（机械电子工程专业论文）工业固体废弃物干馏气化焚烧的温度控制过程.pdf

摘要 在我国，固体废物污染控制问题也己成为环境保护领域突出问题之一。固体 废物处理的目标是将垃圾进行无害化、减量化和资源化处理，焚烧法能很好地达 到这一目标，在发达国家己得到了较多应用。在众多的垃圾焚烧技术中， c a 0 ( c o n t r o l l e da i ro x i d i t i o n ，即空气氧化控制) 技术具有较高资源利用率和较低 的二次污染排放的特点己被认为是更先进的废弃物处理技术。 本文介绍了热解气化技术和c a o 技术的特点，针对我国固体废物、医疗废 物的特点，设计基于c a o 技术的焚烧系统，介绍了系统的结构组成以及工艺流 程。初步建立了干馏气化炉的热力学分层模型，并在此基础上研究固体废物的干 馏气化焚烧过程。 对固体废物的干馏气化焚烧过程进行了研究分析，通过实验，对固体废物焚 烧过程中各工艺条件对焚烧温度、焚烧稳定性以及焚烧效果的影晌进行了研究， 确定使焚烧系统稳定高效运行的最佳工艺条件，并在此基础上确定和优化了整个 焚烧过程中各阶段的控制方法和策略。 在理论研究和实验研究的基础上，依据前面确定的控制策略，研制了干馏气 化炉的控制器，实现了自动点火直到灰化结束整个焚烧过程的自动控制，配合焚 烧系统的p l c 集控系统完成整个焚烧炉安全自动化运行，大大提高了焚烧系统 的自动化水平。 关键词： c a o ： 焚烧炉； 固体废物：热解气化；控制系统 a b s t r a c t t h ec o n t r o lo fs o l i dw a s t ep o l l u t i o nh a sb e e no n eo ft h ef o c u s e so fo u r c o u n t r y t h es o l i dw a s t ed i s p o s a la i m sa th a r m l e s s n e s s ，r e d u c t i o na n dr e s o u r c e a s i n c i n e r a t i o nc a l lr e a c ht h eg o a lw e l l ，i th a so b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h e d e v e l o p e dc o u n t r y t h ec a o ( c o n t r o l l e da i ro x i d i t i o n ) t e c h n o l o g yh a sb e e n c o n s i d e r e da sa d v a n c e ds o l i dw a s t ed i s p o s a lt e c h n o l o g yt h a no t h e ri n c i n e r a t i o n t e c h n o l o g y , b e c a u s e i th a sh i g h e rr a t eo fc h a n g i n gw a s t et o e n e r g ya n dl o w e r s e c o n d - s t e pp o l l u t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ep y r o l y s i st e c h n o l o g ya n dt h ec a o t e c h n o l o g y i nv i e wo ft h et h ec h a r a c t e r i s t i co fs o l i dw a s t ea n dm e d i c a lw a s t e ，t h e a u t h o rd e s i g n sa ni n c i n e r a t o rs y s t e mb a s eo nc a ot e c h n o l o g ya n da n a l y z e st h e c o n s t r u c t i o na n dt h ep r o c e s sf l o wo f t h i ss y s t e m t h i sp a p e ri n i t i a l l ye s t a b l i s h e st h e t h e r m o d y n a m i c sm o d e lo f g a s i f i e r ，a n dt h e nr e s e a r c ht h ei n c i n e r a t i o np r o c e s so f s o l i d w a s t eb a s eo nt h em o d e l i nt h i sp a p e r , k e yp r o c e s sc o n d i t i o n sf i r ed i s c u s s e dt oa n a l y z e st h e i ri n f l u e n c eo