現有生活垃圾焚燒廠摻燒工業固廢及其垃圾池管理分析＊

石凱軍，蹇瑞歡

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

1 引言

隨著《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》修訂實施，工業固廢的收集量將大幅增加。利用現有生活垃圾焚燒廠摻燒工業固廢，發揮生活垃圾焚燒設施處置能力和優勢，既可有效利用生活垃圾焚燒設施產能，又能協同處置工業固廢，具有較為明顯的經濟、環境和社會效益，也是實現“無廢城市”的重要手段。本研究的工業固廢主要指工業有機固廢，一般包括廢木材、廢紙類、廢塑料、廢橡膠等，低位熱值普遍為15 000～35 000 kJ/kg。目前，少數生活垃圾焚燒廠在運行中會根據入爐生活垃圾低位熱值有選擇地、少量摻燒工業固廢。摻燒時垃圾池依然按單純處理生活垃圾的方式進行管理，垃圾池內未設置工業固廢的專用儲存區域及攪拌、混合區域。針對工業固廢低含水率、高熱值的特點，若現有生活垃圾焚燒廠要求大比例（＞20%）摻燒，原有的垃圾池管理方式很難保證燃料進行充分攪拌、混合，入爐垃圾熱值可能存在波動，很難滿足焚燒爐穩定運行的需要。本研究從設備的技術性能、運行中垃圾池的管理方式方面進行對比分析，為大比例摻燒工業固廢時確定合適摻燒比例及垃圾池管理方案提供思路方法，以供其他工程項目參考應用。

2 摻燒比例、混合熱值及限制因素

摻燒比例α、混合物低位熱值Qh、可摻燒工業固廢低位熱值Qgy以及現有生活垃圾焚燒廠生活垃圾低位熱值Qsh之間的關系如公式（1）、（2）所示。

式中：Qh、Qgy、Qsh分別為混合物低位熱值、工業固廢低位熱值、現有生活垃圾焚燒廠生活垃圾低位熱值，kJ/kg；Msh、Mgy分別為生活垃圾小時處理量、工業固廢小時摻燒量，kg/h。

1）對于Qsh、Qgy已確定的情況下，α的決定因素為Qh，允許的Qh越高，可摻燒比例越高。在Qgy確定的條件下，α隨Qh增減而增減。

2）對于Qsh、允許的Qh已確定的情況下，α的決定因素為Qgy，Qgy越高，α越低。在Qh確定的條件下，α隨Qgy增加而減小。

上述關系見圖1。

圖1 Qh、Qgy與α 的關系Figure 1 The relationship between Qh，Qgyand α

其次，Qh主要受到爐膛容積熱負荷qv和爐排面機械負荷qF的限制。目前我國現有生活垃圾焚燒廠入爐垃圾成分復雜、含水率高、無機物質含量高、有機物含量低［1］。對于已按此特性設計、投運的機械爐排爐來說，能夠穩定運行時，qF的范圍一般為60%～110%，qv的范圍一般為70%～100%［2］。

當qF小于60%時，爐排面料層過薄，容易造成燃料層脫火，燃燒不穩定，較難控制；當qF大于110%時，爐排面料層過厚，一次風穿過燃料層阻力過大，燃燒室氧氣濃度過低，爐排燃盡段會后移，燃料燃燒不充分，爐渣熱熔減率增加，同時爐排片的磨損加劇，更換頻率提高。

當qv小于70%時，爐膛燃燒溫度降低，影響燃燒污染物的控制；當qv大于100%時，爐膛燃燒溫度會增大，爐膛熱負荷過高，余熱鍋爐受熱面易發生爆管等安全事故，爐膛耐火磚更換頻率提高。即存在如下關系：

式中：MMCR為焚燒爐額定處理量，kg/h；QMCR為焚燒爐入爐垃圾低位設計熱值，kJ/kg；qv為爐膛容積熱負荷，kW/m3；qF為爐排面機械負荷，kg/m2；F為爐排面積，m2；V為爐膛容積（V=F×H），m3。

圖2 Qh與 關系Figure 2 The relationship between Qhand

對于現有生活垃圾焚燒廠已按我國生活垃圾特性設計、投運的機械爐排爐來說，Qh同時也受到現有焚燒爐入爐垃圾低位設計熱值上限的限制。現有焚燒爐典型燃燒見圖3。

圖3 焚燒爐典型燃燒Figure 3 Typical burning of incinerator

在焚燒爐典型燃燒圖中，Qh最高不應超過現有焚燒爐入爐垃圾低位設計熱值上限。以圖3 為例， 應 保 證Qh≤9 211 kJ/kg， A-B-C-D-E-GMCR-A為焚燒爐能夠穩定運行的區域。

