生活垃圾低温热解技术在高海拔农牧区应用的改进*

黄湘宁,朱彩萍,管知深,闫俊辉

（1.青海师范大学，青海 西宁 810008；2.广东熠森能环保科技有限公司，广东 广州 510000）

1 研究背景

生活垃圾低温热解设备在青海省果洛藏族自治州江千乡地区试用效果优异，其解决了高原高海拔牧区生活垃圾的治理难题，同其他生活垃圾终端处理措施相比，实现了经济适用性好、减量化好、无二次污染等特点，同时也有效改善了当地环境质量，节约了土地资源，解决了白色污染，保护了周边原生生态体系，环境效益显著。但在设备试运行期间也发现了一些问题，亟需改进以适应高海拔农牧区应用。

2 设备出灰扬尘问题及改进方案

2.1 设备出灰时扬尘问题

青海省地处地球第三极的青藏高原，有自然保护区11 个，面积21.78 万km2，其中国家级自然保护区7 个，面积20.74 万km2。森林面积520.89 万hm2，森林覆盖率7.26%。湿地面积814.36 万hm2，其中自然湿地面积800.1 万hm2。国家重点公益林管护面积397.71 万hm2，天然林保护面积367.8 万hm2[1]，同时青海省集水面积在500km2以上的河流达380条，被誉为“三江之源、中华水塔”，是国家重要生态安全屏障。

垃圾处理设备在青藏高原运转工作，首要注重环保问题，为此，2019—2020 年项目组在青海省果洛藏族自治州甘德县江千乡生活垃圾低温热解设备运行过程中发现：在生活垃圾灰渣处理过程中，由于灰渣含水率极低，达到0.1%以下，在大风天气频繁的情况下，极易出现无组织扬尘，危害劳动工人身体健康、有损区域环境质量，因此，亟需解决上述问题。

2.2 针对出灰扬尘问题设备改进方案

生活垃圾低温热解方法主要是利用有机物的热不稳定性，使有机物在欠氧或缺氧条件下，利用生活垃圾的自身热值，在第一次启动辅助加热到一定温度后通过热化学反应，将大分子物质分解成较小分子物质（可燃气、固定炭、焦油等）的热化学转化过程。生活垃圾中的有机物分解成气体、水分和灰渣，实现减量化。但热解过程中产生的灰渣含水率很低，极易产生扬尘。针对此问题，设计采用喷雾降尘方式解决，即在生活垃圾热解设备内加装喷雾降尘装置，对出炉炉渣进行喷雾加湿预处理，通过设计喷雾柱和喷嘴的空间排列，均匀对炉渣进行加湿，使炉渣出灰前达到10%～15%的含水率，根据青海省水资源分布特点，青海地区虽水资源丰富，但其在时间分布和地区分布上均不均衡，设计采用生活垃圾热解烟气中冷凝水回用作喷雾降尘水，以适应高海拔地区应用，改进后的设备经过2020 年10 月—12 月的跟踪观察，完全杜绝了无组织扬尘问题。

3 冰冻垃圾炉内分布不均问题及改进方案

3.1 冰冻垃圾的产生原因

青海省地处青藏高原东北部，全省均处于高原范围内，全省平均海拔＞3000m，气候以高寒干旱为特征，属典型的大陆性高原气候，青海省冬季长、夏季短，平均气温低，境内年平均气温在零下5.7℃～8.5℃之间，年平均气温在0℃以下的地区占全省面积的2/3。在海拔2000～4000m 的地区平均气温≤0℃的日数为4～6 个月，海拔4000m 以上地区平均气温≤0℃的日数为超过6 个月。

生活垃圾水分可分为内在水分和外在水分2种形式。其内在水分分布在垃圾物质分子间，由垃圾本身性质决定，与外界环境条件无关，去除比较困难，往往需要发生生化反应和较长时间才能去除；外在水分又称为附加水分，是由于自然环境或人为活动给垃圾添加的水分[2]。在正常生活条件下，外在水分不会太多，一般不会造成垃圾成团现象；但在冰冻条件下，外在水分就成为垃圾成团的粘合剂，当垃圾露天放置，并混入大量冰雪充当粘合剂，又在低温环境中存放了较长时间，就会形成冰冻垃圾，而青藏高原的气候特性尤易产生冰冻垃圾。

