垃圾焚烧发电厂协同处置填埋场陈腐垃圾的效果研究——以某垃圾焚烧发电厂为例

余春江，饶 怡，廖 强，兰青平，汪 洋

(成都市兴蓉再生能源有限公司，成都 610000)

前 言

过去数十年，将生活垃圾送入填埋场填埋是我们处理生活垃圾的主要方式。然而，填埋法会占据很多土地资源，造成周边地下水和土壤二次污染，造成周边环境恶臭，大大了降低周边区域的生态开发价值。而采用焚烧发电的方式处理生活垃圾，二次污染小，焚烧后仅剩不到20%残渣，不仅能实现垃圾减容，节约土地，还能将焚烧热能转化为电能，产生很好的经济效益和生态效益，焚烧发电方式已成为近些年我国生活垃圾处理的首选方式。截至2021年底，我国城市生活垃圾焚烧处理能力在无害化处置能力的占比已接60%[1]。尽管近几年我国已投运的垃圾焚烧发电项目快速增长，但垃圾填埋场作为集中处置垃圾焚烧飞灰、残渣和垃圾焚烧厂检修时生活垃圾的临时应急贮存场所，对实现城市生活垃圾的最终兜底处置发挥着无可替代的作用[2]。垃圾焚烧厂和垃圾填埋厂均为城市生活垃圾无害化处理基础设施的必要配置。且在许多城市地区，已形成了垃圾焚烧发电厂、垃圾填埋场伴生共存的固废处理园区模式。

目前全国许多大城市已面临着垃圾填埋场库容饱的问题，《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》指出：原则上不再规划和新建原生垃圾填埋设施，现有生活垃圾填埋场剩余库容转为兜底保障填埋设施备用。事实上，很多城市垃圾填埋场库容已接近饱和，填埋场陈腐垃圾如不处理，垃圾焚烧残渣在垃圾焚烧厂检修时的城市生活垃圾将无处可填，城市将面临“垃圾围城”的困境。处理填埋场陈腐垃圾，释放一定库容，缓解城市垃圾处置压力，是很多城市面临的共性问题。对已饱和垃圾填埋场陈腐垃圾进行二次开挖并送入垃圾焚烧发电厂进行焚烧产生的热能进行发电，是实现填埋场陈腐垃圾资源化利用且腾挪填埋场库容的有效途径之一[2]。

业内也有一些焚烧原生垃圾的垃圾焚烧发电厂掺烧填埋场陈腐垃圾运行的案例，但多为粗放的凭运行经验将陈腐垃圾掺烧。本研究并以西南地区一垃圾焚烧发电厂其中一条焚烧炉生产线为试验研究对象开展陈腐垃圾掺烧试验，系统的研究掺烧比例和对焚烧系统运行效果的影响。为业内类似掺烧填埋场陈腐垃圾的垃圾焚烧厂提供运行参考。

1 材料与方法

1.1 试验研究对象

本文以西南地区某垃圾焚烧发电厂为研究对象。垃圾焚烧发电厂位于一即将封场的垃圾填埋场附近，与该填埋场已形成了焚烧-填埋伴生共存的固废处理园区。该垃圾焚烧发电厂设计日处理城市生活垃圾1500t，配置3台500t/d机械炉排炉，3台中温中压余热锅炉、2台15MW汽轮发电机组。该厂已投运数年，建厂设计时并未考虑投运后期会实施协同焚烧附近垃圾填埋场陈腐垃圾，故焚烧系统相关设计参数为参考拟接收片区的原生垃圾性质进行设计。附近的垃圾填埋场投运已有近20年，为山谷型填埋场，纵深较大，库容有近200万方。由于近几年服务区域内生活垃圾量显著增长，该填埋场设计处理能力已远远跟不上实际垃圾量需求，目前库容已饱和。虽附近已投运垃圾焚烧发电厂承担着对服务区域生活垃圾的处置功能，但在垃圾焚烧发电厂检修期间，此垃圾填埋场需承担对区域生活垃圾的应急兜底保障。亟需对该填埋场陈腐垃圾进行开挖和减量化、资源化处理，为原生垃圾应急填埋腾出库容。

