生活垃圾低溫熱解技術在高海拔農牧區應用的改進*

黃湘寧,朱彩萍,管知深,閆俊輝

（1.青海師范大學，青海 西寧 810008；2.廣東熠森能環保科技有限公司，廣東 廣州 510000）

1 研究背景

生活垃圾低溫熱解設備在青海省果洛藏族自治州江千鄉地區試用效果優異，其解決了高原高海拔牧區生活垃圾的治理難題，同其他生活垃圾終端處理措施相比，實現了經濟適用性好、減量化好、無二次污染等特點，同時也有效改善了當地環境質量，節約了土地資源，解決了白色污染，保護了周邊原生生態體系，環境效益顯著。但在設備試運行期間也發現了一些問題，亟需改進以適應高海拔農牧區應用。

2 設備出灰揚塵問題及改進方案

2.1 設備出灰時揚塵問題

青海省地處地球第三極的青藏高原，有自然保護區11 個，面積21.78 萬km2，其中國家級自然保護區7 個，面積20.74 萬km2。森林面積520.89 萬hm2，森林覆蓋率7.26%。濕地面積814.36 萬hm2，其中自然濕地面積800.1 萬hm2。國家重點公益林管護面積397.71 萬hm2，天然林保護面積367.8 萬hm2[1]，同時青海省集水面積在500km2以上的河流達380條，被譽為“三江之源、中華水塔”，是國家重要生態安全屏障。

垃圾處理設備在青藏高原運轉工作，首要注重環保問題，為此，2019—2020 年項目組在青海省果洛藏族自治州甘德縣江千鄉生活垃圾低溫熱解設備運行過程中發現：在生活垃圾灰渣處理過程中，由于灰渣含水率極低，達到0.1%以下，在大風天氣頻繁的情況下，極易出現無組織揚塵，危害勞動工人身體健康、有損區域環境質量，因此，亟需解決上述問題。

2.2 針對出灰揚塵問題設備改進方案

生活垃圾低溫熱解方法主要是利用有機物的熱不穩定性，使有機物在欠氧或缺氧條件下，利用生活垃圾的自身熱值，在第一次啟動輔助加熱到一定溫度后通過熱化學反應，將大分子物質分解成較小分子物質（可燃氣、固定炭、焦油等）的熱化學轉化過程。生活垃圾中的有機物分解成氣體、水分和灰渣，實現減量化。但熱解過程中產生的灰渣含水率很低，極易產生揚塵。針對此問題，設計采用噴霧降塵方式解決，即在生活垃圾熱解設備內加裝噴霧降塵裝置，對出爐爐渣進行噴霧加濕預處理，通過設計噴霧柱和噴嘴的空間排列，均勻對爐渣進行加濕，使爐渣出灰前達到10%～15%的含水率，根據青海省水資源分布特點，青海地區雖水資源豐富，但其在時間分布和地區分布上均不均衡，設計采用生活垃圾熱解煙氣中冷凝水回用作噴霧降塵水，以適應高海拔地區應用，改進后的設備經過2020 年10 月—12 月的跟蹤觀察，完全杜絕了無組織揚塵問題。

3 冰凍垃圾爐內分布不均問題及改進方案

3.1 冰凍垃圾的產生原因

青海省地處青藏高原東北部，全省均處于高原范圍內，全省平均海拔＞3000m，氣候以高寒干旱為特征，屬典型的大陸性高原氣候，青海省冬季長、夏季短，平均氣溫低，境內年平均氣溫在零下5.7℃～8.5℃之間，年平均氣溫在0℃以下的地區占全省面積的2/3。在海拔2000～4000m 的地區平均氣溫≤0℃的日數為4～6 個月，海拔4000m 以上地區平均氣溫≤0℃的日數為超過6 個月。

生活垃圾水分可分為內在水分和外在水分2種形式。其內在水分分布在垃圾物質分子間，由垃圾本身性質決定，與外界環境條件無關，去除比較困難，往往需要發生生化反應和較長時間才能去除；外在水分又稱為附加水分，是由于自然環境或人為活動給垃圾添加的水分[2]。在正常生活條件下，外在水分不會太多，一般不會造成垃圾成團現象；但在冰凍條件下，外在水分就成為垃圾成團的粘合劑，當垃圾露天放置，并混入大量冰雪充當粘合劑，又在低溫環境中存放了較長時間，就會形成冰凍垃圾，而青藏高原的氣候特性尤易產生冰凍垃圾。

3.2 冰凍垃圾對低溫熱解設備工作效率的影響

投入低溫熱解設備爐體的冰凍垃圾先進入爐體干燥層進行解凍、干燥，但由于冰凍垃圾粒徑較大、易偏置堆積，垃圾堆體孔隙度較小，導致溫度傳輸較慢，解凍烘干速度低，區域易形成垃圾解凍死角，嚴重影響設備工作效率。跟蹤研究該設備處理普通生活垃圾和冰凍垃圾各10d 處理量，匯總數據見表1。

