高原高寒地區(qū)應(yīng)急保障垃圾處置實驗

胡 孫，陳紀(jì)賽，周永賢，張永良，王小峰

（中船綠洲環(huán)保（南京）有限公司，江蘇 南京 211162）

0 引言

我國高原高寒地區(qū)災(zāi)害主要包括地震、雪災(zāi)、堰塞湖等自然災(zāi)害[1]，區(qū)別于平原地區(qū)一般環(huán)境下的應(yīng)急救援，高原高寒地區(qū)的特殊環(huán)境條件不僅威脅著人員生命安全，而且會明顯降低保障裝備性能[2]，大型化、固定化保障設(shè)備無法滿足高原高寒地區(qū)應(yīng)急救援保障。目前，我國高原應(yīng)急應(yīng)變的能力不足，對“超常規(guī)、非典型”惡劣氣象條件下產(chǎn)生的現(xiàn)實問題研究不足[3]。郭建華等[4]針對高原高寒地區(qū)災(zāi)害現(xiàn)場生存保障裝備體系構(gòu)建開展研究，提出高原后勤保障須開展醫(yī)護(hù)衛(wèi)生保障任務(wù)中垃圾處置、重點(diǎn)輔助保障任務(wù)的需求。張俊體等[5]對高原高寒地區(qū)抗震救災(zāi)軍需保障進(jìn)行研究，總結(jié)出高原地區(qū)特殊的地形、氣候特點(diǎn)以及復(fù)雜的社情民情，救援保障與其他地區(qū)存在明顯區(qū)別。湯友富等[6]針對高原高寒鐵路應(yīng)急救援體系研究開展研究發(fā)現(xiàn)，高原高寒地區(qū)大型應(yīng)急救援裝備應(yīng)做到模塊化、無人化、智能化，小型應(yīng)急救援裝備應(yīng)做到輕便化、通用化。

目前，我國生活垃圾大多數(shù)采用集中焚燒處置[7]，但是我國城鄉(xiāng)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施目前建設(shè)存在很大差異性，發(fā)達(dá)城市后勤保障發(fā)展迅速[8]，國內(nèi)災(zāi)害現(xiàn)場后勤保障技術(shù)及裝備發(fā)展起步較晚，鮮有高原高寒地區(qū)的生存保障裝備研究。高原高寒地區(qū)地廣人稀、經(jīng)濟(jì)落后，垃圾的運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)成本太高，不適用于垃圾焚燒等集中式規(guī)?；幚硖幚?，垃圾缺少無害化處理設(shè)施[9]，高原高寒地區(qū)固廢物處理方法以簡單填埋和露天焚燒為主，60.8%的生活垃圾通過簡易露天焚燒進(jìn)行處理[10]，據(jù)美國環(huán)保署測算，露天焚燒每公斤垃圾產(chǎn)生的二噁英為焚燒廠的2 萬倍以上，其他污染物排放可達(dá)數(shù)十萬乃至數(shù)百萬倍[11]，加上高原高寒地區(qū)簡易的垃圾填埋場防滲措施弱，填埋場產(chǎn)生的滲濾液易對土壤和地下水造成環(huán)境污染，給高原高寒地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。WANG X T 等[12]對西藏地區(qū)6 座垃圾填埋場的土壤進(jìn)行污染分析和人體健康風(fēng)險評估發(fā)現(xiàn)，汞的累積性污染比背景值高6 倍。孟德安[13]對高原地區(qū)垃圾處置方式進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，高原特殊環(huán)境條件下，垃圾熱解焚燒技術(shù)更適用于高原地區(qū)小規(guī)模垃圾就地處理處置。

本次中試實驗依托于國家重點(diǎn)研發(fā)科技成果，在高原高寒地區(qū)利用移動式焚燒系統(tǒng)對高原高寒地區(qū)應(yīng)急保障中可能出現(xiàn)的垃圾進(jìn)行無害化焚燒處置，通過在特定環(huán)境條件下對系統(tǒng)的處理能力、焚燒后濾渣的熱灼減率以及煙氣排放濃度進(jìn)行測試，驗證在高原高寒地區(qū)應(yīng)急保障中對垃圾進(jìn)行無害化焚燒處置系統(tǒng)的可行性。整個系統(tǒng)利用垃圾在燃燒室內(nèi)徹底焚燒，將焚燒后的煙氣再經(jīng)過“急冷”+“活性炭吸附”+“布袋除塵”工藝處置達(dá)標(biāo)后排放。

