（工程热物理专业论文）城市生活垃圾燃烧特性及新型流化床焚烧技术的研究.pdf

塑垦查兰堡圭兰垡笙皇 摘要 城市生活垃圾的处理已成为困扰各国的环境难题。因焚烧法具有减容、减 量、资源化等优点，在发达国家被广泛应用。随着经济的迅速发展，我国愈来 愈多的城市开始采用或关注此技术。因此，如何保证城市垃圾的高效洁净稳定 燃烧已成为我国垃圾焚烧处理亟需研究的课题。 本文研究主要包括以下三个方面： 1 垃圾典型组分燃烧基本特性的研究。 基于垃圾燃烧是几部分物质独立反应的结果且每部分物质在实验范围内 动力学参数保持不变这一基本假定，建立了垃圾燃烧动力学模型，并通过热重 试验求解了各垃圾典型可燃组分的动力学参数，根据该动力学模型拟合的失重 及微分失重曲线在整个实验温度范围内与实验结果吻合良好，该动力学模型保 证了动力学方程的连续性；研究了垃圾典型组分挥发分析出及焦碳燃烧、燃烧 效率、主要气体污染物( c o 、n o 、h c i 、d i o x i n s ) 排放特性及运行参数对燃烧 和排放的影响。 2 管式布风流化床基本特性的研究。 从理论和试验两方面研究了布风管的阻力特性和小孔流量均匀性，管子开 孔率是影响布风管阻力特性和小孔流量均匀性的关键因素，改变进风方式可以 改善布风管小孔流量均匀性，理论计算和试验结果吻合较好；通过冷态试验研 究了管式布风流化床的临界流化风速、临界管间距、料层阻力及混合等特性， 管式布风流化床布风的不均匀性及分区特性有利于垃圾中的可燃组分与床料 达到较好的纵向混合；根据管式布风流化床内固体颗粒的运动特点，把管式布 风流化床床层分为流化区和移动区，通过质量、动量和能量平衡等分析，建立 了管式布风流化床的流体动力学模型，并计算分析了管式布风流化床内气固相 的总体运动规律。 3 管式布风流化床垃圾焚烧的中试研究。 设计了直接处理原生垃圾的大型管式布风流化床焚烧试验炉，并进行焚烧 试验。试验表明，该焚烧炉在处理原生垃圾时，具有良好的排渣性能和稳燃性 派汪大学博学位论文 能，燃烧运行稳定，在合适辩工况下，焚烧炉可保持较高的整体炉溢，燃烧效 率达9 6 以上，鬟金属、s o ：、h c t 、n o 、二恶英排放都可达到或超过国家垃 圾焚烧污染控蒂4 标准。 关键词：城市生活垃圾燃烧特住捧放特性管式布风装置流化床 阻力特性滚体动力特性 浙江大学博士学位论文 _ _ _ 一一 a b s t r a c t m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) h a sb e c o m ea s e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m b e s e t t i n ge a c hc o u n t r y b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g eo fm a x i m u mv o l u m e q u a n t i t y r e d u c t i o na n de n e r g yr e c o v e r y , m s wi n c i n e r a t i o nh a sr e c e i v e dw i d ea p p l i c a t i o ni n t h e d e v e l o p e d c o u n t r i e s w i t h r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e e c o n o m y ，m s w i n c i n e r a t i o nh a sb e e na d o p t e do rp a i da t t e n t i o nt ob ym o r ea n dm o r ec i t i e s i n c h i n a t h e r e f o r e ，h o wt oe n s u r ee f f i c i e n ta n dc l e a nc o m b u s t i o no fm s w b e c o m e s a ne m e r g e n ts u b j e c tw h i c hn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do ft h r e em a i n p a r t s ： i s t u d y o nt h ef u n d a m e n t a lc o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f t y p i c a l c o m b u s t i b l e c o m p o n e n t so f m s w b a s e do nt h eb a s i ch y p o t h e s i st h a te a c hs t a g eo fm s wc o m b u s t i o ni n d i c a t e so n e p a r to fi n d e p e n d e n t