表1 普通生活垃圾和冰凍垃圾10 天處理量

3.3 處理冰凍垃圾設備改進方案

根據現場收集資料，設備在處理冰凍垃圾時，處理效率大幅下降，約為正常處理量的60%，針對上述問題，設計一種爐內垃圾攪拌裝置，如圖1 所示，用于安裝在生活垃圾處理爐內，包括驅動機構、設于驅動機構的輸出端的第一轉動軸以及設于第一轉動軸上的縱向攪拌組件，縱向攪拌組件包括多個縱向攪拌臂，各縱向攪拌臂連接于第一轉動軸。通過驅動機構帶動第一轉動軸繞軸轉動，從而帶動縱向攪拌組件的各縱向攪拌臂繞軸轉動，將爐內的生活垃圾進行攪勻和分散，這樣避免生活垃圾在爐內出現積壓或偏置。

圖1 垃圾攪拌裝置

垃圾攪拌裝置安裝完成投入使用后，其解決了人工投料導致的垃圾在爐膛內分布不均勻問題，由于生活垃圾熱解爐投料是由人工方式通過投料口直接投入垃圾，冰凍垃圾在爐膛內易出現料層分布不均勻，均勻透氣性變差，最終導致低溫熱解爐內風壓分布不均勻，透氣性強的局部垃圾料層被燒穿，而透氣性差的垃圾區域出現 “滅燃”現象，影響設備穩定和處理量。垃圾攪拌裝置能很好解決這類問題，該裝置安裝完成后，收集10d 生活垃圾低溫熱解裝置運行處理量數據，和未安裝垃圾攪拌裝置之前數據對比見表2。

表2 未安裝垃圾攪拌裝置冰凍垃圾處理量與安裝垃圾攪拌裝置冰凍垃圾處理量對比

可以看出，設備安裝垃圾攪拌裝置后處理冰凍垃圾時處理量雖仍不如處理正常生活垃圾效率那么高，但同比未安裝垃圾攪拌裝置前處理冰凍垃圾效率提升近30%。

4 爐排受熱受力變形問題及改進方案

4.1 爐排受熱受力變形問題

目前，世界上焚燒爐的種類較多，主要為四大類型：爐排型垃圾焚燒爐、流化床垃圾爐、回轉窯垃圾焚燒爐和垃圾熱解氣化焚燒爐[3]。本項目使用的為爐排型垃圾焚燒爐，爐排材料采用灰鑄鐵，主要成分是鐵、碳、硅、錳、硫、磷，其碳量較高（為2.7%～4.0%），具有良好的鑄造性能、良好的減振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能。

高海拔農牧區生活垃圾主要為廢紙、塑料、皮革和織物。其他如金屬類、餐廚類、腐殖質類都由村民就地處理，由于高原雨季、旱季分布不均，在旱季時收集上來的生活垃圾熱值較高，熱解過程中容易產生局部著火點，導致爐排受熱較高，同時，爐排需要承受爐內垃圾重力，鑄鐵爐排容易發生受熱受力形變。

對青海省果洛藏族自治州江千鄉是生活垃圾低溫熱解設備試用6 個月停爐檢修發現，爐內10根爐條,有3 根出現形變現象，爐排發生形變，將直接影響設備處理量，同時也會造成出灰操作困難，影響設備正常的工作運轉。

4.2 爐排受熱受力變形改進方案

設計使用新的爐排結構，如圖2 所示，將爐排結構件替換為中空的管狀結構，通過進液管和出液管與冷卻裝置相連通，通過水泵將冷卻液循環地通入爐排結構件內，對爐排結構件進行循環降溫換熱，避免與生活垃圾直接接觸的爐排結構件因溫度過高而造成形變損壞，進而延長其使用壽命。同時通過保溫管道回收冷卻液熱量，用于工人休息室供暖、供熱水。

圖2 水冷爐排示意圖

5 關于生活垃圾低溫熱解處理設備改進的討論

生活垃圾低溫熱解處理技術，通過青海省科技廳的引進，青海師范大學、廣東熠森能環保科技有限公司、青海尚諾新能源有限公司的組織實施，已在青藏高原農牧地區實現應用。本文針對高海拔環境氣候，對低溫熱解設備進行了采用冷凝水做噴霧水改進爐內噴霧降塵裝置、垃圾攪拌裝置處理冰凍垃圾破冰及均勻垃圾層、水冷爐排裝置冷卻液熱量回用供熱供暖等改進，通過示范點近1 年的應用，改進后的設備越來越契合高海拔農牧區生活垃圾的處理應用