朱 浩，喻 武，薛 浩，馬曉玲

（中國(guó)環(huán)境保護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100082）

0 引言

生活垃圾焚燒發(fā)電處置設(shè)施是解決“垃圾圍城”的主要途徑，具有占地面積小，減量化、無害化、資源化程度高等優(yōu)勢(shì)［1-2］。但近幾年，隨著垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，全國(guó)很多城市都存在垃圾發(fā)電廠建設(shè)規(guī)模過度放大、電廠投入運(yùn)行后入爐垃圾不足的問題［3-5］。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，垃圾焚燒爐負(fù)荷不足，除造成單位垃圾運(yùn)行成本較高、影響項(xiàng)目投資收益外，也易引起二惡英等煙氣排放指標(biāo)超標(biāo)［6］。而另一方面，隨著城市工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量日益增多，2020 年，我國(guó)工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量達(dá)3.68×109t，綜合利用量2.04×109t，處置量9.20×108t［7］。工業(yè)有機(jī)固廢產(chǎn)生量高、處置缺口大，且具有較高熱值［8-10］。因此，城鎮(zhèn)現(xiàn)有的生活垃圾焚燒廠協(xié)同處置工業(yè)有機(jī)固廢，不僅可以充分利用焚燒設(shè)施處理余量來增加發(fā)電收益，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)城市多種廢物一體化管理與風(fēng)險(xiǎn)管控［11］。

工業(yè)有機(jī)固廢來源多、組分復(fù)雜，不同組分、不同摻燒比對(duì)焚燒設(shè)施影響有所差別［12-13］。目前，多數(shù)研究者側(cè)重從理論分析和試驗(yàn)?zāi)M的角度研究，工程實(shí)例應(yīng)用分析較少。張蓓等［10］對(duì)不同固體廢物（市政污泥與生活垃圾、木材與生活垃圾等）混燒產(chǎn)生有機(jī)污染物的形成機(jī)理進(jìn)行研究，得出固廢種類、添加比例、組分、含水率等能夠影響有機(jī)污染物的生成。王琬麗［11］通過在爐排爐中試試驗(yàn)臺(tái)上開展協(xié)同焚燒試驗(yàn)，得出生活垃圾、造紙和紡織固體廢物摻燒對(duì)煙氣污染物未產(chǎn)生不利影響，是較為可行的方案。戴勇等［14］通過對(duì)某城市工業(yè)垃圾調(diào)研并結(jié)合鍋爐計(jì)算、燃燒模擬試驗(yàn)，得出摻燒工業(yè)垃圾后運(yùn)行成本增高，但整廠經(jīng)濟(jì)效益提高，同時(shí)建議設(shè)計(jì)煙氣凈化系統(tǒng)時(shí)重視煙氣污染物的波動(dòng)及高溫腐蝕，合理控制Cl 和S 含量高的工業(yè)垃圾的摻燒量。

綜上，針對(duì)生活垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同處置工業(yè)有機(jī)固廢的理論研究已經(jīng)展開，但垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾組分、工況遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室的研究條件復(fù)雜，上述研究在實(shí)際工程應(yīng)用中參考價(jià)值較小。因此，我國(guó)垃圾發(fā)電廠協(xié)同處置工業(yè)有機(jī)固廢時(shí)，仍然按照焚燒生活垃圾或者摻燒污泥、沼渣等有機(jī)固廢的方式進(jìn)行焚燒?；诖耍狙芯酷槍?duì)生活垃圾焚燒發(fā)電廠摻燒工業(yè)有機(jī)固廢的現(xiàn)狀，在典型垃圾焚燒發(fā)電廠使用的爐排爐上開展工業(yè)有機(jī)固廢摻燒，研究其摻混比例以及摻燒工業(yè)有機(jī)固廢時(shí)焚燒爐的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)控，研究結(jié)果能為垃圾焚燒爐摻燒工業(yè)有機(jī)固廢的理論研究以及工程應(yīng)用提供系統(tǒng)指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象及試驗(yàn)方法

