垃圾焚燒設施高效協同處置有機固體廢物技術

張瑾

（龍凈能源發展有限公司，福建 廈門 361000）

實施垃圾分類后，垃圾焚燒發電廠的垃圾處置量大幅降低，迫切需要尋求替代處理物，因此垃圾焚燒發電廠協同處置有機固體廢物就顯得很有必要[1]。

本文以某項目垃圾焚燒發電廠為例，分析研究垃圾焚燒發電廠協同多種類有機固體廢物對焚燒發電廠燃燒系統的影響和具體對策，并研究分析了垃圾焚燒發電廠協同處置多種類有機固體廢物的可行性及技術經濟性。

1 項目概況

1.1 建設規模

該項目一期工程配置2 臺單臺處理能力為500t/d的機械爐排垃圾焚燒爐和余熱鍋爐，余熱鍋爐設計壓力為4.0MPa，余熱利用蒸汽溫度為450℃，配一臺25MW 的凝汽式汽輪發電機組。

1.2 焚燒爐設計燃料

焚燒爐的入爐垃圾為城市生活垃圾，來自生活區、商業區、旅游區等，入爐垃圾成分見表1。入爐垃圾設計低位熱值為7535kJ/kg。

表1 設計入爐垃圾成分

適用垃圾低位熱值范圍：最高工況為9700kJ/kg（2317kcal/kg）；設計工況為7535kJ/kg（1800kcal/kg）；最低工況為4500kJ/kg（1075kcal/kg）。

2 項目生活垃圾和有機固體廢物情況

2.1 生活垃圾實際收集情況

該項目一期工程2 條垃圾焚燒線垃圾設計處理量為1000t/d，目前可收集入廠的原生垃圾量為700t/d,只有滿負荷量的70%，遠遠不夠。同時，項目現場提供的生活垃圾成分分析報告顯示（見表2），入廠垃圾低位熱值只有3535kJ/kg，水分含量為61.54%，即使按垃圾發酵失水15%來計算，入爐垃圾低位熱值也只有5544kJ/kg。

表2 入廠垃圾成分和熱值分析

按上述原生垃圾量和入爐熱值計算，焚燒爐熱負荷只有設計熱負荷（MCR）的52%，滿足不了焚燒爐最低60%運行負荷的要求，因此無論是從原生垃圾處置量還是從原生垃圾熱值來講，都無法滿足垃圾焚燒發電廠長期穩定運行的需要。所以，垃圾焚燒發電廠協同處置有機固體廢物就顯得很有必要。

2.2 項目有機固體廢物情況

2.2.1 項目有機固體廢物可收集情況

項目周邊可收集的有機固體廢物有園林垃圾、箱包邊角料、服裝邊角料等，可收集量分別約為50t/d、40t/d、40t/d，共計約為130t/d，加上原生垃圾700t/d，當前項目可處理的垃圾和有機固體廢物量共計830t/d。

預計將來可處理的有機固體廢物量將達200t/d 以上，項目生活垃圾和有機固體廢物處理總量將到達1000t/d。

2.2.2 項目有機固體廢物燃料特性

生活垃圾和有機固體廢物成分及熱值分析見表3。

從表3 可以看出，上述有機固體廢物具有熱值高、含水率低、氯含量高等特點。

表3 生活垃圾和有機固體廢物成分及熱值

2.2.3 項目協同處理有機固體廢物后入爐垃圾熱值變化情況

由于項目協同處理有機固體廢物后入爐垃圾的熱值會發生變化，因此有必要對摻燒有機固體廢物后的入爐垃圾熱值作一個預先分析，以確保焚燒爐燃燒穩定安全、控制方便。入廠垃圾總量為830t/d，按園林垃圾50t/d、箱包邊角料40t/d、服裝邊角料40t/d、生活垃圾700t/d 的配比，結合各有機固體廢物檢驗分析報告，可得出擬合后入廠垃圾低位熱值為5621kJ/kg。按垃圾發酵失水15%來計算，入爐垃圾低位熱值為8288kJ/kg，具體見表4。

