城市生活垃圾燃烧过程的探讨*

古祝平，高丽红，陈 颖

（1．广西华蓝设计（集团） 有限公司，广西 南宁 530011；2．广西大学环境学院，广西 南宁 530004）

城市生活垃圾燃烧过程的探讨*

古祝平1，高丽红2，陈 颖2

（1．广西华蓝设计（集团） 有限公司，广西 南宁 530011；2．广西大学环境学院，广西 南宁 530004）

利用TGA-601热天平对广西某县未经分选的城市生活垃圾燃烧过程可燃组分进行了工业分析，探讨了厨余、纤维、纸张、塑料、橡胶等可燃组分在垃圾焚烧水分蒸发、挥发分析出及固定炭燃烧和灰化阶段垃圾性质的变化结果表明：该地区的生活垃圾焚烧过程具有水分蒸发量大、挥发物析出剧烈、固定炭燃烧过程缓慢等特点。

生活垃圾焚烧；燃烧阶段；可燃组分

广西壮族自治区西南部某县，地处溶岩地带，且土地性质为基本农田较多，县城附近无法找到适合于进行垃圾卫生填埋的场地，垃圾只能作焚烧处理［1］。

焚烧法对可燃垃圾的处理能同时实现减量化、无害化和资源化，适合于经济实力强，垃圾可燃成分高，用地紧张的城镇和地区［1-2］。但垃圾焚烧法基建投资高、运行技术要求及运行成本高，对垃圾成分有严格要求。而对于高水分、低热值的城市生活垃圾，掌握其焚烧机理非常困难。笔者将垃圾焚烧过程分为几个阶段，利用TGA-601热天平对该县未经分选的城市生活垃圾燃烧过程可燃组分进行了测定，并分析了其测定结果，以便为该县的垃圾焚烧工艺提供一定的基础数据。

1 生活垃圾的分类

城市生活垃圾按其组成成分大致可分为厨余、纸张、塑料、纤维、橡胶、玻璃、砖石、金属、灰土及其他，其中前5类属于可燃垃圾，是垃圾焚烧的主要作用对象。随着自然条件和社会条件的变化，生活垃圾的物理成分也将有相应的改变。影响城市生活垃圾成分变化的因素很多，如人口结构、人民生活水平、居民生活习惯、城市燃料结构、气候条件、地理环境等。随着人民生活水平的提高，燃料电气化的普及，商贸旅游业的高速发展，垃圾成分构成将发生较大的变化。其中厨余、塑料、纤维、金属、玻璃等可腐有机物可燃物、可回收物含量逐年上升，而灰土、陶瓷砖瓦等无机物相对逐年减少，并逐步趋向稳定［3］图1为2007—2011年广西某县人口和生活垃圾总产生量的变化趋势，由图1可知，该县城的人口逐年呈直线增长，垃圾产生量也在不断增加。

图1 2007—2011年广西某县城人口和垃圾产生量

表1为某县城生活垃圾中可燃组分的部分参数。湿基组分含量和含水率由天平称出，样品干基高位热值由氧弹量热计测出。总含水率、干基组分含量、混合样品干基高位热值、混合样品湿基高位热值、混合样品湿基低位热值均由公式计算得出［4］。5种可燃垃圾组分中，厨余垃圾所占的比例最多，为59%左右；其他组分的含量均在15%以下厨余垃圾的热值最低，湿基高位热值为12 120．kJ/kg；塑料的高位热值最高，为29 099．8 kJ/kg垃圾总含水率为43.85%，混合样品湿基低位热值为2 632.1 kJ/kg，湿基高位热值为3 702.1 kJ/kg，干基高位热值为6 593.3 kJ/kg。垃圾的成分的综合低位热值小于垃圾焚烧要求的低位热值3 350 kJ/kg，故在采用垃圾焚烧工艺时，需加入燃料助燃。

表1 某县生活垃圾可燃组分参数

2 垃圾焚烧过程各阶段的划分

一般而言，生活垃圾的燃烧过程如下：固体表面的水分蒸发、固体内部的水分蒸发、固体中的挥发性成分着火燃烧、固体碳素的表面燃烧、完成燃烧。前2步为干燥过程；后3步为燃烧过程。垃圾的燃烧过程本质上是由热分解、熔融、蒸发和化学反应等传热和传质过程共同作用的综合反应。从生活垃圾实际燃烧过程及固体燃料燃烧理论角度分析，可将垃圾燃烧过程定性划分为水分蒸发阶段、挥发物析出阶段、固定炭燃烧与灰化阶段。生活垃圾吸取热量、温度升高、失去外部和内部水分、热解、析出可燃成分、着火、燃烧、放出热量、直到燃尽冷却。伴随着这一系列过程的交替进行，垃圾的体积和质量都不断减少，直到剩余残留灰渣。图2为某县垃圾样品中可燃组分的工业分析，包括5种可燃组分中水分、固定炭、挥发分和灰分的比例。不同类型的垃圾，几种物质的含量比例大不相同。总的来说，几种组分中水分和挥发分的含量较高，固定炭和灰分的含量相对较低。

