垃圾處理與循環(huán)流化床垃圾焚燒爐

1、垃圾處理與循環(huán)流化床垃圾焚燒爐陳力劉化才1前言據(jù)新華社長沙2000年12月24日電文“經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致我國城市垃圾量迅猛上升，同時垃圾回收行業(yè)卻在萎縮。我國的城市已陷入垃圾的包圍之中，據(jù)統(tǒng)計，我國歷年垃圾的堆存量達(dá)60多億噸，占用的土地面積超過5億平方米，近200座城市發(fā)展到無適合場所堆放垃圾，導(dǎo)致不少城區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合帶生態(tài)環(huán)境惡化。”改革開放20年來，我國的國民經(jīng)濟(jì)有了長足進(jìn)展，城市規(guī)模迅速擴(kuò)張。工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)創(chuàng)造了空前巨大的社會財富，但是同時也制造了越來越多的垃圾。1999年全國城市生活垃圾產(chǎn)量已經(jīng)超過1億t，預(yù)計2000年以后將達(dá)到1.2億1.4億t。垃圾對城市的污染愈演愈烈，成為現(xiàn)

2、代城市亟待解決的一項難題。城市處理垃圾的傳統(tǒng)方式是填埋。在城市規(guī)模較小時，垃圾產(chǎn)量有限，填埋顯然是最簡便易行的處理方式，因而也是目前大多數(shù)城市處理垃圾的方式。但是這一方式現(xiàn)在日益面臨著越來越大的困難。(1)隨著人口的增長、城市的擴(kuò)張，土地的價格越來越昂貴，而垃圾填埋需要占用大量寶貴的土地資源；(2)僅靠垃圾自己的腐化反應(yīng)來使垃圾逐漸減少、消失，垃圾處理周期長；(3)容易導(dǎo)致垃圾滲濾液和揮發(fā)氣體污染地下水、空氣，導(dǎo)致土壤沙化。焚燒處理城市生活垃圾與填埋相比，其優(yōu)勢是非常明顯的。(1)占用土地有限；(2)處理周期短；(3)采用先進(jìn)的燃燒方式和工藝設(shè)備，可以將環(huán)境污染物的排放控制在一定的水平內(nèi)；(4

3、)將垃圾中的熱能轉(zhuǎn)化為生活和工業(yè)中能夠利用的二次能源，節(jié)約了能源，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供支持；(5)垃圾焚燒后轉(zhuǎn)化成灰渣，對于燃燒方式，比如循環(huán)流化床鍋爐，燃燒生成的灰渣具有很好的活性，可以作制造建筑材料的原料，從而實現(xiàn)了物資的再生利用。綜上所述，如果能夠使用合適的燃燒方式和工藝設(shè)備，將會變廢為寶，實現(xiàn)綠色環(huán)境工程，使因垃圾產(chǎn)生的問題得到圓滿解決。2城市生活垃圾的成分和熱能城市生活垃圾泛指一切生活廢棄物，包括食品垃圾、廢紙、廢布、塑料、木頭、金屬、玻璃、陶瓷、灰渣 、廢磚瓦、廢器具、建筑廢棄物，以及動植物殘體、醫(yī)院垃圾、地下水溝道污泥、公共交通帶來的各種廢棄物等，包羅萬象，種類繁多，其構(gòu)成主要

4、受城市的規(guī)模、地理環(huán)境、燃料結(jié)構(gòu)、居民生活水平和生活習(xí)慣、自然季節(jié)等的影響。我國城市生活垃圾成分與全球平均值的對比情況列于表1中。城市生活垃圾的可燃成分是其中的有機(jī)物，各種有機(jī)垃圾的熱值列于表2中。從表2可以看出，各種有機(jī)垃圾本身熱值很高，有很大的能源利用價值。從表1可以看出，我國城市生活垃圾成分與全球平均值相比，爐渣等無機(jī)物成分比較高，因而發(fā)熱值較低。但隨著城市燃?xì)馄占奥手鹉晟仙埣八芰系雀邿嶂悼扇嘉锉壤脑龃?，生活垃圾熱值呈逐年遞增的趨勢。表3示出了廣州市19911996年垃圾成分的變化情況，從中可以看出此趨勢。按我國城市居民4億人計，平均每人每天產(chǎn)生1kg生活垃圾，平均每千克垃圾的熱值

