生活垃圾分类对垃圾焚烧的影响研究——以仁怀市生活垃圾为例

冯华仲 任智超 赵宁波 郑珊珊

(茅台学院，贵州 仁怀 564507)

随着我国经济发展和人民生活水平不断提高，城乡生活垃圾产生量越来越多。仁怀市对生活垃圾实行无害化填埋处理，该法占地面积大，垃圾资源化利用程度低。2020年1月仁怀市建成生活垃圾焚烧发电厂(含两条生产线)投入运行，生活垃圾无害化处理量快速增加，无害化处理率提高到98%，一条线年发电量8000万kW·h，目前处理能力尚有富余。当前仁怀市正在推进生活垃圾分类工作，垃圾分类有利于提高其资源化利用率，提高垃圾焚烧发电效率，但垃圾分类造成垃圾组分变化，对垃圾焚烧造成较大影响。本文根据垃圾分类后的组分，计算垃圾热值、焚烧温度、烟气量及酸性气体，研究分析其影响，据此提出垃圾焚烧炉设备运行的调节改造策略，为工程应用提供参考。

1 仁怀市生活垃圾处理现状

从仁怀市近3年生活垃圾统计数据看(见表1)，垃圾增长速度快，2020年达23.54万吨，按仁怀市65.5万人口计，人均日产生活垃圾1.0 kg。

仁怀市生活垃圾处理模式为“户投放、村收集、镇转运、市处理”模式，收集方式主要是混合收集，然后集中运输到处理场进行处置。仁怀市于2007年投入运行贵州省首个一级生活垃圾无害化填埋场，设计服务年限17年，日处理垃圾140吨、渗滤液70吨；这种填埋处理方法占地面积大，存在渗滤液处理问题，垃圾资源化利用程度低。生活垃圾是资源，应遵循“无害化、减量化、资源化”处理原则，生活垃圾焚烧发电技术很好地满足该原则要求，我国大力推广该焚烧发电技术。2020年1月仁怀市建成生活垃圾焚烧发电厂(含两条生产线)投入运行，日处理规模1200吨，生活垃圾无害化处理量得到快速增加，垃圾无害化处理率提高到98%(见表1)，2020年一条生产线运行，年发电量8000kW·h。

表1 仁怀市生活垃圾数据统计表

仁怀市生活垃圾主要由居民生活、商场、学校、餐饮行业、旅游地区、酒厂等场所产生，组成成分有：餐厨类、塑料类、木竹类、纺织类、纸类、灰土类、金属类、玻璃类、陶瓷砖石类等，垃圾物理组分百分含量(平均值)见表2。

表2 仁怀市生活垃圾物理组分百分含量(平均值)

从表2可知，餐厨类垃圾占比最高，达46.58%，而塑料类、木竹类、纺织类、纸类等可燃物垃圾合计占比43.77%。混合收集的原生垃圾(简称为混合垃圾)的成分复杂，含水量高(餐余类垃圾占比高)、热值低，这导致垃圾焚烧工作稳定性较差，处理运行成本较高。因此，混合垃圾不利于垃圾资源化利用。

我国正在大力推行生活垃圾分类，提高垃圾资源化利用率，建设节约型社会。国家标准《生活垃圾分类标志》(GB/T 19095-2019)把生活垃圾分成四大类：可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾和其它垃圾。可回收垃圾是指可被二次利用的废物，包含纸类、塑料类、金属类、包装物、纺织类、玻璃类等。仁怀市生活垃圾按国家标准分类，在可回收垃圾基础上进行再分选，即把金属类、玻璃等不可燃物分选出来，余下的就是纸类、塑料类、纺织类等可燃物，称之为可燃垃圾。垃圾分类前的可燃垃圾总质量百分比为43.77%，分类后可燃垃圾中塑料类、纸类、木竹类和纺织类的相对质量百分含量(平均值)见表3。

表3 仁怀市生活垃圾分类后可燃垃圾质量百分含量(平均值)

从表2、表3可见，可燃垃圾含量由分类前43.77%提高到分类后100%，塑料类垃圾含量从22.8%提高到52.1%，其它成分也相应增加，这种成分变化将对垃圾焚烧性能造成影响。

