现有生活垃圾焚烧厂掺烧工业固废及其垃圾池管理分析＊

石凯军，蹇瑞欢

（中国城市建设研究院有限公司，北京 100120）

1 引言

随着《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》修订实施，工业固废的收集量将大幅增加。利用现有生活垃圾焚烧厂掺烧工业固废，发挥生活垃圾焚烧设施处置能力和优势，既可有效利用生活垃圾焚烧设施产能，又能协同处置工业固废，具有较为明显的经济、环境和社会效益，也是实现“无废城市”的重要手段。本研究的工业固废主要指工业有机固废，一般包括废木材、废纸类、废塑料、废橡胶等，低位热值普遍为15 000～35 000 kJ/kg。目前，少数生活垃圾焚烧厂在运行中会根据入炉生活垃圾低位热值有选择地、少量掺烧工业固废。掺烧时垃圾池依然按单纯处理生活垃圾的方式进行管理，垃圾池内未设置工业固废的专用储存区域及搅拌、混合区域。针对工业固废低含水率、高热值的特点，若现有生活垃圾焚烧厂要求大比例（＞20%）掺烧，原有的垃圾池管理方式很难保证燃料进行充分搅拌、混合，入炉垃圾热值可能存在波动，很难满足焚烧炉稳定运行的需要。本研究从设备的技术性能、运行中垃圾池的管理方式方面进行对比分析，为大比例掺烧工业固废时确定合适掺烧比例及垃圾池管理方案提供思路方法，以供其他工程项目参考应用。

2 掺烧比例、混合热值及限制因素

掺烧比例α、混合物低位热值Qh、可掺烧工业固废低位热值Qgy以及现有生活垃圾焚烧厂生活垃圾低位热值Qsh之间的关系如公式（1）、（2）所示。

式中：Qh、Qgy、Qsh分别为混合物低位热值、工业固废低位热值、现有生活垃圾焚烧厂生活垃圾低位热值，kJ/kg；Msh、Mgy分别为生活垃圾小时处理量、工业固废小时掺烧量，kg/h。

1）对于Qsh、Qgy已确定的情况下，α的决定因素为Qh，允许的Qh越高，可掺烧比例越高。在Qgy确定的条件下，α随Qh增减而增减。

2）对于Qsh、允许的Qh已确定的情况下，α的决定因素为Qgy，Qgy越高，α越低。在Qh确定的条件下，α随Qgy增加而减小。

上述关系见图1。

图1 Qh、Qgy与α 的关系Figure 1 The relationship between Qh，Qgyand α

其次，Qh主要受到炉膛容积热负荷qv和炉排面机械负荷qF的限制。目前我国现有生活垃圾焚烧厂入炉垃圾成分复杂、含水率高、无机物质含量高、有机物含量低［1］。对于已按此特性设计、投运的机械炉排炉来说，能够稳定运行时，qF的范围一般为60%～110%，qv的范围一般为70%～100%［2］。

当qF小于60%时，炉排面料层过薄，容易造成燃料层脱火，燃烧不稳定，较难控制；当qF大于110%时，炉排面料层过厚，一次风穿过燃料层阻力过大，燃烧室氧气浓度过低，炉排燃尽段会后移，燃料燃烧不充分，炉渣热熔减率增加，同时炉排片的磨损加剧，更换频率提高。

当qv小于70%时，炉膛燃烧温度降低，影响燃烧污染物的控制；当qv大于100%时，炉膛燃烧温度会增大，炉膛热负荷过高，余热锅炉受热面易发生爆管等安全事故，炉膛耐火砖更换频率提高。即存在如下关系：

式中：MMCR为焚烧炉额定处理量，kg/h；QMCR为焚烧炉入炉垃圾低位设计热值，kJ/kg；qv为炉膛容积热负荷，kW/m3；qF为炉排面机械负荷，kg/m2；F为炉排面积，m2；V为炉膛容积（V=F×H），m3。

图2 Qh与 关系Figure 2 The relationship between Qhand

对于现有生活垃圾焚烧厂已按我国生活垃圾特性设计、投运的机械炉排炉来说，Qh同时也受到现有焚烧炉入炉垃圾低位设计热值上限的限制。现有焚烧炉典型燃烧见图3。

图3 焚烧炉典型燃烧Figure 3 Typical burning of incinerator

在焚烧炉典型燃烧图中，Qh最高不应超过现有焚烧炉入炉垃圾低位设计热值上限。以图3 为例， 应 保 证Qh≤9 211 kJ/kg， A-B-C-D-E-GMCR-A为焚烧炉能够稳定运行的区域。