5、為4000 kJ，則每年廢棄在垃圾中的熱能約折合標(biāo)準(zhǔn)煤20Mt3城市生活垃圾焚燒的條件城市生活垃圾不僅發(fā)熱值低，無機(jī)物及水分含量比較高，而且具有非均勻性，其組成會隨著季節(jié)的變化和收集地點的不同而有很大差異，且含有金屬、磚瓦等不可燃物，因此，要想保持焚燒過程能夠穩(wěn)定而徹底的進(jìn)行，具有一定的難度。雖然從環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約的角度來講，用焚燒來處理城市生活垃圾有著巨大的優(yōu)越性，但是這種方式能否大規(guī)模應(yīng)用，仍然取決于其在既定社會條件下的經(jīng)濟(jì)成本。聯(lián)合國環(huán)境組織(UNEP)綜合考察了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展情況，提出了焚燒城市生活垃圾來發(fā)電的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為符合以下條件的城市應(yīng)大規(guī)模采用垃圾發(fā)電。(1)平均每人每天產(chǎn)生垃

6、圾0.51.0kg以上；(2)垃圾中有機(jī)質(zhì)份額大于40；(3)垃圾含水量份額小于50；(4)垃圾平均高位發(fā)熱量在3 349.447 117.5kJ/kg以上；(5)考慮實施減量，重復(fù)使用，回收再利用措施的成本和可行性之后，仍然不能將垃圾的產(chǎn)量削減35?？梢?，要采用焚燒城市生活垃圾來發(fā)電，其垃圾中必須含有一定的熱值。參照此標(biāo)準(zhǔn)，我國的一些大城市，如上海、北京、天津、重慶、珠海、深圳等，已經(jīng)具備大規(guī)模焚燒生活垃圾發(fā)電的條件。在國務(wù)院發(fā)布的中國二十一世紀(jì)議程中國21世紀(jì)人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書中，明確表示要建設(shè)有害廢物焚燒示范廠作為有害廢物管理和處理、處置的樣板，并要建設(shè)一批垃圾示范工程，還指出有條件

7、的地方要發(fā)展焚燒處理技術(shù)。發(fā)展城市生活垃圾焚燒發(fā)電是一項涉及能源、環(huán)保、環(huán)衛(wèi)、城建等等諸多部門的市政系統(tǒng)工程，應(yīng)該綜合考慮。從經(jīng)濟(jì)上說，城市生活垃圾焚燒發(fā)電能否得到發(fā)展，取決于其產(chǎn)生的利潤(處理垃圾、供熱、售電獲得收益)能否在可接受的年限內(nèi)彌補(bǔ)其投入的成本。在既定的社會經(jīng)濟(jì)條件下，其成功與否，取決于具體的操作者和具體的操作過程。4垃圾處理的各種方法垃圾處理問題是隨著城市的出現(xiàn)而產(chǎn)生的，并隨著城市的擴(kuò)大而日益成為一個嚴(yán)重的問題。由于人口的急劇增長，城市規(guī)模的迅速膨脹，在我國的東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和內(nèi)地的大中城市，人們的生產(chǎn)生活空間變得日益狹窄，垃圾能否得到有效而徹底的處理，已經(jīng)是一個直接影響人們