表4 擬合后垃圾成分和熱值情況

上述入爐垃圾低位熱值情況和通過項目現場2021 年4 月1—15 日運行工況得出的1#、2#爐入爐垃圾熱值非常接近，其中1#爐入爐固體廢物熱值均值為8137kJ/kg、2#爐入爐固體廢物熱值均值為8287kJ/kg。同時通過計算可知，入爐垃圾熱值在7500—9300kJ/kg波動，這是由于垃圾料倉內垃圾混合不夠均勻所致。因此，垃圾焚燒發電廠協同處理有機固體廢物時會給鍋爐燃燒系統帶來一定影響，需要及時采取應對措施。

3 垃圾焚燒發電廠協同處理有機固體廢物對燃燒系統帶來的影響及應對措施

垃圾焚燒爐協同處理有機固體廢物后入爐垃圾熱值均值為8288kJ/kg，比設計入爐垃圾熱值7535kJ/kg 高，協同處理有機固體廢物后垃圾熱值最高可為9300kJ/kg，同時有機固體廢物還具有熱值高、含水率低、氯含量高等特點。因此，對燃燒系統將帶來以下影響：

（1）垃圾焚燒爐燃燒溫度提高，爐膛溫度超出設計溫度（1050℃），最高溫度將超過1200℃，加上有機固體廢物中氯含量較高，將對碳化硅耐火材料形成酸性腐蝕，降低耐火材料的使用壽命[2]（見圖1、圖2、圖3）。為控制燃燒溫度，余熱鍋爐往往降負荷運行。

圖1 碳化硅磚溶蝕

圖2 前拱澆注料剝落

圖3 煙道積灰

（2）固體廢物燃料熱值高、含水率低，會造成垃圾焚燒爐實際燃燒火焰中心前移，高溫火焰直接輻射到前拱爐墻，會將前拱爐墻高溫溶蝕。燃燒火焰中心前移后會和余熱鍋爐爐膛火焰中心形成偏離，造成爐膛煙氣流場分布不均，從而影響爐膛溫度場均勻性。

（3）垃圾焚燒爐運行溫度提高將造成余熱鍋爐爐膛出口溫度升高，進而造成余熱鍋爐二、三煙道溫度升高，積灰掛焦嚴重。

（4）高溫過熱器入口煙溫升高，常常超過600℃，造成高溫過熱器管束的高溫腐蝕問題，同時由于過熱器減溫水量大幅升高，減溫水調節幅度不夠，過熱器容易超溫運行。為控制高溫過熱器入口煙溫，余熱鍋爐往往降負荷運行。

（5）余熱鍋爐出口排煙溫度升高，其中1#爐出口溫度在220℃左右、2#爐出口溫度在240℃左右，余熱鍋爐熱效率比原始設計值降低較多。

（6）隨著后期入爐有機固體廢物量的增加，垃圾熱值將進一步提高，為了控制爐膛溫度，勢必會降低垃圾焚燒處置量。

因此，為使垃圾焚燒發電廠能高效協同處置高熱值的有機固體廢物，現對垃圾焚燒爐和余熱鍋爐提出以下改進對策：

（1）為提高垃圾焚燒爐垃圾處理量并保證焚燒爐長期穩定運行，建議將焚燒爐側墻空冷耐火磚、前拱澆注料由碳化硅質系列的耐火材料改為鋯鉻剛玉質的耐火材料。鋯鉻剛玉磚具有抗腐蝕性強、耐壓強度高、熱震穩定性好、耐磨性小、抗脫落等特點[3]，能很好地協同處置高熱值的有機固體廢物。

（2）當入爐垃圾熱值較高時，應該適當加快一、二段爐排滑動速度，加快垃圾在前兩段爐排上的流動速度，減少翻動次數，同時適當降低前兩段一次風配風量，推遲垃圾熱解汽化過程，盡量使主燃燒區穩定位于爐排三、四段區間內。