l yr e a c t i n gm a t e r i a la n dt h ec o r r e s p o n d i n gk i n e t i cp a r a m e t e r s d on o t c h a n g e w i t h i nt h e r a n g e o f e x p e r i m e n tt e m p e r a t u r e ，a c o n s e c u t i v e c o m b u s t i o nk i n e t i cm o d e lo fm s ww a ss e tu pa n dt h ek i n e t i cp a r a m e t e r so fm a i n t y p i c a lc o m b u s t i b l ec o m p o n e n t so fm s w w e r eg a i n e dt h r o u g ht h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s t h et g a n dd t gc u r v e sr e g r e s s e do nt h eb a s i so ft h em o d e lg i v eg o o d a g r e e m e n t w i t ht h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t so v e rt h e t e m p e r a t u r er a n g e o fr o o m t e m p e r a t u r et o i0 0 0 c f u r t h e r m o r e ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ( i n c l u d i n g c o m b u s t i o ne f f i c i e n c y d e v o l a t i l i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a rc o m b u s t i o n ) ， t h ee m i s s i o no fm a i ng a s p o l l u t a n t s ( c o ，n o ，h c l ，d i o x i n s ) a n dt h e e f f e c to f o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( i n c l u d i n gs u c hp a r a m e t e r s a se x c e s sa i r ，b e dt e m p e r a t u r ea n d m o i s t u r ec o n t e n te t c ，) o nc o m b u s t i o na n dp o l l u t a n t se m i s s i o nw e r e a l s o i n v e s t i g a t e d i i s t u d y o n t h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s o f p i p e d i s t r i b u t e dg a s f l u i d i z e db e d t h ep r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c sa n df l o we v e n n e s so fp i p ed i s t r i b u t o rw e r e s t u d i e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n v i 浙江大学博士学位论文 a g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f p i p e d i s t r i b u t e d f l u i d i z e db e d ，s u c ha sm i n i m a lf l u i d i z i n gv e l o c i y , b e dm a t e r i a l p r e s s u r ed r o p ，c r i t i c a lp i p ei n t e r v a l a n dt h em i x i n go fb e dm a t e r i a l sa n dm o d e l w a s t e s ，w e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hc o l dt e s t t e s ts h o w st h a tt h ea i ru n e v e n n e s si n p i p ed i s t r i b u t e df l