1.2 原生垃圾和陈腐垃圾的性质比较

填埋场是生活垃圾的天然生物反应器[3]，随着填埋时间的推移，垃圾中的有机组分不断降解、无机化和腐殖化，逐渐转化为陈腐垃圾。因此，因组分的区别，故陈腐垃圾性质与原生垃圾性质有一定区别，尤其是热值、灰份等性质。垃圾焚烧发电厂建厂时焚烧系统设计参数为依据服务区域内原生垃圾性质进行设计，如运营后期要协同焚烧部分陈腐垃圾，需从性质上对两种垃圾进行比较，才能为此垃圾焚烧发电厂的运行控制提供参考。垃圾取样方法采用《生活垃圾采样和分析方法》CJ/T 313-2009中的四分法。原生垃圾取样取自该垃圾焚烧发电厂的垃圾储坑中未进行堆酵的垃圾堆体。陈腐垃圾取样取自附近垃圾填埋场堆体中部，此处采样的陈腐垃圾填埋龄至少有数年，样品有一定代表性。

1.3 协同焚烧效果研究

以本研究垃圾焚烧发电厂其中一条焚烧炉生产线为试验研究对象开展陈腐垃圾掺烧试验，分别研究陈腐垃圾和原生垃圾入炉前堆酵效果、掺烧比例和混合热值，研究入炉掺烧后对锅炉蒸发量、炉温和炉渣产生量的影响。

2 结果与讨论

2.1 垃圾性质比较情况

将本研究垃圾焚烧发电厂的原生垃圾和附近填埋场的陈腐垃圾的组成、物理性质、热值等数据进行比较，比较情况见表1、图1、图2。

图1 物理性质比较Fig.1 Comparison of physical properties

图2 热值比较Fig.2 Comparison of heat value

表1 组成比较Tab.1 The physical composition

由表1可见，陈腐垃圾在堆体中经过数年的降解，厨余类组分已完全分解；且渣土类比例明显高于原生垃圾，由于垃圾中的可生物降解有机物质和部分易碎化无机组分随着填埋龄的增加而不断分解和碎化[4-5]，故渣土类比例高。由图1、图2可见，虽陈腐垃圾的含水率明显低于原生垃圾，但由于陈腐垃圾中可燃物远低于原生垃圾且灰分远高于原生垃圾，因此，陈腐垃圾湿基低位热值远远低于原生垃圾。

2.2 入炉前堆酵效果

垃圾入炉前作业和炉内燃烧控制是整个垃圾焚烧发电厂工艺控制的重要环节，直接影响焚烧系统和机组运行稳定性和全厂发电的经济性[6]。

入炉垃圾热值是全厂发电经济性的重要影响因素之一[7-8]。本研究的垃圾焚烧发电厂为采用炉排式垃圾焚烧炉，无前端分选系统。由于当地垃圾分类体系尚未健全，需通堆酵、翻料、混料等操作改善入炉物料品质，以提高后续焚烧系统的热效率和能源转化率。

本研究的垃圾焚烧发电厂设计有至少满足7天堆酵容量的垃圾储坑。取某一批次入厂的原生垃圾和陈腐垃圾，在垃圾坑里经7天堆酵前后垃圾含水率进行对比研究。见图3。

图3 经7天堆酵前后含水率对比Fig.3 Comparison of moisture content before and after 7days fermentation

由图3可见，入炉的原生垃圾和陈腐垃圾分别经过再垃圾储坑里7天堆酵后，原生垃圾的含水率下降10%左右，但仍高于陈腐垃圾；而陈腐垃圾的含水率略有升高。分析主要原因为：经过7天的堆酵，原生垃圾中的有机物在微生物作用下的分解、沥出水分，这些沥出的水分再经过垃圾储坑侧壁的多层格栅排孔排出，达到了降低原生垃圾含水率的目的。而陈腐垃圾在入厂前已经过填埋场内部多年的降解环境，其中的有机物已充分分解，自身含水率已达到了稳定状态，堆酵过程会造成陈腐垃圾吸水返潮的问题。

由此可见，入厂的原生垃圾和陈腐垃圾在垃圾储坑里应分区堆放，陈腐垃圾无需堆酵即可入炉，其堆放区仅为入炉前的缓冲堆区，且应在远离侧壁多层格栅排孔的中间区域。原生垃圾堆放区分布于靠近垃圾储坑侧壁的多层格栅排孔的四方区域且需留足7天堆酵的空间。由于本研究的垃圾焚烧发电厂建厂设计时并未考虑投运后期会协同焚烧填埋场陈腐垃圾，在垃圾储坑里未设置分区隔墙；因此日常运行管理中应在原生垃圾堆放区和陈腐垃圾堆放区交界处码应堆酵后的原生垃圾熟料。