3.2 冰冻垃圾对低温热解设备工作效率的影响

投入低温热解设备炉体的冰冻垃圾先进入炉体干燥层进行解冻、干燥，但由于冰冻垃圾粒径较大、易偏置堆积，垃圾堆体孔隙度较小，导致温度传输较慢，解冻烘干速度低，区域易形成垃圾解冻死角，严重影响设备工作效率。跟踪研究该设备处理普通生活垃圾和冰冻垃圾各10d 处理量，汇总数据见表1。

表1 普通生活垃圾和冰冻垃圾10 天处理量

3.3 处理冰冻垃圾设备改进方案

根据现场收集资料，设备在处理冰冻垃圾时，处理效率大幅下降，约为正常处理量的60%，针对上述问题，设计一种炉内垃圾搅拌装置，如图1 所示，用于安装在生活垃圾处理炉内，包括驱动机构、设于驱动机构的输出端的第一转动轴以及设于第一转动轴上的纵向搅拌组件，纵向搅拌组件包括多个纵向搅拌臂，各纵向搅拌臂连接于第一转动轴。通过驱动机构带动第一转动轴绕轴转动，从而带动纵向搅拌组件的各纵向搅拌臂绕轴转动，将炉内的生活垃圾进行搅匀和分散，这样避免生活垃圾在炉内出现积压或偏置。

图1 垃圾搅拌装置

垃圾搅拌装置安装完成投入使用后，其解决了人工投料导致的垃圾在炉膛内分布不均匀问题，由于生活垃圾热解炉投料是由人工方式通过投料口直接投入垃圾，冰冻垃圾在炉膛内易出现料层分布不均匀，均匀透气性变差，最终导致低温热解炉内风压分布不均匀，透气性强的局部垃圾料层被烧穿，而透气性差的垃圾区域出现 “灭燃”现象，影响设备稳定和处理量。垃圾搅拌装置能很好解决这类问题，该装置安装完成后，收集10d 生活垃圾低温热解装置运行处理量数据，和未安装垃圾搅拌装置之前数据对比见表2。

表2 未安装垃圾搅拌装置冰冻垃圾处理量与安装垃圾搅拌装置冰冻垃圾处理量对比

可以看出，设备安装垃圾搅拌装置后处理冰冻垃圾时处理量虽仍不如处理正常生活垃圾效率那么高，但同比未安装垃圾搅拌装置前处理冰冻垃圾效率提升近30%。

4 炉排受热受力变形问题及改进方案

4.1 炉排受热受力变形问题

目前，世界上焚烧炉的种类较多，主要为四大类型：炉排型垃圾焚烧炉、流化床垃圾炉、回转窑垃圾焚烧炉和垃圾热解气化焚烧炉[3]。本项目使用的为炉排型垃圾焚烧炉，炉排材料采用灰铸铁，主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，其碳量较高（为2.7%～4.0%），具有良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能。

高海拔农牧区生活垃圾主要为废纸、塑料、皮革和织物。其他如金属类、餐厨类、腐殖质类都由村民就地处理，由于高原雨季、旱季分布不均，在旱季时收集上来的生活垃圾热值较高，热解过程中容易产生局部着火点，导致炉排受热较高，同时，炉排需要承受炉内垃圾重力，铸铁炉排容易发生受热受力形变。

对青海省果洛藏族自治州江千乡是生活垃圾低温热解设备试用6 个月停炉检修发现，炉内10根炉条,有3 根出现形变现象，炉排发生形变，将直接影响设备处理量，同时也会造成出灰操作困难，影响设备正常的工作运转。

4.2 炉排受热受力变形改进方案

设计使用新的炉排结构，如图2 所示，将炉排结构件替换为中空的管状结构，通过进液管和出液管与冷却装置相连通，通过水泵将冷却液循环地通入炉排结构件内，对炉排结构件进行循环降温换热，避免与生活垃圾直接接触的炉排结构件因温度过高而造成形变损坏，进而延长其使用寿命。同时通过保温管道回收冷却液热量，用于工人休息室供暖、供热水。

图2 水冷炉排示意图

5 关于生活垃圾低温热解处理设备改进的讨论

生活垃圾低温热解处理技术，通过青海省科技厅的引进，青海师范大学、广东熠森能环保科技有限公司、青海尚诺新能源有限公司的组织实施，已在青藏高原农牧地区实现应用。本文针对高海拔环境气候，对低温热解设备进行了采用冷凝水做喷雾水改进炉内喷雾降尘装置、垃圾搅拌装置处理冰冻垃圾破冰及均匀垃圾层、水冷炉排装置冷却液热量回用供热供暖等改进，通过示范点近1 年的应用，改进后的设备越来越契合高海拔农牧区生活垃圾的处理应用