城市生活垃圾堆肥剩余物的燃烧特性及其焚烧处理
1 前言
西方发达国家由于城市生活垃圾回收采用分类收集法，所以垃圾堆肥剩余物已无回收利用价值，通常采用卫生填埋方式处理。而我国目前的生活垃圾没有分类收集，所以堆肥剩余物有其特殊性，主要表现为剩余物热值较高，达到甚至超过国外目前生活垃圾的发热值，而且比较均质，可以作为燃料使用。因此，对这些剩余物进行焚烧处理有利于热能的回收。本文探讨生活垃圾堆肥厂产生的堆肥剩余物的燃烧特性以及在流化床中焚烧处理的工业应用。
2 生活垃圾堆肥剩余物的工业分析及元素分析
垃圾堆肥处理厂产生的堆肥剩余物，经过风力和人工将大块物件如泡沫、竹筐、大块塑料、金属以及可回收利用的塑料袋(方便面袋)等分拣后，剩下的主要由尺寸较小的废旧塑料、细木头片、破布头及泥土状物质组成，约占垃圾总量的10%～20%。其特点是发热值较高，与国外的垃圾热值相当，适于焚烧处理。
为了保证取样具有代表性，从供焚烧处理的该种垃圾堆肥剩余物堆中不同部位取回样品，在空气中干燥后，手工分选结果如表1所示，其工业分析和元素分析见表2。
表1垃圾堆肥剩余物的组成成分% |
表2垃圾堆肥剩余物的工业分析和元素分析(空气干燥基) |
从表2可以看出，垃圾堆肥剩余物的空气干燥基热值达到14650kJ/kg，这种垃圾具有热能回收利用价值，焚烧时无需辅助燃料，质地相对均匀，可以作为燃料使用。
3 垃圾堆肥剩余物的燃烧特性
3.1实验样品的制备
将实验原料在空气中自然干燥后，对泡沫、塑料等非脆性材料进行切碎至2mm以下，其它成分粉碎至1mm以下，然后按各组分的比例，充分混合，由于混合试样比较蓬松，体积较大，必需压实后才能放入坩锅内，试样的质量为11.54mg。
3.2热重分析实验仪器及实验参数描述
实验采用日本理学热分析仪TAS100高温微分差热天平进行。实验时将准备分析的试样放在坩锅内，通以空气，使试样在空气氛围中连续升温，记录试样在升温过程中TG(热重，即重量随温度的变化)、DTG(热重的微分即失重速率)及DTA(差热分析即吸热或放热变化规律)随温度的变化曲线，如图1所示。实验条件为：升温速率2000/min；空气流量20ml/min；最高加热温度900℃。
3.3实验结果与分析
图1为垃圾堆肥剩余物的TG、DTG及DTA曲线。TG曲线失重分为三个阶段，第一段244℃以前为水分蒸发和少量挥发分析出段，其中130℃时水分析出达到峰值，DTA曲线上表现为吸热段。温度高于244℃，第二失重段开始，DTG在320℃达到极值，表明挥发分在此温度下强烈燃烧，温度升至380℃失重相对缓慢。温度大于244℃时DTA曲线表现为放热，328℃时出现极值，它对应于DTG曲线320℃，说明在此温度下燃烧最剧烈，放热量最多。温度高于420℃第三段失重开始，DTG曲线在428℃出现极值，对应于DTA曲线为450℃，说明是固定碳燃烧所致，此后仍缓慢失重直至750℃左右，说明仍有残碳在缓慢燃烧放热。
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图1垃圾堆肥剩余物的燃烧的热重分析
4堆肥剩余物在流化床中的焚烧处理应用实例
4.1焚烧炉结构及基本参数
在上述研究基础上，我们为某环保集团设计了流化床垃圾焚烧炉，日处理垃圾堆肥剩余物70t/d，焚烧产生的热量用于4万m2垃圾堆肥处理厂房供暖及垃圾高温发酵用热。该焚烧系统为垃圾焚烧与余热锅炉一体化装置。垃圾首先被送入流化床密相区燃烧，由于垃圾的比重较轻，容易被烟气携带出炉膛而导致燃烧不完全，并且垃圾堆肥剩余物中细灰较多不能形成床料，而能够形成床料的又是一些粒径较大的颗粒如石子、瓦砾碎片，从而容易导致流化不良，为了保证垃圾与床料混合均匀，需定期向炉内添加流化床底料来维持床料高度。由于垃圾的挥发分高，入炉后产生大量的可燃气体，需及时补充燃烧所需的空气，所以在密相区上方送入旋转二次风，促进可燃成分与二次空气的混合，延长燃烧所需的停留时间。稀相区出口进入旋风燃尽室，可燃气体在此进一步燃尽。设计参数为：密相区燃烧温度为900℃，稀相区出口850℃，旋风燃尽室出口不低于800℃，烟气从密相区到旋风燃尽室出口之间的停留时间大于2s，从而满足国家环保标准GB18485-2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》要求的炉膛出口温度不低于850℃，停留时间大于2s的要求。余热锅炉的设计参数为：表压0.7MPa，饱和温度170℃，蒸汽流量7t/h，垃圾低位热值不低于10467kJ/kg(2500kcal/kg)。为了防止尾部受热面HCl的低温腐蚀，旋风燃尽室出口的对流烟道仅布置蒸发受热面，保证管壁温度大于HCl露点温度120℃，不布置省煤器和空气预热器，排烟温度为250℃左右。
