循環(huán)流化床純燒城市生活垃圾的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與工程應(yīng)用

殷建利 朱 俊 陳旭東

（杭州能達(dá)華威有設(shè)備限公司，浙江 杭州 311101）

循環(huán)流化床純燒城市生活垃圾的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與工程應(yīng)用

殷建利 朱 俊 陳旭東

（杭州能達(dá)華威有設(shè)備限公司，浙江 杭州 311101）

通過(guò)建模理論分析，得到了低位熱值為3238.9kJ/kg的生活垃圾在循環(huán)流化床鍋爐焚燒的理論數(shù)據(jù)。采用公司發(fā)明專利技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床純燒城市生活垃圾，并在垃圾焚燒處理廠得到成功應(yīng)用。

循環(huán)流化床；純燒；城市生活垃圾；工程

城市生活垃圾的妥善處理是當(dāng)今世界各國(guó)的重要環(huán)保課題。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城鎮(zhèn)人口的增長(zhǎng)和居民生活水平的不斷提高，城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)生量迅速增加，生活垃圾的處理已成為影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境治理的重要因素，也是我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中必須面對(duì)的問(wèn)題。

垃圾焚燒處理是目前城市生活垃圾進(jìn)行無(wú)害化、減量化和資源化處理最徹底最有效的技術(shù)方法。循環(huán)流化床垃圾焚燒技術(shù)具有燃燒劇烈、分解徹底、對(duì)垃圾種類適應(yīng)性好及燃燒污染物排放低等優(yōu)勢(shì)，比較適合我國(guó)城市生活垃圾高水分低熱值的特性。

1 技術(shù)背景

城市生活垃圾焚燒處理技術(shù)，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的技術(shù)主要有二種：層狀燃燒技術(shù)和流化床燃燒技術(shù)。

層狀燃燒技術(shù)主要采用爐排形式實(shí)現(xiàn)焚燒，是應(yīng)用較早、較為成熟的焚燒技術(shù)，主要包括固定爐排、鏈條爐排、往復(fù)爐排等。其中往復(fù)爐排爐焚燒技術(shù)在垃圾分類收集系統(tǒng)完善的歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛使用。采用層燃技術(shù)的爐排焚燒爐適合焚燒低水份高熱值的垃圾，具有煙氣含塵量低、動(dòng)力消耗相對(duì)少等優(yōu)點(diǎn)。但爐排爐因?qū)訝钊紵奶匦运拢矊又邢虏繙囟容^低整體燃燒速度緩慢，容易產(chǎn)生熱解不徹底現(xiàn)象，爐渣中常夾帶有未燃燼有機(jī)物，不適合燃燒高水份、高灰分、低熱值的生活垃圾，更難以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)焚燒或摻燒市政污泥。

自上世紀(jì)八十年代以來(lái)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)迅速發(fā)展成熟，由于其具有熱強(qiáng)度均勻穩(wěn)定、燃料適應(yīng)廣泛、環(huán)境排放特性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在燃煤發(fā)電行業(yè)中正在全面取代其它燃燒技術(shù)。上世紀(jì)末國(guó)內(nèi)垃圾焚燒開(kāi)始起步，垃圾分類收集又尚未實(shí)施，中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)、清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)根據(jù)國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)的垃圾特性相繼開(kāi)發(fā)出循環(huán)流化床垃圾焚燒技術(shù)，通過(guò)摻燒一定量燃煤來(lái)保證垃圾安全穩(wěn)定焚燒。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約土地資源逐步重視，本世紀(jì)以來(lái)國(guó)家資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)政策逐步完善，各地政府強(qiáng)化了垃圾源頭管理，進(jìn)行垃圾分類收集運(yùn)輸，進(jìn)焚燒廠的垃圾水分得到了控制熱值有較大提高。特別是東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市環(huán)衛(wèi)收集運(yùn)輸?shù)纳罾M(jìn)廠的平均熱值從650kcal/kg（2721 kJ/kg）左右提升至750kcal/kg（3140 kJ/kg）以上，為我們進(jìn)行循環(huán)流化床純燒城市生活垃圾的技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)。

圖1 樣本垃圾絕熱燃燒工況軟件模擬圖

2 建模與分析

2008 年，杭州市共處置213.90萬(wàn)噸，日均清運(yùn)生活垃圾5844.19噸，全年生活垃圾熱值在3238.9kJ/kg左右，全年平均含水率57.4%，杭州主城區(qū)垃圾熱值已達(dá)3952kJ/kg。我們就低位熱值3238.9kJ/kg的原生生活垃圾，進(jìn)行建模計(jì)算與理論分析。根據(jù)杭州一垃圾焚燒處理廠提供的垃圾燃料數(shù)據(jù)分析表（見(jiàn)表1），采用伯勒（Bole）鍋爐性能設(shè)計(jì)計(jì)算軟件V1.03，先進(jìn)行爐膛完全絕熱焚燒時(shí)建立計(jì)算模型，來(lái)獲得焚燒的有關(guān)理論數(shù)據(jù)。