如图3 所示，现有焚烧炉典型燃烧的QMCR=7 537 kJ/kg、焚烧炉额定处理量为31.25 t/h［3］，焚烧炉运行稳定，经检测入炉Qsh=7 000 kJ/kg。如果计划大比例掺烧工业固废（经检测Qgy=17 500 kJ/kg），结合图3，当确定Qh=9 000 kJ/kg 时，则-qF约为0.8，α可达0.25，则Msh=1 800 t/d，Mgy=450 t/d。掺烧后的热值、处理量均在焚烧炉的稳定运行范围之内，从焚烧炉的角度来看，掺烧是可行的；同时，对于热力系统来说，因为热负荷在允许范围内，因此锅炉、汽机运行工况均在额定工况范围内，掺烧也是可行的。

3 垃圾池管理方案

针对垃圾池管理及垃圾吊的配置进行对比分析。例如某项目原垃圾池采用混凝土浇筑，长度93 m、宽度31.4 m、池底标高-6 m，在卸料平台标高+8 m 处，安装垃圾卸料门10 台。垃圾池总有效容积41 300 m3，顶部设置3 台垃圾吊（2 用1 备），起重量17 t，抓斗容积12 m3。焚烧线配置3 台750 t/d 机械炉排炉，日处理生活垃圾2 250 t［4］。假设可以按照25%的比例掺烧工业固废，现提供4个方案作对比分析。

3.1 方案一：工业固废直接卸入每日生活垃圾取料区

方案一的总体思路是尽量减少对原垃圾池及垃圾吊的改动，在运行上对垃圾池进行分区管理，将需要掺烧的工业固废直接卸入每日生活垃圾取料区，见图4。

图4 垃圾池管理方案一Figure 4 Management scheme 1 of waste pit

分区管理：垃圾池共分为5个存料区域，每日进厂垃圾存入其中一个固定的存料区域，前5 d 的存料区域为当日入炉垃圾取料区。本方案不设置专用混料区域，由垃圾吊在该日取料区域内完成混料及上料。

卸料门配置：每个存料区域配置两套卸料门，共10 套卸料门。进车高峰时可开启相邻区域卸料门暂存垃圾，进车正常后只开启入厂存料区域卸料门。

垃圾吊配置：为2 用1 备，由两台垃圾吊负责3台焚烧炉的取料、混料、上料。操作员两人。

3.2 方案二：工业固废卸入流动存料/混料区

方案二是在方案一的基础上增加了一个工业固废存料/混料区，将需要掺烧的工业固废卸入工业固废存料/混料区，见图5。

图5 垃圾池管理方案二Figure 5 Management scheme 2 of waste pit

分区管理：垃圾池共分为6个存料区域，其中5 个区域为每日进厂生活垃圾存料区域，存料、取料方式同方案一。1 个区域为工业固废存料区域，同时兼作混料区域，位于每日入炉生活垃圾存料区域邻侧。运行时，每日入厂工业固废直接卸入混料区域；生活垃圾由垃圾吊自当日入炉垃圾取料区域取料后在混料区域混合后完成上料。

卸料门配置：每个存料区域配置两套卸料门，共12套卸料门。进车高峰时调节方式同方案一。

垃圾吊配置同方案一。

3.3 方案三：工业固废卸入焚烧炉专设固废存料/混料区

方案三是将垃圾池内的分区与焚烧炉建立一一对应的关系，尽量减少垃圾吊在工作中的交错干扰，见图6。

图6 垃圾池管理方案三Figure 6 Management scheme 3 of waste pit

分区管理：其中垃圾池共分为3个区域，每台焚烧炉设立固定的存料、取料区域。在3个大区域内再细分管理，可按生活垃圾的发酵天数要求再分为若干个生活垃圾存料区及1 个工业固废混料区。细分方案如图7所示。

图7 方案三详细分区Figure 7 Detailed division of scheme 3

卸料门配置：每个存料区域配置3 套卸料门，共9 套卸料门，运输车次确定后亦可设6～8 套。因每个区域内的卸料门均可开启收料，因此无论进车高峰与否均可灵活选择。

垃圾吊配置：垃圾吊配置为3 用1 备，每台垃圾吊负责1台焚烧炉的取料、混料、上料，并且垃圾吊具有固定的工作区域。操作员3人。

3.4 方案四：工业固废卸入垃圾池专设固废存料/混料区

方案四是在垃圾池内建立垃圾吊的固定工作区域，尽量减少垃圾吊在运行中的交错干扰。

分区管理：垃圾池共分为3个区域，两侧两个大区为生活垃圾存料区域，中间小区为工业固废存料、混料区域，见图8。每个大区再细分为5个小区域，细分方案如图9所示。运行时，每日入厂工业固废直接卸入混料区域，由垃圾吊自当日入炉生活垃圾取料区域取料后在混料区域混合后完成上料。