n t h ei n c i n e r a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ei n c i n e r a t i o ns t a b i l i t y , e x h a u s tg a sa n dt h e i n c i n e r a t i o ne f f e c t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h eo p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n s o ft h ei n c i n e t a t i o ns y s t e mt ok e e pt h es o l i dw a s t es t a b l eb u r n i n gw e r ec o n f i r m e d a n d o nt h i sb a s e ，t h ec o n t r o lm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ee n t i r ei n c i n e r a t i o n p r o c e s sh a v eb e e nd e t e r m i n e da n do p t i m i z e d b a s eo nt h er e s e a m ho ft h e o r ya n de x p e r i m e n t ，a n da c c o r d i n ga st h ec o n t r o l s t r a t e g yd e t e r m i n e da b o v e ，t h ea u t h o rd e v e l o p e da na u t o m a t i cc o n t r o l l e r o ft h e g a s i f i e rb a s eo ns i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e m i tr e a l i z e st h ea u t o m a t i cp r o c e s s c o n t r o la n dt h ep r o t e c tc o n t r o lo ft h ee n t i r ei n c i n e r a t i o np r o c e s s t h ea u t o m a t i o nl e v e l o f t h ei n c i n e r a t o rs y s t e mi se n h a n c e dg r e a t l y k e y w o r d s ： c a o ；i n c i n e r a t o r ；i n d u s t r i a ls o l i dw a s t e ；p y r o l y s i s ；c o n t r o ls y s t e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他入已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 6 年3 月2 5 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 孚迎 2 0 0 6 年3 月2 5 日 笙二兰垡篓 第一章绪论 1 1 固体废物及其处理方法 1 11 固体废物及其现状 我国于1 9 9 5 年颁稚的固体废物污染环境防止浊给出了“固体废物”的法 律定义：固体废物是指在生产建设、日常生活和其他活动中产生的污染环境的 固态、半固态废弃物质。其中包括从废气中分离出来的固体颗粒、垃圾、炉渣、 废制品，破损器皿、残次品、动物尸体、变质食品，污泥、人畜粪便等。在次 定义中明确规定将“半固体”包含在内，在有关危险废物的条文中还包括了液态 和气态的部分物质”j ， 固体废物是一个极其复杂的非均质体系，为了便于管理和列不同废物实施 相应的处理处置方法，需要对废物进行分类。我国的固体废物污染环境防治 法将固体废物分为城市生活垃圾工业固体废物和危险废物三类进行管理。 固体废物分类体系见图1 1 。 图i - 1 固体废物分类体系 固体废物的污染是当今世界各国所共同面临一+ 个重大环境问题，特别是危 险废物，由于其对环境造成污染的严重性，1 9 8 3 年联合国环境规划署将其与酸 南、气候变暖和臭氧层保护并列作为全球性环境问题，1 9 9 2 年在联合幽第二次 世界环境j 发展大会上制定的二十一世纪议程中，也将解决危险废物的污染司 题列入重要内容。 在我国，固体玻物污染控制问题也已成为环境保护领域突i j 问题之一。由 于牛长技术和管理水平不能满足国民经济急速发展的要求，相当一部分资源没 于生长技术和管理水平不能满足国民经济急速发展的要求，相当一部分资源没 河海大学倾士学位论文 工业同件废弃物干馏气化焚烧的温度控制过程 有得到充分合理的利用，丽变成固体废物和危险废物。