表1 入爐垃圾數(shù)據(jù)分析表

計(jì)算模型以1t/h垃圾在完全絕熱爐膛焚燒為基礎(chǔ)，入爐垃圾低位熱值3238.9kJ/kg，過(guò)?？諝庀禂?shù)取1.5，入爐垃圾及進(jìn)口空氣的溫度均取25℃。

樣本垃圾絕熱燃燒工況模擬的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1，圖中三個(gè)畫面依次為煙氣側(cè)（爐膛輸出煙氣參數(shù)）、燃料側(cè)（入爐垃圾元素、熱值參數(shù)）、空氣側(cè)（爐膛輸入空氣參數(shù)）。

從模擬計(jì)算中看出，燃燒1t/h的樣本城市生活垃圾，助燃空氣1439Nm3/h，燃燒產(chǎn)生約2263Nm3/h煙氣量，絕熱爐膛出口煙溫879℃。煙氣溫度已高于城市生活垃圾安全焚燒的國(guó)家規(guī)范要求溫度850℃，具備設(shè)計(jì)純燒方案的基礎(chǔ)條件。

假定純燒此類垃圾，按800t/d規(guī)模設(shè)計(jì)循環(huán)流化床焚燒爐方案：爐膛煙氣流速控制在4m/s左右，燃燒溫度≮900℃，煙氣有效停留時(shí)間≮4.5s，確定焚燒爐膜式水冷壁爐膛結(jié)構(gòu)主要尺寸。爐膛截面5070mm×4630mm，爐膛有效高度24m，爐膛內(nèi)側(cè)襯30mm厚硅酸鋁耐火纖維板加80mm厚耐火耐磨可塑料，爐膛有效截面約4.8m×4.4m，爐墻面積F=461.2m2，爐膛容積V=440.2m3，爐內(nèi)有效輻射層厚度為：s=3.6V/F=3.436m=3436mm。硅酸鋁耐火纖維板導(dǎo)熱系數(shù)約為0.156W/（m·k），耐火耐磨可塑料（Al2O3/Fe2O3），導(dǎo)熱系數(shù)約為3.7W/（m·k），爐膛水冷壁內(nèi)壁溫及爐膛內(nèi)煙溫分別以256℃和900℃計(jì)，則1小時(shí)內(nèi)爐膛水冷壁吸收能量約為1384kWh（合4982400kJ）。根據(jù)爐膛水冷壁吸收的功率，計(jì)算出爐膛水冷壁在通?；鹧娓叨认禂?shù)0.45時(shí)的壁面熱有效系數(shù)為0.0112。

圖2 樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中常溫空氣（25℃）助燃工況數(shù)據(jù)模擬圖

圖3樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中預(yù)熱空氣（180℃）助燃工況數(shù)據(jù)模擬圖

將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算模型：樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中常溫空氣（25℃）助燃工況數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2，圖中三個(gè)畫面依次為煙氣側(cè)（爐膛輸出煙氣參數(shù)）、燃料側(cè)（入爐垃圾元素、熱值參數(shù)）、空氣側(cè)（爐膛輸入空氣參數(shù)）。

從模擬計(jì)算中看出，樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中燃燒，垃圾焚燒量33.34t/h，助燃空氣47974Nm3/h，燃燒產(chǎn)生約76218Nm3/h煙氣量，絕熱爐膛出口煙溫843℃，爐膛煙氣流速4.1m/s，爐膛煙氣停留時(shí)間5.09s。煙氣流速與停留時(shí)間滿足設(shè)計(jì)參數(shù)，但關(guān)鍵參數(shù)燃燒溫度不滿足規(guī)范要求，須對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)分析，確定不作其它結(jié)構(gòu)參數(shù)修改，通過(guò)提高助燃空氣溫度來(lái)保證安全燃燒溫度。擬將空氣溫度預(yù)熱至180℃。將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算模型：樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中預(yù)熱空氣（180℃）助燃工況數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3，圖中三個(gè)畫面依次為煙氣側(cè)（爐膛輸出煙氣參數(shù)）、燃料側(cè)（入爐垃圾元素、熱值參數(shù)）、空氣側(cè)（爐膛輸入空氣參數(shù)）。

從模擬計(jì)算中看出，樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中以180℃預(yù)熱空氣助燃，垃圾焚燒量33.34t/h，助燃空氣47974Nm3/h，燃燒產(chǎn)生約76218Nm3/h煙氣量，爐膛出口煙溫906℃，爐膛煙氣流速4.33m/s，爐膛煙氣停留時(shí)間4.8s。燃燒溫度、煙氣流速、停留時(shí)間均滿足規(guī)范或設(shè)計(jì)參數(shù)。具備開(kāi)發(fā)純燒爐型的技術(shù)條件。