u i d i z e db e d i sh e l p f u lt ot h el o n g i t u d i n a lm i x i n go fb e dm a t e r i a l s a n dw a s t e s b a s e do nt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs o l i d si np i p e d i s t r i b u t e d f l u i d i z e db e d ，t h eb e di sd i v i d e di n t ot w or e g i o n s ，m o v i n gr e g i o na n df l u i d i z e d r e g i o n t h eb y d r o d y n a m i cm o d e lo fp i p e d i s t r i b u t e df l u i d i z e db e dw a sb u i l tu pi n e a c hr e g i o nb ym a s sa n dm o m e n t u mb a l a n c ea n a l y s i s t h eg e n e r a lm o v e m e n t r e g u l a t i o no fg a sa n ds o l i d si np i p e d i s t r i b u t e df l u i d i z e db e dw a sc a l c u l a t e da n d a n a l y s e d i i i d e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fp i l o tp i p e - d i s t r i b u t e df l u i d i z e d b e di n c i n e r a t o n a l a r g es c a l ep i l o tp i p e - d i s t r i b u t e df l u i d i z e db e di n c i n e r a t o rt od i s p o s ec r u d e m s ww a sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t e d e x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h en o v e l f l u i d i z e db e di n c i n e r a t o rh a dg o o dp e r f o r m a n c ei nr e s i d u ed i s c h a r g i n ga n ds t a b l e c o m b u s t i o n u n d e r a p p r o p r i a t ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，h i 曲b e dt e m p e r a t u r ea n dh i g h c o m b u s t i o ne f f i c i e n c y ( g r e a t e rt h a n9 6 ) c a l lb eo b t a i n e d ，a n da tt h es a m et i m e t h ep o l l u t a n t se m i s s i o n ，s u c ha ss 0 2 ，h c i ，n o ，d i o x i n s ，h e a v ym e t a l ，c a r lr e a c ho r o v e r r e a c ht h en a t i o n a le m i s s i o nc o n d o ls t a n d a r df o rm s w i n c i n e r a t i o n k e yw o r d s ：m u n i c i p a l s o l i dw a s t e ，c o m b u s t i o n ，e m i s s i o n ，p i p e d i s t r i b u t o r ， f l u i d i z e db e d ，r e s i s t a n c e ，h y d r o d y n a m i c s 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 城市生活垃圾又称为城市固体废弃物，它是指城市居民日常生活中或为城 市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物。随着城市化进程的加快和物 质消费的日趋现代化，城市生活垃圾的产生量急剧增加。据统计，全球每年新 增垃圾1 0 0 多亿吨，其中，城市生活垃圾每人每天1 2 k g 。