該方案的優(yōu)勢在于整套系統(tǒng)采用撬裝化模塊設(shè)計，占地面積小移動性強(qiáng)，可滿足高原高寒地區(qū)特定環(huán)境條件下多個地區(qū)應(yīng)急保障需求，同時極大縮短設(shè)備安裝、調(diào)試時間。系統(tǒng)配置完善的煙氣處置系統(tǒng)，保障在焚燒過程中整個煙氣達(dá)標(biāo)排放，避免轉(zhuǎn)運(yùn)、就地焚燒以及填埋對高原高寒地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成危害。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料主要包括生活垃圾、“動物尸體”和“醫(yī)療垃圾”，其中，生活垃圾來源于當(dāng)?shù)鼐用?、兵站生活產(chǎn)生的垃圾（包括瓜果蔬菜殘、紙等）；“動物尸體”主要通過采購超市冷凍后的羊、鴨來模擬；“醫(yī)療垃圾”由于其來源較困難，因此采用普通的塑料垃圾、絨帆布替代，整個實驗焚燒系統(tǒng)采用-35 號柴油焚燒。

1.2 實驗方法

實驗場地設(shè)置在青海格爾木納赤臺，現(xiàn)場環(huán)境為海拔3 540 m，測試期間最低氣溫為-16 ℃，空氣中氧氣占13%～14.7%。試驗共計開展5 次，具體各待處理物的投加量占比見表1。

表1 實驗待處理物投加量占比

試驗處理過程中：①“動物尸體”，首先通過剪切式破碎機(jī)對整個“動物尸體”進(jìn)行切割破碎使其小型化，再通過料斗進(jìn)入帶有垃圾袋的收集裝置中，實現(xiàn)對“動物尸體”打包處理，最后通過自動進(jìn)料裝置進(jìn)入焚燒爐系統(tǒng)中；②“醫(yī)療垃圾”和生活垃圾，先將其打包后，再通過自動投料裝置進(jìn)入焚燒爐系統(tǒng)。

整個試驗過程中先后對焚燒后的關(guān)鍵核心參數(shù)（包括樣機(jī)處理量、熱灼減率及煙氣指標(biāo)）進(jìn)行采樣分析，其中具體核心參數(shù)測試方法如下：

（1）焚燒爐處理能力

整個樣機(jī)焚燒爐處理能力測試主要通過在連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時間內(nèi)，投放3 種不同垃圾進(jìn)行測試，具體試驗方法：①先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的啟動程序進(jìn)行預(yù)熱作業(yè)，整個預(yù)熱時間為1～2 h；②預(yù)熱完成后，將試驗物料由提升機(jī)自動投入至爐膛內(nèi)部；③在一定連續(xù)的試驗周期內(nèi)，將預(yù)處理后的物料投入爐膛內(nèi)，通過記錄投入物料的重量，計算焚燒爐投料量與時間的比值，作為焚燒爐處理量測試結(jié)果。

（2）熱灼減率測試

物料焚燒試驗后從焚燒殘渣取樣，進(jìn)行灼熱處理，計算質(zhì)量減少量與樣品質(zhì)量的比值，作為熱灼減率的測試結(jié)果。其計算方法如下：

式中：P 為熱灼減率，%；A 為焚燒殘渣經(jīng)100 ℃干燥2 h 后在室溫下的質(zhì)量（其中含有未燃燒的物質(zhì)），g；B 為焚燒殘渣經(jīng)600 ℃（± 25 ℃）3 h 灼熱后冷卻至室溫的質(zhì)量（即可燃物完全燃燒后的質(zhì)量），g。