2 垃圾分类前后的垃圾热值对比分析

通过调研获得仁怀市生活垃圾组分，采用物理组分计算法计算垃圾热值[1]，每种物理组分的单位热值的加权平均数为该垃圾的发热量值，公式如下：

H=ΣHi×Gi/100

(1)

式中：H—垃圾的干基发热量，kJ/kg；

Hi—垃圾各组分的干基发热量，kJ/kg；

Gi—垃圾各组分的干基质量组成，%。

各组分高位干基发热量见表4。

表4 生活垃圾各物理组分的单位热值

(1)分类前的垃圾热值

将生活垃圾分类前的物理组分数据(见表2)、各组分单位热值数据(见表4)代入公式(1)，得到生活垃圾分类前的干基高位热值为13 230 kJ/kg。

(2)分类后的垃圾热值

将生活垃圾分类后的物理组分数据(见表3)、各组分单位热值数据(见表4)代入公式(1)，得到生活垃圾分类后的干基高位热值为24 770 kJ/kg。

(3)影响分析

垃圾分类前的干基高位热值为13 230 kJ/kg，分类后的干基高位热值为24 770 kJ/kg，二者对比分析，垃圾分类后热值提高了87.2%。

3 垃圾分类对焚烧性能的影响

生活垃圾分类造成垃圾组分、热值等物性参数变化，势必影响垃圾焚烧的烟气量及排气成分、焚烧温度和焚烧炉设备运行状态。

3.1 烟气量及排气成分的影响

生活垃圾焚烧时，烟气中主要成分为CO2和H2O，以及少量的酸性气体(主要是HCl、SO2和NOx)。垃圾分类后成分变化会导致垃圾焚烧时产生的烟气量和酸性气体的变化。

(1)烟气量的影响分析

根据垃圾热值估算理论空气量和烟气量[2]：

V理空=1.01H/4200 +0.5

(2)

V烟=(λ-1)V理空+0.89H/4200+1.65

(3)

式中：V理空—理论空气量，Nm3/kg；

V烟—实际烟气量，Nm3/kg；

λ—过剩空气系数，炉排焚烧炉一般取1.5～1.9，本文取1.7。

①垃圾分类前的烟气量

垃圾分类前热值H=13 230 kJ/kg，代入公式(2)、(3)，得到：

V理空=3.68 Nm3/kg

V烟=7.03 Nm3/kg

②垃圾分类后的烟气量

垃圾分类后热值H=24 770 kJ/kg，代入公式(2)、(3)，得到：

V理空=6.46 Nm3/kg

V烟=11.42 Nm3/kg

③影响分析

垃圾分类前烟气量7.03 Nm3/kg，分类后烟气量11.42 Nm3/kg，分类后烟气量增加了62.45%。

(2)酸性气体的影响分析

生活垃圾中存在塑料类垃圾，其焚烧产生酸性气体：HCl、SO2和NOx。根据生活垃圾焚烧产生的酸性气体排放控制研究[3]，HCl浓度最大，分别是SO2和NOx浓度3倍以上，本文以浓度最大的HCl研究分析影响程度。仁怀市生活垃圾焚烧发电厂烟气检测数据表明(垃圾分类前)，烟气净化系统入口的HCl浓度为600 mg/Nm3(平均值)。

垃圾分类后，HCl浓度计算式：

(G塑1/G塑0)MHCl0V烟0=MHCl1V烟1

(4)

G塑0，G塑1—垃圾分类前后的塑料的质量百分含量：22.8%，52.1%；

V烟0，V烟1—垃圾分类前后的烟气量：7.03 Nm3/kg，11.42 Nm3/kg；

MHCl0，MHCl1—垃圾分类前后的HCl浓度：MHCl0=600 mg/Nm3。

把上述数据代入公式(4)，得到：

MHCl1=844 mg/Nm3

垃圾分类前HCl浓度为600 mg/Nm3，分类后HCl浓度为844 mg/Nm3，分类后HCl浓度增加了40.7%。

3.2 焚烧温度的影响分析

理论焚烧温度T：

(5)

