（热能工程专业论文）医疗垃圾循环流化床洁净燃烧特性实验研究.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 医疗垃圾来源于医疗诊断、治疗过程中所产生的各类废弃物。这些垃圾不同程 度含有多种细菌、病毒、寄生虫和一些有害物质，如不及时处理，将造成环境的 严重污染，并很可能成为疫病流行的源头。目前，国内对于城市生活垃圾的焚烧 研究正在深入开展，但是对于医疗垃圾的焚烧处理研究刚刚起步。现阶段国内垃 圾焚烧使用的炉型以炉排炉为主，对医疗垃圾的循环流化床焚烧研究较为少见。 本文首先研究了医疗垃圾的组成、工业成分和热值以及热解过程特性等基础特 性。在此基础之上，设计建成了医疗垃圾c f b c 焚烧实验装置，进行了医疗垃圾 循环流化床焚烧炉的冷态试验，研究分析了炉内冷态流场，并确定了医疗垃圾料 层阻力特性，得出了料层阻力与次风量，料层厚度，物料粒径的关系；并在冷 态试验的基础上，进行了医疗垃圾的焚烧试验，测定了炉内温度场，通过试验确 定了循环流化床焚烧医疗垃圾的最佳工况，并且通过调整燃烧参数，研究了混烧 比( r ) 、燃烧温度、过量空气系数等对燃烧产物的影响。试验研究表明：医疗垃 圾具有高热值，高挥发分的特点，其热值远高于一般城市生活垃圾，而高挥发分 的特点决定了其容易着火和稳定燃烧的特性；医疗垃圾循环流化床焚烧炉二次污 染物浓度均在一个合适的范围之内，如c a s 为2 时s 0 2 的排放浓度是1 5 0 p p m 左 右，n o x 排放浓度也多在2 0 0 p p m 以下，均达到了国家排放标准。 本文研究成果为医疗垃圾洁净燃烧技术的进一步研究打下了基础，为循环流 化床在医疗垃圾处理方面的大规模应用提供了必要的参考，具有显著的环境效益 和广阔的推广应用前景。 关键词：医疗垃圾循环流化床焚烧试验 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t m e d i c a ls o l i dw a s t ec o m ef r o mt h er e f u s ei nt h ep r o c e s so fm e d i c a ld i a g n o s ea n d t h e r a p y t h e r ea r eb a c t e r i a , v i r u s , v e r m i na n d o t h e rh a r m f u ls u b s t a n c ei nt h ew a s t e s i f n o tb e i n gd i s p o s e dt i m e l y , t h e yw i l lp o l l u t ec i r c u m s t a n c es e v e r e l y b e c a u s eo f n o tb e i n g p a i de n o u g ha t t e n t i o n ，m e d i c a lw a s t e sh a v eb e e nac a u s eo f u n h e a l t h yo f p e o p l e a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fm u n i c i p a ls o l i dw a s t eh a sb e e nc a r d e do u tw i d e l y b u t t h ed i s p o s a l so fm e d i c a ls o l i dw a s t e sd on o ts t a r tu p t h ep a p e rg e t st h ec o n t e n to fa s h ， m o i s t u r e ，v o l a t i l i z a t i o n ，c a r b o ne t cb yt h ei n d u s t r ya n a l y s i so fm e d i c a lw a s t e s t h e n d i s c u s st h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h er e s e a r c hs h o w st h a tm e d i c a ls o l i dw a s t e s h a v eh i g hc o n t e n to fv o l a t i l e sa n dh i g hh e a tv a l u ew h i c hi sf a rh i g h e rt h a nt h a to f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e s t h ec h a r a c t e ro fh i g hc o n t e n to fv o l a t i l e si n d i c a t e st h a tt h e w a s t e sc a nb ei g n i t e de a s i l ya n dc a ne o m b u s ts t e a d i l y as y s t e mo fm e d i c a ls o l i dw a s t e