張邦超 劉 杰

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

0 前言

城市固體廢物來源廣泛,種類眾多,我國的固體廢物主要由城市人口產(chǎn)生的生活垃圾組成,同時包括園林垃圾、工業(yè)廢料、餐飲垃圾、建筑垃圾等。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的增長,固體廢物的產(chǎn)生量、種類、收集方式等也在快速變化。固體廢物的收運和無害化處置是一個綜合性強的工作,在環(huán)衛(wèi)行業(yè)的綜合管理系統(tǒng)中,城市固廢的生命周期包括產(chǎn)生、收集、運輸中轉(zhuǎn)、處理、處置等五大部分[1]。固體廢物管理在觀念上應注重源頭減量和分類處理,而固體廢物源頭的科學調(diào)查和特性分析,可提供基礎的數(shù)據(jù),逐步成為城市廢物綜合管理系統(tǒng)科學管理、精細規(guī)劃的基礎工作。

除了填埋和焚燒等傳統(tǒng)處置方式,目前以固體廢物為原料的燃料制備項目在中國也快速發(fā)展。北京、上海、廣東、浙江、江蘇等地都有代表性工程,其他國家如泰國、韓國、巴西、新加坡等也開始推動固體燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這些項目參考歐洲的技術和裝備,結合本地的需求,優(yōu)先發(fā)展固體燃料技術和裝備。發(fā)展中國家目前缺乏固體燃料產(chǎn)品的國家或行業(yè)標準,我國部分行業(yè)也剛起草各自的團體標準,固體燃料不僅缺乏統(tǒng)一的市場標準,對廢物的來源和品質(zhì)也缺乏具體要求和定義。很多固體燃料制備項目由于原料和產(chǎn)品界定不清晰,以及生產(chǎn)工藝和裝備不成熟,工程投產(chǎn)后陷入停滯,未能達到項目立項和建設目標。

本文以典型的城市固體廢物為例,結合目前蓬勃發(fā)展的國內(nèi)外固體燃料技術,深入分析廢物特性、分類處理和制取等關鍵技術細節(jié),對廢物來源的工藝數(shù)據(jù)進行定性和定量分析,從而闡述廢物不同來源和特性與制取固體燃料產(chǎn)品的內(nèi)在聯(lián)系。

1 固體回收燃料及技術要求

固體燃料定義為固體回收燃料(SRF)或垃圾衍生燃料(RDF)。垃圾衍生燃料(RDF)是指固體廢物經(jīng)過破碎、篩選出不燃物后得到的可燃廢棄物,或是由這些廢棄物經(jīng)過進一步破碎、分選、干燥,最后壓制成型的固體燃料[2]。如生活垃圾去除金屬、玻璃、砂土等雜質(zhì)后,經(jīng)干燥、破碎、壓縮成型而制成RDF,制成的RDF按具體的用途和運輸條件制備為粒狀、柱狀及塊狀。

固體回收燃料(SRF)作為RDF的主流分支,是利用非危險廢物來源的固體廢物制備而成,符合ISO標準化分類或各個國家行業(yè)標準的固體燃料。SRF主要原材料為城市固體廢物、商業(yè)和工業(yè)廢物、建筑和拆遷廢物等,一般由生活垃圾和其他廢物經(jīng)處理后制備而成。根據(jù)國際標準化組織ISO 21640—2021標準分類,SRF原料主要來源于農(nóng)業(yè)、園藝、林業(yè)、造紙、工業(yè)、包裝和生活垃圾等。產(chǎn)品標準和指標以熱值、氯含量和汞含量來劃分,其中最低的5級產(chǎn)品要求熱值達到3 MJ/kg,最高的1級產(chǎn)品要求熱值達到25 MJ/kg。為達到上述標準,SRF制備工藝通常包括分類、生物處理、破碎、磁選、篩分、成型等。生活垃圾、陳腐垃圾和其他城市固體廢物除去金屬、玻璃、砂土等后,經(jīng)干燥、破碎、壓縮成型等工序制成固體燃料。例如亞洲一典型工業(yè)廢物制取固體燃料項目,其產(chǎn)品主要參數(shù)要求:熱值 3 000～5 000 kcal/kg,水分10%～34%,氯含量0.78%～1.2%,灰分21%～33%。產(chǎn)品作為輔助燃料外送其他生活垃圾焚燒廠、火力發(fā)電廠或水泥廠協(xié)同處理。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐或水泥窯進料要求,將高熱值工業(yè)廢物制備成散料、細料、棒狀或塊狀等。

