現(xiàn)有生活垃圾焚燒廠摻燒工業(yè)固廢及其垃圾池管理分析＊

石凱軍，蹇瑞歡

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

1 引言

隨著《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法》修訂實(shí)施，工業(yè)固廢的收集量將大幅增加。利用現(xiàn)有生活垃圾焚燒廠摻燒工業(yè)固廢，發(fā)揮生活垃圾焚燒設(shè)施處置能力和優(yōu)勢(shì)，既可有效利用生活垃圾焚燒設(shè)施產(chǎn)能，又能協(xié)同處置工業(yè)固廢，具有較為明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，也是實(shí)現(xiàn)“無(wú)廢城市”的重要手段。本研究的工業(yè)固廢主要指工業(yè)有機(jī)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(shù)生活垃圾焚燒廠在運(yùn)行中會(huì)根據(jù)入爐生活垃圾低位熱值有選擇地、少量摻燒工業(yè)固廢。摻燒時(shí)垃圾池依然按單純處理生活垃圾的方式進(jìn)行管理，垃圾池內(nèi)未設(shè)置工業(yè)固廢的專用儲(chǔ)存區(qū)域及攪拌、混合區(qū)域。針對(duì)工業(yè)固廢低含水率、高熱值的特點(diǎn)，若現(xiàn)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(jìn)行充分?jǐn)嚢?、混合，入爐垃圾熱值可能存在波動(dòng)，很難滿足焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行的需要。本研究從設(shè)備的技術(shù)性能、運(yùn)行中垃圾池的管理方式方面進(jìn)行對(duì)比分析，為大比例摻燒工業(yè)固廢時(shí)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(xiàng)目參考應(yīng)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(yè)固廢低位熱值Qgy以及現(xiàn)有生活垃圾焚燒廠生活垃圾低位熱值Qsh之間的關(guān)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(yè)固廢低位熱值、現(xiàn)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(shí)處理量、工業(yè)固廢小時(shí)摻燒量，kg/h。

1）對(duì)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(duì)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(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 Qh、Qgy與α 的關(guān)系Figure 1 The relationship between Qh，Qgyand α

其次，Qh主要受到爐膛容積熱負(fù)荷qv和爐排面機(jī)械負(fù)荷qF的限制。目前我國(guó)現(xiàn)有生活垃圾焚燒廠入爐垃圾成分復(fù)雜、含水率高、無(wú)機(jī)物質(zhì)含量高、有機(jī)物含量低［1］。對(duì)于已按此特性設(shè)計(jì)、投運(yùn)的機(jī)械爐排爐來(lái)說(shuō)，能夠穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，qF的范圍一般為60%～110%，qv的范圍一般為70%～100%［2］。

當(dāng)qF小于60%時(shí)，爐排面料層過(guò)薄，容易造成燃料層脫火，燃燒不穩(wěn)定，較難控制；當(dāng)qF大于110%時(shí)，爐排面料層過(guò)厚，一次風(fēng)穿過(guò)燃料層阻力過(guò)大，燃燒室氧氣濃度過(guò)低，爐排燃盡段會(huì)后移，燃料燃燒不充分，爐渣熱熔減率增加，同時(shí)爐排片的磨損加劇，更換頻率提高。

當(dāng)qv小于70%時(shí)，爐膛燃燒溫度降低，影響燃燒污染物的控制；當(dāng)qv大于100%時(shí)，爐膛燃燒溫度會(huì)增大，爐膛熱負(fù)荷過(guò)高，余熱鍋爐受熱面易發(fā)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(guān)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(shè)計(jì)熱值，kJ/kg；qv為爐膛容積熱負(fù)荷，kW/m3；qF為爐排面機(jī)械負(fù)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(guān)系Figure 2 The relationship between Qhand

