高原高寒地区应急保障垃圾处置实验

2024-03-06陈纪赛周永贤张永良王小峰

环境科技 2024年1期

胡孙，陈纪赛，周永贤，张永良，王小峰

（中船绿洲环保（南京）有限公司，江苏南京 211162）

0 引言

我国高原高寒地区灾害主要包括地震、雪灾、堰塞湖等自然灾害[1]，区别于平原地区一般环境下的应急救援，高原高寒地区的特殊环境条件不仅威胁着人员生命安全，而且会明显降低保障装备性能[2]，大型化、固定化保障设备无法满足高原高寒地区应急救援保障。目前，我国高原应急应变的能力不足，对“超常规、非典型”恶劣气象条件下产生的现实问题研究不足[3]。郭建华等[4]针对高原高寒地区灾害现场生存保障装备体系构建开展研究，提出高原后勤保障须开展医护卫生保障任务中垃圾处置、重点辅助保障任务的需求。张俊体等[5]对高原高寒地区抗震救灾军需保障进行研究，总结出高原地区特殊的地形、气候特点以及复杂的社情民情，救援保障与其他地区存在明显区别。汤友富等[6]针对高原高寒铁路应急救援体系研究开展研究发现，高原高寒地区大型应急救援装备应做到模块化、无人化、智能化，小型应急救援装备应做到轻便化、通用化。

目前，我国生活垃圾大多数采用集中焚烧处置[7]，但是我国城乡环境基础设施目前建设存在很大差异性，发达城市后勤保障发展迅速[8]，国内灾害现场后勤保障技术及装备发展起步较晚，鲜有高原高寒地区的生存保障装备研究。高原高寒地区地广人稀、经济落后，垃圾的运输转运成本太高，不适用于垃圾焚烧等集中式规模化处理处理，垃圾缺少无害化处理设施[9]，高原高寒地区固废物处理方法以简单填埋和露天焚烧为主，60.8%的生活垃圾通过简易露天焚烧进行处理[10]，据美国环保署测算，露天焚烧每公斤垃圾产生的二噁英为焚烧厂的2 万倍以上，其他污染物排放可达数十万乃至数百万倍[11]，加上高原高寒地区简易的垃圾填埋场防渗措施弱，填埋场产生的渗滤液易对土壤和地下水造成环境污染，给高原高寒地区脆弱的生态环境造成严重的影响。WANG X T 等[12]对西藏地区6 座垃圾填埋场的土壤进行污染分析和人体健康风险评估发现，汞的累积性污染比背景值高6 倍。孟德安[13]对高原地区垃圾处置方式进行研究发现，高原特殊环境条件下，垃圾热解焚烧技术更适用于高原地区小规模垃圾就地处理处置。

本次中试实验依托于国家重点研发科技成果，在高原高寒地区利用移动式焚烧系统对高原高寒地区应急保障中可能出现的垃圾进行无害化焚烧处置，通过在特定环境条件下对系统的处理能力、焚烧后滤渣的热灼减率以及烟气排放浓度进行测试，验证在高原高寒地区应急保障中对垃圾进行无害化焚烧处置系统的可行性。整个系统利用垃圾在燃烧室内彻底焚烧，将焚烧后的烟气再经过“急冷”+“活性炭吸附”+“布袋除尘”工艺处置达标后排放。

该方案的优势在于整套系统采用撬装化模块设计，占地面积小移动性强，可满足高原高寒地区特定环境条件下多个地区应急保障需求，同时极大缩短设备安装、调试时间。系统配置完善的烟气处置系统，保障在焚烧过程中整个烟气达标排放，避免转运、就地焚烧以及填埋对高原高寒地区的生态环境造成危害。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验材料主要包括生活垃圾、“动物尸体”和“医疗垃圾”，其中，生活垃圾来源于当地居民、兵站生活产生的垃圾（包括瓜果蔬菜残、纸等）；“动物尸体”主要通过采购超市冷冻后的羊、鸭来模拟；“医疗垃圾”由于其来源较困难，因此采用普通的塑料垃圾、绒帆布替代，整个实验焚烧系统采用-35 号柴油焚烧。