（3）煙氣測試

本次試驗煙氣測試是在樣機(jī)連續(xù)運(yùn)行過程中，通過在樣機(jī)煙囪部位采集煙氣進(jìn)行測量，其中試驗需測試的污染物主要包括煙氣黑度、顆粒物（煙塵）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氯化氫（HCl）、氮氧化物（NOx）、汞及其化合物（以Hg 計）、二噁英等。整個煙氣樣品的采集和制備方法按照HJ/T 20—1998《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。

1.3 實驗樣機(jī)

實驗樣機(jī)采用撬裝化集成設(shè)計，所有核心單元集成在3 個方艙中，整個樣機(jī)主要由破碎單元、焚燒單元、煙氣處置單元及電控單元組成，其中破碎單元與電控單元集成在第1 個方艙中，焚燒單元集成在第2 個方艙，煙氣單元集成在第3 個方艙，所有方艙采用型號CAF60242，長× 寬× 高為6 058 mm ×2 438 mm × 2 438 mm，樣機(jī)系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 試驗系統(tǒng)整體布置示意

（1）破碎單元

破碎單元由破碎設(shè)備組成，破碎設(shè)備主要包括破碎裝置和提升裝置，破碎裝置采用剪切式破碎機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)型，主要由動刀組、定刀組、破碎箱、料斗、料倉、驅(qū)動減速電機(jī)等組成，其中動刀組和定刀組上各交錯設(shè)置一組切刀。提升裝置采用電動提升機(jī)，通過驅(qū)動電機(jī)將裝有動物尸體的垃圾桶提升至足夠高度后自動翻轉(zhuǎn)，動物尸體因重力滑落至破碎機(jī)料斗中進(jìn)行破碎。

（2）焚燒單元

焚燒單元主要由焚燒爐（包含爐排）、燃燒器、供油裝置、投料裝置、出灰裝置等組成，其中焚燒爐以爐排式焚燒爐為原型，采用“臥式爐排燃燒室結(jié)構(gòu)”+“二燃室結(jié)構(gòu)”設(shè)計，基于高原地區(qū)空氣密度比平原地區(qū)低,可能超過燃燒器空燃比的調(diào)節(jié)范圍,使得燃燒不穩(wěn)定[14]，整體焚燒爐搭配一體式比例調(diào)節(jié)壓力霧化燃燒器，焚燒爐爐體內(nèi)部溫度設(shè)置為850 ℃以上。

（3）煙氣單元

煙氣處置單元以急冷、除塵等為主，主要包括煙氣管道、噴淋冷卻室、活性炭噴射裝置、布袋除塵器、煙氣風(fēng)機(jī)、煙囪、脫酸裝置等核心部件，焚燒煙氣處理采用“急冷”+“活性炭吸附”+“布袋除塵”工藝處置。

（4）電控單元

整個工程樣機(jī)電控系統(tǒng)為整套系統(tǒng)的控制核心，可實現(xiàn)對電磁閥、電動閥、電機(jī)、水泵、燃燒器等執(zhí)行器件的準(zhǔn)確控制，以及對設(shè)備溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)的實時監(jiān)控與記錄。電控單元由設(shè)在方艙中的總控室、各現(xiàn)場控制柜、各測量儀表、傳感器及連接電纜構(gòu)成。

（5）工藝流程

本項目基本流程為“動物尸體”經(jīng)破碎方艙破碎處置后再進(jìn)行打包處理，其他垃圾直接打包進(jìn)入焚燒方艙焚燒處置，垃圾在燃燒室內(nèi)部高溫過氧的環(huán)境下充分燃燒，生成煙氣和無害的殘渣，煙氣經(jīng)二燃室再燃燒徹底分解后，進(jìn)入煙氣凈化裝置經(jīng)除塵、脫酸等處理后排向大氣，具體工藝流程見圖2。

圖2 試驗系統(tǒng)工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 測定焚燒處理量及熱灼減率

整個焚燒爐處理能力測試實驗先、后開展5 次，同時同步開展5 次焚燒后的熱灼減率采樣測試工作，整個熱灼減率測定樣品的采集和制備方法均按照HJ/T 20—1998 《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。其5 次焚燒爐處理量以及熱灼減率測試結(jié)果見表2。