8、生產(chǎn)生活的急迫問題，是一個影響城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。目前，人們處理垃圾的方式有以下幾種。4.1簡單填埋很明顯，這種方法適用于我國人口密度相對較稀少的中西部的小城鎮(zhèn)、小城市。4.2堆肥垃圾堆肥會造成二次污染，并且肥料品位低，內(nèi)含玻璃渣多。這一方法可以用于處理某些行業(yè)或生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高水分、富含有機(jī)物的垃圾，不適用于城市生活垃圾的處理。4.3爐排爐焚燒多年以來，人們已經(jīng)使用爐排爐來焚燒垃圾，目前使用的垃圾焚燒設(shè)備基本上是各種爐排爐。但是爐排爐垃圾焚燒設(shè)備有很大的缺點，難以勝任目前大中城市迅速增多的大規(guī)模垃圾處理工作。主要問題如下：(1)我國的城市垃圾不可燃物質(zhì)含量大，發(fā)熱值低，平均不超過4

9、186.8kJ/kg，純粹的垃圾無法在爐排爐中進(jìn)行燃燒，必須噴油助燃，在原油價格漲升后，運行費用高的驚人。如深圳兩臺爐排垃圾焚燒爐，日處理垃圾共300t，一年需要燒掉4 700萬元的燃油。(2)爐排爐的燃燒方式，決定了垃圾與助燃空氣的混合作用很弱，遠(yuǎn)達(dá)不到將垃圾進(jìn)行徹底燃燒的要求。(3)爐排爐垃圾焚燒容易導(dǎo)致二次劇毒污染物二惡英的產(chǎn)生。二惡英，即四氯二苯，是日前所知的最毒的物質(zhì)之一。垃圾中含有苯環(huán)的有機(jī)物與含氯物質(zhì)在高溫下可以生成二惡英。研究表明，在400600的溫度區(qū)間內(nèi)，在氧氣供應(yīng)不充分的情況下，含有苯環(huán)的有機(jī)物與含氯物質(zhì)(如塑料)燃燒不完全，其中的揮發(fā)性物質(zhì)在煙氣中易于發(fā)生二惡英的合成反

10、應(yīng)。當(dāng)煙氣溫度超過1 000時不產(chǎn)生二惡英；當(dāng)煙氣溫度超過780，并且在爐內(nèi)停留時間超過2s時，不易產(chǎn)生二惡英。爐排爐爐膛中的煙氣溫度和煙氣成分很不均勻，和投入助燃油的多少密切相關(guān)，有些爐排爐爐膛的出口煙氣溫度僅在400左右，因此，在爐排爐的爐膛中極易生成二惡英。(4)爐排爐燃燒產(chǎn)生的爐渣活性差，難以綜合利用。4.4循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐燃燒這正是要著重討論的問題。根據(jù)這幾年的工作經(jīng)歷，認(rèn)為從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上看，循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐是我國目前和以后大中城市進(jìn)行垃圾處理的性能最優(yōu)秀的設(shè)備與技術(shù)。5循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐自1989年第一臺循環(huán)流化床鍋爐在山東明水熱電廠通過國家鑒定以來，濟(jì)南鍋爐廠一直致

11、力于循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，并且取得了長足的進(jìn)步。目前，其生產(chǎn)的35t/h、75t/h循環(huán)流化床爐在國內(nèi)居于主導(dǎo)地位，市場占有率超過50，到目前累計銷售了400余臺。根據(jù)有關(guān)用戶的實踐經(jīng)驗，其75t/h循環(huán)流化床鍋爐能夠很好的燃用熱值為7 326.9kJ/kg的煤矸石并持續(xù)穩(wěn)定運行。考慮到各方面的實際情況，按如下條件來發(fā)展循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐。我國大中城市目前產(chǎn)生的垃圾的平均熱值不超過4 186.8kJ/kg，通常在3 768.124 186.8 kJ/kg之間，在設(shè)計中取其熱值等于3 977.46kJ/kg。用煤做助燃燃料，其價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石油，僅為石油的1/10?？紤]到通常不會把低