目前，全国累计堆存的 工业固体废物己达6 0 多亿吨，2 0 0 2 年工业固体废物年生产量为9 5 亿吨，其中 危险废物约占5 。此外，随着城市人口的增加和居民生活水平的提高，城市 垃圾的产生量以每年8 1 0 的速度递增，全国城市垃圾的年产生量已达1 6 亿吨，城市人口的人均日产垃圾量已超过l k g ，接近工业发达国家的水平，固 体废物污染问题日益严峻。由于长期缺乏科学的管理体系和配套的处理处置技 术，大部分固体废物都未经处理而直接排入环境，造成严重的环境污染，全国 约有2 3 的城市仍处于城市垃圾的包围之中，不仅影响城市居民的生活环境， 也严重阻碍了城市的发展。2 0 世纪下半叶，各工业发达国家迫于资源危机和环 境恶化的巨大压力，开展了固体废物开发利用事业的研究，并把它视为第二矿 业，从而使其成为一个新兴工业体系。固体废物处理工程也就是在这种开发回 收、利用废旧物资的基础上建立和发展起来的应用技术型学科，即再生资源工 程。 从我国的垃圾结构成分来看，无机成分含量较高，且水分含量也相对较高， 因此其热值不是很高。但近年来，随着城市燃气化普及率逐年上升，生活垃圾 的可燃物含量不断增大，垃圾热值呈逐年递增趋势。其中国内大中城市生活垃 圾的热值己进入可焚烧处理的阶段，而可燃的工业固体废物和医疗垃圾则热值 更高。 因此，我国的垃圾处理正处于由填埋处理向焚烧过渡的阶段。也正向我国 垃圾处理“三化”原则的政策前进，即垃圾的资源化，减量化和无害化i i ”。早在 1 9 8 4 年建设部就提出我国垃圾的治理近期以卫生填埋和堆肥为主，有条件的城 市可以发展焚烧技术，提倡分类收集，医院垃圾统一管理，焚烧处理的方针。 2 0 0 0 年以后应建立起全面科学的固体废物和危险废物环境保护的管理机制，固 体废物的回收做到良性循环发展，生活垃圾进行妥善处置，基本控制危险废物 的污染。 由于经济水平的限制，长期以来焚烧法处理垃圾在我国应用较少，在垃圾 处理中占的比例甚微，发展也非常缓慢。近几年，我国的一些中小城市也在积 极探讨垃圾焚烧处理可行性，推行垃圾焚烧技术，很多城市已经建成或正在筹 建焚烧处理厂，中国的垃圾焚烧处理市场非常广阔。但目前现有的和正在筹建 的垃圾焚烧处理厂，主要是以引进国外技术和设备为主，设备费和运行费均较 高，因此，开发国产技术和设备意义重大。 1 1 2 固体废物的处理方法 目前世界各国广泛采用的固体废物处理的基本方式主要是：填埋、堆肥、 焚烧和热解。 第一章绪论 ( 1 ) 堆肥 堆j j 巴( c o m p o s t i n g ) 就是依靠自然界广泛分布的细菌，放线菌，真菌等微生物， 在一定的人工条件下，有控制地促进可被降解的有机物向稳定的腐殖质转化的 生物化学工程，其实质是一种发酵过程【l i 。 堆肥化系统分类方法有多种：按堆肥方式可分为间歇堆积法和连续堆积法； 按原料发酵所处状态可分为静态发酵法和动态发酵法：按堆制过程的需氧量可 分为好氧法和厌氧法。 堆肥技术简单，其影响因素主要有有机质含量、水份、通气量、温度、p h 值以及搅拌程度等。堆肥不仅能有效地解决城市生活垃圾的出路，解决环境污 染和垃圾无害化问题，同时也为农业生产提供了适用的腐殖土，从而维持了自 然界的良性物质循环。但需从垃圾中分拣出不能被微生物分解的石块、金属等 废物；堆肥中的陶瓷、玻璃等对作物产生危害，问时造成农事作业的不安全； 且堆肥时间周期长，占地面积大；特别是长期的使用垃圾堆肥的城市郊区土壤 的“渣化”严重：所以，堆肥规模不易太大。生活垃圾不能全靠堆肥技术处理， 而必需与其他处理技术相结合。 ( 2 ) 填埋 固体废物土地填埋处置就是在陆地上选择合适的天然场所或人工改造出合 适的场所，把固体废物用土层覆盖起来的技术，它是从传统的堆放和填地处理 方法上发展起来的一项技术【2 】。目前，国内外习惯采用的填埋方法主要有：卫 生土地填埋，安全土地填埋及浅地层埋藏处置。 土地填埋的最大优点是：工艺简单、初投资较少、运行费不高、处理量大， 能处置多种类型的固体废物。但是填埋处理周期长，场地占用逐年增大，各大 城市的近距离垃圾填埋、堆放场已经用完，远距离运输垃圾的费用很高。另外， 生活垃圾中塑料类物质增多，采用填埋方法难以自然降解。并且容易造成二次 污染( 如对地下水的污染、产生爆炸、滋生病菌等) 。 ：p 生填埋一直是我国绝大多数省市处理生活垃圾的首选方法和主要途径， 在处理消纳量方面占绝对优势。它尤其适合于以下情况：垃圾中无机物含量高 ( 6 0 ) ：填埋场征地较便利( 如丘陵、山区) ；地区( 特别是场区) 水文地质条 件好：地区气候干旱，年蒸发量大于年降雨量。 随着人们环境保护意识的提高和污染控制标准越来越严格，对土地填埋的 要求越来越高，致使处置费用不断增加。并且必须讲究填埋方法，制定长期监 测计划，才能减轻和避免填埋厂对环境的污染。另外，目前填埋处置使许多国 家出现地荒，加上往r 的填埋处置大都是原始废物未经处理直接填埋地下，所 造成的环境污染十分严重。 