國(guó)內(nèi)外垃圾焚燒爐技術(shù)概述.doc

國(guó)內(nèi)外垃圾焚燒爐技術(shù)概述摘要：文章分析了國(guó)內(nèi)外四類(lèi)城市垃圾焚燒爐技術(shù)的原理、特點(diǎn)、性能以及優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)主要項(xiàng)目進(jìn)行了對(duì)比研究。提出了一種新型垃圾焚燒爐，該爐采用專(zhuān)利爐排裝置，具有顯著優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到抑制二噁英類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)生的環(huán)保效果。關(guān)鍵詞：城市垃圾；焚燒爐技術(shù)；專(zhuān)利；爐排裝置1引言城市生活垃圾，已經(jīng)成為當(dāng)今世界最嚴(yán)重的公害之一。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用的城市垃圾處理方式主要有衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥和綜合利用4種。長(zhǎng)期以來(lái)中國(guó)絕大部分城市采用露天堆放、自然填溝和填埋的原始方式處理城市垃圾，這種處理方式對(duì)土壤、地下水、大氣等都會(huì)造成不利的影響和潛在的危害。垃圾問(wèn)題實(shí)際上已經(jīng)阻礙了人民生活水平的進(jìn)一步提高和城市建設(shè)的發(fā)展。中國(guó)2000年垃圾產(chǎn)生量已達(dá)1.5億多噸，占世界總量的四分之一以上，而且每年以8%10%的速度增長(zhǎng)。中國(guó)是世界上13個(gè)貧水國(guó)之一，全國(guó)668座城市中有400多座城市缺水，其中110座城市嚴(yán)重缺水。而中國(guó)歷年堆放的垃圾中的重金屬以及在腐敗過(guò)程中產(chǎn)生的病原微生物等，使一些城市的水源遭到污染，造成了嚴(yán)重的危害。發(fā)達(dá)國(guó)家城市垃圾處理的發(fā)展歷程表明，垃圾焚燒處理具有占地面積小、選址較容易、處理快速、減量化顯著、無(wú)害化較徹底以及可回收焚燒余熱等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國(guó)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。全世界每年垃圾焚燒量約為1.1億噸，絕大部分的垃圾焚燒處理廠(chǎng)分布于發(fā)達(dá)國(guó)家。日本現(xiàn)有焚燒廠(chǎng)約1900座，每年焚燒處理量近4千萬(wàn)噸，是世界上垃圾焚燒處理規(guī)模最大的國(guó)家。我國(guó)垃圾處理的發(fā)展趨勢(shì)是：在分類(lèi)收集基礎(chǔ)上的再生利用越來(lái)越受到重視；垃圾填埋的標(biāo)準(zhǔn)將越來(lái)越高，比例將逐步下降；垃圾焚燒將穩(wěn)步發(fā)展，焚燒余熱利用特別是余熱發(fā)電的比例將有所上升。2垃圾焚燒技術(shù)歷史及發(fā)展?fàn)顩r垃圾焚燒處理已有100多年歷史，1896年和1898年，德國(guó)漢堡和法國(guó)巴黎先后建立了世界上最早的生活垃圾焚燒廠(chǎng)，開(kāi)始了生活垃圾焚燒技術(shù)的工程應(yīng)用。但出現(xiàn)有控制的焚燒以及煙塵綜合處理、余熱再利用等是從20世紀(jì)70年代以后開(kāi)始的。近年來(lái)，城市垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展具有比較明顯的特點(diǎn)：垃圾焚燒技術(shù)正向著自我完善方向發(fā)展；向著多功能方向發(fā)展；向著資源化方向發(fā)展；向著智能化方向發(fā)展；向著環(huán)保高標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。另外，我國(guó)生活垃圾焚燒處理社會(huì)化、市場(chǎng)化和民營(yíng)化是未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，垃圾焚燒管理與經(jīng)營(yíng)的集約化程度較高，屬比較適宜的民營(yíng)化技術(shù)，未來(lái)以垃圾處理貼費(fèi)與售電收入為經(jīng)營(yíng)基礎(chǔ)的民營(yíng)化垃圾焚燒產(chǎn)業(yè)，將對(duì)推進(jìn)城市生活垃圾焚燒技術(shù)的總體進(jìn)展發(fā)揮積極的巨大作用。