小型生活垃圾焚燒處理設備工藝研究

楊志超 翁 彥 高 健 云 崗 杜春元 王 琦 范志強

（內蒙古航天金崗重工有限公司，呼和浩特 010000）

生活垃圾是指人們在日常生活中或為日常生活提供服務的活動中產生的固體廢物，以及法律、行政法規規定的視為生活垃圾的固體廢物[1]，一般分為可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾4 大類。生活垃圾是一種無固定比例、互相滲透混雜、可自發生化反應的混合物質，若不能妥善處理，將會影響環境衛生，進而造成環境污染問題。

垃圾焚燒是一種較為傳統的垃圾處理方法，被世界各國廣泛采用。垃圾焚燒爐內部溫度控制在高于850 ℃，可以有效處理垃圾中的大量細菌、病毒、寄生蟲卵等病原體。焚燒后的垃圾至少可以減量90%，在減量化的同時能夠產生蒸汽進行發電。據統計，1.2萬人的鄉鎮每天可產生生活垃圾15 t，因此設計一種適用于人口密度較小地區的小型生活垃圾焚燒設備顯得極為重要。

1 生活垃圾焚燒處理流程

1.1 設備結構

生活垃圾焚燒設備結構如圖1 所示。前端預處理環節主要包括液壓抓斗、拆包機、磁選機、振動給料機、破碎機、渦電流機、滾筒篩、碎垃圾池、螺旋上料機和液壓給料機等設備。中間處理環節包括一次進風管、一次進風鼓風機、焚燒爐和刮板機等設備。尾端煙氣處理環節包括干式噴射塔、急冷塔、熱交換器、二次進風鼓風機、空預塔、脫硫塔、二次進風管、布袋除塵器、濕式電除塵器、噴淋塔、引風機和煙囪等設備。整套設備機架部分采用各類型材與Q235 折彎板焊合而成，部分需要承受高溫的部件采用高錳鋼等材料制成，部件之間通過管道連接，在滿足使用要求的前提下盡量減少材料成本和降低空間占用。

圖1 生活垃圾焚燒設備結構圖

整套設備由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及電控柜控制，自動化程度高。人工輔助操作，可以節約人力，減少勞動成本。該設備每天可處理15 t 垃圾，煙氣排放符合國家標準，而且無廢水產生，垃圾處理效率高，能夠連續運行，年工作8 000 h 以上。

1.2 工作過程及原理

垃圾轉運車將生活垃圾倒在第1 個垃圾池內，垃圾池底部安裝有滲濾液管道，可將池內的垃圾滲濾液噴到焚燒爐內燃燒氣化。行車抓斗內裝有液壓缸，控制抓臂將垃圾抓到拆包機上。拆包機由輸送系統、破袋裝置、卸料系統和控制系統組成，其作用是撕開垃圾袋，并將袋內的垃圾打散，同時控制垃圾的倒出速度和流量。拆包后的垃圾被傳送到振動給料機上，振動給料機主要由振動機架、彈簧、振動器、電機振動架及電機組成。激振器由2 個特定位置的偏心軸組成，裝配時必須使兩齒輪按標記嚙合，通過電機驅動使兩偏心軸旋轉，從而產生巨大的直線激振力，使機體在支撐彈簧上做強制振動。物料則以振動為動力在料槽上做滑動及拋擲運動，從而使物料前移達到給料的目的。當物料通過槽體上的篩條時，較小的物料可通過篩條間隙落下，不經過下一道的破碎工序，減輕破碎機的壓力，起到篩分的效果。

磁選機懸掛在振動給料機上方，通過物料的磁性進行金屬分離，防止鐵塊等硬質金屬損壞破碎機。磁選系統采用矩形釹鐵硼強磁磁鐵，磁場強度高，磁力衰減小，磁選效率可達到99.5%，且自動卸鐵設計保證了設備連續穩定運行。破碎機采用電機帶動行星減速機作為動力源，內裝2 根破碎軸，軸上裝有可拆卸的動破碎刀，與裝在側板上的定破碎刀配合將垃圾剪切破碎。破碎刀由高強度合金鋼經過調質和表面氮化處理工藝制成，刀體表面硬度大，更加耐磨。破碎后的垃圾與空氣接觸面積大，燃燒速度更快，能夠降低垃圾輸送時的堵塞率。破碎后的垃圾經過渦電流機篩分其中的銅、鋁等金屬，其分選原理是通過內部磁芯輥的高速運轉，使得環形皮帶上物料中的有色金屬在高頻交變磁場中產生感應電流，從而產生同原磁場方向相反的磁場，對有色金屬產生較大的排斥力（洛倫茲力），將有色金屬瞬間從物料中彈出，達到分離目的。