對(duì)于現(xiàn)有生活垃圾焚燒廠已按我國(guó)生活垃圾特性設(shè)計(jì)、投運(yùn)的機(jī)械爐排爐來(lái)說(shuō)，Qh同時(shí)也受到現(xiàn)有焚燒爐入爐垃圾低位設(shè)計(jì)熱值上限的限制?，F(xiàn)有焚燒爐典型燃燒見(jiàn)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(yīng)超過(guò)現(xiàn)有焚燒爐入爐垃圾低位設(shè)計(jì)熱值上限。以圖3 為例， 應(yīng) 保 證Qh≤9 211 kJ/kg， A-B-C-D-E-GMCR-A為焚燒爐能夠穩(wěn)定運(yùn)行的區(qū)域。

如圖3 所示，現(xiàn)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(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)檢測(cè)入爐Qsh=7 000 kJ/kg。如果計(jì)劃大比例摻燒工業(yè)固廢（經(jīng)檢測(cè)Qgy=17 500 kJ/kg），結(jié)合圖3，當(dāng)確定Qh=9 000 kJ/kg 時(shí)，則-qF約為0.8，α可達(dá)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(wěn)定運(yùn)行范圍之內(nèi)，從焚燒爐的角度來(lái)看，摻燒是可行的；同時(shí)，對(duì)于熱力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，因?yàn)闊嶝?fù)荷在允許范圍內(nèi)，因此鍋爐、汽機(jī)運(yùn)行工況均在額定工況范圍內(nèi)，摻燒也是可行的。

3 垃圾池管理方案

針對(duì)垃圾池管理及垃圾吊的配置進(jìn)行對(duì)比分析。例如某項(xiàng)目原垃圾池采用混凝土澆筑，長(zhǎng)度93 m、寬度31.4 m、池底標(biāo)高-6 m，在卸料平臺(tái)標(biāo)高+8 m 處，安裝垃圾卸料門10 臺(tái)。垃圾池總有效容積41 300 m3，頂部設(shè)置3 臺(tái)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(tái)750 t/d 機(jī)械爐排爐，日處理生活垃圾2 250 t［4］。假設(shè)可以按照25%的比例摻燒工業(yè)固廢，現(xiàn)提供4個(gè)方案作對(duì)比分析。

3.1 方案一：工業(yè)固廢直接卸入每日生活垃圾取料區(qū)

方案一的總體思路是盡量減少對(duì)原垃圾池及垃圾吊的改動(dòng)，在運(yùn)行上對(duì)垃圾池進(jìn)行分區(qū)管理，將需要摻燒的工業(yè)固廢直接卸入每日生活垃圾取料區(qū)，見(jiàn)圖4。

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

分區(qū)管理：垃圾池共分為5個(gè)存料區(qū)域，每日進(jìn)廠垃圾存入其中一個(gè)固定的存料區(qū)域，前5 d 的存料區(qū)域?yàn)楫?dāng)日入爐垃圾取料區(qū)。本方案不設(shè)置專用混料區(qū)域，由垃圾吊在該日取料區(qū)域內(nèi)完成混料及上料。

卸料門配置：每個(gè)存料區(qū)域配置兩套卸料門，共10 套卸料門。進(jìn)車高峰時(shí)可開啟相鄰區(qū)域卸料門暫存垃圾，進(jìn)車正常后只開啟入廠存料區(qū)域卸料門。

垃圾吊配置：為2 用1 備，由兩臺(tái)垃圾吊負(fù)責(zé)3臺(tái)焚燒爐的取料、混料、上料。操作員兩人。

3.2 方案二：工業(yè)固廢卸入流動(dòng)存料/混料區(qū)

方案二是在方案一的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)工業(yè)固廢存料/混料區(qū)，將需要摻燒的工業(yè)固廢卸入工業(yè)固廢存料/混料區(qū)，見(jiàn)圖5。