在當(dāng)今國(guó)內(nèi)、國(guó)際日益重視環(huán)境保護(hù)的大環(huán)境下，采用垃圾焚燒處理方式具有必要性和可能性。隨著城市建設(shè)的發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市人口數(shù)量驟增，生活垃圾產(chǎn)量也快速遞增，使原有的垃圾填埋場(chǎng)日益飽和或已經(jīng)飽和，而新的垃圾填埋場(chǎng)地又難于尋找，采取垃圾焚燒方法，可使生活垃圾減重80%和減容85%以上，最大限度地延長(zhǎng)現(xiàn)有垃圾填埋場(chǎng)的使用壽命。此外，隨著人們生活水平的提高，生活垃圾中可燃物、易燃物的含量大幅度增長(zhǎng)，提高了生活垃圾的熱值，為應(yīng)用和發(fā)展生活垃圾焚燒技術(shù)提供了先決條件。例如：日本城市生活垃圾的低位熱值就已經(jīng)由20世紀(jì)60年代的33444196kJ/kg，提高到目前的62707160kJ/kg?，F(xiàn)代城市生活垃圾焚燒廠(chǎng)系統(tǒng)組成如圖1，典型的城市生活垃圾焚燒系統(tǒng)的工藝單元包括：進(jìn)出廠(chǎng)垃圾計(jì)量系統(tǒng)；垃圾卸料及貯存系統(tǒng)；垃圾進(jìn)料系統(tǒng)；垃圾焚燒系統(tǒng)；焚燒余熱利用系統(tǒng)；煙氣凈化和排放系統(tǒng)；灰渣處理或利用系統(tǒng)；污水處理系統(tǒng)；垃圾焚燒自動(dòng)控制系統(tǒng)等。3四類(lèi)垃圾焚燒爐技術(shù)對(duì)比分析目前世界各地應(yīng)用的垃圾焚燒設(shè)備各種型號(hào)垃圾焚燒爐達(dá)到200多種，但應(yīng)用廣泛、具有代表性的垃圾焚燒爐技術(shù)主要有四大類(lèi)，即：流化床焚燒爐（包括RDF焚燒爐）技術(shù)、回轉(zhuǎn)窯焚燒爐技術(shù)、爐排型焚燒爐技術(shù)、垃圾熱解氣化焚燒爐（CAO）技術(shù)。圖1城市生活垃圾焚燒廠(chǎng)系統(tǒng)示意圖 （來(lái)源：工業(yè)鍋爐）3.1流化床焚燒爐技術(shù)流化床燃燒技術(shù)已發(fā)展成熟，由于其熱強(qiáng)度高，更適宜燃燒發(fā)熱值低、含水分高的垃圾。同時(shí)，由于其爐內(nèi)蓄熱量大，在燃燒垃圾時(shí)基本上可以不用助燃。垃圾顆粒在爐內(nèi)懸浮燃燒，啟動(dòng)、燃燒過(guò)程特性與普通流化床鍋爐相似，圖2為典型流化床焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖。為了保證入爐垃圾的充分流化，對(duì)入爐垃圾的尺寸要求較為嚴(yán)格，要求垃圾在入爐前進(jìn)行一系列篩選及粉碎等處理，使其顆粒尺寸均一化，一般破碎到15cm。床層物料為石英砂，布風(fēng)板通常設(shè)計(jì)成倒錐體結(jié)構(gòu)，風(fēng)帽為L(zhǎng)型，床內(nèi)燃燒溫度控制在800900，冷態(tài)氣流斷面流速為2m/s，熱態(tài)約為34m/s。一次風(fēng)經(jīng)由風(fēng)帽通過(guò)布風(fēng)板送入流化層，二次風(fēng)由流化層上部送入。采用燃油預(yù)熱料層，當(dāng)料層溫度達(dá)到600左右時(shí)可以投入垃圾焚燒。圖2流化床焚燒爐結(jié)構(gòu)圖流化床焚燒對(duì)垃圾的熱值適應(yīng)性廣，農(nóng)村垃圾和高熱值工業(yè)塑料垃圾均可焚燒。但流化床焚燒爐對(duì)垃圾顆粒度要求很高，同時(shí)要求進(jìn)料均勻；對(duì)操作運(yùn)行及維護(hù)的要求高，操作運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用也高，垃圾預(yù)處理設(shè)備的投資成本較高；并且預(yù)處理中容易造成垃圾臭氣外逸，產(chǎn)生環(huán)境污染。這些因素都制約著流化床焚燒技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用。