1.2 实验方法

实验场地设置在青海格尔木纳赤台，现场环境为海拔3 540 m，测试期间最低气温为-16 ℃，空气中氧气占13%～14.7%。试验共计开展5 次，具体各待处理物的投加量占比见表1。

表1 实验待处理物投加量占比

试验处理过程中：①“动物尸体”，首先通过剪切式破碎机对整个“动物尸体”进行切割破碎使其小型化，再通过料斗进入带有垃圾袋的收集装置中，实现对“动物尸体”打包处理，最后通过自动进料装置进入焚烧炉系统中；②“医疗垃圾”和生活垃圾，先将其打包后，再通过自动投料装置进入焚烧炉系统。

整个试验过程中先后对焚烧后的关键核心参数（包括样机处理量、热灼减率及烟气指标）进行采样分析，其中具体核心参数测试方法如下：

（1）焚烧炉处理能力

整个样机焚烧炉处理能力测试主要通过在连续稳定运行时间内，投放3 种不同垃圾进行测试，具体试验方法：①先根据系统设定的启动程序进行预热作业，整个预热时间为1～2 h；②预热完成后，将试验物料由提升机自动投入至炉膛内部；③在一定连续的试验周期内，将预处理后的物料投入炉膛内，通过记录投入物料的重量，计算焚烧炉投料量与时间的比值，作为焚烧炉处理量测试结果。

（2）热灼减率测试

物料焚烧试验后从焚烧残渣取样，进行灼热处理，计算质量减少量与样品质量的比值，作为热灼减率的测试结果。其计算方法如下：

式中：P 为热灼减率，%；A 为焚烧残渣经100 ℃干燥2 h 后在室温下的质量（其中含有未燃烧的物质），g；B 为焚烧残渣经600 ℃（± 25 ℃）3 h 灼热后冷却至室温的质量（即可燃物完全燃烧后的质量），g。

（3）烟气测试

本次试验烟气测试是在样机连续运行过程中，通过在样机烟囱部位采集烟气进行测量，其中试验需测试的污染物主要包括烟气黑度、颗粒物（烟尘）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氯化氢（HCl）、氮氧化物（NOx）、汞及其化合物（以Hg 计）、二噁英等。整个烟气样品的采集和制备方法按照HJ/T 20—1998《工业固体废物采样制样技术规范》执行。

1.3 实验样机

实验样机采用撬装化集成设计，所有核心单元集成在3 个方舱中，整个样机主要由破碎单元、焚烧单元、烟气处置单元及电控单元组成，其中破碎单元与电控单元集成在第1 个方舱中，焚烧单元集成在第2 个方舱，烟气单元集成在第3 个方舱，所有方舱采用型号CAF60242，长× 宽× 高为6 058 mm ×2 438 mm × 2 438 mm，样机系统示意见图1。

图1 试验系统整体布置示意

（1）破碎单元

破碎单元由破碎设备组成，破碎设备主要包括破碎装置和提升装置，破碎装置采用剪切式破碎机为基础机型，主要由动刀组、定刀组、破碎箱、料斗、料仓、驱动减速电机等组成，其中动刀组和定刀组上各交错设置一组切刀。提升装置采用电动提升机，通过驱动电机将装有动物尸体的垃圾桶提升至足够高度后自动翻转，动物尸体因重力滑落至破碎机料斗中进行破碎。

（2）焚烧单元

焚烧单元主要由焚烧炉（包含炉排）、燃烧器、供油装置、投料装置、出灰装置等组成，其中焚烧炉以炉排式焚烧炉为原型，采用“卧式炉排燃烧室结构”+“二燃室结构”设计，基于高原地区空气密度比平原地区低,可能超过燃烧器空燃比的调节范围,使得燃烧不稳定[14]，整体焚烧炉搭配一体式比例调节压力雾化燃烧器，焚烧炉炉体内部温度设置为850 ℃以上。