4.2焚烧效果
该流化床焚烧炉于2000年11月投入正常运行，实践表明，在不加任何辅助燃料条件下，额定负荷下炉膛出口温度可控制在850℃以上。表3给出了不同负荷下焚烧炉各处温度。可见，该焚烧炉燃烧状况良好。
表3不同负荷下焚烧炉各处温度℃
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4.3污染物排放及其控制
采用英国兰德(LAND)公司生产的Land Series II型烟气分析仪，对NOx、SO2原始排放浓度进行测定。HCl采用0.1N的NaOH溶液吸收，采用AgNO3容量法测定。当炉膛出口温度为805～891℃时，NOx原始排放浓度为116～162mg/m3，SO2原始排放浓度平均值为112～164mg/m3，HCl排放浓度为365～467mg/m3(上述数据均折算到烟气中O2=11%)。
为了控制污染物的排放，设计时采用文丘里+喷淋塔+两级湍球塔烟气净化组合工艺对尾气洗涤净化，目的是为了控制颗粒物、HCl、SO2等酸性气体的排放。在额定负荷下，燃用设计燃料时，净化后的烟气经黑龙江省环境监测站测定，结果如表4所示。
表4污染物实测结果mg/m3
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注：ND表示未检出，所有结果均以标准状态下含11%O2的干烟气为参考值换算。
可见除含尘浓度外，其余各项都达到了国家环保标准。尤其是重金属汞、镉都检不出，这主要得益于垃圾分选工艺，使得垃圾在焚烧之前，已将废旧电池等重金属污染物清除。由于省环境监测站没有二恶英检测设备，所以，没有二恶英检测结果。
鉴于当时对垃圾焚烧尾气净化工艺认识的不足，导致排尘浓度不达标，应当采用半干法+喷活性炭+布袋除尘器组合工艺来解决。
4.4焚烧方式的探讨
垃圾焚烧发展的障碍是二恶英的排放，本文控制二恶英的措施主要是控制炉内温度大于850℃，采用旋转二次风增加炉内混合强度以及停留时间大于2s即所谓的“3T”，对二恶英在炉内的生成起到较好的控制作用，但是现在看来还远远不够，因为，二恶英在尾部200～500℃温区内在Cu2+的催化作用下会再度合成。采用半干法+喷活性炭+布袋除尘器组合工艺，虽然布袋除尘器后的二恶英排放浓度远低于1.0TEQng/m3，通常可达到0.1TEQng/m3，但布袋捕集灰中的二恶英可达798～7530TEQng/kg，而飞灰的处置费用很高，目前上海垃圾焚烧飞灰的处置费为960元/t，从这种意义讲对于垃圾堆肥剩余物的焚烧处理由于其热值达到国外垃圾热值水平，采用炉排炉比较可行，因为炉排炉的飞灰量占垃圾总量的3%～5%，而流化床的飞灰量占10%～15%，从处理成本来看，采用炉排炉比较经济。这一点北京顺义垃圾综合处理厂做得很好，该厂将垃圾通过人工分拣，将玻璃、金属等不燃物、大块塑料纸张等可回收物以及电池等污染物分拣出，可燃垃圾经发酵脱水后，热值达到12560kJ/kg(3000kcal/kg)以上通过液压推进装置送入国产炉排炉内燃烧，焚烧炉为绝热炉膛，炉膛出口温度达到1100℃，CO浓度几乎为零，对控制二恶英十分有利。垃圾在炉排上燃烧非常充分，灰渣灼减率只有3%以内。为了减少飞灰量，该厂在垃圾入炉前进一步过筛，筛去垃圾中灰土，这样既提高垃圾热值又减少布袋除尘器飞灰捕集量，值得垃圾堆肥厂剩余垃圾焚烧处理借鉴。
5 结论
(1)垃圾堆肥厂产生的堆肥剩余物热值高，具有热能回收利用价值。
(2)堆肥剩余物的热天平燃烧特性分析结果表明，空气干燥基下垃圾中的挥发分在240℃左右着火燃烧，在320℃左右剧烈燃烧，焦炭在420～450℃左右开始强烈燃烧，燃尽温度达750℃左右。
(3)工业应用结果表明，堆肥剩余物能够在流化床焚烧炉中稳定燃烧。尾气经多级洗涤净化后，主要污染物如NOx、SO2、HCl、CO及重金属等的排放浓度达到国家环保标准。但是考虑飞灰处置费用高，建议采用炉排炉处理，以降低飞灰处置成本。
参考文献略
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