本研究依托我國(guó)南方某城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠配套的600 t/d 的爐排爐進(jìn)行工業(yè)有機(jī)固廢摻燒試驗(yàn)，焚燒爐采用VON ROLL L 型爐排爐，余熱鍋爐為中溫中壓（400 ℃、4 MPa），垃圾焚燒系統(tǒng)示意見圖1。垃圾由抓斗投入給料斗，沿著給料溜管滑至焚燒爐，再由給料器定量推入爐排，爐排分為干燥段、燃燒段、燃燼段［15］，通過爐排不斷運(yùn)動(dòng)，完成垃圾的預(yù)熱及干燥、氣化及燃燒、燃燼及冷卻過程，落入出渣機(jī)。每段爐排下設(shè)風(fēng)室，來自垃圾倉經(jīng)預(yù)熱后的一次風(fēng)，由總風(fēng)管引至爐排底部并分別送到不同的風(fēng)室。來自焚燒廠房和出渣機(jī)出口附近的二次風(fēng)由二次風(fēng)管送至爐內(nèi)。煙氣凈化系統(tǒng)采用“選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）脫硝系統(tǒng)+旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫酸+（活性炭+干法）噴射系統(tǒng)+布袋除塵器”組合工藝。

圖1 垃圾焚燒系統(tǒng)示意Figure 1 Waste incineration system schematic

試驗(yàn)摻燒的工業(yè)有機(jī)固廢主要來自臨近地區(qū)造紙廠邊角料，生活垃圾和工業(yè)有機(jī)固廢的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 生活垃圾和工業(yè)有機(jī)固廢采樣元素分析、工業(yè)分析結(jié)果及低位熱值（收到基）Table 1 Sampling element analysis，industrial analysis results and low calorific value of MSW and industrial organic solid waste（ar）

試驗(yàn)時(shí)在生活垃圾與工業(yè)有機(jī)固廢摻燒總量600 t/d 不變的情況下，從不同摻燒比、一次風(fēng)和二次風(fēng)配風(fēng)總量、各分段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間（表征垃圾停留時(shí)間）等角度測(cè)試摻燒工業(yè)有機(jī)固廢對(duì)焚燒爐爐膛溫度、鍋爐蒸發(fā)量及煙氣成分產(chǎn)生的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 摻燒比的影響

本項(xiàng)目垃圾焚燒廠的日常運(yùn)行采用燃燒控制系統(tǒng)（ACC）進(jìn)行自動(dòng)控制。為了測(cè)試?yán)贌隣t實(shí)際摻燒工業(yè)有機(jī)固廢的處置能力，此組試驗(yàn)中，保持ACC 投運(yùn)，以工業(yè)有機(jī)固廢摻燒比例（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）分別為0、10%、20% 進(jìn)行測(cè)試分析，不同摻燒比下的混合垃圾元素分析、低位熱值及工業(yè)分析數(shù)據(jù)采用差值法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。由表1、表2 可知，工業(yè)有機(jī)固廢含水率和灰分含量低，揮發(fā)分、固定碳和熱值高于生活垃圾，項(xiàng)目摻入工業(yè)有機(jī)固廢后提高了混合垃圾的熱值。

表2 不同摻燒比下混合垃圾的元素分析、工業(yè)分析及低位熱值（收到基）Table 2 Elemental analysis，industrial analysis and low calorific value of mixed waste under different mixing ratio（ar）

分析不同摻燒比所對(duì)應(yīng)的3 種工況，每種工況下記錄4 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)在開始摻燒2 h后進(jìn)行記錄、每次記錄間隔30 min。試驗(yàn)結(jié)果排除異常點(diǎn)后取平均值，結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 不同摻燒比對(duì)主蒸汽流量和爐膛溫度的影響Figure 2 The influence of different mixing ratio on main steam flow and furnace temperature