c f b ci n c i n e r a t o rh a sb e e nm a n u f a c t u r e da n di ti sb a s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm e d i c a l s o l i dw a s t e f i r s t ，t h ew i n df l o ws i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r d e do u ta n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a y e rr e s i s t a n c ea n dp r i m a r ya i rw a sa n a l y z e df r o mt h ee x p e r i m e n to fc f b c m e d i c a ls o l i dw a s t el a y e rr e s i s t a n c ew a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fl a y e rp l y d i a m e t e ro f m e d i c a ls o l i dw a s t eo nl a y e rr e s i s t a n c ea n dm i n i m u mf l u i d i z ea i rf l o wf l u xw a sa n a l y z e dt o o s e c o n d ，t h ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do n d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c e o fc o m b u s t i o np a r a m e t e ro nc o m b u s t i o na n da i rp o l l u t i o nw a sb e e na n a l y z e d f r o mt h e a n a l y s i s ，t h ec o n c l u s i o nc a r l b ed r o w n t h a t i n t h e p r o p e rc o n d i t i o n ，t h ea i rp o l l u t i o no f m e d i c a ls o l i d w a s t ec f b ci n c i n e r a t o rc a nb er e d u c e da n dc o n t r o l l e dt ot h el e v e lt h a tc a nb ea c c e p t e d t h ep a p e rl a y saf o u n d a t i o nf o rf i f f t h e rr e s e a r c ho fm e d i c a lw a s t e sc l e a n c o m b u s t i o n t e c h n o l o g y i t h a sn o t a b l ee n v i r o n m e n t a lb e n e f i ta n dw i l lb o o s t p o p u l a r i z a t i o no f m e d i c a lw a s t e si n t e g r a t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m e d i c a ls o l i dw a s t e ，c f b c ，c o m b u s t i o n ，e x p e r i m e n t h 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及课题来源 1 绪论 医疗垃圾是指医院及其它医疗机构中产生的废弃物，它含有较多的有机物， 含水量大，容易腐败变质，并散发出恶性臭味，严重污染环境，并且招惹苍蝇， 鼠类觅食，传播滋长疾病。按其来源、成分可以划分为传染性废物、化学类有毒 废物、放射性废物和一般性固体废物【l ，2 j 。 传染性废物的主要来源包括：手术切除物；外科的敷料：纱布、绷带、棉球、 辅巾等；病人用过的一次性注射器、瓶罐器具及污染衣物、生活垃圾；化验检验 残余物：实验动物的尸体及药物；化学性毒物。在此之外，还有一般性固体废物： 医药包装材料、瓶、罐、盒以及废纸、废塑料等不具传染性的废弃物酣】。 据调查，一般由综合医院排出的垃圾可能受到各种病毒、细菌的污染，如各 种杆菌、血清型大肠埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌等。此外， 垃圾中的有机物不仅孳生蚊蝇造成疾病的传播，并且在腐败分解时释放出n h 3 、 h 2 s 等恶臭气体，生成多种有害物质，污染大气，危害人体健康。同时，在医院中 医疗垃圾也是造成院内交叉感染和空气污染的主要原因。必须对医疗垃圾进行无 害化治理以保护医院病人、工作人员的身体健康和良好的社会环境【5 1 。 