河海大学硕上学位论文 工业周体废弃物干馏气化焚烧的温度控制过程 ( 3 ) 焚烧 焚烧处理是将城市生活垃圾作为固体燃料，投入专用垃圾焚烧炉内，在高 温条件下，垃圾中的可燃成分与空气中的氧发生剧烈化学反应，放出热量，转 化为高温燃烧气体和量少雨性质稳定的固态残渣，燃烧气可以以热能形式回收 利用，性质稳定的残渣可以直接填埋。是一种同时实现废物无害化、减量化和 资源化的处理技术。 此方法的优点一是减容效果好。垃圾焚烧可减量8 0 9 0 ，有效地解决垃 圾围城现象，有效地延长现有掩埋场使用年限；二是减少了土地使用面积，有 效地解决城市垃圾填埋场选址的困难；三是焚烧温度高，垃圾在专用锅炉内， 经过8 0 0 以上高温焚烧，能彻底消灭致病原体，避免了发酵与填埋法易产生 对环境的二次污染；四是设计了包括垃圾渗滤液处理系统、灰渣黑色金属分选 系统、发酵气体作为助燃空气利用系统、烟气氯化氢中和系统、静电除尘等高 效能环保设施，可保证环境保护达到国家规定控制标准。垃圾焚烧技术是目前 开发应用进展最快的处理技术。 而且令人鼓舞的是，国内多数大中城市生活垃圾的热值已进入可焚烧处理 阶段，可燃的工业垃圾热值远高于生活垃圾。面对如此大量的生活垃圾和工业 垃圾，如果仍采用填埋处理，不但土地资源得不到解放，而且对垃圾的热能资 源无疑将是一种浪费。随着城市燃气率的提高，垃圾的热值将大大增加，垃圾 焚烧发电的条件也日趋成熟，从长远看，垃圾发电在我国具有广阔的前景。 “) 热解 热解是针对多数有机化合物具有热不稳定性的特征，在高温缺氧条件下， 使化合物裂解成分子量较小的组份，从而达到回收资源和废物无害化的双重目 的。很显然热解是一个复杂的化学反应过程，包含大分子的键断裂、异构化和 小分子的聚合等反应，最后生成各种较小的分子。热解产物主要是可燃气体和 焦油，由于热解条件不同，热解产物也不完全相同。2 0 世纪6 0 年代初，科学 家开始研究将其用于城市垃圾的处理1 2 j 。 热解法与焚烧法是完全不同的两个过程。焚烧是放热的，热解是吸热的。 焚烧是在有氧充分供给的条件下加热有机物，使有机物完全氧化，生成稳定的 c 0 ：和h 2 0 。热解与焚烧除供氧条件不同外，其产品差异是显著的。焚烧的结果 产生大量的废气和部分废渣。而热解的结果产生可燃气、油等，便于贮藏及远 距离输送，可实现多种方式回收利用【3 1 。其能源回收性好，环境污染小，这也 是热解处理技术最为优越、最有意义之处。 热解过程由于供热方式、产品状态、热解炉结构等方面的不同，热解方式 各异。按供热方式可分成内部加热和外部加热。按热分解与燃烧反应是否在同 第一章绪论 一设备进行，热分解过程可分为单塔式和双塔式。按热解产物的状态可分成气 化方式、液化方式和炭化方式。还有按热解炉的结构将热解分成固定层式、移 动层式和回转式。由于选择方式不同，构成了诸多不同的热解流程及热解产物。 热解方法较其他处理方法更为复杂，特别是城市垃圾成分的不稳定性，给 热解法达到稳定生产带来一定的困难，目前尚处于开发研究阶段。 四种主要垃圾处理方法的对比如表1 1 所示 表1 - 1 垃圾处理方法的比较 处理方法优缺点 技术简单，处理成本低：需要一段较长的时间，比 堆肥 较不能大量的处理，发酵过程易产生恶臭 处理成本低；处理垃圾的范围广；不易找到适于填 埋的场地；需要作特殊设计以防产生新的公害，必 填埋 要时还需作填埋后的维护。如果处理不当，会导致 恶臭，污染水源及空气 处理垃圾的范围广；可产生再生能源；可达到减量 焚烧 化；处理成本高；需设置防止二次污染系统。 可产生再生能源；可达到减量化；再生能源不但可 热解以储存还可以输送；处理成本高：处理垃圾的范围 窄；需设置防止二次污染系统。 除了以上对垃圾主要处理方法的一个简介，垃圾处理还有垃圾衍生燃 料、厌氧产沼等方法。 1 2 焚烧技术的特点及应用现状 1 2 1 焚烧技术的特点 f 1 ) 城市生活垃圾处理的基本原则是无害化、减量化和资源化。垃圾焚烧技 术与这些处理原则最为切合的是它卓越的减量化效果，通常垃圾焚烧技 术可使处理的生活垃圾减重8 0 年h 减容9 0 以上。这对城市生活垃圾处 理管理目标的实现具有非常重要的意义。 f 2 1 焚烧法可以分解、破坏有毒、有害废弃物，使之成为无毒、无害的物质。 垃圾焚烧处理所达到的无害化效应，受到普遍的认同。目前，因其烟气 中可能含有难以控制的二恶英等高毒性有机物而易受到质疑。但总的来 看，相比于卫生填埋与堆肥所同样存在的潜在环境危害，垃圾焚烧技术 的无害化特性仍有一定的优势。 r 3 1 垃圾焚烧处理的资源化效益主要来自其热能回收，以电能输出来体现， 这一效益并不能完全代表生活垃圾全部的资源价值。但电能良好的市场 河海大学硕j 二学位论文 工业固体废弃物干馏气化焚烧的温度控制过程 前景及其他生活垃圾资源回收技术尚不完善的现状，使垃圾焚烧发电这 一生活垃圾资源化的途径仍具有很大的现实价值。 ( 4 ) 焚烧的适用面广，除城市垃圾以外的许多医疗垃圾和危险废物也可以采 用焚烧方法进行处理。 因此，采用垃圾焚烧法处理城市垃圾和工业垃圾可以实现垃圾的减容化、 无害化和资源化。 1 2 2 焚烧技术国内外应用现状【2 】【1 4 1 5 】f 1 6 】 焚烧处理是将垃圾放在焚烧炉中进行燃烧，释放出热能，余热回收可供热 或发电。烟气净化后排出，少量剩余残渣排出填埋或作其他用途。焚烧是一种 热化学处理方法。