表2 不同垃圾焚燒處理量及熱灼減率測試結(jié)果

由表2 可以看出，第1 次及第4 次焚燒熱灼減率高于其它3 次，原因是由于第1 次及第4 次測試時實驗處理量大且“動物尸體”（主要由羊骨頭、鴨骨頭組成）較多，“醫(yī)療垃圾”物料尺寸相對較大，整體可燃性較低，因此這2 次實驗采集的爐渣均存在不完全燃燒現(xiàn)象。而第3 次及第5 次測試的熱灼減率均較低（約為5%），其主要原因是雖然這2 次處理量不大，但“動物尸體”及生活垃圾占比高，物料的可燃性較低；第2 次焚燒測試的熱灼減率最低，主要原因是本次實驗在一定時間內(nèi)處理的物料量少且“醫(yī)療垃圾”占比高，因此整體燃燒充分。

綜上，當(dāng)待處理物可燃性較低且處理量大于200 kg/h 時，采用撬裝化設(shè)備焚燒垃圾可能存在處理后熱灼減率不達(dá)標(biāo)情況，當(dāng)處理物可燃性較高時，整個系統(tǒng)處理能力較大且焚燒徹底。在高原高寒應(yīng)急保障過程中，由于其垃圾來源途徑復(fù)雜，垃圾種類繁多，建議在焚燒過程中可將不同垃圾混合，同時對設(shè)備本身可按照200 kg/h 處理能力開展應(yīng)急保障工作。

2.2 煙氣凈化測定

對5 次焚燒過程中煙氣中的煙氣黑度、煙塵、CO、SO2、HCL、NOx、HF、汞及其化合物（以Hg計）、鎘及其化合物（以Cd 計）、鉛及其化合物（以Pb 計）、二噁英等分別采集樣品并測試，具體結(jié)果見表3。

表3 煙氣排放濃度測試清單 mg·m-3

由表3 可以看出，相關(guān)指標(biāo)測試結(jié)果均低于GB 18484—2020《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定值，其中煙塵、HF、汞及其化合物、鎘及其化合物均低于設(shè)備檢測限，整體濃度較低，第2 次實驗中二噁英濃度明顯高于以生活垃圾為主的實驗所測濃度，原因是由于第2 次試驗中醫(yī)療垃圾較多，塑料中含氯元素較多，因此在煙氣處置過程中，更容易產(chǎn)生二噁英[15]。分析發(fā)現(xiàn)，撬裝化處置在處置醫(yī)療垃圾焚燒過程中更容易產(chǎn)生二噁英，處理其他垃圾產(chǎn)生的二噁英濃度較低，3 種不同垃圾在焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣濃度均滿足高原高寒地區(qū)災(zāi)害現(xiàn)場下的煙氣凈化排放要求。

3 結(jié)論

（1）高原高寒應(yīng)急保障過程中，撬裝化設(shè)備處置“動物尸體”的能力相對較低，而處置“醫(yī)療垃圾”能力較強(qiáng)，建議在垃圾處置時可將多種垃圾進(jìn)行混合焚燒，增加待處理物的可燃性。撬裝化焚燒爐可滿足高原高寒地區(qū)災(zāi)害現(xiàn)場垃圾處置需求（200 kg/h），過大處理量則會導(dǎo)致焚燒的不徹底性。

（2）“醫(yī)療垃圾”焚燒產(chǎn)生的煙氣中二噁英含量較高，采用“急冷”+“活性炭吸附”+“布袋除塵”撬裝化煙氣凈化裝置能夠保障煙氣焚燒過程的達(dá)標(biāo)排放。

（3）通過高原高寒地區(qū)現(xiàn)場的測試實驗發(fā)現(xiàn)，撬裝化焚燒爐可滿足高原高寒地區(qū)災(zāi)害現(xiàn)場一定量的垃圾快速處置需求，其采用的撬裝化設(shè)計布局，可快速響應(yīng)高原高寒災(zāi)害現(xiàn)場多點(diǎn)的垃圾處置之工作，為我國高原高寒地區(qū)災(zāi)害后勤保障提供了技術(shù)及裝備支撐。