美国是世界“垃 圾大国”，每年产出生活垃圾约2 5 亿吨，堆放占地1 2 万k m 2 ，相当于1 9 个 新加坡的面积；德国人均年产生活垃圾8 0 0 多k g ，为世界人均之最；日本仅 东京每天就有1 7 3 万吨生活垃圾【2 4 】。1 9 9 8 年，我国6 8 8 座城市实际产生垃圾 1 ，4 亿吨，城市生活垃圾存量约为6 0 多亿吨，且每年以8 1 0 的速度增长， 垃圾侵占土地面积已超过5 亿i i i l ，全国已有2 0 0 多座城市被垃圾包围，城市人 均垃圾产生量达4 0 0 k g a ，2 0 0 0 年我国城市生活垃圾产生量达到1 5 亿吨f 5 - 6 1 。 城市生活垃圾已作为一个严峻的社会问题，日益尖锐地摆在世界各国面前，成 为全球最感“头疼”的难题，亟待解决。 1 1 城市生活垃圾处理的主要方法及比较 城市生活垃圾处理的基本原则是：无害化、减( 容) 量化、资源化。城市 生活垃圾处理方法的优劣也是从这一基本原则出发进行评价。 1 1 1 城市垃圾处理主要方法 目前城市垃圾处理的主要方法有卫生填埋、热处理法和生物处理法等。 1 卫生填埋”“ 所谓卫生填埋，就是经过科学的选址、严格的场地防护处理，使填埋的废 物不再对周围环境造成污染“1 。目前卫生填埋处理技术在世界各国仍被广泛采 用，尽管在一些发达国家中废物焚烧法日渐增加，填埋法有所减少，但不少国 家仍以填埋为主要处理方式。此法的特点是建设和运行费用比较低，操作简单。 但由于技术上的不完善而造成的环境问题很多。1 。 ( 1 ) 填埋的废物在厌氧环境中由于微生物的降解作用产生气体，填埋气 的典型成分为c h t6 3 8 ， c o ：3 3 6 ，n 22 。4 “”。填埋气不仅增加 浙江大学博士学位论文 了大气污染和全球变暖的趋势，而且易引起甲烷爆炸事故。因此， 对填埋气体进行控制并加以利用，已成为城市垃圾填埋的组成部分 和发展趋势。世界上许多国家，如美国、英国、德国、澳大利亚等 已经在填埋气体利用方面积累了较多的经验。近年来，我国也对该 问题加以重视，并建成了杭州天子岭填埋气体发电厂( 一期工程装 机容量2 9 7 0 k w ) ，于1 9 9 8 年1 1 月正式投产。 ( 2 ) 填埋场的废物受雨水淋滤或地下水的浸蚀，大量污染物进入了地下 水或地表水，造成水体的污染。卫生填埋还有一个直接的后果就是 产生大量的渗滤液。由于渗滤液成分复杂，有害物质浓度高，必须 进行处理后方可排入水体。 ( 3 ) 由于卫生填埋占地面积大，土地征拨费用高，因此带来选址日益困 难。 垃圾填埋带来的环境问题及其潜在危害，已引起世界各国的关注。当 然，无论各国采用何种技术处理城市生活垃圾，最后总有一定数量的残渣 ( 包括无机物和不燃物) 需作最终处理，其办法还是填埋。因此，作为垃 圾处理的最终手段，填埋法将与垃圾处理长期共存。 2 热处理法 城市垃圾热处理法包括热解、气化和焚烧或几种工艺联合等方法。 焚烧法 焚烧是一种对城市垃圾进行高温化学处理的技术。垃圾燃烧产生的高温烟 气可作为热能回收利用，性质稳定的残渣可直接填埋或作建材用。经过焚烧处 理，垃圾中的细菌、病毒能彻底被消灭，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中 的有害气体经处理达标后排放。因此，可以说焚烧处理是实现垃圾无害化、减 量化和资源化最有效的手段之一。7 0 年代以来，由于受到能源危机的冲击， 加上各种环保法规的实旌与不断强化，在欧美和日本获得迅速发展13 1 。到 1 9 9 5 年，德国已有近5 3 座垃圾焚烧发电厂，年处理垃圾量达到1 0 0 0 万吨以 上：法国有近3 0 0 座垃圾焚烧厂，巴黎有4 座垃圾焚烧厂，年处理量为1 7 0 万吨，占全市垃圾总量的9 0 ；美国从8 0 年代开始，政府投资7 0 亿美元兴建 了1 0 0 多座垃圾焚烧厂，年处理能力约为3 0 0 0 万吨；日本目前拥有垃圾焚烧 厂1 8 9 9 座，年焚烧垃圾量3 0 8 6 万吨“1 。在城市垃圾处理方面，日本和西欧一 2 浙江大学博士学位论文 些国家居世界领先地位，北欧的几个国家也在迅速发展。今天焚烧是城市垃圾 处理的三大方法之一，在城市垃圾处理方面的总体应用规模仅次于填埋。 城市固体废弃物焚烧回收热能之所以能得到如此迅速的发展，是因为它 有许多独特的优点”3 5 3 “：1 ) 焚烧占地少；2 ) 减容、减量效果明显，体积、 重量分别可缩减到原来的8 1 2 和2 5 4 0 ；3 ) 焚烧对垃圾处理彻底、迅速， 残渣二次污染危险较小；3 ) 焚烧操作是全天侯的，不受天气影响；4 ) 焚烧炉 可安装在接近垃圾源的地方，节约运输费用；5 ) 焚烧的适用砸广，其他废弃 物也可采用焚烧方法进行净化；6 ) 随着对城市垃圾填埋的环境措施要求的提 高，焚烧的操作费用可望低于填埋：7 ) 由于废物中的可燃物，尤其是纸和塑 料大量增加，废物发热量明显提高，焚烧处理的资源化效益越来越显著；8 ) 焚烧法处理城市垃圾回收能源，从长远观点看，可减少由于填埋产生的温室气 体。 当然，焚烧法也并非十全十美，首先建设现代化焚烧厂的投资大，占用资 金周期长：其次焚烧对垃圾的热值有一定的要求，这也限制了它的应用范围： 最后，焚烧的废气治理问题，有待进一步解决。 