圖3 不同摻燒比對(duì)排放煙氣污染物HCl、NOx和SO2的影響Figure 3 The influence of different mixing ratio on emission of flue gas pollutants HCl，NOx and SO2

從圖2、圖3 中可以看出，摻燒工業(yè)有機(jī)固廢后主蒸汽流量、爐膛溫度、排放煙氣污染物求平均值后數(shù)據(jù)變化都不大，均在項(xiàng)目可接受范圍內(nèi)，說明在現(xiàn)有生活垃圾焚燒發(fā)電設(shè)施上摻燒工業(yè)有機(jī)固廢的3 種工況是可行的。另外，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，摻燒工業(yè)有機(jī)固廢10% 時(shí)，熱灼減率為0.99%，比無摻燒時(shí)的熱灼減率（2.51%）降低；但在摻燒比為20% 時(shí)，熱灼減率增加至2.73%，說明工業(yè)有機(jī)固廢摻燒比例10%時(shí)為較優(yōu)工況。

2.2 焚燒配風(fēng)調(diào)節(jié)的影響

在未摻燒工業(yè)有機(jī)固廢時(shí)，一次風(fēng)的調(diào)節(jié)會(huì)對(duì)蒸汽負(fù)荷產(chǎn)生直接影響，整體規(guī)律為增大一次風(fēng)，蒸汽負(fù)荷升高，降低一次風(fēng)，蒸汽負(fù)荷降低；干燥段爐排的參數(shù)對(duì)垃圾的水分產(chǎn)生直接影響，整體規(guī)律為停留時(shí)間長(zhǎng)或風(fēng)量配比高，干燥更加徹底；燃燒段爐排的參數(shù)對(duì)垃圾的燃燒產(chǎn)生直接影響，整體規(guī)律為停留時(shí)間長(zhǎng)或風(fēng)量配比高會(huì)使燃燒更加充分。在運(yùn)行項(xiàng)目中，為找出爐排爐控制參數(shù)對(duì)焚燒爐燃燒的影響，試驗(yàn)中ACC 關(guān)閉，在摻燒10% 工業(yè)有機(jī)固廢的情況下，分析一、二次風(fēng)量及各爐排段的停留時(shí)間對(duì)摻燒工業(yè)有機(jī)固廢后的焚燒爐的影響。

2.2.1 調(diào)節(jié)一次風(fēng)

數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)1～5 為焚燒爐運(yùn)行中一次風(fēng)增加10%～15% 時(shí)，各參數(shù)隨時(shí)間推移通過分散控制系統(tǒng)（DCS）顯示的測(cè)量值，如圖4 所示。由圖4 可以看出，增加一次風(fēng)后，爐膛溫度和主蒸汽流量有明顯升高，如調(diào)控不好，爐溫的迅速升高可能導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)過程發(fā)生結(jié)焦，這主要是因?yàn)楣I(yè)有機(jī)固廢熱值高，一次風(fēng)量增加，使燃燒更加充分。

圖4 一次風(fēng)增加前后主蒸汽流量和爐膛溫度變化情況Figure 4 Changes on main steam flow and furnace temperature before and after primary air increase

2.2.2 調(diào)節(jié)二次風(fēng)

數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)1～5 為焚燒爐運(yùn)行中二次風(fēng)增加15%～25%時(shí)，各參數(shù)隨時(shí)間推移通過DCS 系統(tǒng)顯示的測(cè)量值，如圖5 所示。由圖5 可以看出，增加二次風(fēng)后，主蒸汽流量先降后升，但爐溫先降低后略有增高，相對(duì)于增加一次風(fēng)時(shí)更溫和平穩(wěn)。這主要是因?yàn)槎物L(fēng)的湍流促使高溫?zé)煔馔Ａ魰r(shí)間增加，引起蒸發(fā)量和爐膛溫度小幅上升。因此可以適當(dāng)增加二次風(fēng)，對(duì)運(yùn)營(yíng)起到控制爐溫、減少結(jié)焦的作用。