混合型固體廢物在收集處置點的產(chǎn)生量、成分、水分、灰分和熱值等特性,直接決定了固體燃料制取的工藝和產(chǎn)品品質(zhì)。源頭調(diào)查和特性分析的目的是了解在產(chǎn)生、收運和終端處置各環(huán)節(jié)中物料的產(chǎn)生量和組成變化,尤其關注終端處置時的物理成分、化學成分、生化特性等,與要求的固體燃料等產(chǎn)品參數(shù)進行對照分析,從而確定最佳的燃料制取方案。

本文對某座代表性城市的固體廢物開展源頭調(diào)查,重點對廢物特性和制備燃料可行性等進行研究。

2 固體廢物產(chǎn)生量、源頭和組成分析

采用統(tǒng)計調(diào)查分析法,抽樣調(diào)查了不同階段的固廢總量變化情況。這些階段包括源頭點(各源頭產(chǎn)生處)、丟棄點(各源頭丟棄處)和處置點(露天堆放和填埋場)。三個階段數(shù)據(jù)見表1。

表1 城市固體廢物成分總量變化 t

與其他發(fā)展中國家數(shù)據(jù)對比,表1中反映出固體廢物收運步驟基本一致,來源主要包括商業(yè)機構、行政事業(yè)單位、醫(yī)療衛(wèi)生單位、建筑業(yè)、工業(yè)、交通運輸業(yè)、廣場道路、居民家庭和農(nóng)業(yè)等九大方面。同時調(diào)查也發(fā)現(xiàn),在收集、回收、轉(zhuǎn)運、壓縮和終端處置各個環(huán)節(jié)中,廢物的總量和成分也發(fā)生各種變化,特別是高熱值成分如紙張、塑料和金屬類的比例在收運中會減少。這些因素會對終端燃料制作的規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。

同時采用分層法調(diào)查固廢的成分,根據(jù)來源進行分組調(diào)查統(tǒng)計,以突顯固廢產(chǎn)生源的數(shù)據(jù)差異,深入分析不同源頭固廢成分變化和原因。來源分為居民區(qū)來源、機構區(qū)來源、商業(yè)區(qū)來源和工業(yè)區(qū)來源四類。其中,機構區(qū)主要指政府機關、學校、醫(yī)院、醫(yī)院、診所、公共交通等;商業(yè)區(qū)主要指商場、市場、購物中心、酒店、餐館、早市、商業(yè)中心等;工業(yè)區(qū)主要指食品和飲料廠、制衣廠、化工廠、煉油廠、塑料廠、電氣和電子廠、冶煉廠、造紙廠、木材廠等。不同源頭的固廢數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 城市固體廢物不同來源成分對比 %

在現(xiàn)有處置點(露天堆放和填埋場)對混合后的固廢進行成分分析,結果見表3。

表3 不同來源固體廢物成分混合后對比

從表2和表3可知,居民區(qū)產(chǎn)生的廢物與其他區(qū)(機構區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū))相比,水分較大,而低位熱值較低。作為固體燃料的原料來說,居民區(qū)固體廢物不具備優(yōu)勢。以上數(shù)據(jù)反映了該城市固廢整體現(xiàn)狀和特征,也代表了亞洲(包括中國)、非洲、南美洲和其他發(fā)展中國家的固廢來源的顯著特點。

3 固體廢物可燃成分分析

雖然目前發(fā)展中國家尚缺乏明確的固體燃料標準,作為中間產(chǎn)品或協(xié)同送焚燒時,需對燃料的低位熱值和高位熱值需進行規(guī)范的檢驗和統(tǒng)計分析。固體廢物可燃成分的構成和熱值是決定固體燃料熱值的關鍵工藝參數(shù)。

在去除不可燃成分后,對上述抽樣固體廢物可燃成分分析見表4。

表4 固體廢物可燃成分分析

由表4可知,混合型廢物各成分差異很大,其水分和熱值等關鍵燃料參數(shù)與固廢類別直接相關。常見的餐廚和餐余水分偏多,但熱量占比很低。工業(yè)廢物如橡膠、皮革、塑料的熱值最高,是適合制作固體燃料的最佳原料。