（3）烟气单元

烟气处置单元以急冷、除尘等为主，主要包括烟气管道、喷淋冷却室、活性炭喷射装置、布袋除尘器、烟气风机、烟囱、脱酸装置等核心部件，焚烧烟气处理采用“急冷”+“活性炭吸附”+“布袋除尘”工艺处置。

（4）电控单元

整个工程样机电控系统为整套系统的控制核心，可实现对电磁阀、电动阀、电机、水泵、燃烧器等执行器件的准确控制，以及对设备温度、压力、流量等运行参数的实时监控与记录。电控单元由设在方舱中的总控室、各现场控制柜、各测量仪表、传感器及连接电缆构成。

（5）工艺流程

本项目基本流程为“动物尸体”经破碎方舱破碎处置后再进行打包处理，其他垃圾直接打包进入焚烧方舱焚烧处置，垃圾在燃烧室内部高温过氧的环境下充分燃烧，生成烟气和无害的残渣，烟气经二燃室再燃烧彻底分解后，进入烟气净化装置经除尘、脱酸等处理后排向大气，具体工艺流程见图2。

图2 试验系统工艺流程

2 结果与讨论

2.1 测定焚烧处理量及热灼减率

整个焚烧炉处理能力测试实验先、后开展5 次，同时同步开展5 次焚烧后的热灼减率采样测试工作，整个热灼减率测定样品的采集和制备方法均按照HJ/T 20—1998 《工业固体废物采样制样技术规范》执行。其5 次焚烧炉处理量以及热灼减率测试结果见表2。

表2 不同垃圾焚烧处理量及热灼减率测试结果

由表2 可以看出，第1 次及第4 次焚烧热灼减率高于其它3 次，原因是由于第1 次及第4 次测试时实验处理量大且“动物尸体”（主要由羊骨头、鸭骨头组成）较多，“医疗垃圾”物料尺寸相对较大，整体可燃性较低，因此这2 次实验采集的炉渣均存在不完全燃烧现象。而第3 次及第5 次测试的热灼减率均较低（约为5%），其主要原因是虽然这2 次处理量不大，但“动物尸体”及生活垃圾占比高，物料的可燃性较低；第2 次焚烧测试的热灼减率最低，主要原因是本次实验在一定时间内处理的物料量少且“医疗垃圾”占比高，因此整体燃烧充分。

综上，当待处理物可燃性较低且处理量大于200 kg/h 时，采用撬装化设备焚烧垃圾可能存在处理后热灼减率不达标情况，当处理物可燃性较高时，整个系统处理能力较大且焚烧彻底。在高原高寒应急保障过程中，由于其垃圾来源途径复杂，垃圾种类繁多，建议在焚烧过程中可将不同垃圾混合，同时对设备本身可按照200 kg/h 处理能力开展应急保障工作。

2.2 烟气净化测定

对5 次焚烧过程中烟气中的烟气黑度、烟尘、CO、SO2、HCL、NOx、HF、汞及其化合物（以Hg计）、镉及其化合物（以Cd 计）、铅及其化合物（以Pb 计）、二噁英等分别采集样品并测试，具体结果见表3。

表3 烟气排放浓度测试清单 mg·m-3

由表3 可以看出，相关指标测试结果均低于GB 18484—2020《危险废物焚烧污染控制标准》中规定值，其中烟尘、HF、汞及其化合物、镉及其化合物均低于设备检测限，整体浓度较低，第2 次实验中二噁英浓度明显高于以生活垃圾为主的实验所测浓度，原因是由于第2 次试验中医疗垃圾较多，塑料中含氯元素较多，因此在烟气处置过程中，更容易产生二噁英[15]。分析发现，撬装化处置在处置医疗垃圾焚烧过程中更容易产生二噁英，处理其他垃圾产生的二噁英浓度较低，3 种不同垃圾在焚烧过程中产生的烟气浓度均满足高原高寒地区灾害现场下的烟气净化排放要求。