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1、垃圾处理与循环流化床垃圾焚烧炉垃圾处理与循环流化床垃圾焚烧炉陈力 刘化才1 前言前言据新华社长沙 2000 年 12 月 24 日电文“经济的高速发展导致我国城市垃圾量迅猛上升，同时垃圾回收行业却在萎缩。我国的城市已陷入垃圾的包围之中，据统计，我国历年垃圾的堆存量达 60 多亿吨，占用的土地面积超过 5 亿平方米，近200 座城市发展到无适合场所堆放垃圾，导致不少城区城乡结合带生态环境恶化。”改革开放 20 年来，我国的国民经济有了长足进展，城市规模迅速扩张。工业化进程的不断推进创造了空前巨大的社会财富，但是同时也制造了越来越多的垃圾。1999 年全国城市生活垃圾产量已经超过 1 亿 t，预计
2、 2000 年以后将达到 1.2亿1.4 亿 t。垃圾对城市的污染愈演愈烈，成为现代城市亟待解决的一项难题。城市处理垃圾的传统方式是填埋。在城市规模较小时，垃圾产量有限，填埋显然是最简便易行的处理方式，因而也是目前大多数城市处理垃圾的方式。但是这一方式现在日益面临着越来越大的困难。(1)随着人口的增长、城市的扩张，土地的价格越来越昂贵，而垃圾填埋需要占用大量宝贵的土地资源；(2)仅靠垃圾自己的腐化反应来使垃圾逐渐减少、消失，垃圾处理周期长；(3)容易导致垃圾渗滤液和挥发气体污染地下水、空气，导致土壤沙化。焚烧处理城市生活垃圾与填埋相比，其优势是非常明显的。(1)占用土地有限；(2)处理周期短；
3、(3)采用先进的燃烧方式和工艺设备，可以将环境污染物的排放控制在一定的水平内；(4)将垃圾中的热能转化为生活和工业中能够利用的二次能源，节约了能源，为城市的可持续发展提供支持；(5)垃圾焚烧后转化成灰渣，对于燃烧方式，比如循环流化床锅炉，燃烧生成的灰渣具有很好的活性，可以作制造建筑材料的原料，从而实现了物资的再生利用。综上所述，如果能够使用合适的燃烧方式和工艺设备，将会变废为宝，实现绿色环境工程，使因垃圾产生的问题得到圆满解决。2 城市生活垃圾的成分和热能城市生活垃圾的成分和热能城市生活垃圾泛指一切生活废弃物，包括食品垃圾、废纸、废布、塑料、木头、金属、玻璃、陶瓷、灰渣 、废砖瓦、废器具、建筑
4、废弃物，以及动植物残体、医院垃圾、地下水沟道污泥、公共交通带来的各种废弃物等，包罗万象，种类繁多，其构成主要受城市的规模、地理环境、燃料结构、居民生活水平和生活习惯、自然季节等的影响。我国城市生活垃圾成分与全球平均值的对比情况列于表 1 中。城市生活垃圾的可燃成分是其中的有机物，各种有机垃圾的热值列于表 2 中。从表 2 可以看出，各种有机垃圾本身热值很高，有很大的能源利用价值。从表 1 可以看出，我国城市生活垃圾成分与全球平均值相比，炉渣等无机物成分比较高，因而发热值较低。但随着城市燃气普及率逐年上升，纸及塑料等高热值可燃物比例的增大，生活垃圾热值呈逐年递增的趋势。表 3 示出了广州市 19
5、911996 年垃圾成分的变化情况，从中可以看出此趋势。按我国城市居民 4 亿人计，平均每人每天产生 1kg 生活垃圾，平均每千克垃圾的热值为 4000 kJ，则每年废弃在垃圾中的热能约折合标准煤 20Mt3 城市生活垃圾焚烧的条件城市生活垃圾焚烧的条件城市生活垃圾不仅发热值低，无机物及水分含量比较高，而且具有非均匀性，其组成会随着季节的变化和收集地点的不同而有很大差异，且含有金属、砖瓦等不可燃物，因此，要想保持焚烧过程能够稳定而彻底的进行，具有一定的难度。虽然从环境保护和能源节约的角度来讲，用焚烧来处理城市生活垃圾有着巨大的优越性，但是这种方式能否大规模应用，仍然取决于其在既定社会条件下的经