焚烧处理技术特点是处理量大、减容性好、无害化彻底，且 有热能回收作用。是实现垃圾无害化、减量化和资源化的重要途径，因而自上 个世纪以来不少国家即采用焚烧方法处理垃圾。垃圾焚烧技术开始在一些入口 密集、工厂集中的地方采用，后来在一些中小城市和大城市郊区也出现了日处 理l o o t 左右垃圾的中小型垃圾焚烧炉，以便减少垃圾的运输。现在，在发达国 家，垃圾焚烧处理已成为城市供热和供电的一个组成部分。 垃圾焚烧处理方法是早在1 9 0 1 年由美国人提出的。当初，主要任务是使垃 圾减容，但由于当时垃圾燃烧的烟尘无法控制，一直未能得到广泛利用。到6 0 年代，随着烟气处理技术的进步，这种焚烧处理垃圾方法在欧洲得到了普及和 发展。 德国、法国较早进行垃圾焚烧技术的研究，之后，英国、美国、日本、瑞 典、瑞士、比利时等都积极地开展了这方面的工作。同时。在经营模式上，从 福利型无偿运营转变为公益型收费运营，也大大促进了相应的规模化产业的形 成，使垃圾焚烧处理技术得到了实用性的成果。 在原西德，1 9 8 5 年垃圾年焚烧量已达8 0 0 万吨，受益人口占总人口的 3 4 4 。德国于1 9 8 1 年建成了日处理垃圾3 0 2 4 吨的斯维尔多夫垃圾焚烧厂， 施魏因福特垃圾焚烧厂于1 9 9 4 年建成，闩处理垃圾1 5 0 0 吨。德国拥有世界上 最高效率的垃圾发电技术，至1 9 9 8 年有7 5 台垃圾焚烧锅炉。 法国共有垃圾焚烧炉3 0 0 多台，可处理4 0 以上的城市垃圾。最大的焚烧 场在巴黎附近，生产全部自动化。垃圾燃烧过程不加辅助燃材料，靠自身焚烧， 所发电可满足巴黎用电量的2 0 。在法国巴黎，9 0 的垃圾经过4 个垃圾焚烧 厂焚烧处理，燃烧的热能用于向全市供热，年处理垃圾1 7 0 万吨，提供相当于 2 0 万吨石油燃料的热能。 美国垃圾焚烧厂发展很快，至1 9 9 0 年，已建4 0 0 座，焚烧率达1 8 ，到 2 0 0 0 年提高到4 0 。在美国，目前已有15 0 0 台焚烧设备。康涅狄格州正在建 6 第一章绪论 设目前美国最大的垃圾焚烧发电厂，每天可处理垃圾4 0 0 0 t ，发电6 5 m w 。到 1 9 9 1 年止，美国城市生活垃圾发电装机容量为2 1 9 5 m w 。 英国在6 0 年代，建有5 0 台垃圾焚烧炉。它们大部分是由燃煤链排炉改造 而成的连续式或滚动式炉排形焚烧炉，其中只有4 台能进行热能回收。7 0 年代 初在伦敦建立了当时世界上最大的垃圾焚烧厂，年处理4 0 万吨。接着，在其他 城市，如诺丁汉( n o t t i n g h a m ) 、捷= 里( j e r r e y ) 、考文垂( c o v e n t r y ) 等市都建造了较 大的垃圾焚烧厂。 在荷兰。垃圾能量转化率为4 0 。1 9 9 3 年3 月在阿姆司特丹投运了欧洲最 大的垃圾发电站，同处理垃圾量达2 3 0 0 吨，装配发电机容量8 0 m w 。 丹麦政府不允许填埋垃圾，每年生产的2 6 0 0 万吨垃圾全部焚毁。 近年来，在亚洲经济发展迅速的一些国家和地区，也都开始建造垃圾焚烧 厂或电站。 日本最早的垃圾发电站1 9 6 5 年建于大阪市谣淀工场，安装有两台单炉日处 理能力为2 0 0 吨的焚烧炉，单机容量为2 7 0 0 k w 。1 9 7 6 年在东京建立了装机 1 2 m w 的垃圾发电站。1 9 9 6 年日本东京都千岁垃圾焚烧电厂落成，同处理垃圾 6 0 0 吨。日本目前拥有生活垃圾焚烧厂1 9 2 0 座，其中具备发电能力的1 8 1 座， 上网售电的7 6 座，发电能力为7 7 力+ 千瓦。年焚烧处置生活垃圾3 0 8 6 万吨，生 活垃圾焚烧处置占处置总量的7 2 8 。 新加坡垃圾焚烧处理率达1 0 0 ，1 9 8 6 年建成一座2 7 0 0 t d 垃圾电站。韩国 于1 9 9 5 年在汉城投运了日处理4 4 0 吨垃圾的低压热水供应厂；泰国于1 9 9 6 年 底建成臼焚烧垃圾4 8 0 吨的循环流化床发电站。 近十几年来，国内研究垃圾焚烧技术和开发垃圾发电设备的单位已有很多。 有的引进国外先进技术，有的自行开发，都处于起始阶段。 在我国深圳，因城市规划起点较高，规划建市时就规划出一座日处理生活 垃圾4 5 0 吨的垃圾焚烧厂。深圳市已建成3 x 1 5 0 w 垃圾发电厂，1 、2 号机系日 本进 ：1 三菱的马丁式炉排焚烧炉，3 号机为采用“杭锅”与三菱台作的1 5 0 l i d 马 丁式炉排焚烧炉，三台机组共发电4 0 0 0 k w 。工厂也成为我国首座垃圾电厂。 无锡锅炉厂设计制造的国内首台7 5 t d 垃圾焚烧锅炉经调试改进，稳定运 行。这台锅炉装在广东省顺德市。陔厂的3 x 2 0 0 t d 垃圾锅炉装于珠海，并于1 9 9 9 年投运。焚烧炉为无锡锅炉厂引进美国t e m p o r l l a 炉本体设计技术，采用美国 d e t r o i ts r o k e r 公司炉排，发电设备及辅机全部采用国产产品。 深圳的龙岗中心城垃圾焚烧发电厂位于龙岗区坪地镇坪西村，占地面积1 2 万平方米。