热鼹气化法 热解或气化法是将垃圾中有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之分解、反 应。通过热解或气化可以达到两个目的：一是回收储存性能源，如燃料气、燃 料油和炭黑；二是减少焚烧造成的二次污染。热解气化法在处理单组分废弃物 ( 如塑料、橡胶、生物质等) 方面取得了较为成功的经验。但由于城市生活垃 圾组分和成分极其复杂，垃圾的高水分和高灰分使得热解产气( 或油) 品质较 低，而且不稳定，同时由于含有硫、金属、玻璃等物质也使焦碳无法利用“， 所以城市垃圾热解回收能源在工业化方面没有取得太大的进展。 为了解决垃圾热解或焚烧遇到的难题，近十年来，城市垃圾气化熔融技术 的研究得到迅猛的发展。1 。垃圾气化熔融技术是将垃圾热分解气化以后，在高 温下( 约1 3 0 0 c 或1 7 0 0 c ) 将焚烧和熔融溶为一体，因为热分解过程的温度 约为4 5 0 6 0 0 c ，所以可将垃圾中的铁、铝等金属回收利用，该技术在日本 和欧洲一些国家已处于运行试验阶段。城市垃圾气化熔融技术代表性工艺有： ( i ) 炼钢高炉，日本新日铁公司、钢管公司采用此工艺：( i i ) 回转窑+ 熔融， 德国西门子公司、p k a 公司及日本的三井造船公司等采用此工艺；( i i i ) 流化 床炉+ 熔融，日本荏原和神户制钢公司及瑞士的a b 8 公司采用该工艺。另外还 浙江大学博士学位论文 有瑞士的热选( t h e r m o s e l e c t ) 技术，a b b 公司的回转窑直接熔融技术等。 垃圾气化熔融技术，在环境保护方面具有较大的优势( 排气二恶英浓度 o o l n g t e q m 3 ) ，但它是种复杂的城市废物处理技术，整个系统热平衡要 求垃圾低位熟值在6 ，7 7 5 m j 以上，技术本身还处于开发试验阶段“”。垃圾 热解气化熔融技术能否成为将来垃圾处理的主要方式，尚有待其实践证明。 此外，w e s t i n g h o u s e ，r e t e c h 和m a s o nh a n g e r 还在研究高温离子熔融技术”， 该技术在气体和固体污染物排放方面具有明显优势，可使辐射性废弃物和有害 废弃物安定化”“，但由于经济性等因素，甩于处理城市垃圾还有难度。 3 生物处理法 城市生活垃圾生物处理是借助微生物的生物能，对固体废物进行处理，实 现固体废物( 主要是有机废物) 的稳定化、无害化与资源化。其中堆肥化技术 是最常用的生物处理技术。 堆肥是城市固体废弃物中的有机物经过生物化学的降解作用，使之成为腐 殖质状，用作土壤改良剂或肥料。堆肥按需氧程度分为厌氧堆肥和好氧堆肥两 种。厌氧堆肥温度较低，有些病菌不能完全杀死，处理周期长达8 0 1 0 0 天； 而好氧堆肥的温度可达7 0 ，处理周期只有! o 3 0 天。几乎所有的致病菌和寄 生卵都被杀死。所以现代化的堆肥工艺基本上都是好氧堆肥【7 l 。 从一些发达国家的城市废物处理情况看，采用堆肥方法处理城市废物由于 销路等问题发展比较缓慢。近十多年来，堆肥在一些发展中国家比较受欢迎， 如印度、泰国、埃及、也门、摩洛哥和印尼等国家。主要是这些国家城市废物 中可利用的物质如纸、金属、塑料等大都被人拣走，剩余的废物中有机成分较 高，同时政府大力支持，堆肥有销售市场。 总的来说，堆肥技术还很难推广。因为：1 ) 堆肥处理能力较小，目前较 大的处理场只能达到1 0 0 吨天处理能力根本不能满足日益增多的数量巨大 的废弃物处理要求；2 ) 占地面积大，在处理过程渗出的废液也带来极大的危 害性，目前尚无办法处理之；3 ) 总的经济、社会效益不佳，据有关研究结果 表明，每吨堆肥增产效益仅2 o 元左右。而收集、运输、生产、使用等过程所 消耗的社会成本达2 0 3 0 元，同时会导致土壤的重金属污染及垃圾化、渣化、 砂化，不能适应新的农业生产节奏和习惯。 浙江大学博士学位论文 1 1 2 城市垃圾主要处理方法之比较 上述几种城市垃圾主要处理方法各有优缺点，比较见表卜1 。从表卜l 可 知，焚烧法虽然投资及运行成本较高，这会暂时阻碍垃圾焚烧技术在大部分发 展中国家的推广，但焚烧法在资源化、无害化及减量( 容) 化等方面具有填埋 和堆肥不可比拟的优点，又会使其在相当时期内作为城市生活垃圾的主要处理 技术之一而存在，特别在发展中国家，垃圾焚烧技术仍具有相当大的发展空间。 而且，随着城市填埋法选址的逐渐困难以及运输成本的增加，焚烧法的优势将 逐渐显现。 表卜1城市垃圾主要处理方法比较“3 2 1 项目填埋堆肥焚烧 操作较差，需注意防火、防好好 安全性爆 产品有沼气回收的填埋场落实堆肥市场难度较热能或电能易为社会 市场化可作发电等利用大，需采取多种措施使用 较难，要考虑地形地质较易，仅需避开居民密易，可靠近市区建设， 选条件，防止地表地下水集区，气味影响半径小运输距离可小于l ok m 址污染一般远离市区，于2 0 0 m ，运输距离l o 运输距离大于2 0 k i n 2 0 k i n 占地大 出 小 适对垃圾质量无要求无害化出发，垃圾中生不添加辅助燃料时，垃 用物可降解有机物不低于圾热值有一定要求 条1 0 ，从肥效出发大于 件4 0 一般占初始量的1 0 最终非堆肥物需作填埋处2 0 ，燃烧完全、无毒 无 处理理，占总量2 5 3 5 性的灰渣可作建材等 综合利用 污染物渗液渗液灰尘、烟气 处理国内：2 4 元t国内：1 0 1 5 元t国内：3 0 3 5 元t 成本国外：4 6 美元t国外：4 6 2 0 美元t国外：3 0 3 5 美元t 技术 集约化程度差集约化程度差 技术集程度高、自动化 特点程度高 投资小大大 浙江大学博士学位论文 1 2 我国城市垃圾焚烧处理发展前景、现状及问题 1 2 1 垃圾焚烧处理发展前景 在我国，城市垃圾焚烧是否应加以发展? 