利用水泥生产中余热干燥生活垃圾的试验研究*

孙　进，刘淑玲，王　琦，闵海华，靳俊平，丁西明，张　磊，陈运启

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300071）

·固废处理·

利用水泥生产中余热干燥生活垃圾的试验研究*

孙进，刘淑玲，王琦，闵海华，靳俊平，丁西明，张磊，陈运启

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300071）

针对水泥生产中的余热利用，采用自行设计的固定床试验台，对生活垃圾进行了干燥试验研究。结果表明：塔内干燥过程可分为干燥段、过渡段和预热段；通过1个周期的干燥，干燥段产品含水率为14.3%，过渡段的含水率为35.3%，而预热段仅有少量失水；床层压力损失随料层变厚近似呈线性增加，最高可达1 370 Pa；冷凝水的COD和SS均较低，满足GB 8978—1996污水综合排放标准中的三级标准。

生活垃圾；干燥；固定床；水泥；余热利用

生活垃圾水泥窑协同处置具有环境无害化、处置能力强等特点，不但可以节省新建处置设施的投资，还可以缓解社会固体废物处理压力和新建处置设施选址占地等问题［1-2］。为完善水泥窑协同处置的技术工艺和排放标准，我国六部委联合印发了《关于开展水泥窑协同处置生活垃圾试点工作的通知》，重点提出在现有基础上进一步研究生活垃圾替代燃料和原料（AFR）的技术，优化协同处置过程中生活垃圾的预处理。

现有水泥窑协同处置生活垃圾的干燥预处理技术多选取篦冷机的抽气（280～350℃）作为热源，减少了“有用能”的利用率，增加了系统的耗能［3-4］。此外，中温干燥工艺的排气温度较高，不能满足除臭工艺小于40℃的要求，必须进行冷却处理，而且冷凝水也需要净化，增加了系统的投资和运营成本［5］。

现有研究多在小型试验台下完成，缺乏针对水泥窑协同处置生活垃圾时与工程实际相关的研究成果［6-8］。本研究模拟余热锅炉排放的余热（100℃左右）作为热源，采用自行设计的固定床干燥系统，研究入窑垃圾的湿分迁移规律，并对固定床的最大压力损失进行分析，为开发固定床低温干燥设备及工艺提供基础研究。

1　材料和方法

1.1实验装置

实验装置采用自行设计的固定床干燥系统，工艺流程如图1所示。原生的生活垃圾由铲车先送至生活垃圾接收系统①；然后经皮带输送至破碎分选系统②，通过打散、粗破碎及风选等工艺过程将轻物质塑料、纺织物、纸张等筛上物去除；剩余的筛下物作为进窑垃圾被送至干燥系统③。干燥热源选用空气模拟余热锅炉排气，通过加热系统④，将空气加热至指定温度。为了检验工程应用中除臭工艺的要求，干燥系统③的排气被送至空气冷却系统⑤，将排气降低至40℃以下，冷凝水被收集并进行水质检测。

图1　实验系统工艺流程

干燥塔采用立式多层组合布置，每层高1.5 m，箱体长、宽、高为0.8 m×0.8 m×1.0 m。布风板的风孔儿采用顺列布置，风孔直径为20 mm，节距为40 mm。为提高布风板的强度，在四周及中心布置20mm加强筋板，并与布风板一起焊接在干燥塔内壁。

1.2实验材料

实验材料取自天津市武清区某生活垃圾处置中心的原生垃圾，生活垃圾的物理组成如表1所示。干燥物料选用破碎分选机的筛下物作为入窑垃圾，其外貌类似于腐殖土。

表1　原生垃圾的物理组成%

1.3实验方案及步骤

热源参考水泥生产中余热锅炉的排气，温度设定为100℃。通过调节热空气出口流量控制阀，保证干燥箱体入口风速为0.1 m/s。

待干物料采用人工填装的方法。为了保证试验结果具有可比性，每个箱体都填装320 kg，料层厚度约为0.6 m。

实验首先对干燥热负荷的分配进行标定，即箱体内物料不变考察含水率随时间的变化规律。然后对干燥塔进行调试，试验设计4 d为1个周期。每天将垃圾从第4格取出，第1至第3格依次送到后面料格，变为第2格、第3格和第4格，第1格加新鲜垃圾。干燥4 d后，原来第1格内的筛下物在第4格内已被干燥了1 d，并将其视为干燥的产品。

1.4分析与检测方法

物料中的湿分采用湿基含水率定义［4］：

式中：mw和md分别为湿物料中湿分的质量和绝干的质量。

实验采用的干燥箱型号为A201345。其主要技术指标：电源电压220V；额定功率2.7 kW；温度范围室温～300℃；温度分辨率1℃；示值误差±1℃。

依据CJ/T 313—2009生活垃圾采样和分析方法的要求对筛下物采样，然后送至干燥箱内加热至恒重，10次抽样检测得到湿基含水率为45%～53%，平均湿基含水率为48%。