总体上来看，目前我国医疗垃圾处理水平不高，缺乏管理规范、标准，运输、 堆放密封性不好。因而，开展对医疗垃圾的研究，寻找卫生、高效医疗垃圾处理 方式已迫在眉睫。 本课题来源于重庆市科委医疗垃圾固体废弃物洁净燃烧技术及装置开发 和教育部春晖计划高水分、低热值m s w 洁净燃烧技术，属基础研究。 1 2 医疗垃圾处理技术的主要方式 根据美国统计，住院病人每人每天产生固体废物为2 7 4 1 k g 。随着人民对健 康要求的提高，各种医疗保健机构的数量及规模随之扩大，医疗垃圾的数量日渐 增加。对医疗垃圾的处理应遵循以下原则： 分类收集原则：不同的医疗机构，如大型综合医院、传染病院、疗养院及 保健站，产生的垃圾性质不同，种类数量差别极大，应将传染性废物与非传染性 废物分开。在医院各科放置垃圾分类箱，将医疗垃圾按类分放，由专人定期送至 存放地。尖锐物品和带有药液残渣的玻璃器皿应放置在耐磨的容器中。在未处理 的医疗垃圾包装袋上必须标注“医疗废弃物”、“放射废弃物”等危害识别标志。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 分类收集是日后进行分类处理的基础。 无害化处理原则：在医疗垃圾的处理过程中严格执行各项环保及卫生标准， 不再产生二次污染。垃圾运输要密闭，不能到处飞扬；垃圾焚烧必须使用焚烧炉， 其所排放的烟气应符合国家的排放标准；垃圾存放时间不应过长，垃圾掩埋不应污 染地下水。 减量化原则：减少垃圾数量和体积是其基本原则。一方面，减少垃圾的产生 量；另一方面通过回收利用、粉碎压缩、焚烧等处理方法，大量减少垃圾体积，从 而为垃圾的运输及最终处置提供条件。 分散与集中处理相结合的原则：目前根据铁路医疗单位的状况，应先开展在 各医疗单位内垃圾分类，专人负责，集中处理的工作。当地方建立按区域或市区 进行医疗垃圾集中处理时，再并入其集中处理系统。 1 2 1 卫生填埋 我国传统的处置垃圾方法是堆填，就是把分散的垃圾集中倾倒，未加技术处 理的自然处置，把分散的污染源集中在一起而已，形成了严重的污染源，这样严 重地威胁人民的健康。卫生填埋不同于露天堆放，其基本原理是把垃圾堆填于特 制的场地中，让其经过厌氧微生物活动后，将若干有机物降解，达到无害化和减 容化的目的，无论是堆或填均需要考虑，渗液和沼气的引气及中间填料的问题。 此法投资少，技术简单，在早期受到西欧和美国的广泛使用。 世界上最早的卫生填埋坑出现在1 9 3 0 年。1 9 6 0 年，全球已有约1 4 0 0 个城市 采用该法来处理垃圾，尽管当时的技术还很粗糙。进入7 0 年代后，该项技术得到 了广泛发展。国外如德国基本上是在7 0 年代开始采用卫生壤埋技术的【6 ”。 我国垃圾填埋的历史不到2 0 年，过去长期以来是在郊区低凹处或者是山谷找 个地方对方，任其分解。但是随着垃圾量的增加，已无处找到合适的地方堆放， 而垃圾臭味扰民也使这种任其堆放分解的方式无法持续下去。 由于医疗垃圾本身固有的特性，虽然填埋能在一定程度上达到“三化”，但因 为它不能从根本上解决医疗垃圾有害的特性，如果处理不好，可能对环境和人民 生活、健康造成严重的危害。医疗垃圾在堆放过程中还会产生大量的酸性和碱性 有机物，并会将垃圾中的重金属溶解出来，因此，医疗垃圾是集有机物、重金属、 和病原体微生物三位一体的污染源。而且垃圾中所含的水分以及堆放过程中进入 垃圾的雨水会产生大量富含这些污染源的渗沥液，如果防渗措施不当，进入周围 地表水体或渗入土壤。会造成地表水或地下水的严重污染。 垃圾在堆放场或填埋场受到微生物的作用，会产生大量的沼气。活跃期的填 重庆大学硕士学位论文1 绪论 埋场产生的沼气9 0 以上为甲烷和二氧化碳嘲。其向大气逸散的过程中，容易在低 洼处或者建筑内聚集。甲烷本身无毒，但具有易燃和爆炸的特性。在有氧存在的 条件下，甲烷的爆炸极限是5 1 5 9 】。目前我国的露天堆放场和简易填埋场多数没 有沼气导排系统，大量产生的释放气体处于无组织的排放状态。很易组成爆炸或 火灾隐患。 但在今后相当长的一个时期，卫生填埋仍将是垃圾的一种重要消纳方式，尽 管如此，由于垃圾填埋必然要占据相当数量的土地，这对于本来就缺少耕地的我 国来说，增加了土地资源的负荷。因此，卫生填埋处理技术发展应注意以下两个 方面： 最大限度地缩减生产和生活过程中的废物数量；进步完善填埋场的密封防 渗技术，以保证环境安全及降低污染程度。 1 2 2 焚烧法处理 燃烧就是通过高温燃烧，减少可燃垃圾，便之变成惰性残余物的处理方法。 燃烧技术在处理垃圾方面得到很广泛的应用，因为它有许多独特的优点【m 1 2 i ： 垃圾燃烧处理后，垃圾中的病原体被彻底消灭，燃烧过程中产生的有害气 体和烟尘经过处理后达到排放要求，无害化程度高。 经过燃烧，垃圾中的可燃成分被高温分解后，一般可减8 0 9 0 。减容 效果很好，可节约大量填埋场用地。 垃圾燃烧所产生的高温气体，其热能被余热锅炉吸收转变成蒸汽，用来供 热或者发电。垃圾被作为能源来利用，还可以回收铁磁性金属等资源，可以充分 实现垃圾处理的资源化。 垃圾焚烧厂占地面积小，尾气处理后污染较小，可以靠近市区建厂。既节 约用地又缩短垃圾运输距离，对于经济发达的城市地区尤为重要。 焚烧处理可全天候操作，不易受天气影响。 随着对垃圾填埋的环境措施要求的提高，燃烧法的操作费用可望低于填 埋。 