有些专家曾对此持否定态度，其 主要理由有三：一是中国垃圾热值低，需加燃料助燃：其二是烟气污染( 特别 是二恶英排放) ：三是认为投资大，对中国不适用。 然而，随着中国经济的迅速发展，上述论据逐渐发生动摇。 ( 1 ) 在大城市，基础设施相对完善，随着生活水平的提高，垃圾的含能 量逐渐提高。尤其是城市燃料气化率的逐年增加，降低了垃圾中煤 渣的含量，提高了可燃成分的比例，使垃圾热值明显提高，有些经 济发达的大城市已达到了相当高的水平；另外，南方沿海地区的中 小城镇，由于生活垃圾中混有乡镇企业产生的轻工业废弃物，致使 垃圾热值较高，见表卜2 。因此，愈来愈多的大城市或中小城镇已 可以满足或接近满足垃圾焚烧的要求。 ( 2 ) 一方面由于城郊土地的紧迫，填埋选址越来越困难，建设、运输和 土地等费用的增加使填埋成本越来越高，越来越多的城市也感受到 了焚烧法的优势；另一方面，由于经济实力的增强使更多的城市能 承受垃圾焚烧的投资。 ( 3 ) 只要控制好垃圾焚烧过程中的“3 t + e ”，加上适当的烟气处理装置， 完全可以使二恶英等污染物的排放达标。曾有人对垃圾焚烧回收能 源的经济性和环保性能进行深入地研究，认为垃圾焚烧回收能源是 经济、环保各方面都能接受的较为合理的废物处理方法。 表1 _ 2 我国部分城市( 镇) 的生活垃圾的发热值( k j k 一) i l v - 2 1 3 ( 4 ) 与发达国家相比，我国目前的垃圾焚烧比例明显偏低。部分发达国 家的垃圾处理情况见表1 - 3 。 由上述分析表明，城市垃圾焚烧技术在我国的发展前景是广阔的，在部分 城市或区域将成为城市生活垃圾处理的主要方法之一。据预测，到2 0 1 0 年， 灏江大学博士学位论文 我国城市垃圾的产生量将达到2 9 亿吨，按处理比率卫生填埋占7 0 ，焚烧2 0 ， 堆肥l o ”1 ，年焚烧处理的垃圾量将增加约5 6 0 0 万吨以上。根据我国城市化 发展势头和城市用地相对紧张的局面预测，城市垃圾焚烧的比率可能会更高。 2 0 世纪9 0 年代后期以来城市垃圾焚烧技术在我国的迅猛发展可见斑。 表卜3发达国家城市生活垃圾主要处理方法比例。4 1 2 2 垃圾焚烧处理应用现状 长期以来，由于法律法规不健全和投入资金不足，我国的城市垃圾大都未 经处理而直接运往城郊堆置或简易填埋处置。不仅占用了大量农田，形成“垃 圾包围城市”的局面，而且由于处置过程的环保措旆不完善，造成对填埋周围 大气、地表水、地下水和土壤环境的污染。直到9 0 年代。我国城市垃圾的无 害化处理率才开始急速增长，到1 9 9 6 年全国的垃圾无害化处理率达到4 9 1 。 其中，卫生填埋占总处理量的7 9 ，2 ，堆肥占1 8 8 ，焚烧只约占2 9 6 “1 。这与我 国采取的“以卫生填埋和高温堆肥为主”的政策倾向性有一定关系。 现在我国有3 0 多家生产商、研究单位和大专院校在研究开发各种焚烧技 术及设备。目前国内正在使用或研究开发的焚烧炉。或借鉴国外已有的焚烧炉， 引进或仿制国外8 0 年代的炉型与设备系统；或以一般燃煤锅炉或其他工业炉 浙江大学博士学位论文 窑为参照，将这些燃烧技术和工艺移植过来进行焚烧处理。 深圳市市政环卫综合处理厂是我国引进或仿制焚烧炉的典型代表。深圳市 于1 9 8 5 年从日本引进并投产使用的三菱马丁炉排焚烧炉成套引进2 台日处理 能力为1 5 0 t d 的垃圾焚烧炉。一期工程于1 9 8 8 年i 1 月投产。二期工程于1 9 9 6 年7 月投产，增建一台国产三菱马丁炉，其中8 5 以上为国内生产。目前珠海、 广州、上海、北京、宁波、沈阳等城市也已引进或正准备引进大型焚烧炉。“。 国内开发的焚烧炉有链条炉排焚烧炉、往复炉排焚烧炉、流化床焚烧炉等。 链条炉排焚烧炉是根据所谓“内核烧结法”的原理设计而成，北京昌平县1 9 9 6 年7 月建成的日处理3 0 0 t d 的生活垃圾焚烧炉为其典型代表。往复炉排焚烧 炉则是固定和活动炉排交替放置，炉排上的垃圾在活动炉排片往复动作的推动 下翻动下移，依次通过炉排的干燥区、主燃区和后燃区进行燃烧。北京燕山石 化生活垃圾焚烧炉即为其中之一。目前。浙江大学热能工程研究所、中科院和 清华大学等先后进行了流化床垃圾焚烧炉的开发与研制。浙江大学热能所开发 的循环异重流化床垃圾焚烧炉( 1x1 5 0 t d ) 在余杭锦江热电厂子9 8 年8 月份 顺利投产，并通过鉴定”，山东菏泽( 2 2 0 0 t d ) 于2 0 0 1 年6 月份投产， 杭州乔司8 0 0 t d 国家高技术产业化示范工程也完成建设，此外还有河南荥阳、 绍兴、义乌、芜湖、枣庄等地的多座垃圾焚烧炉工程正在设计或建设之中。 