冷凝水检测依据《水和废水监测分析方法》第4版，委托中国市政工程华北设计研究总院有限公司给排水技术研究院进行检测。

2　结果

2.1干燥热负荷标定

图2为干燥热负荷分配的标定结果。

图2　干燥热负荷的分配

干燥1 d（24 h）之后，第4格箱体内筛下物的含水率显著降低，由48%减少至31.6%；而第3格至第1格内物料的含水率降低较小，分别降低3.1%、1.1%和0.5%。继续干燥至第2天（总计48 h），第4格箱体的含水率降低至4.5%，筛下物已经接近完全干燥；而从第3格开始筛下物的含水率的减少量虽较第1天时有所增加，但仍然与第4格的差距较大。

由试验结果可知，箱体间的干燥热负荷分配极不均衡，可将第4格箱体视为主要干燥段，而第3格至第1格内湿分的迁移较少。为了优化热负荷的分配，考虑将前级物料依次送入后级，实现干燥热负荷的合理分配。

2.2干燥特性试验

图3为随时间延长筛下物的干燥曲线。实验结果表明，4 d后干燥产品的含水率为14.3%。通过箱体间物料的轮换，第4格内筛下物的含水率逐渐降低，由第1天的31.6%逐渐降低至14.3%。第3格内的筛下物随着干燥时间延长含水率同样逐渐降低，由第1天的44.8%逐渐降低至35.3%。第1和第2格箱体内筛下物含水率变化较小，第2格内筛下物含水率最大减少1.9%，而第1格内筛下物最大减少0.6%。

图3　筛下物含水率变化

根据上述实验结果可知：干燥过程主要发生在第4格；第3格内筛下物含水率较2.1节减少了6.5%，可视为干燥过渡段；而第2格和第1格可视为干燥的预热段。

表2为检测筛下物含水率时所记录的各箱格出口温度。结果表明，随时间延长第1格和第2格箱体出口温度有小幅波动；第3格出口温度呈现降低的趋势；相反，第4格箱体出口温度呈现升高的趋势。第3格出口温度在40℃左右，基本上满足除臭工艺对温度的要求。

表2　箱格出口的空气温度℃

表3为检测筛下物含水率时所记录的各箱格出口相对湿度。结果表明，随箱格出口温度降低，第1格和第2格出口相对湿度快速升高；第1格出口的相对湿度甚至接近于饱和。考虑工程应用中环保的要求，干燥排气需进行除尘处理，以防止筛下物被携带而排入环境。由表3可知，尾气的相对湿度最高可达95.6%，并且在除尘器中会继续降温，从而导致除尘器存在大量凝结水，对系统安全稳定运行带来不利因素。由前述可知，第1格和第2格被视为干燥的预热段，仅有少量水分蒸发；而且第3格出口温度已满足除臭工艺的要求；故可考虑重新设计干燥工艺，将4格干燥塔改为3格，提升排气温度从而保证除尘器的稳定运行。

表3　箱格出口的相对湿度%

2.3固定床压力损失

图4为干燥塔固定床层的压力损失。对比干燥塔底部的压力测点，第1格显示的压力值为全部4床层的压力损失，为1 370 Pa；第4格显示的压力值为第4格床层的压力损失，为315 Pa。随固定床数目变多，系统压力损失近似呈线性增加。

图4　固定床的压力损失

2.4冷凝水质检测

表4为排气冷凝水水质分析结果。干燥时段不同，选取水样的COD和SS均有不同程度的波动，但是从表4可以看出，冷凝水的COD和SS均较低，COD平均值为339.23 mg/L，SS平均值为26.7 mg/L。该实验结果表明，垃圾干燥时，从空气中带出的垃圾中的污染物质较少。由于冷凝水监测指标能够满足GB8978—1996污水综合排放标准中的三级标准，因此可将冷凝水直接排至厂区附近的市政污水管网。

表4　原生垃圾的物理组成mg/L

3　结论

1）干燥过程可分为干燥段、过渡段和预热段。

2）筛下物依次轮换使得干燥系统的热负荷更加均衡，干燥产品的含水率14.3%。

3）固定床压力损失随床层变厚呈近线性增加。

4）考虑排气湿分较高，工程上建议采用3层的塔式结构。

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［3］周圣庆，王占磊，陈竹，等.深度脱水低温干化焚烧发电的污泥处置工艺可行性研究［J］.环境卫生工程，2014，22（3）：61-63，66.

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Experimental Study on Drying Municipal Solid Waste by Waste Heat from Cement Production

Sun Jin，Liu Shuling，Wang Qi，Min Haihua，Jin Junping，Ding Ximing，Zhang Lei，Chen Yunqi
（North China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300071）

Aiming at the waste heat in cement production，the municipal solid waste（MSW）was conducted drying experiment in a self-designed fixed bed dying tower.The resultsshowed that the drying processin the tower can be divided into drying section，transition section and preheating section.Through one cycle of drying，the moisture content of the drying section was 14.3%，the transition section was 35.3%，while the preheating section had only a small amount of water loss.The bed pressure loss increased linearly with the increase of the thickness of the material layer，and the maximum was 1 370 Pa.The COD and SS of condensate water were low，and met the third grade standard of Integrated Wastewater Discharge Standard（GB 8978—1996）.

MSW；drying；fixed bed；cement；waste heat utilization

X799.3

A

1005-8206（2016）03-0006-04

孙进（1976—），博士，主要从事固体废物处置的研究和设计工作。

E-mail：13261791176@163.com。

中国建筑设计研究院（集团）2015年科技计划（SANY-03-2015）

2015-12-19