3.2回轉(zhuǎn)窯焚燒爐技術(shù)回轉(zhuǎn)窯焚燒爐技術(shù)的燃燒設(shè)備主要是一個(gè)緩慢旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)窯，其內(nèi)壁可采用耐火磚砌筑，也可采用管式水冷壁，用以保護(hù)滾筒，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。回轉(zhuǎn)窯直徑為46m，長(zhǎng)度約1020m，可根據(jù)垃圾的焚燒量確定。它是通過(guò)爐本體滾筒連續(xù)、緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，利用內(nèi)壁耐高溫抄板將垃圾由筒體下部在筒體滾動(dòng)時(shí)帶到筒體上部，然后靠垃圾自重落下。由于垃圾在筒內(nèi)翻滾，可與空氣得到充分接觸，經(jīng)過(guò)著火、燃燒和燃盡三個(gè)階段進(jìn)行較完全的燃燒。垃圾由滾筒的一端送入，熱煙氣對(duì)其進(jìn)行干燥，在達(dá)到著火溫度后燃燒，隨著筒體滾動(dòng)，垃圾得到翻滾并下滑，一直到筒體出口排出灰渣。當(dāng)垃圾含水量過(guò)大時(shí)，可在筒體尾部增加一級(jí)爐排，用來(lái)滿(mǎn)足燃盡，滾筒中排出的煙氣，進(jìn)入一個(gè)垂直的燃盡室（二次燃燒室）。燃盡室內(nèi)送入二次風(fēng)，煙氣中的可燃成分可在此得到充分燃燒。燃盡室溫度一般為10001200?；剞D(zhuǎn)窯式垃圾燃燒裝置設(shè)備費(fèi)用低，廠(chǎng)用電耗與其他燃燒方式相比也較少，但焚燒熱值較低、含水分高的垃圾時(shí)有一定的難度。圖3回轉(zhuǎn)窯焚燒爐結(jié)構(gòu)圖3.3爐排型焚燒爐技術(shù)爐排型焚燒爐技術(shù)發(fā)展較為成熟，這種焚燒爐因?yàn)榫哂袑?duì)垃圾的預(yù)處理要求不高，對(duì)垃圾熱值適應(yīng)范圍廣，運(yùn)行及維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，許多國(guó)家都普遍采用這種燃燒技術(shù)。該類(lèi)型焚燒爐型式很多，主要有固定爐排（主要是小型焚燒爐）、鏈條爐排、滾動(dòng)爐排、傾斜順推往復(fù)爐排、傾斜逆推往復(fù)爐排等。機(jī)械爐排焚燒爐是當(dāng)前各國(guó)采用比較多的爐型，也是開(kāi)發(fā)最早的爐型。它采用活動(dòng)式爐排，可使焚燒操作連續(xù)化、自動(dòng)化，是目前在處理城市垃圾中使用最為廣泛的焚燒爐。為使垃圾燃燒過(guò)程穩(wěn)定，爐排型焚燒關(guān)鍵是爐排。爐排的布置、尺寸、形狀隨著垃圾水分、熱值的差異以及生產(chǎn)廠(chǎng)商的不同而不同，圖4為階梯往復(fù)式爐排結(jié)構(gòu)圖。爐排有水平布置，也有呈傾斜1526布置，爐排設(shè)計(jì)分為預(yù)熱、燃燒、燃盡段，段與段之間可以有垂直落差，也可沒(méi)有落差。垃圾在爐排上著火，熱量不僅來(lái)自上方的輻射和煙氣的對(duì)流，還來(lái)自垃圾層內(nèi)部。在爐排上已著火的垃圾在爐排的特殊作用下，使垃圾層強(qiáng)烈地翻動(dòng)和攪動(dòng)，引起垃圾底部也開(kāi)始著火，連續(xù)的翻動(dòng)和攪動(dòng)使垃圾層松動(dòng)，透氣性加強(qiáng)，有助于垃圾的著火和燃燒。爐拱形狀設(shè)計(jì)要考慮煙氣流有利于熱煙氣對(duì)新入垃圾的熱輻射預(yù)熱干燥和燃盡區(qū)垃圾的燃盡。配風(fēng)設(shè)計(jì)要確保空氣在爐排上垃圾層分布均勻，并合理使用一、二次風(fēng)。對(duì)于垃圾成分復(fù)雜，爐溫太高時(shí)會(huì)發(fā)生物料熔融結(jié)塊，爐排、爐壁易燒壞，而且同時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的氧化氮；爐溫太低，煙氣滯留時(shí)間過(guò)短，將易產(chǎn)生不完全燃燒，尤其是對(duì)人體有嚴(yán)重危害的二噁英難以完全分解，故爐膛出口溫度定位不低于800，煙氣滯留時(shí)間不低于2s。圖4階梯往復(fù)式爐排結(jié)構(gòu)圖3.4垃圾熱解氣化焚燒爐技術(shù)目前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始采用較先進(jìn)的垃圾焚燒技術(shù)是垃圾熱解氣化焚燒爐技術(shù)。垃圾熱解氣化焚燒爐（Controlled Air Oxidation可控空氣氧化技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)CAO技術(shù)），是一種控制空氣燃燒技術(shù)。