1 ，2 3 国内现有焚烧技术的主要问题 从我国现有焚烧炉的运行情况来看，我国焚烧技术的发展主要存在以下几 方面的阀题7 1 舯。 ( 1 ) 国外引进的焚烧炉，建设成本和运行成本较高，对中国垃圾的复杂性 考虑不够。国内外垃圾特性的差异使得国外较为先进的焚烧炉只有经 过改进才能适应我国的垃圾，如深圳垃圾焚烧厂，2 年后才基本能 够投入正常生产运行，当焚烧处理这些垃圾时为维持焚烧炉温，可能 仍需外加燃料( 投油) ，使运行费用偏高，且燃烧工况也不稳定；由 于中国城市垃圾未进行分类收集，需定期停炉清理，连续运行时间较 短。同时关键高温部件使用寿命较短、维修不方便。 ( 2 ) 从国外引进技术在国内生产制造的焚烧炉，由于炉排和焚烧炉自控系 统必须使用国外产品，价格居高不下，日处理每吨垃圾投资在4 0 7 0 万元之间，差不多是其他处理方法的5 1 0 倍，非我国目前大多数城 市经济承受能力所能接受。 b 浙江大学博士学位论文 ( 3 ) 国内研究开发出的焚烧炉种类很多，但技术含量和技术水平参差不 齐。例如，一些焚烧炉膛优化设计欠缺考虑，焚烧炉后续焚烧尾气处 理系统比较简单，燃烧过程的控制系统薄弱等。这些低技术水平、低 成本的焚烧炉对我国的焚烧市场有较大干扰，损害了垃圾焚烧的社会 形象，不利于强化环境保护和环保产业的健康发展。 因此，作为国家今后的技术政策，应在引进、消化国外焚烧技术的同时， 重点发展符合我国国情的、经济上可行、技术上可靠的垃圾焚烧设备。另外， 环保部门应加强对垃圾焚烧炉的监测，淘汰技术水平低的焚烧设备。 1 3 两种垃圾焚烧技术的综合比较 从上面论述可知，垃圾焚烧技术在我国的应用市场将十分广阔。针对这诱 人的市场，我们应重点研究发展何种焚烧技术和设备来参与未来垃圾焚烧市 场的竞争? 这是一个必须认真回答的问题。目前，用于垃圾处理的焚烧炉主要 有机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉和回转窑焚烧炉。回转窑焚烧炉主要用于有 毒有害的医院垃圾和化工废料，而焚烧热值较低的生活垃圾有一定难度，同时 基建、维修也相对较高”5 2 “，不具有明显的优势，所以本文对回转窑焚烧炉不 作过多叙述。机械炉排焚烧技术是开发时间最长、技术最为成熟、当今世界垃 圾焚烧的主流技术，而流化床焚烧技术则是开发时间相对较短、焚烧特性更佳、 仍在发展之中的先进焚烧技术。现对这两种焚烧技术作一综合比较，见表卜4 。 表卜4 流化床焚烧炉和机械炉排焚烧炉比较“”2 。 比较项目机械炉排焚烧炉流化床焚烧炉 结构典型结构见图1 - i 。各种炉型结构见第二章 从垃圾层的表面逐渐干燥一气化一燃 燃烧过程在短时间内干燥、燃烧 烧 对高水分垃圾干燥时间长，不易着火：由于蓄热量大、传热效率高对 对垃圾的对塑胶类垃圾，易在炉排上发生高温各种垃圾都能短时间内燃烧，也 适应性焦结，损坏炉箅；不会发生局部焦结： 除大件垃圾外，对垃圾预处理无要求。对垃圾预处理较严格要求。 9 浙江大学博士学位论文 1 焚烧炉效率：比流化床焚烧炉低。1 比机械炉排焚烧炉高，可抵消 2 灰渣热灼减量：最近的大型炉平均比机械炉排炉高的耗电。 焚烧效果 是2 3 ，中小型炉是5 1 0 ，比2 渣热灼减量几乎为0 ，飞灰是 较高：1 2 ，比机械炉低得多。 1 h c l 、s o 。：于式处理时，在除尘器 1 可直接在炉内加石灰石脱除， 入口喷雾消石灰，用化学反应法去 由于垃圾中的c a 成分可与之 除，工艺较为复杂； 反应，药剂用量可减少约3 0 ： 2 n o 。：排放比流化床焚烧炉高。 2由于焚烧温度较低，排放比机 3 灰渣： 械炉低； 污染物3 ( 1 ) 渣完全燃烧、干的，铁 ( 1 ) 渣是湿状的铁份无价值，增加 了填埋量，填埋时需加掩土，填 份可回收，减少填埋量， 排放及填埋负荷约为机械炉的 埋负荷比流化床炉多4 0 ； ( 2 ) 有未燃有机物，产生臭味。 7 0 ： 处理 ( 2 ) 未含有机物，无臭味； 4 启停炉：启动时间较长，污染严重： 短时停炉压火时会产生黑烟及恶 4 启动时间短，污染较小，压 臭。 火启动时，无污染；停炉无黑 烟及恶臭。 5 渣坑的污水需做处理 5 干渣，无污水。 单位面积热负荷低，炉床面积大，荧炉床面积仅为机械炉排炉的1 2 占地面积 烧炉占地面积大。或更低，占地面积小，布置方便。 设计较复杂，如以大颗粒垃圾燃烬时设计较为方便，大颗粒垃圾在炉 间为设计依据，势必导致炉排过长，内停留时间比较长，不存在垃圾 设计 增加制造安装成本：反之，则会燃烧燃烬的问题。 不完全。 1 控制性：对控制的反应迟钝，控制1 燃烧速度快，对控制的反应也 性不好。快，所以控制性能好。 运行操作2 启停操作：较复杂。2 启停操作简单。 性能3 ，对操作的要求：垃圾特性变化时的3 对操作的熟练度没有特殊要 调整操作多，操作要熟练。求。 4 紧急停电时需做压火操作。4 停电时可安全停炉。 1 电力：6 0 8 0 k w h 吨垃圾。与垃1 7 0 9 0 k w h 吨垃圾，床料流 圾的特性及运行方式有关。化动力比机械炉高。 运行维修2 辅助燃料：启动时用油量较大：燃2 压火停炉窟动几乎不用油；燃 烧不稳定时需投油助燃。烧比机械炉稳定，投油少或用 费用相对廉价的煤稳燃。 