杨志超 翁 彦 高 健 云 岗 杜春元 王 琦 范志强

（内蒙古航天金岗重工有限公司，呼和浩特 010000）

生活垃圾是指人们在日常生活中或为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，以及法律、行政法规规定的视为生活垃圾的固体废物[1]，一般分为可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾4 大类。生活垃圾是一种无固定比例、互相渗透混杂、可自发生化反应的混合物质，若不能妥善处理，将会影响环境卫生，进而造成环境污染问题。

垃圾焚烧是一种较为传统的垃圾处理方法，被世界各国广泛采用。垃圾焚烧炉内部温度控制在高于850 ℃，可以有效处理垃圾中的大量细菌、病毒、寄生虫卵等病原体。焚烧后的垃圾至少可以减量90%，在减量化的同时能够产生蒸汽进行发电。据统计，1.2万人的乡镇每天可产生生活垃圾15 t，因此设计一种适用于人口密度较小地区的小型生活垃圾焚烧设备显得极为重要。

1 生活垃圾焚烧处理流程

1.1 设备结构

生活垃圾焚烧设备结构如图1 所示。前端预处理环节主要包括液压抓斗、拆包机、磁选机、振动给料机、破碎机、涡电流机、滚筒筛、碎垃圾池、螺旋上料机和液压给料机等设备。中间处理环节包括一次进风管、一次进风鼓风机、焚烧炉和刮板机等设备。尾端烟气处理环节包括干式喷射塔、急冷塔、热交换器、二次进风鼓风机、空预塔、脱硫塔、二次进风管、布袋除尘器、湿式电除尘器、喷淋塔、引风机和烟囱等设备。整套设备机架部分采用各类型材与Q235 折弯板焊合而成，部分需要承受高温的部件采用高锰钢等材料制成，部件之间通过管道连接，在满足使用要求的前提下尽量减少材料成本和降低空间占用。

图1 生活垃圾焚烧设备结构图

整套设备由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及电控柜控制，自动化程度高。人工辅助操作，可以节约人力，减少劳动成本。该设备每天可处理15 t 垃圾，烟气排放符合国家标准，而且无废水产生，垃圾处理效率高，能够连续运行，年工作8 000 h 以上。

1.2 工作过程及原理

垃圾转运车将生活垃圾倒在第1 个垃圾池内，垃圾池底部安装有渗滤液管道，可将池内的垃圾渗滤液喷到焚烧炉内燃烧气化。行车抓斗内装有液压缸，控制抓臂将垃圾抓到拆包机上。拆包机由输送系统、破袋装置、卸料系统和控制系统组成，其作用是撕开垃圾袋，并将袋内的垃圾打散，同时控制垃圾的倒出速度和流量。拆包后的垃圾被传送到振动给料机上，振动给料机主要由振动机架、弹簧、振动器、电机振动架及电机组成。激振器由2 个特定位置的偏心轴组成，装配时必须使两齿轮按标记啮合，通过电机驱动使两偏心轴旋转，从而产生巨大的直线激振力，使机体在支撑弹簧上做强制振动。物料则以振动为动力在料槽上做滑动及抛掷运动，从而使物料前移达到给料的目的。当物料通过槽体上的筛条时，较小的物料可通过筛条间隙落下，不经过下一道的破碎工序，减轻破碎机的压力，起到筛分的效果。

磁选机悬挂在振动给料机上方，通过物料的磁性进行金属分离，防止铁块等硬质金属损坏破碎机。磁选系统采用矩形钕铁硼强磁磁铁，磁场强度高，磁力衰减小，磁选效率可达到99.5%，且自动卸铁设计保证了设备连续稳定运行。破碎机采用电机带动行星减速机作为动力源，内装2 根破碎轴，轴上装有可拆卸的动破碎刀，与装在侧板上的定破碎刀配合将垃圾剪切破碎。破碎刀由高强度合金钢经过调质和表面氮化处理工艺制成，刀体表面硬度大，更加耐磨。破碎后的垃圾与空气接触面积大，燃烧速度更快，能够降低垃圾输送时的堵塞率。破碎后的垃圾经过涡电流机筛分其中的铜、铝等金属，其分选原理是通过内部磁芯辊的高速运转，使得环形皮带上物料中的有色金属在高频交变磁场中产生感应电流，从而产生同原磁场方向相反的磁场，对有色金属产生较大的排斥力（洛伦兹力），将有色金属瞬间从物料中弹出，达到分离目的。

