1、垃圾處理與循環流化床垃圾燃燒爐陳力劉化才1前言據新華社長沙2000年12月24日電文“經濟的高速開展導致我國城市垃圾量迅猛上升，同時垃圾回收行業卻在萎縮。我國的城市已陷入垃圾的包圍之中，據統計，我國歷年垃圾的堆存量達60多億噸，占用的土地面積超過5億平方米，近200座城市開展到無適合場所堆放垃圾，導致不少城區城鄉結合帶生態環境惡化。改革開放20年來，我國的國民經濟有了長足進展，城市規模迅速擴張。工業化進程的不斷推進創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量已經超過1億t,預計2000年以后將到達1.2億1.4億to垃圾對城市的污染愈演愈烈，成為現代

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

3、4)將垃圾中的熱能轉化為生活和工業中能夠利用的二次能源，節約了能源，為城市的可持續開展提供支持；(5)垃圾燃燒后轉化成灰渣，對于燃燒方式，比方循環流化床鍋爐，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，從而實現了物資的再生利用。綜上所述，如果能夠使用適宜的燃燒方式和工藝設備，將會變廢為寶，實現綠色環境工程，使因垃圾產生的問題得到圓 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，其構成

4、主要受城市的規模、地理環境、燃料結構、居民生活水平和生活習慣、自然季節等的影響。我國城市生活垃圾成分與全球平均值的比照情況列于表1中。城市生活垃圾的可燃成分是其中的有機物，各種有機垃圾的熱值列于表2中。從表2可以看出，各種有機垃圾本身熱值很高，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，爐渣等無機物成分比擬高，因而發熱值較低。但隨著城市燃氣普及率逐年上升，紙及塑料等高熱值可燃物比例的增大，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，平均每人每天產生1kg生活垃圾，平均每千克垃圾

5、的熱值為4000 kJ,那么每年廢棄在垃圾中的熱能約折合標準煤20Mt3城市生活垃圾燃燒的條件城市生活垃圾不僅發熱值低，無機物及水分含量比擬高，而且具有非均勻性，其組成會隨著季節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，要想保持燃燒過程能夠穩定而徹底的進行，具有一定的難度。雖然從環境保護和能源節約的角度來講，用燃燒來處理城市生活垃圾有著巨大的優越性，但是這種方式能否大規模應用，仍然取決于其在既定社會條件下的經濟本錢。聯合國環境組織(UNEP)綜合考察了世界經濟的開展情況，提出了燃燒城市生活垃圾來發電的標準，認為符合以下條件 的城市應大規模采用垃圾發電。(1)平均每

6、人每天產生垃圾0.51.0kg以上；(2)垃圾中有機質份額大于40%;(3)垃圾含水量份額小于50% ;(4)垃圾平均高位發熱量在3 349.447 117.5kJ/kg以上；(5)考慮實施減量，重復使用，回收再利用措施的本錢和可行性之后，仍然不能將垃圾的產量削減35%。可見，要采用燃燒城市生活垃圾來發電，其垃圾中必須含有一定的熱值。參照此標準，我國的一些大城市，如上海、北京、天津、重慶、珠海、深圳等，已經具備大規模燃燒生活垃圾發電的條件。在國務院發布的中國二十一世紀議程一一中 國21世紀人口、環境與開展白皮書?中，明確表示要建設有害廢物燃燒示范廠作為有害廢物管理和處理、處置的樣板，并 要建設

7、一批垃圾示范工程，還指出有條件的地方要開展燃燒處理技術。開展城市生活垃圾燃燒發電是一項涉及能源、環保、 環衛、城建等等諸多部門的市政系統工程，應該綜合考慮。從經濟上說，城市生活垃圾燃燒發電能否得到開展，取決于其產生的利潤(處理垃圾、供熱、售電獲得收益 )能否在可接受的年限內彌補其投入的本錢。在既定的社會經濟條件下，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而產生的， 并隨著城市的擴大而日益成為一個嚴重的問題。由于人口的急劇增長，城市規模的迅速膨脹，在我國的東南沿海經濟興旺地區和內地的大中城市，人們的生產生活空間變得日益狹窄， 垃圾能否得到