2.3 掺烧比例和混料效果

本研究的垃圾焚烧发电厂设计入炉垃圾热值范围为4200～8500kJ/kg，服务区域内原生垃圾热值为设计范围内，但附近填埋场陈腐垃圾热值低于设计入炉热值下限。如大规模掺烧此陈腐垃圾，为保证焚烧炉出口烟气满足在 850 ℃以上区域停留时间不低于 2 s 的关键环保指标，很多时候需投入辅助燃料维持焚烧工况，会削弱垃圾焚烧发电厂运行的经济性。因此，只能与原生垃圾按一定比例掺烧。为确定较经济性的掺烧比例，可采用混合物料热值公式反算出陈腐垃圾的掺烧比%，见下：

LHV(混和)=[LHV(陈腐垃圾)*D+LHV(原生垃圾)*(100-D)]/100

其中：D——掺烧比%

参照本厂过往平均入炉垃圾热值约6900～7200kJ/kg，将公式中的LHV(混和)设定为7200kJ/kg，反算陈腐垃圾的掺烧比为不超过20%。

由于陈腐垃圾和堆酵后原生垃圾含水率和热值上的区别，且原生垃圾经过3～7天堆酵后，热值又进一步提高[5]，因此入炉前需用垃圾抓斗对两种不同的物料按以上掺烧比进行拌料、混料，使入炉物料的热值均匀。入炉前混料操作中应将含水和热值相对高的原生垃圾码于底部，陈腐垃圾码于上部，短时翻搅拌均匀后即入炉。

2.4 入炉后对炉温和锅炉蒸发量的影响分析

本研究的垃圾焚烧发电厂采用3台炉排炉，设计单炉处理规模为 500 t/d，过热蒸汽参数为 4.0 MPa、 400 ℃，余热锅炉额定蒸发量为43.4t/h。按15%～20%的掺烧比例掺烧陈腐垃圾后，为研究掺烧后对焚烧系统工况的影响，需比较炉温和锅炉蒸发量情况。以其中1#炉(试验炉)为试验研究对象开展陈腐垃圾掺烧试验，并与未掺烧陈腐垃圾的2#炉(对照炉)运行工况进行对比。为保证试验对比数据的可靠性，试验观察期间保证1#炉和2#炉的入炉进料量均为500±5t/d，均不回喷浓缩液。采集炉膛温度数据，其中炉膛温度测点选取第一烟道下部与二次风喷入层交汇处测点，且此测温区经过二次风的搅动混合，烟气参数已趋于均匀稳定[9-10]。试验周期为7天，期间随机选取8个时间点工况，各工况下的炉温和余热锅炉蒸发量对比数据见图4、图5。

图4 炉温对比Fig.4 Comparison of furnace temperature

图5 锅炉蒸发量对比Fig.5 Comparison of boiler evaporation

由图4可见，按15%～20%的掺烧比例掺烧陈腐垃圾后，对炉膛温度的影响不大，焚烧炉炉温均可稳定保证出口烟气温度 850 ℃以上区域停留时间不低于 2 s的工况要求。即使因掺烧陈腐垃圾后总体入炉物料热值相对降低，焚烧系统运行过程中也可通过对助燃风的优化调整而维持合适的炉膛温度。由图5可见，按15%～20%的掺烧比例掺烧陈腐垃圾后，在8个对比工况中，受总体入炉物料热值相对降低的影响，有6个对比工况均为锅炉蒸发量略有降低，但也高于设计余热锅炉额定蒸发量43.4t/h。总体对焚烧系统运行工况和热经济性影响很小。

2.5 对炉渣量的影响分析

在7天试验期间，1#炉(试验炉)平均炉渣产率为17.6%，2#炉(对照炉)平均炉渣产率为16.8%。1#炉(试验炉)平均炉渣产率略高于2#炉。原因或为掺烧陈腐垃圾中不可燃渣土比例高和初始垃圾成分有关。但总体炉渣产率低于本研究垃圾焚烧发电厂的设计炉渣产率19%。

3 结 论

(1)对于在设计焚烧原生垃圾的垃圾焚烧发电厂协同焚烧填埋场陈腐垃圾，如在入炉前将陈腐垃圾分区短时间存放且避免返潮，入炉前按适当的操作均匀混料且陈腐掺烧比例不超过20%，可保证入炉物料热值均匀且不影响焚烧系统运行工况。

(2)在焚烧过程中优化对助燃风的控制，可保证掺烧陈腐垃圾前后炉膛温度稳定且满足环保要求。

(3)虽掺烧陈腐垃圾后，余热锅炉蒸发量略有降低且炉渣产率略有升高，但总体对焚烧系统运行效果影响很小。

(4)将库容饱和的垃圾填埋场陈腐垃圾开挖并送入垃圾焚烧发电厂与原生垃圾协同焚烧，是实现陈腐垃圾资源化处理且腾挪填埋场库容的有效途径，可实现填埋场陈腐垃圾处理的经济效益、环境效益和社会效益。