滚筒筛通过筒体旋转使得散开的物料通过筒体的筛孔板，小于筛孔尺寸的物料自上而下通过筛网筛孔得以分离，大于筛孔的垃圾从分离筒下端排出进入后续工序处理。根据筛分物料的不同属性，可设计成圆形筛筒和内六角筛筒，并增加自清洁的功能。碎垃圾池可存放经前端设备预处理后的垃圾，该垃圾池也装有渗滤液管道。上述设备均安装在一个厂房内，通过后续的一次进风系统将厂房内的污浊臭气吸入焚烧炉，并使厂房内产生-50 Pa 的气压。

行车抓斗将碎垃圾池内的垃圾抓取到螺旋上料机内，破碎后的垃圾每次可以抓取0.5 m3左右。螺旋上料机由动力系统、无轴螺旋片和管道等部件组成。无轴螺旋片抗缠绕性强，无中心轴干扰，输送带状、黏稠、易缠绕物料具有特殊的优越性，物料不易堵塞排放口。螺旋上料机输送来的垃圾存放在焚烧炉进料口处的小体积垃圾储料仓内，由液压给料机将垃圾推入炉体。其中，液压给料机由推板、2 个液压缸、机箱和控制系统等部件组成，焚烧炉由炉体、旋转炉排、燃烧机和耐高温浇注料等部件组成。推入焚烧炉内的垃圾可由装在炉体底部的燃烧机引燃，引燃后该燃烧机停止使用。炉体底部的旋转炉排可以持续旋转，将进料的垃圾均匀摊开，灰渣从炉体底部排出，再由刮板机将灰渣运出。刮板输送机是将刮板固定在链条上（组成刮板链）作为牵引构件，当机头传动部启动后，带动机头轴上的链轮旋转，刮板链循环运行带动物料沿着溜槽移动，直至机头部卸载[2]。刮板链绕过链轮做无级闭合循环运行，完成物料的输送。

由于垃圾焚烧产生的烟气温度较高，为避免高温损坏管道，管道内壁装有耐火砖及耐火浇注料。高温烟气先经过干式喷射塔，该设备可以将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与烟气充分接触，能够有效吸附烟气中的重金属及二噁英类，并中和烟气中的酸性气体，以达到净化烟气的目的。急冷塔是给烟气快速降温的设备，内部焊接螺旋板，顶部安装喷头，配合换热器使用，烟气温度可以从850 ℃下降到550 ℃左右，完成烟气的初次降温。空预塔是给二次进风空气加热的设备，空气由常温加热到200 ℃左右，由鼓风机通过管道将热空气打入焚烧炉的二燃室。空预塔由内腔管道和外腔管道组成，内腔管道通烟气，外腔管道通空气。脱硫塔是中和烟气中酸性气体的设备，该设备采用干法脱酸工艺，中和试剂通过管道注入烟气，常见的中和试剂为石灰和碳酸氢钠等,最终的反应产物是固体颗粒，在随后的布袋除尘器中作为尘埃沉积下来[3]。布袋除尘器是生活垃圾焚烧领域应用最广的除尘器，除尘效率高，对于1.0 μm 的粉尘除尘效率为98%～99%。布袋除尘器的除尘原理是利用滤料对粉尘的过滤作用，依靠滤料纤维产生的拦截、碰撞、滤筛、扩散及静电吸附这5 种效应，将粉尘阻留于滤料表面。清灰时，以压缩空气为清灰动力，依靠冲击振动和反向气流进行清灰。

进入湿式电除尘器中的烟气会经历电离、荷电、收集和清灰4 个阶段。放电极通过直流高压电的作用将周围的气体电离，产生大量的负离子，负离子与烟气中的粉尘颗粒碰撞并附着在粉尘表面荷电。荷电后的粉尘颗粒在静电场力的作用下向收尘极运动，被收集在收尘极表面。采用喷淋的方式在收尘极板上形成连续水膜，将收尘极板上的粉尘颗粒冲刷至灰斗排出，达到烟气净化的目的。喷淋塔是一个中空圆筒体，顶端配有液体自喷器，使液体分散成细微液滴降落，烟气以倒流方式与液滴触碰开展对流传热。喷淋是烟气净化的最后一环，可起到烟气最终降温和粉尘净化的作用。引风机是将烟气抽出的设备，根据烟气量来确定引风机的功率、风量和风压。净化后的烟气最终由烟囱排出，烟气达标时应呈无色透明状。烟气处理系统设备可根据不同垃圾种类、不同客户要求配套相应设备。