8、有效而徹底的處理，已經是一個直接影響人們生產生活的急迫問題，是一個影響城市可持續開展的重要因素。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、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，內含玻璃渣多。這一方法可以用于處理某些行業或生產過程中產生的高水 分、富含有機物的垃圾，不適用于城市生活垃圾的處理。4.3爐排爐燃燒 多年以來，人們已經使用爐排爐來燃燒垃圾，目前使用的垃圾燃燒設備根本上是各種爐排爐。但是爐排爐垃圾燃燒設備有很大的缺點，難以勝任目前大中城市迅速增多的大規模垃圾處理工作。主要問題如下：(1)我國的城市垃

9、圾不可燃物質含量大，發熱值低，平均不超過4 186.8kJ/kg,純粹的垃圾無法在爐排爐中進行燃燒，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燃燒爐，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，遠達不到將垃圾進行徹底燃燒的要求。(3)爐排爐垃圾燃燒容易導致二次劇毒污染物二惡英的產生。二惡英，即四氯二苯，是日前所知的最毒的物質之一。垃圾中含有苯環的有機物與含氯物質在高溫下可以生成二惡英。研究說明，在400600 C的溫度區間內，在氧氣供給不充分的情況下，含有苯環的有機物與含氯物質(如塑料)燃燒不完全

10、，其中的揮發性物質在煙氣中易于發生二惡英的合成反響。當煙氣溫度超過1 000C時不產生二惡英；當煙氣溫度超過780 C，并且在爐內停留時間超過2s時，不易產生二惡英。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，有些爐排爐爐膛的出口煙氣溫度僅在400 C左右，因此，在爐排爐的爐膛中極易生成二惡英。(4)爐排爐燃燒產生的爐渣活性差，難以綜合利用。4.4循環流化床垃圾燃燒鍋爐燃燒 這正是要著重討論的問題。根據這幾年的工作經歷，認為從技術經濟上看，循環流化床垃圾燃燒鍋爐是我國目前和以后大中城市進行垃圾處理的性能最優秀的設備與技術。5循環流化床垃圾燃燒鍋爐自1989年第一臺循環

11、流化床鍋爐在山東明水熱電廠通過國家鑒定以來，濟南鍋爐廠一直致力于循環流化床鍋爐技術的 進步和開展，并且取得了長足的進步。目前，其生產的35t/h、75t/h循環流化床爐在國內居于主導地位，市場占有率超過50%,到目前累計銷售了400余臺。根據有關用戶的實踐經驗，其75t/h循環流化床鍋爐能夠很好的燃用熱值為7 326.9kJ/kg的煤砰石并持續穩定運行。考慮到各方面的實際情況，按如下條件來開展循環流化床垃圾燃燒鍋爐。我國大中城市目前產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，在設計中取其熱值等于3 977.46kJ/kg。用煤做助燃

12、燃料，其價格遠遠低于石油，僅為石油的1/10。考慮到通常不會把低熱值的煤砰石和劣質煤運往大中城市使用，在垃圾燃燒廠中，應當使用高熱值的優質煤。在工程設計中，取煤的熱值等于25 120.8kJ/kg,這是符合經濟社會的運行規律的。從以下3個方面來考慮能夠在循環流化床鍋爐中進行穩定燃燒的垃圾-煤混合物的最低熱值。(1)根據濟南鍋爐廠在設計制造循環流化床鍋爐方面的經驗和有關電廠在使用循環流化床鍋爐燃燒劣質煤的實踐，在爐膛絕大局部水冷壁曝光的情況下，燃料最低熱值為7 326.9kJ/kg。(2)清華大學在垃圾燃燒方面所作的研究認為：在爐膛全部覆蓋耐火混凝土的情況下，要保證燃燒穩定，垃圾-煤混合物的最低

13、熱值應不小于5 024.16kJ/kg。(3)垃圾中比熱容最大的物質是H2O , H2O從0C升溫到900C，需要吸收的熱能為4 396.14kJ/kg。由此，在設計中取垃圾一煤混合物的熱值為5 442.84kJ/kg，設每燃燒1kg垃圾需要參加xkg煤可以得出，x=0.074 468。下面來設計一座日處理垃圾1 000t的垃圾燃燒設備(目前國內已有花費巨資興建的大型垃圾燃燒場其日處理垃圾一般不超過1 000t/d)。燃燒1 000t垃圾需要參加74.468t煤，垃圾與煤含有的總熱量/kJ - kg- 1為：(1 000 + 74.468) X 1 000X 1 300 X 4.186 8=5