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

分區(qū)管理：垃圾池共分為6個(gè)存料區(qū)域，其中5 個(gè)區(qū)域?yàn)槊咳者M(jìn)廠生活垃圾存料區(qū)域，存料、取料方式同方案一。1 個(gè)區(qū)域?yàn)楣I(yè)固廢存料區(qū)域，同時(shí)兼作混料區(qū)域，位于每日入爐生活垃圾存料區(qū)域鄰側(cè)。運(yùn)行時(shí)，每日入廠工業(yè)固廢直接卸入混料區(qū)域；生活垃圾由垃圾吊自當(dāng)日入爐垃圾取料區(qū)域取料后在混料區(qū)域混合后完成上料。

卸料門配置：每個(gè)存料區(qū)域配置兩套卸料門，共12套卸料門。進(jìn)車高峰時(shí)調(diào)節(jié)方式同方案一。

垃圾吊配置同方案一。

3.3 方案三：工業(yè)固廢卸入焚燒爐專設(shè)固廢存料/混料區(qū)

方案三是將垃圾池內(nèi)的分區(qū)與焚燒爐建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，盡量減少垃圾吊在工作中的交錯(cuò)干擾，見(jiàn)圖6。

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

分區(qū)管理：其中垃圾池共分為3個(gè)區(qū)域，每臺(tái)焚燒爐設(shè)立固定的存料、取料區(qū)域。在3個(gè)大區(qū)域內(nèi)再細(xì)分管理，可按生活垃圾的發(fā)酵天數(shù)要求再分為若干個(gè)生活垃圾存料區(qū)及1 個(gè)工業(yè)固廢混料區(qū)。細(xì)分方案如圖7所示。

圖7 方案三詳細(xì)分區(qū)Figure 7 Detailed division of scheme 3

卸料門配置：每個(gè)存料區(qū)域配置3 套卸料門，共9 套卸料門，運(yùn)輸車次確定后亦可設(shè)6～8 套。因每個(gè)區(qū)域內(nèi)的卸料門均可開啟收料，因此無(wú)論進(jìn)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(tái)垃圾吊負(fù)責(zé)1臺(tái)焚燒爐的取料、混料、上料，并且垃圾吊具有固定的工作區(qū)域。操作員3人。

3.4 方案四：工業(yè)固廢卸入垃圾池專設(shè)固廢存料/混料區(qū)

方案四是在垃圾池內(nèi)建立垃圾吊的固定工作區(qū)域，盡量減少垃圾吊在運(yùn)行中的交錯(cuò)干擾。

分區(qū)管理：垃圾池共分為3個(gè)區(qū)域，兩側(cè)兩個(gè)大區(qū)為生活垃圾存料區(qū)域，中間小區(qū)為工業(yè)固廢存料、混料區(qū)域，見(jiàn)圖8。每個(gè)大區(qū)再細(xì)分為5個(gè)小區(qū)域，細(xì)分方案如圖9所示。運(yùn)行時(shí)，每日入廠工業(yè)固廢直接卸入混料區(qū)域，由垃圾吊自當(dāng)日入爐生活垃圾取料區(qū)域取料后在混料區(qū)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(xì)分區(qū)Figure 9 Detailed division of scheme 4

卸料門配置：每個(gè)生活垃圾存料區(qū)域配置4套卸料門，工業(yè)固廢存料/混料區(qū)域設(shè)置2 臺(tái)卸料門，共10套卸料門。

垃圾吊配置同方案一。

3.5 方案對(duì)比分析

對(duì)4個(gè)方案作總體定性對(duì)比分析，同時(shí)復(fù)核摻燒工業(yè)固廢時(shí)垃圾吊的生產(chǎn)率，如表1所示。

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

通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，方案二、方案三分別需要增設(shè)卸料門和垃圾吊。對(duì)于現(xiàn)有焚燒廠來(lái)說(shuō)，方案二須保證每個(gè)分區(qū)至少有1～2個(gè)卸料門，如果卸料門的安裝條件不能滿足，則該方案實(shí)施難度較大。另外，方案二實(shí)施時(shí)應(yīng)盡量使工業(yè)固廢存料/混料區(qū)域靠垃圾池中間布置，以便兩臺(tái)垃圾吊工作時(shí)相互交叉的時(shí)間最少。方案三與其他3 個(gè)方案相比，增加了1臺(tái)參與工作的垃圾吊，但同時(shí)每臺(tái)吊車的生產(chǎn)率及總的利用率大幅降低，故障率也會(huì)降低。且方案三建立的是垃圾池-垃圾吊-焚燒爐一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，未來(lái)使用全自動(dòng)上料時(shí)易于管理，比較有優(yōu)勢(shì)。