（3）余熱鍋爐爐膛水冷壁通常采用碳化硅澆注料衛燃帶來防止高溫腐蝕，同時確保爐膛內煙氣溫度在850℃以上溫度區域停留2s 以上，現采用的碳化硅澆注料導熱系數為3—5W/（m·K），面積將近380m2，與廠家要求的碳化硅澆注料導熱系數10W/（m·K）相差較大，導致爐膛（第一煙道）吸熱量大幅降低，爐膛溫度升高。因此，建議在鍋爐大修期間將現有的碳化硅澆注料更換為導熱系數高的碳化硅澆注料。

（4）余熱鍋爐第二、三煙道溫度升高，導致積灰掛焦嚴重、高溫過熱器入口溫度升高，應考慮將余熱鍋爐二、三煙道輻射受熱面設計裕度提高，建議在余熱鍋爐第二煙道增設二道水冷屏隔墻，使高溫過熱器入口溫度和過熱器減溫水調節閥的調節幅度相適應。

（5）實際排煙溫度比設計值高出較多（高出30℃—40℃），通過校核計算得出省煤器設計面積不夠，同時還存在省煤器區域煙氣擋板設置不合理、煙氣短路的問題，建議在停爐檢修時對省煤器隔煙板結構進行改造，同時增加省煤器受熱面。

4 垃圾焚燒發電廠協同處置多種有機固體廢物的經濟性分析

項目協同處置有機固體廢物對提高垃圾焚燒發電廠發電收入是有益的。表5 為1t 單一有機固體廢物售電收益情況。

表5 1t 有機固體廢物售電收益情況

從表5 可知，處置1t 園林垃圾、服裝邊角料、箱包邊角料的售電收入分別是實際入爐垃圾售電收入的1.6 倍、3.5 倍、4.3 倍，按協同處置垃圾熱值8288kJ/kg計算，則協同處置1t 垃圾售電收入比實際入爐垃圾售電收入多66 元。此外，由于上述有機固體廢物含水率低，需要的滲濾液處置費用很少，故可以大幅提高垃圾焚燒發電廠的收益。

以全廠垃圾處理量1000t/d 為例，若其中協同處置固體廢物150t/d 以上、全年運行8000h、綜合熱值按8288kJ/kg 計，則全年售電收入比原處理垃圾售電收入多2000 萬元，協同處置有機固體廢物經濟效益明顯。

5 改造工程量

根據垃圾焚燒爐協同處理有機固體廢物對垃圾焚燒發電廠燃燒系統的影響，需對垃圾焚燒爐爐墻、余熱鍋爐爐膛澆注料、第二煙道隔墻、省煤器做相應的改造。表6、表7、表8、表9 是單臺垃圾處理量為500t/d 的焚燒設備各部分改造的工程清單和改造成本分析。

表6 單臺焚燒爐耐火材料改造清單

表7 單臺余熱鍋爐爐膛耐火澆注料改造清單

表8 單臺鍋爐隔墻改造設備清單

表9 單臺鍋爐省煤器改造設備清單

由表6—表9 可知，單臺爐改造費用共計約為300 萬元。

6 結論與建議

（1）已建垃圾焚燒發電廠高效協同處置高熱值固體廢物時應對焚燒設施做相應改造，以適應協同處置高熱值固體廢物帶來的入爐垃圾熱值的變化。

（2）本文對已建垃圾焚燒設施的技改措施和新建焚燒設施高效協同處置高熱值固體廢物的產品設計有一定指導意義。

（3）已建兩臺垃圾處理量為500t/d 的焚燒設備的改造費用約為600 萬元,技改后預計年售電收入增加約2000 萬元，當年內可收回投資成本，垃圾焚燒發電廠協同處置固體廢物經濟效益明顯，項目技術改造方案可行。