如圖3 所示，現有焚燒爐典型燃燒的QMCR=7 537 kJ/kg、焚燒爐額定處理量為31.25 t/h［3］，焚燒爐運行穩定，經檢測入爐Qsh=7 000 kJ/kg。如果計劃大比例摻燒工業固廢（經檢測Qgy=17 500 kJ/kg），結合圖3，當確定Qh=9 000 kJ/kg 時，則-qF約為0.8，α可達0.25，則Msh=1 800 t/d，Mgy=450 t/d。摻燒后的熱值、處理量均在焚燒爐的穩定運行范圍之內，從焚燒爐的角度來看，摻燒是可行的；同時，對于熱力系統來說，因為熱負荷在允許范圍內，因此鍋爐、汽機運行工況均在額定工況范圍內，摻燒也是可行的。

3 垃圾池管理方案

針對垃圾池管理及垃圾吊的配置進行對比分析。例如某項目原垃圾池采用混凝土澆筑，長度93 m、寬度31.4 m、池底標高-6 m，在卸料平臺標高+8 m 處，安裝垃圾卸料門10 臺。垃圾池總有效容積41 300 m3，頂部設置3 臺垃圾吊（2 用1 備），起重量17 t，抓斗容積12 m3。焚燒線配置3 臺750 t/d 機械爐排爐，日處理生活垃圾2 250 t［4］。假設可以按照25%的比例摻燒工業固廢，現提供4個方案作對比分析。

3.1 方案一：工業固廢直接卸入每日生活垃圾取料區

方案一的總體思路是盡量減少對原垃圾池及垃圾吊的改動，在運行上對垃圾池進行分區管理，將需要摻燒的工業固廢直接卸入每日生活垃圾取料區，見圖4。

圖4 垃圾池管理方案一Figure 4 Management scheme 1 of waste pit

分區管理：垃圾池共分為5個存料區域，每日進廠垃圾存入其中一個固定的存料區域，前5 d 的存料區域為當日入爐垃圾取料區。本方案不設置專用混料區域，由垃圾吊在該日取料區域內完成混料及上料。

卸料門配置：每個存料區域配置兩套卸料門，共10 套卸料門。進車高峰時可開啟相鄰區域卸料門暫存垃圾，進車正常后只開啟入廠存料區域卸料門。

垃圾吊配置：為2 用1 備，由兩臺垃圾吊負責3臺焚燒爐的取料、混料、上料。操作員兩人。

3.2 方案二：工業固廢卸入流動存料/混料區

方案二是在方案一的基礎上增加了一個工業固廢存料/混料區，將需要摻燒的工業固廢卸入工業固廢存料/混料區，見圖5。

圖5 垃圾池管理方案二Figure 5 Management scheme 2 of waste pit

分區管理：垃圾池共分為6個存料區域，其中5 個區域為每日進廠生活垃圾存料區域，存料、取料方式同方案一。1 個區域為工業固廢存料區域，同時兼作混料區域，位于每日入爐生活垃圾存料區域鄰側。運行時，每日入廠工業固廢直接卸入混料區域；生活垃圾由垃圾吊自當日入爐垃圾取料區域取料后在混料區域混合后完成上料。

卸料門配置：每個存料區域配置兩套卸料門，共12套卸料門。進車高峰時調節方式同方案一。

垃圾吊配置同方案一。

3.3 方案三：工業固廢卸入焚燒爐專設固廢存料/混料區

方案三是將垃圾池內的分區與焚燒爐建立一一對應的關系，盡量減少垃圾吊在工作中的交錯干擾，見圖6。

圖6 垃圾池管理方案三Figure 6 Management scheme 3 of waste pit

分區管理：其中垃圾池共分為3個區域，每臺焚燒爐設立固定的存料、取料區域。在3個大區域內再細分管理，可按生活垃圾的發酵天數要求再分為若干個生活垃圾存料區及1 個工業固廢混料區。細分方案如圖7所示。

圖7 方案三詳細分區Figure 7 Detailed division of scheme 3

卸料門配置：每個存料區域配置3 套卸料門，共9 套卸料門，運輸車次確定后亦可設6～8 套。因每個區域內的卸料門均可開啟收料，因此無論進車高峰與否均可靈活選擇。

垃圾吊配置：垃圾吊配置為3 用1 備，每臺垃圾吊負責1臺焚燒爐的取料、混料、上料，并且垃圾吊具有固定的工作區域。操作員3人。

3.4 方案四：工業固廢卸入垃圾池專設固廢存料/混料區

方案四是在垃圾池內建立垃圾吊的固定工作區域，盡量減少垃圾吊在運行中的交錯干擾。

分區管理：垃圾池共分為3個區域，兩側兩個大區為生活垃圾存料區域，中間小區為工業固廢存料、混料區域，見圖8。每個大區再細分為5個小區域，細分方案如圖9所示。運行時，每日入廠工業固廢直接卸入混料區域，由垃圾吊自當日入爐生活垃圾取料區域取料后在混料區域混合后完成上料。