方案一、方案四均不需要增設(shè)卸料門及垃圾吊，對(duì)現(xiàn)有焚燒廠來(lái)說(shuō)，較易實(shí)現(xiàn)。方案一垃圾池總有效庫(kù)容沒(méi)有減少，但未設(shè)置工業(yè)固廢存料、混料專區(qū)，存在混料不充分的可能。方案四垃圾池總有效庫(kù)容減少了約14%，但設(shè)置有工業(yè)固廢存料、混料專區(qū)，對(duì)工業(yè)固廢的接收有一定的調(diào)節(jié)容量，同時(shí)混料專區(qū)也能使混料更充分，Qh更穩(wěn)定，有利于燃燒控制。且方案四每個(gè)垃圾吊都在固定區(qū)域內(nèi)工作，兩臺(tái)工作的垃圾吊交叉區(qū)域少，干擾少。

垃圾吊的運(yùn)行條件與垃圾池的布置密切相關(guān)，以本案例的4個(gè)方案作對(duì)比：

1）方案一、方案二、方案四均由兩臺(tái)垃圾吊負(fù)責(zé)3 臺(tái)焚燒爐的上料、倒垛，方案三建立的是1臺(tái)垃圾吊負(fù)責(zé)1臺(tái)焚燒爐的上料、倒垛。垃圾池尺寸及垃圾吊基本運(yùn)行參數(shù)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(shù)參數(shù)Table 3 Waste crane technical parameters

2）方案一、方案三在當(dāng)日入爐生活垃圾取料區(qū)域完成混料，不存在生活垃圾取料后再轉(zhuǎn)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(shí)生活垃圾由垃圾吊自當(dāng)日入爐垃圾取料區(qū)域取料后在混料區(qū)域混合后完成上料，相當(dāng)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(chǎn)率P的計(jì)算見(jiàn)公式（5）［5］。

式中：P為垃圾吊生產(chǎn)率，t/h；Q、G分別為垃圾吊額定起重量、抓斗質(zhì)量，t；t為運(yùn)行1 次時(shí)間（與垃圾池尺寸及吊車工作計(jì)制相關(guān)，可計(jì)算疊加），min；Ψ為抓斗充滿系數(shù)，一般取0.9。

通過(guò)上述計(jì)算，各方案垃圾吊運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

表4 4 種方案垃圾吊運(yùn)行負(fù)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(shí)互相干擾的可能。結(jié)合垃圾池的管理方案，綜合考慮運(yùn)行時(shí)垃圾吊操作的便捷性、可靠性及垃圾吊負(fù)載的可承受范圍，推薦方案四為優(yōu)選方案，其他可作為參考備選方案。

4 結(jié)論

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

2）Qh主要受qv和qF的限制，且應(yīng)在焚燒爐典型燃燒正常運(yùn)行范圍之內(nèi)，所以Qh應(yīng)根據(jù)焚燒爐的設(shè)計(jì)參數(shù)確定。

3）建議垃圾池內(nèi)設(shè)置工業(yè)固廢存料區(qū)/混料區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)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(xiàn)有生活垃圾焚燒廠不需要增設(shè)垃圾吊及卸料門，且運(yùn)行時(shí)垃圾吊相互干擾少。同時(shí)應(yīng)注意到垃圾吊的生產(chǎn)率、總利用率明顯提高，因此須復(fù)核設(shè)備的選型裕量。