采用由加拿大瑞威环境保护有限公司研制的c a o ( c o n t r o l l e da i r o x i d a t i o n ) 垃圾焚烧系统。设计r 处理垃圾量6 0 0 吨，年处理量2 0 万吨，发电 装机容量1 2 0 0 0 千瓦。其中一期工程由龙岗区政府投资9 0 0 0 万元，设计：= | 处理 皇燮堕芝翌堂兰苎一 三些塑堡鏖壹塑三! 三堕皇垡茎些塑塑壁堡型塾堡 垃圾3 0 0 吨，年处理量1 0 万吨，发电装机容量6 0 0 0 千瓦，受纳处理龙岗中心 城、龙岗镇、坪地镇城市垃圾，于1 9 9 9 年1 1 月正式建成交付使用，并网发电。 上海引进法国设备在浦东建造一座日处理垃圾1 0 0 0 t d 垃圾电站，带2 台 8 5 0 0 k w 发电机，工程投资6 7 亿元。 另外，台、港、澳地区也己建起了若干垃圾焚烧厂。台中市9 5 年建成日处 理9 0 0 吨的垃圾发电厂，发电1 4 5 m w 。香港已建成三座垃圾焚烧厂，澳门建 造的垃圾焚烧厂1 9 9 2 年投入使用，实现了垃圾的全部焚烧处理。 1 3 焚烧炉的分类和对比 目前世界各地应用的垃圾焚烧设备各种型号垃圾焚烧炉达到2 0 0 多种，但 应用广泛、具有代表性的垃圾焚烧炉技术主要有四大类，即：流化床焚烧炉( 包 括r d f 焚烧炉) 技术、回转窑焚烧炉技术、炉排型焚烧炉技术、垃圾热解气化 焚烧炉( c a o ) 技术睢8 1 。 ( 1 ) 流化床焚烧炉技术 流化床燃烧技术已发展成熟，由于其热强度高，更适宜燃烧发热值低、含 水分高的垃圾。同时，由于其炉内蓄热量大，在燃烧垃圾时基本上可以不用助 燃。垃圾颗粒在炉内悬浮燃烧，启动、燃烧过程特性与普通流化床锅炉相似， 图1 2 为典型流化床焚烧炉结构示意图。为了保证入炉垃圾的充分流化，对入 炉垃圾的尺寸要求较为严格，要求垃圾在入炉前进行一系列筛选及粉碎等处理， 使其颗粒尺寸均一化，一般破碎到曼1 5 c m 。床层物料为石英砂，布风板通常设 计成倒锥体结构，风帽为l 型，床内燃烧温度控制在8 0 0 9 0 0 ，冷态气流断 面流速为2 m s ，热态约为3 4 m s 。一次风经由风帽通过布风板送入流化层， 二次风由流化层上部送入。采用燃油预热料层，当料层温度达到6 0 0 左右时 可以投入垃圾焚烧。 图1 - 2 流化床焚烧炉结构图 第一章绪论 流化床焚烧对垃圾的热值适应性广，农村垃圾和高热值工业塑料垃圾均可 焚烧。但流化床焚烧炉对垃圾颗粒度要求很高，同时要求进料均匀：对操作运 行及维护的要求高，操作运行及维护费用也高，垃圾预处理设备的投资成本较 高；并且预处理中容易造成垃圾臭气外逸，产生环境污染。这些因素都制约着 流化床焚烧技术在我国的广泛应用。 ( 2 ) 回转窑焚烧炉技术 回转窑焚烧炉技术的燃烧设备主要是一个缓慢旋转的回转窑，其内壁可采 用耐火砖砌筑，也可采用管式水冷壁，用以保护滚筒，其结构示意图如图1 3 所示。回转窑直径为4 6 m ，长度约1 0 2 0 ，可根据垃圾的焚烧量确定。它是 通过炉本体滚筒连续、缓慢转动，利用内壁耐高温抄板将垃圾由简体下部在简 体滚动时带到简体上部，然后靠垃圾自重落下。由于垃圾在筒内翻滚，可与空 气得到充分接触，经过着火、燃烧和燃尽三个阶段进行较完全的燃烧。垃圾由 滚筒的一端送入，热烟气对其进行干燥，在达到着火温度后燃烧，随着简体滚 动，垃圾得到翻滚并下滑，一直到简体出口排出灰渣。当垃圾含水量过大时， 可在简体尾部增加一级炉排，用来满足燃尽，滚筒中排出的烟气，进入一个垂 直的燃尽室( 二次燃烧室) 。燃尽室内送入二次风，烟气中的可燃成分可在此得 到充分燃烧。燃尽室温度一般为1 0 0 0 1 2 0 0 6 c 。回转窑式垃圾燃烧装置设备费 用低，厂用电耗与其他燃烧方式相比也较少，但焚烧热值较低、含水分高的垃 圾时有一定的难度。 1 回转窑2 燃尽炉排3 - 燃尽室 4 一助燃器5 一余热锅炉 图1 - 3 回转窑焚烧炉结构图 ( 3 ) 炉排型焚烧炉技术 炉排型焚烧炉技术发展较为成熟，这种焚烧炉因为具有对垃圾的预处理要 求不高，对垃圾热值适应范围广，运行及维护简便等优点，许多国家都普遍采 用这种燃烧技术。该类型焚烧炉型式很多，主要有固定炉排( 主要是小型焚烧 9 河海大学硕士学位论文 工业碾体废弃物十馏气化焚烧的温度控制过程 炉) 、链条炉排、滚动炉排、倾斜顺推往复炉排、倾斜逆推往复炉排等。机械炉 排焚烧炉是当前各国采用比较多的炉型，也是开发最早的炉型。它采用活动式 炉排，可使焚烧操作连续化、自动化，是目前在处理城市垃圾中使用最为广泛 的焚烧炉。为使垃圾燃烧过程稳定，炉排型焚烧关键是炉排。炉排的布置、尺 寸、形状随着垃圾水分、热值的差异以及生产厂商的不同而不同，图1 - 4 为阶 梯往复式炉排结构图。炉排有水平布置，也有呈倾斜15 0 2 6 0 布置，炉排设计 分为预热、燃烧、燃尽段，段与段之间可以有垂直落差，也可没有落差。垃圾 在炉排上着火，热量不仅来自上方的辐射和烟气的对流，还来自垃圾层内部。 在炉排上已着火的垃圾在炉排的特殊作用下，使垃圾层强烈地翻动和搅动，引 起垃圾底部也开始着火，连续的翻动和搅动使垃圾层松动，透气性加强，有助 于垃圾的着火和燃烧。炉拱形状设计要考虑烟气流有利于热烟气对新入垃圾的 热辐射预热干燥和燃尽区垃圾的燃尽。