滾筒篩通過筒體旋轉使得散開的物料通過筒體的篩孔板，小于篩孔尺寸的物料自上而下通過篩網篩孔得以分離，大于篩孔的垃圾從分離筒下端排出進入后續工序處理。根據篩分物料的不同屬性，可設計成圓形篩筒和內六角篩筒，并增加自清潔的功能。碎垃圾池可存放經前端設備預處理后的垃圾，該垃圾池也裝有滲濾液管道。上述設備均安裝在一個廠房內，通過后續的一次進風系統將廠房內的污濁臭氣吸入焚燒爐，并使廠房內產生-50 Pa 的氣壓。

行車抓斗將碎垃圾池內的垃圾抓取到螺旋上料機內，破碎后的垃圾每次可以抓取0.5 m3左右。螺旋上料機由動力系統、無軸螺旋片和管道等部件組成。無軸螺旋片抗纏繞性強，無中心軸干擾，輸送帶狀、黏稠、易纏繞物料具有特殊的優越性，物料不易堵塞排放口。螺旋上料機輸送來的垃圾存放在焚燒爐進料口處的小體積垃圾儲料倉內，由液壓給料機將垃圾推入爐體。其中，液壓給料機由推板、2 個液壓缸、機箱和控制系統等部件組成，焚燒爐由爐體、旋轉爐排、燃燒機和耐高溫澆注料等部件組成。推入焚燒爐內的垃圾可由裝在爐體底部的燃燒機引燃，引燃后該燃燒機停止使用。爐體底部的旋轉爐排可以持續旋轉，將進料的垃圾均勻攤開，灰渣從爐體底部排出，再由刮板機將灰渣運出。刮板輸送機是將刮板固定在鏈條上（組成刮板鏈）作為牽引構件，當機頭傳動部啟動后，帶動機頭軸上的鏈輪旋轉，刮板鏈循環運行帶動物料沿著溜槽移動，直至機頭部卸載[2]。刮板鏈繞過鏈輪做無級閉合循環運行，完成物料的輸送。

由于垃圾焚燒產生的煙氣溫度較高，為避免高溫損壞管道，管道內壁裝有耐火磚及耐火澆注料。高溫煙氣先經過干式噴射塔，該設備可以將活性炭粉末和消石灰粉末定量送入文丘里管道，利用文丘里管的射吸使活性炭及消石灰與煙氣充分接觸，能夠有效吸附煙氣中的重金屬及二噁英類，并中和煙氣中的酸性氣體，以達到凈化煙氣的目的。急冷塔是給煙氣快速降溫的設備，內部焊接螺旋板，頂部安裝噴頭，配合換熱器使用，煙氣溫度可以從850 ℃下降到550 ℃左右，完成煙氣的初次降溫?？疹A塔是給二次進風空氣加熱的設備，空氣由常溫加熱到200 ℃左右，由鼓風機通過管道將熱空氣打入焚燒爐的二燃室?？疹A塔由內腔管道和外腔管道組成，內腔管道通煙氣，外腔管道通空氣。脫硫塔是中和煙氣中酸性氣體的設備，該設備采用干法脫酸工藝，中和試劑通過管道注入煙氣，常見的中和試劑為石灰和碳酸氫鈉等,最終的反應產物是固體顆粒，在隨后的布袋除塵器中作為塵埃沉積下來[3]。布袋除塵器是生活垃圾焚燒領域應用最廣的除塵器，除塵效率高，對于1.0 μm 的粉塵除塵效率為98%～99%。布袋除塵器的除塵原理是利用濾料對粉塵的過濾作用，依靠濾料纖維產生的攔截、碰撞、濾篩、擴散及靜電吸附這5 種效應，將粉塵阻留于濾料表面。清灰時，以壓縮空氣為清灰動力，依靠沖擊振動和反向氣流進行清灰。

進入濕式電除塵器中的煙氣會經歷電離、荷電、收集和清灰4 個階段。放電極通過直流高壓電的作用將周圍的氣體電離，產生大量的負離子，負離子與煙氣中的粉塵顆粒碰撞并附著在粉塵表面荷電。荷電后的粉塵顆粒在靜電場力的作用下向收塵極運動，被收集在收塵極表面。采用噴淋的方式在收塵極板上形成連續水膜，將收塵極板上的粉塵顆粒沖刷至灰斗排出，達到煙氣凈化的目的。噴淋塔是一個中空圓筒體，頂端配有液體自噴器，使液體分散成細微液滴降落，煙氣以倒流方式與液滴觸碰開展對流傳熱。噴淋是煙氣凈化的最后一環，可起到煙氣最終降溫和粉塵凈化的作用。引風機是將煙氣抽出的設備，根據煙氣量來確定引風機的功率、風量和風壓。凈化后的煙氣最終由煙囪排出，煙氣達標時應呈無色透明狀。煙氣處理系統設備可根據不同垃圾種類、不同客戶要求配套相應設備。