圖8 垃圾池管理方案四Figure 8 Management scheme 4 of waste pit

圖9 方案四詳細分區Figure 9 Detailed division of scheme 4

卸料門配置：每個生活垃圾存料區域配置4套卸料門，工業固廢存料/混料區域設置2 臺卸料門，共10套卸料門。

垃圾吊配置同方案一。

3.5 方案對比分析

對4個方案作總體定性對比分析，同時復核摻燒工業固廢時垃圾吊的生產率，如表1所示。

表1 垃圾池管理及垃圾吊配置方案對比分析Table 1 The comparative analysis of waste pit management and waste crane configuration

通過對比可見，方案二、方案三分別需要增設卸料門和垃圾吊。對于現有焚燒廠來說，方案二須保證每個分區至少有1～2個卸料門，如果卸料門的安裝條件不能滿足，則該方案實施難度較大。另外，方案二實施時應盡量使工業固廢存料/混料區域靠垃圾池中間布置，以便兩臺垃圾吊工作時相互交叉的時間最少。方案三與其他3 個方案相比，增加了1臺參與工作的垃圾吊，但同時每臺吊車的生產率及總的利用率大幅降低，故障率也會降低。且方案三建立的是垃圾池-垃圾吊-焚燒爐一一對應的關系，未來使用全自動上料時易于管理，比較有優勢。

方案一、方案四均不需要增設卸料門及垃圾吊，對現有焚燒廠來說，較易實現。方案一垃圾池總有效庫容沒有減少，但未設置工業固廢存料、混料專區，存在混料不充分的可能。方案四垃圾池總有效庫容減少了約14%，但設置有工業固廢存料、混料專區，對工業固廢的接收有一定的調節容量，同時混料專區也能使混料更充分，Qh更穩定，有利于燃燒控制。且方案四每個垃圾吊都在固定區域內工作，兩臺工作的垃圾吊交叉區域少，干擾少。

垃圾吊的運行條件與垃圾池的布置密切相關，以本案例的4個方案作對比：

1）方案一、方案二、方案四均由兩臺垃圾吊負責3 臺焚燒爐的上料、倒垛，方案三建立的是1臺垃圾吊負責1臺焚燒爐的上料、倒垛。垃圾池尺寸及垃圾吊基本運行參數如表2、表3所示。

表2 垃圾池尺寸Table 2 Size of waste pit

表3 垃圾吊技術參數Table 3 Waste crane technical parameters

2）方案一、方案三在當日入爐生活垃圾取料區域完成混料，不存在生活垃圾取料后再轉移的情況，因此倒垛量為每日上料量的2 倍；而方案二、方案四由于上料時生活垃圾由垃圾吊自當日入爐垃圾取料區域取料后在混料區域混合后完成上料，相當于多增加了一道倒垛工序，倒垛量為上料量的3 倍。垃圾吊的生產率P的計算見公式（5）［5］。

式中：P為垃圾吊生產率，t/h；Q、G分別為垃圾吊額定起重量、抓斗質量，t；t為運行1 次時間（與垃圾池尺寸及吊車工作計制相關，可計算疊加），min；Ψ為抓斗充滿系數，一般取0.9。

通過上述計算，各方案垃圾吊運行參數如表4所示。

表4 4 種方案垃圾吊運行負荷Table 4 Waste crane load of the four schemes

由上可知，方案三的垃圾吊總利用率最低（37.8%），方案一其次（53%），方案二、方案四最高（69.5%），但方案二存在垃圾吊工作時互相干擾的可能。結合垃圾池的管理方案，綜合考慮運行時垃圾吊操作的便捷性、可靠性及垃圾吊負載的可承受范圍，推薦方案四為優選方案，其他可作為參考備選方案。

4 結論

1）現有生活垃圾焚燒廠摻燒一定比例的工業固廢是可行的，α的確定主要依據Qh和Qgy確定。

2）Qh主要受qv和qF的限制，且應在焚燒爐典型燃燒正常運行范圍之內，所以Qh應根據焚燒爐的設計參數確定。

3）建議垃圾池內設置工業固廢存料區/混料區域，該區域應盡量位于垃圾池中央位置，避免布置于垃圾池邊角位置。

4）垃圾池管理及垃圾吊配置方案推薦采用方案四， 現有生活垃圾焚燒廠不需要增設垃圾吊及卸料門，且運行時垃圾吊相互干擾少。同時應注意到垃圾吊的生產率、總利用率明顯提高，因此須復核設備的選型裕量。