配风设计要确保空气在炉排上垃圾层分 布均匀，并合理使用一、二次风。对于垃圾成分复杂，炉温太高时会发生物料 熔融结块，炉排、炉壁易烧坏，而且同时会产生过多的氧化氮；炉温太低，烟气 滞留时间过短，将易产生不完全燃烧，尤其是对人体有严重危害的二恶英难以 完全分解，故炉膛出口温度定位不低于8 0 0 ，烟气滞留时间不低于2 s 。 图l - 4 阶梯往复式炉排结构图 ( 4 ) 垃圾热解气化焚烧炉技术 目前，世界发达国家开始采用较先进的垃圾焚烧技术是垃圾热解气化焚烧 炉技术。垃圾热解气化焚烧炉( c o n t r o l l e da i ro x i d a t i o n 空气氧化控制技术，简 称c a o 技术) ，是一种控制空气燃烧技术。c a o 系统可分为加热干燥、热解气 化、残碳燃烧、可燃气燃烧等4 个区域，燃烧系统示意图如图l 一5 所示。c a o 燃烧部分的第l 燃烧室中，通入少量空气，垃圾停留很长时间，在一定温度下， 垃圾部分气化，部分分解，部分燃烧。灰渣和不能热分解的物体( 如金属、玻璃 等) 经过自动清灰系统排出炉外。产生的可燃烟气进入上部的第2 燃烧室，再配 以空气，在超过1 0 0 0 。c 的高温下经过2 s 的充分燃烧后排出。这些高温气体可 以引入余热锅炉回收热量。 丝= 里堡丝 蝴 。= ：= _ 强纽：辫= 墨蓼 蝴辫赣磐 c a o 燃烧系统在一定程度上解决了城市垃圾的处理问题，垃圾不用分选 就可以充分地分解和燃烧，但对于水分超过5 0 的垃圾，在不投油助燃时则不 能稳定燃烧。 我们将四种焚烧炉的各种特性列成表，如表2 1 所示。 表2 - 1 四种焚烧炉技术比较表 比较项目流化床焚烧技术 回转窑焚烧技术炉排型焚烧技术热解气化焚烧炉技术 主要应用地区日本、美国 美国、丹麦、瑞士欧洲、美国、日本加拿大 处理能力中小型1 5 0 r i d丈中型2 0 0 t d大型2 0 0 t d 中小型l5 0 t d 设计制造水平生产供应商有限生产供应商有限已成熟生产供应商有限 燃料的种类受到限燃料的种类受到限 燃料适应性燃料适应性广燃料适应性广 制制 需分类破碎至1 5 c m除大件垃圾以外不除天件垃圾以外不除大件垃圾以外不需 对入炉垃圾要求 以下需分类破碎需分类破碎分类破碎 燃烧温度较低，燃烧燃烧温度较低，燃烧燃烧可靠余热利 效率较佳，燃烧稳定效率较佳，燃烧稳定用较好，燃烧稳定 先热解，气化，再燃烧， 燃烧性能燃烧稳定隐铰好，燃烧 性一般，燃烧速度较性一般，燃烧速度较性好，燃烧速度快， 速度较慢，燃烬率高 快，燃烬率较高快，燃烬率较高燃烬率高 流化床内燃烧温度 回转窑内6 0 0 垃圾层表面温度第1 燃烧室6 0 0 炉内温度8 0 0 ，燃尽温度为8 0 0 烟气温度8 0 0 ，第二燃烧室 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 8 0 01 0 0 0 8 0 0 1 0 0 0 固体垃圾在炉中停嗣体垃圾在回转窑固体垃圾在炉中停固体垃圾在第1 燃烧 垃圾停留时间留1 2h ，气体在炉内停留2 4 h ，气体 留1 3 h ，气体在炉室约3 6 h ，气体在第 中约儿秒钟在燃烧室约几秒钟中约几秒钟2 燃烧室约几秒钟 婶圾运动方式炉内翻滚运动 l 司转窑内倒转滚动取决于炉排运动推进器推动 对高温腐蚀的防较难，尚无响效的方较难，尚无有效的方 较难尚无有效的 较难，尚无有效的方法 法法 方法 剥污染的防治 较难较难较易 较易 炉体结构瘦高型，体积太长圆型，体积大瘦高型，体积大 紧凑型，体积人 运行操作费用 局较低 较高 d 3 初投资 人较大大较犬 河海大学顶士学位论文工业固体废弃物干馏气化焚烧的温度控制过程 运转技术高，添加流连接传动装置复杂， 对氧量、炉温控制有较 动媒介选料颗粒较炉内耐火料易损坏 操作运转技术高，高要求，对商水分的垃 存在缺陷小，单位处理量所需焚烧热值较低，含水 炉排易损坏圾在无油助燃时不能 动力高炉床材料易分高的垃圾有一定 稳定燃烧 损坏难度 1 4 课题的提出和主要研究的内容 焚烧法能更好地达到垃圾处理减量化、资源化和无害化的治理目标，具有 占地面积小，运行稳定，选址难度较低的优点，在发达国家得到了较多应用。 因此，随着垃圾焚烧技术的应用和发展，焚烧法将成为垃圾处理技术中的主流 角色。 在焚烧处理技术和设备发展的历程中，产生了多种技术，如机械炉排炉、 流化床式、回转窑式等，其中c a o ( c o n t r o l l e da i ro x i d i t i o n ，即空气氧化控制) 技术能有效抑制二恶英等二次污染气体的产生，而且对垃圾预处理无严格要求， 对垃圾热值要求也不高，比较适合中国国情，值得推广采用。但对氧量、炉温 控制有较高要求，氧量和温度过程的控制是焚烧稳定和减少助燃降低运营成本 的关键。 气化炉的温度控制过程对燃烬度、尾气排放及焚烧稳定性有着重要影响。 研究干馏气化焚烧过程和各种工艺参数对焚烧稳定性的影响，确定和优化工业 固体废弃物干馏气化的温度控制过程曲线，并在此基础上设计干馏气化炉的温 度控制系统，对提高过垃圾焚烧炉整体性能、焚烧稳定性和自动化程度都有重 要意义。 