2 生活垃圾焚燒處理工藝

2.1 生活垃圾焚燒爐

生活垃圾焚燒是一種高溫熱處理技術，即一定的過量空氣與被處理的生活垃圾在焚燒爐內高溫（一般溫度高于850 ℃）條件下進行氧化燃燒反應[4]。生活垃圾焚燒爐是生活垃圾的主要減量設備，由爐排、爐體、驅動裝置和耐火材料等部件組成。爐體結構如圖2 所示。該焚燒爐垃圾日處理量在15 t 左右，不具備發電條件，只考慮垃圾的減量化。

圖2 生活垃圾焚燒爐結構圖

為抑制有害物質二噁英的產生，要求生活垃圾焚燒煙氣在爐內高溫區（850 ℃以上）的停留時間，即焚燒產生的煙氣從二次風斷面以上到排出二燃室所需的時間，不低于2 s。因此，在爐體中上部二燃室位置裝有一臺燃燒機，當檢測到二燃室溫度低于850 ℃時，燃燒機自動開機輔助燃燒。

爐排是支撐垃圾進行燃燒分解的裝置。該焚燒爐安裝旋轉式爐排，由旋轉裝置、固定裝置和驅動裝置組成。旋轉裝置以1.3 r·min-1的速度旋轉，可攪動爐內垃圾，并排出灰渣。固定裝置由一圈爐排側片組成，爐排側片中間灌裝耐火澆注料。驅動裝置由調速電機、普通齒輪減速機和渦輪蝸桿減速機組成，可以將輸入的高轉速低扭矩轉化成低轉速大扭矩，為旋轉裝置提供動力。

根據爐排的工作條件，要求爐排側片在1 000 ℃以下具有抗高溫磨蝕、熱沖擊和物理沖擊的能力，因此爐排側片材質與結構形式就顯得尤為重要。通過精心設計，獲得能在高溫抗氧化性、抗磨蝕性與熱強性高的基本體上分布高溫穩定性好且硬度高的硬質相材料。

2.2 二次進風系統

二次進風系統布置在燃燒火焰的后段區域及爐膛喉部，主要起到補充氧氣和加強擾動的作用，促進完全燃燒。湍流度是引起擾動的重要因素，湍流度越大擾動就越強。湍流度是表征生活垃圾和空氣混合程度的指標。當焚燒情況一定時，增加空氣供給量可以加強燃燒效果，提高湍流度，促進完全燃燒，因此在爐體底部裝有一次進風管道。為提高湍流度，使煙氣在二燃室停留2 s 以上，滿足充分燃燒的要求，在二燃室位置也安裝有二次通風管進氣口，持續向二燃室內鼓入充足的空氣。二次風的噴嘴沿著爐膛喉部對沖布置，以利于形成紊流。二次風噴嘴為Φ50 mm 的圓孔，出口流速大于20 m·s-1，噴入爐膛后的射程范圍為2 m 左右。二次風量為總風量的30%～40%，主要目的是形成湍流。燃燒空氣在爐內擾動情況，如圖3所示。

圖3 燃燒空氣在爐內擾動情況

3 灰渣及煙氣處理

生活垃圾焚燒后排出的殘渣包括從焚燒爐下段排出的爐渣以及從煙氣凈化系統排出的飛灰。爐渣占垃圾處理量的15%～30%，主要含有Si、Al、Ca、Na、Fe 等元素，由于重金屬含量相對較少，可作為一般固體廢棄物處置或資源化利用，如制磚等。飛灰占垃圾處理量的1.5%～5.0%。它是一種細小的粉末顆粒物，含水率低，富集Pb、Cd、As、Zn 等重金屬以及有毒物質二噁英，已被明確歸類為危險廢物[5]。

焚燒煙氣中的有害氣體主要有：不完全燃燒產物，如CO 和二噁英等；酸性氣體，如HCl、HF 和SO2等；氧化還原產物，如NOx等；顆粒物及重金屬。2016 年1 月1 日起全面實施的《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485—2014）明確規定，生活垃圾焚燒爐排放煙氣中污染物濃度不得超過標準要求。表1 為該小型生活垃圾焚燒處理設備排放煙氣檢測表。

表1 煙氣檢驗結果

4 結語

該小型生活垃圾焚燒處理設備處理效率高，每天可處理生活垃圾15 t，年運行時間8 000 h 以上，生活垃圾減量化85%～90%，煙氣排放符合國家要求，能夠滿足村、鎮一級的生活垃圾處理要求，具有極大的應用與推廣價值。