6、济成本。联合国环境组织(UNEP)综合考察了世界经济的发展情况，提出了焚烧城市生活垃圾来发电的标准，认为符合以下条件的城市应大规模采用垃圾发电。(1)平均每人每天产生垃圾 0.51.0kg 以上；(2)垃圾中有机质份额大于 40；(3)垃圾含水量份额小于 50；(4)垃圾平均高位发热量在 3 349.447 117.5kJ/kg 以上；(5)考虑实施减量，重复使用，回收再利用措施的成本和可行性之后，仍然不能将垃圾的产量削减 35。可见，要采用焚烧城市生活垃圾来发电，其垃圾中必须含有一定的热值。参照此标准，我国的一些大城市，如上海、北京、天津、重庆、珠海、深圳等，已经具备大规模焚烧生活垃圾发电的
7、条件。在国务院发布的中国二十一世纪议程中国 21 世纪人口、环境与发展白皮书中，明确表示要建设有害废物焚烧示范厂作为有害废物管理和处理、处置的样板，并要建设一批垃圾示范工程，还指出有条件的地方要发展焚烧处理技术。发展城市生活垃圾焚烧发电是一项涉及能源、环保、环卫、城建等等诸多部门的市政系统工程，应该综合考虑。从经济上说，城市生活垃圾焚烧发电能否得到发展，取决于其产生的利润(处理垃圾、供热、售电获得收益)能否在可接受的年限内弥补其投入的成本。在既定的社会经济条件下，其成功与否，取决于具体的操作者和具体的操作过程。4 垃圾处理的各种方法垃圾处理的各种方法垃圾处理问题是随着城市的出现而产生的，并随着
8、城市的扩大而日益成为一个严重的问题。由于人口的急剧增长，城市规模的迅速膨胀，在我国的东南沿海经济发达地区和内地的大中城市，人们的生产生活空间变得日益狭窄，垃圾能否得到有效而彻底的处理，已经是一个直接影响人们生产生活的急迫问题，是一个影响城市可持续发展的重要因素。目前，人们处理垃圾的方式有以下几种。4.1 简单填埋简单填埋很明显，这种方法适用于我国人口密度相对较稀少的中西部的小城镇、小城市。4.2 堆肥堆肥垃圾堆肥会造成二次污染，并且肥料品位低，内含玻璃渣多。这一方法可以用于处理某些行业或生产过程中产生的高水分、富含有机物的垃圾，不适用于城市生活垃圾的处理。4.3 炉排炉焚烧炉排炉焚烧多年以来，
9、人们已经使用炉排炉来焚烧垃圾，目前使用的垃圾焚烧设备基本上是各种炉排炉。但是炉排炉垃圾焚烧设备有很大的缺点，难以胜任目前大中城市迅速增多的大规模垃圾处理工作。主要问题如下：(1)我国的城市垃圾不可燃物质含量大，发热值低，平均不超过 4 186.8kJ/kg，纯粹的垃圾无法在炉排炉中进行燃烧，必须喷油助燃，在原油价格涨升后，运行费用高的惊人。如深圳两台炉排垃圾焚烧炉，日处理垃圾共 300t，一年需要烧掉4 700 万元的燃油。(2)炉排炉的燃烧方式，决定了垃圾与助燃空气的混合作用很弱，远达不到将垃圾进行彻底燃烧的要求。(3)炉排炉垃圾焚烧容易导致二次剧毒污染物二恶英的产生。二恶英，即四氯二苯，是
10、日前所知的最毒的物质之一。垃圾中含有苯环的有机物与含氯物质在高温下可以生成二恶英。研究表明，在 400600的温度区间内，在氧气供应不充分的情况下，含有苯环的有机物与含氯物质(如塑料)燃烧不完全，其中的挥发性物质在烟气中易于发生二恶英的合成反应。当烟气温度超过 1 000时不产生二恶英；当烟气温度超过 780，并且在炉内停留时间超过 2s 时，不易产生二恶英。炉排炉炉膛中的烟气温度和烟气成分很不均匀，和投入助燃油的多少密切相关，有些炉排炉炉膛的出口烟气温度仅在 400左右，因此，在炉排炉的炉膛中极易生成二恶英。(4)炉排炉燃烧产生的炉渣活性差，难以综合利用。4.4 循环流化床垃圾焚烧锅炉燃烧循
11、环流化床垃圾焚烧锅炉燃烧这正是要着重讨论的问题。根据这几年的工作经历，认为从技术经济上看，循环流化床垃圾焚烧锅炉是我国目前和以后大中城市进行垃圾处理的性能最优秀的设备与技术。5 循环流化床垃圾焚烧锅炉循环流化床垃圾焚烧锅炉自 1989 年第一台循环流化床锅炉在山东明水热电厂通过国家鉴定以来，济南锅炉厂一直致力于循环流化床锅炉技术的进步和发展，并且取得了长足的进步。目前，其生产的 35t/h、75t/h 循环流化床炉在国内居于主导地位，市场占有率超过50，到目前累计销售了 400 余台。根据有关用户的实践经验，其 75t/h 循环流化床锅炉能够很好的燃用热值为 7 326.9kJ/kg 的煤矸石