12、熱值的煤矸石和劣質(zhì)煤運往大中城市使用，在垃圾焚燒廠中，應(yīng)當(dāng)使用高熱值的優(yōu)質(zhì)煤。在工程設(shè)計中，取煤的熱值等于25 120.8kJ/kg，這是符合經(jīng)濟(jì)社會的運行規(guī)律的。從以下3個方面來考慮能夠在循環(huán)流化床鍋爐中進(jìn)行穩(wěn)定燃燒的垃圾煤混合物的最低熱值。(1)根據(jù)濟(jì)南鍋爐廠在設(shè)計制造循環(huán)流化床鍋爐方面的經(jīng)驗和有關(guān)電廠在使用循環(huán)流化床鍋爐燃燒劣質(zhì)煤的實踐，在爐膛絕大部分水冷壁曝光的情況下，燃料最低熱值為7 326.9kJ/kg。(2)清華大學(xué)在垃圾焚燒方面所作的研究認(rèn)為：在爐膛全部覆蓋耐火混凝土的情況下，要保證燃燒穩(wěn)定，垃圾煤混合物的最低熱值應(yīng)不小于5 024.16kJ/kg。(3)垃圾中比熱容最大的物質(zhì)

13、是H2O，H2O從0升溫到900，需要吸收的熱能為4 396.14kJ/kg。由此，在設(shè)計中取垃圾煤混合物的熱值為5 442.84kJ/kg，設(shè)每燃燒1kg垃圾需要加入xkg煤可以得出，x=0.074 468。下面來設(shè)計一座日處理垃圾1 000t的垃圾焚燒設(shè)備（目前國內(nèi)已有花費巨資興建的大型垃圾焚燒場其日處理垃圾一般不超過1 000t/d）。燃燒1 000t垃圾需要加入74.468t煤，垃圾與煤含有的總熱量/kJ·kg1為：(1 00074.468)×1 000×1 300×4.186 8=5 848 157 409.12將這個熱量作為所研究熱力系統(tǒng)的輸

14、入熱量，折合功率為67.687MW，估計循環(huán)流化床垃圾焚燒爐的總熱效率在8090之間，設(shè)計中取=85，則熱力系統(tǒng)的輸出功率為57.544MW，與一臺75t/h中溫中壓鍋爐的熱功率相當(dāng)。關(guān)于工質(zhì)(H2O)的參數(shù)，可以從以下3方面考慮：(1)低參數(shù)的蒸汽可以用于工業(yè)生產(chǎn)和供暖。很顯然，垃圾焚燒場生產(chǎn)的蒸汽不可能用于工業(yè)生產(chǎn)；垃圾焚燒場是全年進(jìn)行工作的，其生產(chǎn)的蒸汽作為供暖的熱源也是不合適的。(2)用于發(fā)電。高參數(shù)的蒸汽，其熱電轉(zhuǎn)換效率高，但是，高溫高壓的蒸汽，其水蒸氣過熱階段需要吸收大量的熱量，需要布置復(fù)雜的過熱器系統(tǒng)和減溫系統(tǒng)。垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣復(fù)雜多變，其中H2O含量最高可達(dá)50，煙氣具有很強(qiáng)

15、的腐蝕性，高溫高壓鍋爐的過熱器工作在非常惡劣的工況下，發(fā)生故障的概率很大。(3)中參數(shù)的蒸汽用于發(fā)電。熱力循環(huán)仍然具有較高的循環(huán)效益實際上，在我國日前廣為存在的大量中小廠，使用的絕大部分為中參數(shù)鍋爐。中溫中壓蒸汽鍋爐(溫度t=450，壓力P=3.82MPa)或者次高溫次高壓蒸汽鍋爐(溫度t=485，壓力P=5.29MPa)，其過熱器系統(tǒng)僅布置兩級受熱面和一級減溫水即可。其發(fā)生故障的概率遠(yuǎn)低于高溫高壓鍋爐的過熱器系統(tǒng)。因此，將垃圾焚燒爐設(shè)計成中參數(shù)蒸汽鍋爐，并且用于發(fā)電是最好的選擇。根據(jù)以上思路繪制了日焚燒垃圾1 000t的循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐的方案圖，該方案是在總結(jié)燃煤循環(huán)流化床鍋爐的基礎(chǔ)上