14、 848 157 409.12將這個熱量作為所研究熱力系統的輸入熱量，折合功率為67.687MW，估計循環流化床垃圾燃燒爐的總熱效率門在80%90%之間，設計中取 門=85%，那么熱力系統的輸出功率為57.544MW，與一臺75t/h中溫中壓鍋爐的熱功率相當。關于工質(H2O)的參數，可以從以下3方面考慮：(1)低參數的蒸汽可以用于工業生產和供暖。很顯然，垃圾燃燒場生產的蒸汽不可能用于工業生產；垃圾燃燒場是全年 進行工作的，其生產的蒸汽作為供暖的熱源也是不適宜的。(2)用于發電。高參數的蒸汽，其熱-電轉換效率高，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，需要布置復雜的過熱器系統

15、和減溫系統。垃圾燃燒產生的煙氣復雜多變，其中H2O含量最高可達50%,煙氣具有很強的腐蝕性，高溫高壓鍋爐的過熱器工作在非常惡劣的工況下，發生故障的概率很大。(3)中參數的蒸汽用于發電。熱力循環仍然具有較高的循環效益一一實際上，在我國日前廣為存在的大量中小廠，使用的絕大局部為中參數鍋爐。中溫中壓蒸汽鍋爐(溫度t=450C，壓力P=3.82MPa)或者次高溫次高壓蒸汽鍋爐(溫度t=485 C ,壓力P=5.29MPa),其過熱器系統僅布置兩級受熱面和一級減溫水即可。其發生故障的概率遠低于高溫高壓鍋爐的過熱器系 統。因此，將垃圾燃燒爐設計成中參數蒸汽鍋爐，并且用于發電是最好的選擇。根據以上思路繪制了

16、日燃燒垃圾1 000t的循環流化床垃圾燃燒鍋爐的方案圖，該方案是在總結燃煤循環流化床鍋爐的基礎上提出的，對鍋爐的主要結構尺寸提出了詳細的數據，因而已經離工業化產品非常接近了。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,燃煤循環流化床鍋爐的爐膛高度在22m左右，而本設計方案取定的爐膛高度為2528m。之所以把爐膛設計這樣高，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)披上升的煙氣攜帶的固體顆粒比燃煤

17、循環流化床鍋爐成倍增加，加高的爐膛將使爐膛的內別離作用顯著增強，從而使爐膛山口的煙氣固體攜帶率大大降低，防止旋風別離器的劇烈磨損。 實踐經驗說明，爐膛的內別離作用主要是依靠固體顆粒的自身重量來實現的，別離出來的固體顆粒沿膜式壁內外表滑落返回流化床內， 不存在對水冷壁的正向沖擊力，這樣就在降低了旋風別離器磨損的同時， 并不增加 對水冷壁的磨損。2高達2528m的爐膛使煙氣在爐膛內停留時間到達4s以上，從而使煙氣中的可燃氣體得到充分燃燒，杜絕二惡英的產生。(2)爐膛的內外表全部焊上銷釘，覆蓋上耐火混凝土，防止水冷壁吸收太多熱量，保證燃燒的穩定性。(3)配風。一次風與二次風分立布置，各占總風量的50

18、%，這樣可使運行中配風很方便，并考慮將二次風的一局部(20%左右)作為三次風在爐膛中部引入。(4)給料。垃圾和煤可以分別送入爐膛，也可以混合后一起送入爐膛，對給料裝置的根本要求是能夠連續均勻穩定的將 物料送入爐膛。垃圾具有惡臭，整個垃圾輸送系統必須是全封閉的。(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，垃圾燃燒產生的煙氣成分與煤燃燒產生的煙氣有很大不同，傳熱特性變化很大，在具體的工程設計中，應通過實驗取得煙氣成分的可靠數據，然后進行傳熱計算，對各受 熱面的面積進行相應增減。6經濟效益與市場前景預測在上面設計的日處理1 000t生活垃圾，熱功率與75t/h中溫中壓鍋爐相當的循環流化床垃圾燃燒爐系統中，主要的收益 來自垃圾處理費和供電。(1)供電收益。此系統可配15MW的汽輪發電機，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，設備每年運行8 000h,那么售電收益6 720萬元。(2)垃圾處理費。按處理垃圾500元/t - h收費，系統每年運行330d,那么收入16 500元。日常運營本錢主要為燃煤采購費、垃圾收集運輸費、系統維護和輔助材料費。(1)按每噸煤送至燃燒爐爐