CAO系統(tǒng)可分為加熱干燥、熱解氣化、殘?zhí)既紵?、可燃?xì)馊紵?個(gè)區(qū)域，燃燒系統(tǒng)示意圖如圖5所示。圖5 CAO焚燒爐結(jié)構(gòu)圖 （來(lái)源：工業(yè)鍋爐） CAO燃燒部分的第1燃燒室中，通入少量空氣，垃圾停留很長(zhǎng)時(shí)間，在一定溫度下，垃圾部分氣化，部分分解，部分燃燒?；以筒荒軣岱纸獾奈矬w（如金屬、玻璃等）經(jīng)過(guò)自動(dòng)清灰系統(tǒng)排出爐外。產(chǎn)生的可燃煙氣進(jìn)入上部的第2燃燒室，再配以空氣，在超過(guò)1000的高溫下經(jīng)過(guò)2s的充分燃燒后排出。這些高溫氣體可以引入余熱鍋爐回收熱量。CAO燃燒系統(tǒng)在一定程度上解決了城市垃圾的處理問(wèn)題，垃圾不用分選就可以充分地分解和燃燒，但對(duì)于水分超過(guò)50%的垃圾，在不投油助燃時(shí)則不能穩(wěn)定燃燒。中國(guó)城市垃圾成分十分復(fù)雜、熱值較低且含水率高，而且地區(qū)差別大，例如東部地區(qū)城市平均為3140kJ/kg，中部地區(qū)為2219kJ/kg，西部地區(qū)為1507kJ/kg，因此在我國(guó)廣泛應(yīng)用垃圾熱解氣化焚燒爐技術(shù)還有一定困難。3.5四類(lèi)垃圾焚燒爐技術(shù)性能對(duì)比分析根據(jù)四類(lèi)垃圾焚燒爐技術(shù)原理、特點(diǎn)、性能以及優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行主要項(xiàng)目的對(duì)比分析，將對(duì)比分析結(jié)果歸納為表1。表1四種垃圾焚燒爐技術(shù)比較表4一種新型垃圾焚燒爐針對(duì)目前我國(guó)城市垃圾熱值低、夏天水分含量高、地區(qū)差別大等特點(diǎn)，采用一種往復(fù)推飼分層供風(fēng)爐排裝置（專(zhuān)利號(hào)ZL002412500），王懷彬教授設(shè)計(jì)出一種新型城市垃圾焚燒爐，其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。圖6新型往復(fù)爐排焚燒爐結(jié)構(gòu)圖該新型城市垃圾焚燒爐具有很大優(yōu)點(diǎn)：垃圾在普通爐排上燃燒存在著火條件與撥火條件差，不易燃燒。而在往復(fù)推飼分層供風(fēng)爐排上，活動(dòng)爐排是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，在推垃圾運(yùn)動(dòng)時(shí)，它把部分新垃圾推到下一層已燃熾熱垃圾層上，而返回時(shí)又會(huì)把部分已燃的垃圾帶回到未燃的垃圾層下面。這樣一來(lái)，爐排上的垃圾就具有“下部著火”的因素，同時(shí)垃圾層上部吸收來(lái)自爐膛高溫?zé)煔猓ɑ鹧妫┖蜖t墻爐拱的輻射熱，具有“上部著火”的因素。往復(fù)推飼分層供風(fēng)爐排的垃圾具有雙面著火的特性?？山鉀Q垃圾因發(fā)熱量低造成垃圾不易著火的問(wèn)題。為了防止二噁英類(lèi)物質(zhì)的產(chǎn)生，該新型城市垃圾焚燒爐在爐型設(shè)計(jì)方面采用了“3T”原則。所謂“3T”原則即Temperature（溫度）、Time（時(shí)間）、Turbulence(湍流度）。日本某垃圾焚燒廠(chǎng)采用“3T”技術(shù)使?fàn)t膛出口的PCDD（五氯二苯二噁英）/PCDF（呋喃）的排放量從33.1ng/m3下降到6.1ng/m3，效果十分明顯。 （來(lái)源：工業(yè)鍋爐） 該新型城市垃圾焚燒爐，對(duì)入爐垃圾不需分揀、篩選、破碎即可直接入爐焚燒，這樣就避免了在人工分揀時(shí)由垃圾分解析出的二噁英造成的傷害。通過(guò)垃圾預(yù)熱、烘干；低而長(zhǎng)的后拱；往復(fù)推飼分層供風(fēng)爐排；分級(jí)配風(fēng)等設(shè)計(jì)組織起了“3T”工況。通過(guò)一次風(fēng)提高垃圾焚燒爐的燃燒效率，提高爐內(nèi)溫度，在爐膛內(nèi)未布置任何受熱面，使?fàn)t膛溫度保持在800以上。通過(guò)二次風(fēng)與爐拱的配合，煙氣在喉口處形成火焰，保持燃燒氣體的滯留時(shí)間2s；同時(shí)擾動(dòng)燃?xì)?，使燃燒氣體形成湍流，達(dá)到氣體充分混合，實(shí)現(xiàn)完全燃燒，抑制CO的生成，從而達(dá)到抑制二噁英