图8 垃圾池管理方案四Figure 8 Management scheme 4 of waste pit

图9 方案四详细分区Figure 9 Detailed division of scheme 4

卸料门配置：每个生活垃圾存料区域配置4套卸料门，工业固废存料/混料区域设置2 台卸料门，共10套卸料门。

垃圾吊配置同方案一。

3.5 方案对比分析

对4个方案作总体定性对比分析，同时复核掺烧工业固废时垃圾吊的生产率，如表1所示。

表1 垃圾池管理及垃圾吊配置方案对比分析Table 1 The comparative analysis of waste pit management and waste crane configuration

通过对比可见，方案二、方案三分别需要增设卸料门和垃圾吊。对于现有焚烧厂来说，方案二须保证每个分区至少有1～2个卸料门，如果卸料门的安装条件不能满足，则该方案实施难度较大。另外，方案二实施时应尽量使工业固废存料/混料区域靠垃圾池中间布置，以便两台垃圾吊工作时相互交叉的时间最少。方案三与其他3 个方案相比，增加了1台参与工作的垃圾吊，但同时每台吊车的生产率及总的利用率大幅降低，故障率也会降低。且方案三建立的是垃圾池-垃圾吊-焚烧炉一一对应的关系，未来使用全自动上料时易于管理，比较有优势。

方案一、方案四均不需要增设卸料门及垃圾吊，对现有焚烧厂来说，较易实现。方案一垃圾池总有效库容没有减少，但未设置工业固废存料、混料专区，存在混料不充分的可能。方案四垃圾池总有效库容减少了约14%，但设置有工业固废存料、混料专区，对工业固废的接收有一定的调节容量，同时混料专区也能使混料更充分，Qh更稳定，有利于燃烧控制。且方案四每个垃圾吊都在固定区域内工作，两台工作的垃圾吊交叉区域少，干扰少。

垃圾吊的运行条件与垃圾池的布置密切相关，以本案例的4个方案作对比：

1）方案一、方案二、方案四均由两台垃圾吊负责3 台焚烧炉的上料、倒垛，方案三建立的是1台垃圾吊负责1台焚烧炉的上料、倒垛。垃圾池尺寸及垃圾吊基本运行参数如表2、表3所示。

表2 垃圾池尺寸Table 2 Size of waste pit

表3 垃圾吊技术参数Table 3 Waste crane technical parameters

2）方案一、方案三在当日入炉生活垃圾取料区域完成混料，不存在生活垃圾取料后再转移的情况，因此倒垛量为每日上料量的2 倍；而方案二、方案四由于上料时生活垃圾由垃圾吊自当日入炉垃圾取料区域取料后在混料区域混合后完成上料，相当于多增加了一道倒垛工序，倒垛量为上料量的3 倍。垃圾吊的生产率P的计算见公式（5）［5］。

式中：P为垃圾吊生产率，t/h；Q、G分别为垃圾吊额定起重量、抓斗质量，t；t为运行1 次时间（与垃圾池尺寸及吊车工作计制相关，可计算叠加），min；Ψ为抓斗充满系数，一般取0.9。

通过上述计算，各方案垃圾吊运行参数如表4所示。

表4 4 种方案垃圾吊运行负荷Table 4 Waste crane load of the four schemes

由上可知，方案三的垃圾吊总利用率最低（37.8%），方案一其次（53%），方案二、方案四最高（69.5%），但方案二存在垃圾吊工作时互相干扰的可能。结合垃圾池的管理方案，综合考虑运行时垃圾吊操作的便捷性、可靠性及垃圾吊负载的可承受范围，推荐方案四为优选方案，其他可作为参考备选方案。

4 结论

1）现有生活垃圾焚烧厂掺烧一定比例的工业固废是可行的，α的确定主要依据Qh和Qgy确定。

2）Qh主要受qv和qF的限制，且应在焚烧炉典型燃烧正常运行范围之内，所以Qh应根据焚烧炉的设计参数确定。

3）建议垃圾池内设置工业固废存料区/混料区域，该区域应尽量位于垃圾池中央位置，避免布置于垃圾池边角位置。

4）垃圾池管理及垃圾吊配置方案推荐采用方案四， 现有生活垃圾焚烧厂不需要增设垃圾吊及卸料门，且运行时垃圾吊相互干扰少。同时应注意到垃圾吊的生产率、总利用率明显提高，因此须复核设备的选型裕量。