12、并持续稳定运行。考虑到各方面的实际情况，按如下条件来发展循环流化床垃圾焚烧锅炉。我国大中城市目前产生的垃圾的平均热值不超过 4 186.8kJ/kg，通常在 3 768.124 186.8 kJ/kg 之间，在设计中取其热值等于 3 977.46kJ/kg。用煤做助燃燃料，其价格远远低于石油，仅为石油的 1/10。考虑到通常不会把低热值的煤矸石和劣质煤运往大中城市使用，在垃圾焚烧厂中，应当使用高热值的优质煤。在工程设计中，取煤的热值等于 25 120.8kJ/kg，这是符合经济社会的运行规律的。从以下 3 个方面来考虑能够在循环流化床锅炉中进行稳定燃烧的垃圾煤混合物的最低热值。(1)根据济南锅
13、炉厂在设计制造循环流化床锅炉方面的经验和有关电厂在使用循环流化床锅炉燃烧劣质煤的实践，在炉膛绝大部分水冷壁曝光的情况下，燃料最低热值为 7 326.9kJ/kg。(2)清华大学在垃圾焚烧方面所作的研究认为：在炉膛全部覆盖耐火混凝土的情况下，要保证燃烧稳定，垃圾煤混合物的最低热值应不小于 5 024.16kJ/kg。(3)垃圾中比热容最大的物质是 H2O，H2O 从 0升温到 900，需要吸收的热能为 4 396.14kJ/kg。由此，在设计中取垃圾煤混合物的热值为 5 442.84kJ/kg，设每燃烧 1kg 垃圾需要加入 xkg 煤可以得出，x=0.074 468。下面来设计一座日处理垃圾
14、1 000t 的垃圾焚烧设备（目前国内已有花费巨资兴建的大型垃圾焚烧场其日处理垃圾一般不超过 1 000t/d）。燃烧 1 000t 垃圾需要加入 74.468t 煤，垃圾与煤含有的总热量/kJkg1 为：(1 00074.468)1 0001 3004.186 8=5 848 157 409.12将这个热量作为所研究热力系统的输入热量，折合功率为 67.687MW，估计循环流化床垃圾焚烧炉的总热效率 在8090之间，设计中取 =85，则热力系统的输出功率为 57.544MW，与一台 75t/h 中温中压锅炉的热功率相当。关于工质(H2O)的参数，可以从以下 3 方面考虑：(1)低参数的蒸汽可
15、以用于工业生产和供暖。很显然，垃圾焚烧场生产的蒸汽不可能用于工业生产；垃圾焚烧场是全年进行工作的，其生产的蒸汽作为供暖的热源也是不合适的。(2)用于发电。高参数的蒸汽，其热电转换效率高，但是，高温高压的蒸汽，其水蒸气过热阶段需要吸收大量的热量，需要布置复杂的过热器系统和减温系统。垃圾焚烧产生的烟气复杂多变，其中 H2O 含量最高可达 50，烟气具有很强的腐蚀性，高温高压锅炉的过热器工作在非常恶劣的工况下，发生故障的概率很大。(3)中参数的蒸汽用于发电。热力循环仍然具有较高的循环效益实际上，在我国日前广为存在的大量中小厂，使用的绝大部分为中参数锅炉。中温中压蒸汽锅炉(温度 t=450，压力 P=
16、3.82MPa)或者次高温次高压蒸汽锅炉(温度 t=485，压力 P=5.29MPa)，其过热器系统仅布置两级受热面和一级减温水即可。其发生故障的概率远低于高温高压锅炉的过热器系统。因此，将垃圾焚烧炉设计成中参数蒸汽锅炉，并且用于发电是最好的选择。根据以上思路绘制了日焚烧垃圾 1 000t 的循环流化床垃圾焚烧锅炉的方案图，该方案是在总结燃煤循环流化床锅炉的基础上提出的，对锅炉的主要结构尺寸提出了详细的数据，因而已经离工业化产品非常接近了。下面对其主要的特点加以说明。(1)此锅炉的炉膛特别高，通常情况下，75t/h 中温中压煤粉炉的炉膛高度在 1516m，220t/h(或 230t/h)高温高压煤粉炉的高度在 2324m，燃煤循环流化床锅炉的炉膛高度在 22m 左右，而本设计方案取定的炉膛高度为 2528m。之所以把炉膛设计这样高，主要是基于以下 2 个方面的考虑：1 垃圾煤混合物中不可燃成分含量很大，在流化床燃烧的过程中，自燃烧室(密相区)披上升的烟气携带的固体颗粒比燃煤循环