2 生活垃圾焚烧处理工艺

2.1 生活垃圾焚烧炉

生活垃圾焚烧是一种高温热处理技术，即一定的过量空气与被处理的生活垃圾在焚烧炉内高温（一般温度高于850 ℃）条件下进行氧化燃烧反应[4]。生活垃圾焚烧炉是生活垃圾的主要减量设备，由炉排、炉体、驱动装置和耐火材料等部件组成。炉体结构如图2 所示。该焚烧炉垃圾日处理量在15 t 左右，不具备发电条件，只考虑垃圾的减量化。

图2 生活垃圾焚烧炉结构图

为抑制有害物质二噁英的产生，要求生活垃圾焚烧烟气在炉内高温区（850 ℃以上）的停留时间，即焚烧产生的烟气从二次风断面以上到排出二燃室所需的时间，不低于2 s。因此，在炉体中上部二燃室位置装有一台燃烧机，当检测到二燃室温度低于850 ℃时，燃烧机自动开机辅助燃烧。

炉排是支撑垃圾进行燃烧分解的装置。该焚烧炉安装旋转式炉排，由旋转装置、固定装置和驱动装置组成。旋转装置以1.3 r·min-1的速度旋转，可搅动炉内垃圾，并排出灰渣。固定装置由一圈炉排侧片组成，炉排侧片中间灌装耐火浇注料。驱动装置由调速电机、普通齿轮减速机和涡轮蜗杆减速机组成，可以将输入的高转速低扭矩转化成低转速大扭矩，为旋转装置提供动力。

根据炉排的工作条件，要求炉排侧片在1 000 ℃以下具有抗高温磨蚀、热冲击和物理冲击的能力，因此炉排侧片材质与结构形式就显得尤为重要。通过精心设计，获得能在高温抗氧化性、抗磨蚀性与热强性高的基本体上分布高温稳定性好且硬度高的硬质相材料。

2.2 二次进风系统

二次进风系统布置在燃烧火焰的后段区域及炉膛喉部，主要起到补充氧气和加强扰动的作用，促进完全燃烧。湍流度是引起扰动的重要因素，湍流度越大扰动就越强。湍流度是表征生活垃圾和空气混合程度的指标。当焚烧情况一定时，增加空气供给量可以加强燃烧效果，提高湍流度，促进完全燃烧，因此在炉体底部装有一次进风管道。为提高湍流度，使烟气在二燃室停留2 s 以上，满足充分燃烧的要求，在二燃室位置也安装有二次通风管进气口，持续向二燃室内鼓入充足的空气。二次风的喷嘴沿着炉膛喉部对冲布置，以利于形成紊流。二次风喷嘴为Φ50 mm 的圆孔，出口流速大于20 m·s-1，喷入炉膛后的射程范围为2 m 左右。二次风量为总风量的30%～40%，主要目的是形成湍流。燃烧空气在炉内扰动情况，如图3所示。

图3 燃烧空气在炉内扰动情况

3 灰渣及烟气处理

生活垃圾焚烧后排出的残渣包括从焚烧炉下段排出的炉渣以及从烟气净化系统排出的飞灰。炉渣占垃圾处理量的15%～30%，主要含有Si、Al、Ca、Na、Fe 等元素，由于重金属含量相对较少，可作为一般固体废弃物处置或资源化利用，如制砖等。飞灰占垃圾处理量的1.5%～5.0%。它是一种细小的粉末颗粒物，含水率低，富集Pb、Cd、As、Zn 等重金属以及有毒物质二噁英，已被明确归类为危险废物[5]。

焚烧烟气中的有害气体主要有：不完全燃烧产物，如CO 和二噁英等；酸性气体，如HCl、HF 和SO2等；氧化还原产物，如NOx等；颗粒物及重金属。2016 年1 月1 日起全面实施的《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485—2014）明确规定，生活垃圾焚烧炉排放烟气中污染物浓度不得超过标准要求。表1 为该小型生活垃圾焚烧处理设备排放烟气检测表。

表1 烟气检验结果

4 结语

该小型生活垃圾焚烧处理设备处理效率高，每天可处理生活垃圾15 t，年运行时间8 000 h 以上，生活垃圾减量化85%～90%，烟气排放符合国家要求，能够满足村、镇一级的生活垃圾处理要求，具有极大的应用与推广价值。