若熱風(fēng)溫度提高至180℃，則爐膛出口煙溫可達(dá)906℃，見(jiàn)圖3所示。入爐焚燒的垃圾進(jìn)行短暫堆酵以適當(dāng)降低水分，如果城市生活垃圾經(jīng)中轉(zhuǎn)站壓縮轉(zhuǎn)運(yùn)，且在入爐焚燒時(shí)再進(jìn)行短暫堆酵，則入爐焚燒處理的垃圾水分可降低5%以上，爐膛出口溫度還將提高。當(dāng)然，如果當(dāng)?shù)氐纳罾鵁嶂得黠@較高，采用循環(huán)流化床垃圾焚燒爐來(lái)焚燒處理垃圾時(shí)，則不再建議在垃圾庫(kù)內(nèi)堆酵，甚至在進(jìn)行鍋爐熱力計(jì)算時(shí)適當(dāng)降低鍋

爐爐膛的絕熱程度，否則容易導(dǎo)致?tīng)t膛出口煙溫超溫。在保證垃圾焚燒爐爐膛

出口溫度的前提下，再對(duì)垃圾進(jìn)行“均質(zhì)化”破碎處理，使得入爐垃圾燃燒更加連續(xù)，并充分發(fā)揮循

環(huán)流化床焚燒特性，則能實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床純燒生活垃圾的工程應(yīng)用。

3 純燒垃圾的技術(shù)工藝

我們通過(guò)對(duì)天津、山東、浙江、福建等省份的一二線城市生活垃圾取樣分析、建模計(jì)算提出當(dāng)入爐垃圾水分不高于50%時(shí)，低位熱值達(dá)到800kcal/kg（3349kJ/kg），水分不高于60%時(shí)低位熱值達(dá)到950kcal/kg（3977kJ/kg），可實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床純燒垃圾。

3.1 湍沸復(fù)合循環(huán)流化床垃圾焚燒技術(shù)

湍沸復(fù)合循環(huán)流化床垃圾焚燒技術(shù)是實(shí)現(xiàn)純燒城市生活垃圾的新型流化床技術(shù)，其基本原理是入爐高水分垃圾在湍流床內(nèi)部分水分氣化，進(jìn)入沸騰床時(shí)熱量負(fù)貢獻(xiàn)大幅降低，使沸騰床面、密相區(qū)、燃燒室中上部的溫度能保持穩(wěn)定均衡，在高溫循環(huán)灰作用下經(jīng)高溫一二次熱風(fēng)助燃?xì)夤炭扇汲煞殖浞秩紵?/p>

湍沸復(fù)合循環(huán)流化床垃圾焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4，該技術(shù)先后獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的發(fā)明專利證書和實(shí)用新型專利證書，并在杭州喬司和嘉興步云垃圾焚燒爐技術(shù)改造項(xiàng)目中獲得成功。

3.2 絕熱爐膛結(jié)構(gòu)

循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐的主要目標(biāo)是焚燒處理垃圾，在保證“3T+E”的燃燒原則中，Time是高溫?zé)煔獾耐Ａ魰r(shí)間，Turbulance是進(jìn)料垃圾與空氣的充分混合，還有的Temperature就是要求保證爐膛的燃燒溫度應(yīng)在850℃以上。

圖4 湍沸復(fù)合循環(huán)流化床垃圾焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

我們認(rèn)為常規(guī)燃煤循環(huán)流化床鍋爐爐膛沸騰床及密相區(qū)為了防止磨損，一般敷設(shè)100mm左右的耐火耐磨澆注料，而在密相區(qū)上部直到爐膛出口下部約1米處的水冷壁部分，則基本裸露不打澆注料以吸收爐內(nèi)輻射熱，控制爐膛上部溫度，循環(huán)灰除了達(dá)到充分燃燒的目的外起到將密相區(qū)的可燃物與燃燒熱向爐膛上部輸送的作用，使整個(gè)爐膛溫度穩(wěn)定均衡。而循環(huán)流化床垃圾焚燒爐的循環(huán)灰熱能輸送作用恰恰相反。通過(guò)分析我們提出，針對(duì)國(guó)內(nèi)多數(shù)城市的生活垃圾設(shè)計(jì)循環(huán)流化床焚燒爐純燒生活垃圾時(shí)爐膛應(yīng)采用基本絕熱爐膛。筑爐工藝大致為在爐膛內(nèi)側(cè)，在水冷壁管內(nèi)先襯一30mm厚絕熱層，可采用硅酸鋁耐火纖維板，再澆注一層厚80mm耐火耐磨澆注料，以維持爐膛合理的燃燒溫度確保垃圾在爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒。要考慮到絕熱層長(zhǎng)期運(yùn)行逐漸失效的因素，在熱力計(jì)算時(shí)爐膛壁面熱有效系數(shù)取較高值0.08。生活垃圾平均低位熱值較高的地區(qū)，通過(guò)可靠的計(jì)算可在爐膛上部適當(dāng)降低絕熱程度甚至部分水冷壁完全裸露。