為甄別各組分對熱值的影響,找出關鍵因素,用排列圖分析法定量分析居民區(qū)固廢各組分影響比例,結果見表5。

表5 固體廢物可燃成分分析

排列圖累計比例80%以內(nèi)的為主要因素(A),其他為次要因素(B)和其他因素(C)。由表5可知,對混合型固廢熱值影響較大的為塑料、紙張和園藝垃圾,影響較小的為織物、包裝垃圾和餐廚餐余垃圾等。

4 固體廢物水分和熱值分析

固廢的水分來自源頭廢物中的水分和收集運輸過程中的雨水等,主要影響因素為城市居民的飲食結構和當?shù)貧夂虻?。水分不僅影響廢物的總量,而且在終端處置中致使有機成分發(fā)酵,產(chǎn)生二次污染,降低廢物的低位熱值,在中轉(zhuǎn)和貯存中產(chǎn)生滲濾液等高濃度廢水。生活垃圾作為主要的固體廢物成分,其含水除結晶水外,還包括外在水分和內(nèi)在水分。外在水分即垃圾各組分表面保留的水分,內(nèi)在水分即垃圾各組分內(nèi)部毛細孔中的水分[3]。

隨著居民生活水平的提高和工商業(yè)體系的健全,城市固廢中可燃物成分含量逐步提高,不可燃成分和惰性物質(zhì)含量逐步下降,有機物成分含量進一步增加,整體熱值也在緩慢上升,更有利于生物質(zhì)燃料的制作或焚燒回收熱量。各種廢物在終端匯合和混合后,含水量為40%～60%。

根據(jù)《生活垃圾采樣和分析方法》(CJ/T 313—2009),廢物含水率對熱值的影響可參照式(1)計算。

(1)

式中:Q2為含水率降低后的熱值,kJ/kg;Q1為原狀廢物熱值,kJ/kg;W1為原狀廢物含水率,%;W2為降低后的廢物含水率,%。

假設在收運中轉(zhuǎn)過程中固廢含水率降低15%,貯存中濾除15%的水分,對應的熱值變化見表6。

表6 混合后固體廢物熱值隨含水率的變化

由表6可看出,廢物含水率每降低1%,低位熱值會提高160～180 kJ/kg(原狀廢物低位熱值的2%～2.6%),因此,含水率對廢物熱值的影響明顯。

綜合分析城市不同區(qū)域和不同種類固體廢物,可推斷水分主要來自餐廚餐余類廢物,居民區(qū)來源的固體廢物雖然熱值較低,但仍然可作為SRF制作的主要原料之一。塑料、橡膠、紙張、木材、園藝垃圾等工農(nóng)業(yè)廢物雖然比例不高,但單位熱值較高,有機成分少,非常有利于后期的燃料制作。金屬、玻璃、危險廢物和其他不燃類廢棄物,均不利于固體燃料制作所需的熱值要求,同時帶來有害的金屬成分和增大原料的硬度等不利因素,在固廢收集和原料準備階段應盡量避免。

5 結束語

城市固體廢物處理規(guī)劃、分區(qū)分類收集、收運中轉(zhuǎn)和制取燃料,應堅持科學嚴謹?shù)膽B(tài)度,源頭調(diào)查和特性分析是所有工作的基礎和依據(jù),更是制作SRF產(chǎn)品和綜合利用回收的關鍵。固體廢物在產(chǎn)生源頭、收集點、處置點等不同環(huán)節(jié),其總量、組分、物理化學和生物特性均有變化。在來料收集和制備項目的決策和準備階段,應做有代表性的調(diào)查和取樣,鑒別出收運過程中固體廢物的真實狀況和特性變化趨勢。本文推薦的方法和實踐,可應用指導固廢從產(chǎn)生到終端處置的整個生命循環(huán)過程,如源頭分類、收集壓縮、規(guī)劃運輸、綜合回收、燃料制取和外售等。

在眾多城市固廢處置方案中,固體燃料制備具有投資低、占地少、經(jīng)濟效果好、處理工藝靈活等特點,但是對廢物來源的組分、水分和熱值等也提出更高的要求。對不同的廢物,在源頭和終端處置中應采取針對性處理方法,以燃料制備或綜合利用取代簡單的填埋或焚燒等,才能真正實現(xiàn)固體廢物的減量化和循環(huán)利用。在處置混合型固廢時,如何減少含水量大的餐廚餐余垃圾,避免不易破碎的大件垃圾,以及無熱值的玻璃、渣土和含重金屬成分的危險廢物等,也是燃料制備項目的關鍵研究課題。