图2 某县生活垃圾样品可燃组分的工业分析

3 垃圾在焚烧各阶段的变化

3.1 水分蒸发阶段

水分蒸发阶段即垃圾的干燥，是利用热能使水分汽化，并排出水蒸气的过程。城市生活垃圾的含水率较高，故干燥过程中需要吸收很多的热能。生活垃圾的含水率越大，干燥过程所需的热能就越多，所用的时间也越长，导致垃圾焚烧炉内的温度下降也就越快，对生活垃圾焚烧的影响也就越大。图3为水分蒸发阶段垃圾各组分参数曲线。

图3 水分蒸发阶段垃圾中各组分参数

由图3可见，在平衡蒸发阶段，蒸发速率从大到小排列为橡胶、纸张、塑料、厨余、纤维平衡蒸发时间由小到大为橡胶、塑料、纤维、纸张、厨余。纤维蒸发速率小的原因可能是其含水率低。而就总蒸发过程来说，塑料是最容易蒸发的，也是蒸发速率最快的；厨余垃圾的含水率最高，蒸发时间最长。

为了提高水分蒸发效率，缩短蒸发时间，提高垃圾热值，可以适当延长垃圾在焚烧前的堆放时间，或者将厨余垃圾分类，先经过堆肥处理后投入垃圾焚烧炉。

3.2 挥发分析出阶段

挥发分析出阶段是垃圾中的气相可燃成分不断析出，伴随着失重过程。如图4所示，厨余纸张挥发分析出的初始温度较低，均在270℃以下；对比之下，纤维、橡胶和塑料挥发分析出的初始温度要高很多，都在330℃以上，其中橡胶需要的温度最高。挥发分析出过程各组分峰值速度从高到低排列分别为厨余、纸张、纤维、橡胶和塑料；对应的快速挥发时段呈不断下降趋势厨余最高21．4 min，塑料最低12．6 min，约为前者的59%。

图4 挥发物析出阶段各组分参数

图5 固定炭燃尽阶段各组分参数

3.3 固定炭燃烧和灰化阶段

图5所示为固定炭燃烧和灰化阶段。垃圾经过该阶段的燃烧最后生成灰渣，完成焚烧过程。如图5所示，橡胶和塑料并没有明显的燃尽峰，即该类垃圾中的固定炭还未构成明显的燃尽过程就已经被烧尽；而厨余垃圾中的固定炭最难燃尽，历时最长，速率最慢；纸张和纤维次之。

该结果表明了城市生活垃圾中固定炭的含量较低，固定炭的燃烧过程并不剧烈，释放的能量也较少，该过程在垃圾焚烧中并不占主导地位。在垃圾焚烧工艺中，不应试图从该阶段汲取过多的热量。

4 结论

1） 某县生活垃圾的低位热值为2 632．1 kJ/kg，故采用垃圾焚烧工艺时，需加入燃料助燃。

2）几种可燃垃圾组分中，水分和挥发分的含量较高，固定炭和灰分的含量相对较低。而燃烧过程，水分蒸发量大，挥发物析出剧烈，固定炭燃烧过程缓慢不明显。

3）挥发分析出的初始温度由低到高分别为厨余、纸张、纤维、塑料、橡胶，塑料的挥发分析出过程最为激烈。

4） 厨余垃圾中的固定炭最难燃尽，历时最长，速率最慢，橡胶和塑料中的固定炭还未构成明显的燃尽过程就已经被烧尽。

5）橡胶的水分最容易蒸发，厨余的水分最难蒸发，蒸发速率最慢。为了提高水分蒸发效率，缩短蒸发时间，增加垃圾发热值，可以适当延长垃圾在焚烧前的堆放时间，或者将厨余垃圾分类，先经过堆肥处理后再投入垃圾焚烧炉处理。

［1］ Chang Y H，Chen W C，Chang N B．Comparative Evaluation of RDF and MSW Incineration［J］．J Hazard Mater，1998，58 （1/3）：33-45．

［2］ Chimenos J M，Segarra M，Fernandez M A，et al．Characterization of the Bottom Ash in Municipal Solid Waste Incinerator［J］．J Hazard Mater，1999，64 （3）：211-222．

［3］ Liu Z Q，Liu Z H，Li X L．Status and Prospect of the Application of Municipal Solid Waste Incineration in China［J］．Appl Therm Eng，2006，26（11/12）：1193-1197．

［4］古吉群．垃圾发热值的实用测定方法［J］．节能与环保，2006（12）：54．

Combustion Process of Municipal Domestic Waste

Gu Zhuping1，Gao Lihong2，Chen Ying2

（1．Guangxi Hualan Design and Consulting Group Co．Ltd，Nanning Guangxi530011；2．School of the Environment，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004）

TGA-601 thermobalance was used to analyze the combustion process of unsorted municipal domestic wast which was from a country in Guangxi．The property changes of combustible waste （kitchen waste，fiber，paper，plastic rubber，etc） were discussed during the stage of water evaporation，devolatilization，fixed charcoal burning and ashing．Th results showed that the domestic waste combustion process in the area has the following features,including large evaporatio capacity，severe devolatilization and slow fixed carbon burning process．

domestic waste incineration；combustion phase；combustible component

X705

A

1005-8206（2012）04-0015-03

广西科技攻关基金项目（10142001）

2012-05-14

古祝平（1954—），工程师，主要从事环卫工程的概预算。

（责任编辑：张艺）