3.3 提高一二次熱風(fēng)溫度

從本文前述的垃圾絕熱焚燒的鍋爐軟件模擬與理論分析可知，如其他條件不變，當(dāng)進(jìn)爐風(fēng)溫為25℃時(shí)其理論燃燒絕熱爐膛溫度達(dá)879℃，當(dāng)爐膛采用膜式水冷壁并存在一定傳熱系數(shù)的狀況下，爐膛溫度下降為843℃。此時(shí)將入爐熱風(fēng)溫度提高至180℃時(shí)，爐膛溫度上升至906℃。考慮到裝備材料造價(jià)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中推薦入爐熱風(fēng)溫度控制在200—250℃。

4 工程應(yīng)用

杭州錦江綠色能源有限公司（杭州喬司垃圾焚燒電廠）于2008年底啟動(dòng)整體升級(jí)技改工程，垃圾焚燒爐采用杭州能達(dá)華威公司的湍沸復(fù)合流化床垃圾焚燒專利技術(shù)，因垃圾平均低位熱值接近980kcal/kg（4100kJ/kg），設(shè)計(jì)前充分計(jì)算分析，保留了部分水冷壁裸露，焚燒原生垃圾時(shí)無(wú)需堆酵、無(wú)需摻燒輔助燃料，平均日焚燒處理垃圾達(dá)到800噸。2009年10月經(jīng)浙江省經(jīng)信委組織專家認(rèn)證，垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組已達(dá)到可再生能源發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)。

2009年5 月，嘉興市綠色有源有限公司2#垃圾焚燒爐進(jìn)行技術(shù)改造，因當(dāng)?shù)乩鵁嶂瞪缘停O(shè)計(jì)時(shí)爐膛全敷設(shè)耐火絕熱層，日焚燒處理800噸，運(yùn)行中不摻燒燃煤。

5 運(yùn)行管理

循環(huán)流化床純燒城市生活垃圾的技術(shù)成功應(yīng)用于杭州、嘉興二個(gè)垃圾焚燒電廠，并專門針對(duì)垃圾給料系統(tǒng)與底渣排出系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。技改后焚燒電廠注重日常生產(chǎn)管理，保證焚燒爐密封均勻進(jìn)料，爐膛溫度壓力穩(wěn)定，排渣均勻順暢燒蝕率低于1%。

6 技術(shù)展望

針對(duì)循環(huán)流化床焚燒爐存在電能消耗和飛灰比例偏高的不足尚有進(jìn)一步研究提高的空間：

①采用機(jī)械擠壓脫水、堆酵脫水、物理干化等手段減少水分氣化與排煙熱損失。

②減少沸騰床水氣化負(fù)荷以縮減布風(fēng)板面積，減小一次風(fēng)量與循環(huán)倍率，降低電耗。

③通過(guò)自動(dòng)分選、機(jī)械破碎等方式減小物料幾何尺寸，使入爐物料均質(zhì)化以減小流化風(fēng)量、小孔風(fēng)速與空板阻力，減小一次風(fēng)量、風(fēng)壓，降低電耗。

④采用高溫二次分離減小飛灰比例，減少危險(xiǎn)廢棄物產(chǎn)生量。

結(jié)語(yǔ)

循環(huán)流化床作為一種新興的潔凈燃燒技術(shù)通過(guò)短短的十幾年發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)純燒原生生活垃圾，這是行業(yè)政策與市場(chǎng)引導(dǎo)的結(jié)果，也是負(fù)責(zé)任的科技工作者與企業(yè)經(jīng)營(yíng)者努力的結(jié)果。城市生活垃圾的無(wú)害化、減量化、資源化處理的全面實(shí)現(xiàn)，需要政府、企業(yè)、大眾的參與支持，自源頭至末端共同控制，才能使我們有一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境。

[1]陳旭東，湍沸復(fù)合循環(huán)流化床垃圾焚燒爐[P].中國(guó)專利:ZL 2009 1 0097419.2.

[2]洪國(guó)才，陳增豐，杭州市生活垃圾物化特性分析與處置對(duì)策[J].杭州研究，2010.

[3]嚴(yán)建華，沈祥智，李曉東，馬增益，溫俊明，池涌，岑可法.流化床焚燒垃圾的關(guān)鍵問(wèn)題及預(yù)處理措施[J].中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2005.

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.149