16、提出的，對鍋爐的主要結(jié)構(gòu)尺寸提出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)，因而已經(jīng)離工業(yè)化產(chǎn)品非常接近了。下面對其主要的特點加以說明。(1)此鍋爐的爐膛特別高，通常情況下，75t/h中溫中壓煤粉爐的爐膛高度在1516m，220t/h(或230t/h)高溫高壓煤粉爐的高度在2324m，燃煤循環(huán)流化床鍋爐的爐膛高度在22m左右，而本設(shè)計方案取定的爐膛高度為2528m。之所以把爐膛設(shè)計這樣高，主要是基于以下2個方面的考慮：1垃圾煤混合物中不可燃成分含量很大，在流化床燃燒的過程中，自燃燒室(密相區(qū))披上升的煙氣攜帶的固體顆粒比燃煤循環(huán)流化床鍋爐成倍增加，加高的爐膛將使?fàn)t膛的內(nèi)分離作用顯著增強(qiáng)，從而使?fàn)t膛山口的煙氣固體攜帶率大大降

17、低，避免旋風(fēng)分離器的劇烈磨損。實踐經(jīng)驗表明，爐膛的內(nèi)分離作用主要是依靠固體顆粒的自身重量來實現(xiàn)的，分離出來的固體顆粒沿膜式壁內(nèi)表面滑落返回流化床內(nèi)，不存在對水冷壁的正向沖擊力，這樣就在降低了旋風(fēng)分離器磨損的同時，并不增加對水冷壁的磨損。2高達(dá)2528m的爐膛使煙氣在爐膛內(nèi)停留時間達(dá)到4s以上，從而使煙氣中的可燃?xì)怏w得到充分燃燒，杜絕二惡英的產(chǎn)生。(2)爐膛的內(nèi)表面全部焊上銷釘，覆蓋上耐火混凝土，防止水冷壁吸收太多熱量，保證燃燒的穩(wěn)定性。(3)配風(fēng)。一次風(fēng)與二次風(fēng)分立布置，各占總風(fēng)量的50，這樣可使運行中配風(fēng)很方便，并考慮將二次風(fēng)的一部分(20左右)作為三次風(fēng)在爐膛中部引入。(4)給料。垃圾和煤

18、可以分別送入爐膛，也可以混合后一起送入爐膛，對給料裝置的基本要求是能夠連續(xù)均勻穩(wěn)定的將物料送入爐膛。垃圾具有惡臭，整個垃圾輸送系統(tǒng)必須是全封閉的。(5)受熱面的配置。方案圖中，受熱面的配置類似于中溫中壓燃煤鍋爐，垃圾燃燒產(chǎn)生的煙氣成分與煤燃燒產(chǎn)生的煙氣有很大不同，傳熱特性變化很大，在具體的項目設(shè)計中，應(yīng)通過實驗取得煙氣成分的可靠數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行傳熱計算，對各受熱面的面積進(jìn)行相應(yīng)增減。6經(jīng)濟(jì)效益與市場前景預(yù)測在上面設(shè)計的日處理1 000t生活垃圾，熱功率與75t/h中溫中壓鍋爐相當(dāng)?shù)难h(huán)流化床垃圾焚燒爐系統(tǒng)中，主要的收益來自垃圾處理費和供電。(1)供電收益。此系統(tǒng)可配15MW的汽輪發(fā)電機(jī)，實際對外供電功率不會低于12MW（1.2萬kW），每度電按0.7元計算，設(shè)備每年運行8 000h，則售電收益6 720萬元。(2)垃圾處理費。按處理垃圾500元/t·h收費，系統(tǒng)每年運行330d，則收入16 500元。日常運營成本主要為燃煤采購費、垃圾收集運輸費、系統(tǒng)維護(hù)和輔助材料費。(1)按每噸煤送至焚