本课题以河海大学机电一体化研究所对基于c a o 技术的g l 一3 0 型焚烧炉 的研制为基础，分析该型焚烧炉的结构组成和工艺流程，初步建立干馏气化炉 的热力学分层模型，并在此基础上研究固体废物的干馏气化焚烧过程。 采集了大量的实际运行的实验数据，通过对数据的分析研究焚烧过程及 工艺参数对焚烧状况的影响，从而确定稳定焚烧的最佳工艺参数和运行条件， 确定和优化从点火工况建立到垃圾燃尽灰化的这个控制流程和控制策略。并 在此基础上设计和开发了干馏气化炉的控制器，以配合p l c 集控系统完成焚 烧过程的控制。 第二章基于c a o 的垃圾焚烧技术 第二章基于c a o 的垃圾焚烧技术 c a o 垃圾焚烧炉采用气化熔融与高温焚烧相结合的技术，采用气化炉热解 气化与焚烧炉高温燃烧分离的燃烧方式，有效抑制二恶英等二次污染气体物质 的产生，燃烧稳定性较好，燃烬率高。 2 1 热分解及气化熔融技术【1 】【2 】 1 9 1 热分解( 熔融) 又叫干馏、热解或炭化，是指有机物在隔氧条件下加热分 解的过程。热分解技术广泛应用于生产木炭、煤于馏、石油重整和碳黑制造等 方面，2 0 世纪6 0 年代初，科学家开始研究将其用于城市垃圾处理。 在实际生产中，按照生产燃料的目的可将热分解分为热解造油和热解造气， 热解造油一般采用5 0 0 以下的温度，在隔氧条件下使有机物裂解，生成燃油。 这主要用于废塑料、废橡胶的裂解。而城市垃圾的处理主要应用垃圾气化熔融 技术，也就是热解造气。由于我们主要是用于垃圾处理，所以我们主要介绍垃 圾气化熔融技术。 垃圾气化熔融技术也称为热分解气化技术，是指将垃圾的有机成分气化和 无机成分熔融为一体，得到的可燃气体的同时回收金属等有用物质的一种燃烧 处理技术。 图2 - 1 气化炉熔融工艺流程 气化熔融工艺的工作原理为：在无氧或缺氧条件下将可燃性固体废物在高 温下分解，最终生成可燃气、油、固型炭形式的过程，固体废物中的能量以j ! 二 述物质的形式储存起来，成为储藏、运输的有价值的燃料。生活垃圾气化熔融 后，能彻底分解其表面的二恶英，还能控制灰渣中的重金属污染；熔融中的灰 飞或灰渣可制成良好的建筑材料，不仅提高了资源利用率，而且大大减轻了填 河海火学硕士学位论文 工业固体废弃物干馏气化焚烧的温度控制过程 埋处理的负担。图2 - l 为通常的气化熔融炉工艺流程。 2 1 1 气化熔融技术的特点 城市生活垃圾气化熔融制气技术按垃圾的气化和灰渣熔融两过程是否设于 两个相对独立的设备中进行，可分为气化一熔融的两步法和直接( 一步法) 气 化熔融制气技术。城市生活垃圾气化熔融焚烧发电技术及气化熔融制气技术的 研究开发己成为当今的世界热点。该技术主要有以下几个优点。 一、控制二恶英的排放 二恶英是一种毒性极强的一类三环芳香族有机化合物，主要包括p c d d s 和p c d f s 两类。抑制焚烧过程二恶英的排放可归纳为以下几点。 ( 1 ) 燃烧温度：一般认为，高温燃烧几乎不生成二恶英。高温下多氯联苯 等大部分被分解，另外，高温燃烧促成二恶英合成的媒体氯化铜在高温下被还 原。气化熔融炉的飞灰燃烧温度大多在1 3 0 0 c 以上，所以气化炉的二恶英排放 量很低，可达o 0 5 n g - t e q n m 。 ( 2 1 停留时间：方面需确保炉内高温燃烧时间足够长，例如对于二次燃 烧室内的烟气，其停留时间2 s 以上即可保证二恶英的破坏去除率大于9 9 9 9 ； 另一方面，对于尾部烟气低温段( 3 0 0 5 0 0 。c ) 的二恶英的合成，应尽量可能 缩短烟气在尾部的滞留时间。气化熔融技术一般都采取惫速冷却措施，从 1 2 0 0 。c 急速冷却到7 0 。c ，减少在此温度区间二恶英的合成。 f 3 ) 混合：炉内温度的均匀性非常重要，应保证空气与未燃尽烟气充分混 合。 二、实现垃圾的减容 飞坎和底渣经熔融处理后，熔渣致密性大大提高，可以减容7 0 左右，同 时通过对二恶英的分解和对重金属的固化实现彻底无害化，灰渣在5 0 0 。c 以下 非常稳定，可以做成建筑材料，这样就进一步大大减轻了填埋处理的占地负担。 三、废物利用率高 可从熔融渣中方便的分离并回收有价值的金属，分离后的残渣可制成建筑 材料，防止了重金属污染。 2 1 2 主要的气化熔融技术【2 】 按照气化温度，熔融技术可以分为低温气化熔融技术和高温气化熔融技术 两类。 一、低温气化熔融技术 低温气化熔融技术主要是利用垃圾所具有的热能，对垃圾进行热化学处理。 第二章基于c a o 的垃圾焚烧技术 首先，垃圾在4 5 0 6 0 0 。c 左右无氧或缺氧状态下气化产生可燃气体，将产生的 可燃气体引入另一燃烧炉燃烧利用，产生的热能经废热锅炉转化成蒸汽用于发 电；另一方面，气化后垃圾剩余部分在熔融炉内1 3 0 0 。c 高温及氧气的作用下剧 烈燃烧熔融，金属从熔化物中分离出来，其他熔化物可用于建材。整个处理过 程很少产生二恶英等有害气体。 低温气化熔融处理技术已取得迅速发展，它主要包括以下三种： ( 1 ) 低温赢接加热气化高温燃烧熔融方式 见图2 2 ，物料由炉膛上部经螺旋给料机送入，在旋回流化床下部热解气 化，灰渣等不燃物沿倾斜布风板从下部排出，燃气和飞灰从炉膛出口进入二次