圖5 二次風(fēng)增加前后主蒸汽流量和爐膛溫度變化情況Figure 5 Changes on main steam flow and furnace temperature before and after secondary air increase

2.3 各分段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響

為找出爐排爐控制參數(shù)對(duì)焚燒爐燃燒的影響，試驗(yàn)中ACC 關(guān)閉、在摻燒10%工業(yè)有機(jī)固廢的情況下，分析調(diào)節(jié)各分段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)焚燒爐的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)為焚燒爐運(yùn)行中各參數(shù)隨時(shí)間推移通過DCS 系統(tǒng)顯示的測(cè)量值。

2.3.1 干燥段爐排

將干燥段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少10 s，即縮短垃圾在干燥段的停留時(shí)間，其試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出，爐膛溫度降低10 ℃左右、主蒸汽流量幾乎無影響。分析其原因如下：干燥段主要作用是對(duì)物料進(jìn)行預(yù)熱、蒸發(fā)水分，本項(xiàng)目摻燒的工業(yè)有機(jī)固廢與生活垃圾相比，含水率低、揮發(fā)分和熱值高，更易燃燒，所以可以適當(dāng)縮短混合垃圾在干燥段的停留時(shí)間，使物料盡快進(jìn)入燃燒段燃燒。

圖6 干燥段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少10 s 時(shí)主蒸汽流量、爐膛溫度變化情況Figure 6 Changes on main steam flow and furnace temperature when drying section grate movement time reduce 10 s

2.3.2 燃燒段爐排

將燃燒段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加15 s，即延長(zhǎng)垃圾在燃燒段的停留時(shí)間時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出，爐膛溫度升高并維持在1 020 ℃以上，主蒸汽流量增加。分析其原因如下：在燃燒段混合垃圾經(jīng)歷可燃揮發(fā)分析出、揮發(fā)分著火燃燒、固定碳著火燃燒的過程，增加垃圾在此段的停留時(shí)間，使燃燒更充分進(jìn)行，所以爐膛溫度和主蒸汽流量均增加。

圖7 燃燒段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加15 s 時(shí)主蒸汽流量、爐膛溫度變化情況Figure 7 Changes on main steam flow and furnace temperature when combustion section grate movement time increase 15 s

2.3.3 燃燼段爐排

將燃燼段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少10 s，即縮短垃圾在燃燼段的停留時(shí)間，其試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可以看出，爐膛溫度和主蒸汽流量均降低。分析其原因如下：火線集中在燃燒爐排后段和燃燼爐排前段，加快燃燼爐排速度，火線后移，熱量損失增加，造成爐溫和蒸發(fā)量下降。

圖8 燃燼段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少10 s 時(shí)主蒸汽流量、爐膛溫度變化情況Figure 8 Changes on main steam flow and furnace temperature when ember section grate movement time reduce 10 s

3 結(jié)論

1）在現(xiàn)有生活垃圾焚燒發(fā)電設(shè)施上摻燒工業(yè)有機(jī)固廢0、10%、20%這3 種工況均可行，通過對(duì)比3 種工況的燃燒情況，其中摻燒比例10% 為較優(yōu)工況。

2）增加一、二次風(fēng)量均能使主蒸汽流量增大，但是調(diào)節(jié)二次風(fēng)時(shí)爐溫更溫和平穩(wěn)，因此運(yùn)營(yíng)時(shí)可以適當(dāng)增加二次風(fēng)加強(qiáng)擾動(dòng)，控制爐溫減少結(jié)焦。

3）對(duì)摻燒含水率低的工業(yè)有機(jī)固廢，適當(dāng)縮短干燥段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間，增加燃燒段和燃燼段爐排運(yùn)動(dòng)時(shí)間，有助于焚燒爐燃燒。