(1)垃圾分类前的理论焚烧温度

分类前垃圾热值H=13 230 kJ/kg，λ取1.7，数据代入公式(5)，得到理论焚烧温度：

T=1 400 K

(2)垃圾分类后的理论焚烧温度

分类后垃圾热值H=24 770 kJ/kg，数据代入公式(5)，得到理论焚烧温度：

T=1 680 K

(3)影响分析

垃圾分类前的理论焚烧温度1 400 K，分类后的理论焚烧温度1 680 K，分类后理论焚烧温度提高了20%。焚烧温度提高，所需提供的辅助燃料用量减少，且产热量增加，可使垃圾处理成本降低，发电效率增加。

3.3 焚烧炉设备调节策略

通过以上研究分析可知，生活垃圾分类提高了垃圾热值和焚烧温度，同时提高了烟气量及酸性气体排放量，对原有焚烧炉设备运行造成以下影响：

(1)垃圾热值和焚烧温度提高，造成焚烧炉内热负荷上升，焚烧炉出口烟气温度将会高于初始设计值，进入余热锅炉烟气温度过高会使烟气中的飞灰处于熔融状态，不易沉降且粘连在其受热面，不但降低了传热效果，易形成受热面腐蚀，对炉墙造成破坏。

(2)垃圾焚烧空气量和烟气量增大，造成烟道阻力增大，现有焚烧炉的供风机和引风机将会处于超负荷状态或工作能力不足。

(3)烟气中酸性气体浓度增大，加大了烟气净化处理系统运行负荷。

针对上述影响，焚烧炉设备需进行调节以满足垃圾分类的焚烧运行要求，本文提出两种策略方法：

一是在焚烧炉构件不变的情况下，按以下方法处理：

(1)根据实际焚烧烟气量，加大原有供风量，同时降低氧含量，较低的过剩空气系数有助于控制金属腐蚀反应的发生[4]；

(2)根据实际垃圾热值降低垃圾进料量，保证炉排内焚烧温度不超负荷；

(3)垃圾含水率降低、热值高，可减少垃圾在炉排炉内的燃烧时间，或提高炉排料厚度，以免对炉排出现烧透现象；

(4)烟气中酸性气体增加，需增加碱液用量。

二是对焚烧炉进行改造，按以下方法处理：

(1)增大炉内换热面积，增加受热面；

(2)焚烧炉壁的耐火绝热结构改为可吸热的膜式水冷壁结构，控制炉膛温度；

(3)增设雾化喷枪，通过向炉膛内喷水，控制炉膛温度；

(4)余热锅炉提升材质抗腐蚀能力，可采用碳钢+Inconel625复合管、热喷涂、堆焊等方法来抑制或延缓腐蚀；

(5)调节一次风机、二次风机及引风机的工作参数；

(6)改造喷雾除酸塔，增加碱液流量及雾化性能。

4 结论

通过分析仁怀市生活垃圾分类前后的物理组分变化，研究对垃圾热值和焚烧性能的影响，得到以下结论：

(1)垃圾分类后，垃圾热值24 770 kJ/kg，提高87.2%，有利于垃圾能源化利用；

(2)垃圾分类后，理论焚烧温度1 680 K，提高20%，有利于降低垃圾处理运行成本，提高热能利用效率；

(3)垃圾分类后，烟气量11.42 Nm3/kg，增加62.45%，增大了焚烧炉运行负荷；

(4)垃圾分类后，烟气中酸性气体HCl浓度844 mg /Nm3，增加40.7%，增大了烟气净化系统运行负荷。

生活垃圾分类后，对垃圾焚烧炉设备运行产生较大影响，需对设备进行调节以满足焚烧运行要求。提出两种调节处理策略：一是在焚烧炉构体不变情况下的处理策略，即通过调节控制供风量、进料量及垃圾在炉内停留时间、碱液量等参数，满足垃圾分类后的焚烧运行要求；二是对焚烧炉进行改造处理策略，即增加炉内换热面积或炉内增设水冷壁，提高余热锅炉抗腐蚀能力，增大供风机和引风机工作参数等，适应垃圾分类后的焚烧运行要求。

生活垃圾分类有利于垃圾资源化利用，有效地提高了利用效率和效益。