(2)、(3)，得到：

V理空=6.46 Nm3/kg

V煙=11.42 Nm3/kg

③影響分析

垃圾分類前煙氣量7.03 Nm3/kg，分類后煙氣量11.42 Nm3/kg，分類后煙氣量增加了62.45%。

(2)酸性氣體的影響分析

生活垃圾中存在塑料類垃圾，其焚燒產生酸性氣體：HCl、SO2和NOx。根據生活垃圾焚燒產生的酸性氣體排放控制研究[3]，HCl濃度最大，分別是SO2和NOx濃度3倍以上，本文以濃度最大的HCl研究分析影響程度。仁懷市生活垃圾焚燒發電廠煙氣檢測數據表明(垃圾分類前)，煙氣凈化系統入口的HCl濃度為600 mg/Nm3(平均值)。

垃圾分類后，HCl濃度計算式：

(G塑1/G塑0)MHCl0V煙0=MHCl1V煙1

(4)

G塑0，G塑1—垃圾分類前后的塑料的質量百分含量：22.8%，52.1%；

V煙0，V煙1—垃圾分類前后的煙氣量：7.03 Nm3/kg，11.42 Nm3/kg；

MHCl0，MHCl1—垃圾分類前后的HCl濃度：MHCl0=600 mg/Nm3。

把上述數據代入公式(4)，得到：

MHCl1=844 mg/Nm3

垃圾分類前HCl濃度為600 mg/Nm3，分類后HCl濃度為844 mg/Nm3，分類后HCl濃度增加了40.7%。

3.2 焚燒溫度的影響分析

理論焚燒溫度T：

(5)

(1)垃圾分類前的理論焚燒溫度

分類前垃圾熱值H=13 230 kJ/kg，λ取1.7，數據代入公式(5)，得到理論焚燒溫度：

T=1 400 K

(2)垃圾分類后的理論焚燒溫度

分類后垃圾熱值H=24 770 kJ/kg，數據代入公式(5)，得到理論焚燒溫度：

T=1 680 K

(3)影響分析

垃圾分類前的理論焚燒溫度1 400 K，分類后的理論焚燒溫度1 680 K，分類后理論焚燒溫度提高了20%。焚燒溫度提高，所需提供的輔助燃料用量減少，且產熱量增加，可使垃圾處理成本降低，發電效率增加。

3.3 焚燒爐設備調節策略

通過以上研究分析可知，生活垃圾分類提高了垃圾熱值和焚燒溫度，同時提高了煙氣量及酸性氣體排放量，對原有焚燒爐設備運行造成以下影響：

(1)垃圾熱值和焚燒溫度提高，造成焚燒爐內熱負荷上升，焚燒爐出口煙氣溫度將會高于初始設計值，進入余熱鍋爐煙氣溫度過高會使煙氣中的飛灰處于熔融狀態，不易沉降且粘連在其受熱面，不但降低了傳熱效果，易形成受熱面腐蝕，對爐墻造成破壞。

(2)垃圾焚燒空氣量和煙氣量增大，造成煙道阻力增大，現有焚燒爐的供風機和引風機將會處于超負荷狀態或工作能力不足。

(3)煙氣中酸性氣體濃度增大，加大了煙氣凈化處理系統運行負荷。

針對上述影響，焚燒爐設備需進行調節以滿足垃圾分類的焚燒運行要求，本文提出兩種策略方法：

一是在焚燒爐構件不變的情況下，按以下方法處理：

(1)根據實際焚燒煙氣量，加大原有供風量，同時降低氧含量，較低的過剩空氣系數有助于控制金屬腐蝕反應的發生[4]；

(2)根據實際垃圾熱值降低垃圾進料量，保證爐排內焚燒溫度不超負荷；

(3)垃圾含水率降低、熱值高，可減少垃圾在爐排爐內的燃燒時間，或提高爐排料厚度，以免對爐排出現燒透現象；

(4)煙氣中酸性氣體增加，需增加堿液用量。

二是對焚燒爐進行改造，按以下方法處理：

(1)增大爐內換熱面積，增加受熱面；

(2)焚燒爐壁的耐火絕熱結構改為可吸熱的膜式水冷壁結構，控制爐膛溫度；

(3)增設霧化噴槍，通過向爐膛內噴水，控制爐膛溫度；

(4)余熱鍋爐提升材質抗腐蝕能力，可采用碳鋼+Inconel625復合管、熱噴涂、堆焊等方法來抑制或延緩腐蝕；

(5)調節一次風機、二次風機及引風機的工作參數；

(6)改造噴霧除酸塔，增加堿液流量及霧化性能。

4 結論

通過分析仁懷市生活垃圾分類前后的物理組分變化，研究對垃圾熱值和焚燒性能的影響，得到以下結論：

(1)垃圾分類后，垃圾熱值24 770 kJ/kg，提高87.2%，有利于垃圾能源化利用；

(2)垃圾分類后，理論焚燒溫度1 680 K，提高20%，有利于降低垃圾處理運行成本，提高熱能利用效率；

(3)垃圾分類后，煙氣量11.42 Nm3/kg，增加62.45%，增大了焚燒爐運行負荷；

(4)垃圾分類后，煙氣中酸性氣體HCl濃度844 mg /Nm3，增加40.7%，增大了煙氣凈化系統運行負荷。

生活垃圾分類后，對垃圾焚燒爐設備運行產生較大影響，需對設備進行調節以滿足焚燒運行要求。提出兩種調節處理策略：一是在焚燒爐構體不變情況下的處理策略，即通過調節控制供風量、進料量及垃圾在爐內停留時間、堿液量等參數，滿足垃圾分類后的焚燒運行要求；二是對焚燒爐進行改造處理策略，即增加爐內換熱面積或爐內增設水冷壁，提高余熱鍋爐抗腐蝕能力，增大供風機和引風機工作參數等，適應垃圾分類后的焚燒運行要求。

生活垃圾分類有利于垃圾資源化利用，有效地提高了利用效率和效益。