3 药剂：h c l 、s o ：去除用药比流化床3 h e l 、s o ：去除用药比机械炉排 高：另外污水处理需用药。炉低；不需污水处理。 1 0 浙江大学博士学位论文 4 维修费：炉排检修费用较高。4 布风装置维修费用要低得多。 但般垃圾预处理设备费用 要比机械炉高。 技术 4 0 多年前开发的炉型，己较成熟：经只有2 0 余年的历史，配套技术尚 多次技术改进，但移动焚烧的原理没未成熟，应用业绩相对较少。 成熟性 变。 图卜1 典型机械炉排炉结构 通过表1 - 4 综合比较可知，尽管流化床焚烧炉在技术成熟度、垃圾预处理 方面不如机械焚烧炉，但在对各种垃圾的适应性、环保性能、焚烧特性、结构 紧凑性、运行维修等方面具有机械焚烧炉无可比拟的优越性，因此流化床焚烧 是一种先进的焚烧技术，是未来值得大力研究发展的焚烧技术。 同时，流化床焚烧技术比较适合我国的国情。原因有二： ( 1 ) 虽然随着经济的发展和生活水平的提高，我国城市生活垃圾热值提 高较快，但与发达国家相比，热值仍然较低，而且我国城市垃圾尚未进行分类 收集，垃圾组分十分复杂多变。在这种情况下，机械炉排炉很难稳定运行，易 导致焚烧效果差、排放严重超标等问题或需投油助燃。 ( 2 ) 流化床燃烧技术在我国有扎实的基础。流化床用于劣质燃料( 煤矸 石、褐煤、油页岩等) 的燃烧，在我国已近4 0 年的历史。目前全国已有2 4 l o t h 容量的流化床锅炉约3 0 0 0 余台。无论投运机组的数量、炉型的种类、 投运时间或使用燃料品位的下限，都居世界之首。我国高校和科研单位及 制造生产企业已在流化床设计、制造、运行等方面积累了较为丰富的技术力量， 浙江大学博士学位论文 这为垃圾流化床焚烧炉的开发打下了良好的基础，凭借此基础我国完全有能力 开发出适合我国国情的流化床焚烧炉，在未来的垃圾焚烧市场中占据有利地 位。 由上分析可知，无论从焚烧技术本身的先进性还是从我国的国情分析，发 展流化床焚烧技术在我国是适宜的。而且，随着人民生活水平的提高和环保意 识的增强，环保法规将更趋严格，流化床焚烧技术的优越性将进一步显现。 1 4 流化床焚烧技术尚需完善之问题 虽然流化床焚烧技术在污染物排放、焚烧特性、燃料适应性等方面具有明 显的优势，但世界范围内在垃圾焚烧市场中所占的份额还很小 3 3 1 。这主要原 因是： ( 1 ) 垃圾预处理工艺复杂 要保证流化床焚烧炉稳定运行，必须使可能影响流化的物质得到充分处 理，即使金属分离，使渣石、玻璃、砖块等充分破碎或分离。而垃圾作为一种 特殊的燃料，其物理组成十分复杂，使得破碎、筛选、风选、磁选、涡流分离 等垃圾预处理工艺较难实施或效果较差。目前国内尚未有成熟的垃圾预处理装 置，引进国外垃圾预处理装置价格特别昂贵，而且工艺复杂、能耗大，国内城 市或企业较难承受，很难在我国推广。 ( 2 ) 垃圾流化床焚烧炉结构有待完善 ( i ) 现有流化床焚烧炉结构一般很难保证流化床中沉积物彻底顺利排出， 从而导致连续运行时间不长或焚烧炉可用率相对较低。所以焚烧炉的结构，特 别是底部结构有待进一步完善。当然，垃圾预处理与沉积物的排除这两个问题 其实是相辅相成的，垃圾预处理愈完善，对排除沉积物的压力就愈小；如焚烧 炉排沉积物的能力强，则对垃圾预处理的要求就降低。因此，为保证流化床焚 烧炉的长期稳定运行，必须进一步妥善协调好上述两方面的关系。 ( i i ) 城市生活垃圾的可燃组分大多是高挥发分的轻性物质，在普通流化床 中很难和床料作良好的纵向混合，一般漂浮在密相区的上部区域【3 7 q9 1 ，从而 导致垃圾在密相区的燃烧效率( 燃烧份额) 较低，这是城市生活垃圾在普通流 化床中较难稳燃的原因之一。因此，流化床焚烧炉必须从结构上考虑如何保证 垃圾和床料的混合，特别是纵向的良好混合，才能更充分地发挥流化床焚烧的 优势。 另外，垃圾的燃烧特性有待进一步深入研究( 这并非单针对流化床焚烧炉 浙江大学博士学位论文 而言) 。如前所述，现国内开发的焚烧炉一般以燃煤炉为参照，将燃烧技术或 工艺进行移植。而垃圾作为燃料，与煤等常规燃料相比，具有自身的特殊性口“。 目前对垃圾的燃烧特性还缺乏深入的了解，这一点无论对流化床焚烧炉还是机 械炉排炉的设计都是不利的。 1 5 管式布风的特点及其意义 传统流化床炉的布风方式是采用水平布风板上开设风帽，在布风板上开排 渣孔，下接排渣管。由于垃圾组分复杂，垃圾中不可燃的无机物质( 如金属、 玻璃、大砖石块等) 易分离沉积在床底，这种传统流化床不易将此类沉积物排 除，导致流化不良，难以稳定运行。 流化床焚烧炉在处理城市生活垃圾时，要保证流化床焚烧炉稳定运行，必 须使可能影响流化的物质得到充分处理。达此目的有两种途径：一是通过垃圾 预处理装置使垃圾满足流化床焚烧的需要：二是通过对流化床焚烧炉结构的特 殊设计使流化床中沉积物顺利排出。欧美国家的流化床焚烧炉通常同时采用两 种途径，而日本制造的焚烧炉通常以第二种途径为主，具体见第二章。采用第 一种途径很难适应我国的国情。而采用倾斜布风、分区不均匀供风等型式的内 旋流化床等方式虽可改善排渣情况，但会增加运行的难度。 图1 - 2 管式布风流化床焚烧炉结构示意图 管式布风装置正是针对上述问题提出的，使用布风管代替传统的布风板 渐江大学博士学位论文 结构简单，没有传统布风板