燃烧处理的局限是对废弃物低位热值有一定要求，一般要求低位热值大于 4 1 2 7 k j k g ，废弃物中一些可利用资源也被烧掉，焚烧的烟气带走约3 0 的热量， 同时烟气净化难度大。焚烧设备基本上是全部引进国外产品，一次性投资大，运 转成本高 1 3 - 1 6 】。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 3 综合处理 从医疗垃圾的特性来说，由于含有大量的病菌，如果单独地采用卫生填埋， 就不能从根本上达到“无害化”处理要求。而且医疗垃圾大部分是难降解物。采 用焚烧处理方法，可以弥补填埋的不足， 处理后的灰渣、飞灰等可用填埋处理掉。 1 3 垃圾焚烧技术的发展 而且完全能达到“三化”的要求。焚烧 这样，可以延长填埋场的使用寿命。 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，由于当时垃圾燃烧的烟尘无法控制，一直未能得到广泛应用。直到上个世 纪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才在欧洲和日本得 到了普及和发展。 目前国内外垃圾焚烧技术主要有三大类：层状燃烧技术、旋转燃烧技术( 也称 回转窑式) 和流化床燃烧技术。 1 3 1 层状燃烧技术 该技术发展较为成熟，一些国家都采用这种燃烧技术。为使垃圾燃烧过程稳 定，层状燃烧的关键是炉排。垃圾在炉排上通过三个区：预热干燥区、主燃区和 燃尽区。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，不断地推动下落，引起垃圾底部也开始着火，连续的翻转和搅动，使垃圾 层松动，透气性加强，有助于垃圾的着火和燃烧。 层状燃烧的主要缺点在于难以燃尽、燃烧效率较低。 1 3 2 旋转焚烧炉 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，回转窑直径为4 6 m ，长度l o 2 0 m ，根据焚烧 的垃圾量确定，倾斜放置。每台垃圾处理量目前可达到3 0 0 t d ( 直径4 m ，长1 4 m ) 。 回转窑过去主要用于处理有毒有害的医院垃圾和化工废料。它是通过炉本体滚筒 缓慢转动，利用内壁耐高温抄板将垃圾由筒体下部在简体滚动时带到筒体上部， 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，进行较完 全的燃烧。垃圾由滚筒一端送入，热烟气对其进行干燥，在达到着火温度后燃烧， 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 随着筒体滚动，垃圾得到翻滚并下滑，一直到简体出口排出灰渣。 回转窑式垃圾燃烧装置费用低，厂用电耗与其他燃烧方式相比也较少，但对热 值低于5 0 0 0 k j k g ，含水分高的垃圾燃烧有一定的难度。 1 3 3 控制风式焚烧炉 这类焚烧炉一般具有模式结构、工厂组装测试的特点，正常包括热解区( 一 次焚烧区) 、二次焚烧区、给料系统、烟囱、燃烧器及燃烧控制系统。垃圾的给料 系统一般采用活塞推进形式的半批量供给方式，废物被推进固定炉膛，控制高炉 膛内废物的温度，蒸发废物中的有机物成分。这个系统可以在固定床上最大限度 地焚烧固体废物中的固定碳和高分子有机物，使低分子有机物、气体有机物在含 有过量空气并保持较高温度的二次燃烧室内得到充分燃烧。一般情况，在两个燃 烧室内多装设有燃烧器，以合理控制焚烧温度。这类焚烧炉以被广泛应用于少量 城市垃圾和医院及传染性垃圾焚烧上。由于这类焚烧炉的给料系统不是连续运行， 因而烟气的排放量与温度变化较大a 从设计的角度考虑，要求一次燃烧室的温度 低于二次燃烧室的温度，而在实际运行中，很多系统一次燃烧室的温度要求高于 二次燃烧室，也就是说，要保持一次燃烧室内适当的氧浓度以保证废物的热解是 很困难的。由于底层配风的风1 2 1 经常被堵塞，操作人员就增大了向系统送风的压 力，这些底层配风通过最少阻力的风道( 没有被垃圾掩盖的风口) ，进入次燃烧 室。因此，一次燃烧室出1 2 1 的实际氧浓度可能是过量的。要保持均匀的底层配风， 对操作来讲，也是非常困难的，当垃圾中塑料的含量增加时，使用这种类型的焚 烧炉，熔化的塑料会流入底层风口，遇到冷风时，发生凝固，结果把风口堵死， 发生燃烧不正常的情况，所以，底层配风的影响直接关系到烟气污染物的产生。 对于一定量的废物垃圾，这种热解焚烧装置所产生的烟气量是较少的，其灰 尘量也相对较小，但是，对于那些操作不当的装置，会产生一些严重的烟气污染 排放问题 1 4 1s j 。 1 4 流化床燃烧技术发展的现状 流化床式焚烧炉由于其热强度高，对燃料适应性好，更适宜燃烧发热值低、 含水分高的垃圾燃料。同时，由于其炉内床层物料的成在，蓄热量大，在燃烧垃 圾时基本上可以不用助燃。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，要求垃圾进行一系列筛选及粉碎等处理，使其尺寸、状况均一化。 一般破碎n 。 1 5 m m ，然后送入流化床内燃烧。床内燃烧温度控制在8 0 0 9 0 0 c 重庆大学硕士学位论文1 绪论 冷态气流断面流速为2 m s ，热态为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 c 左右时 投入垃圾焚烧。该炉启动、燃烧过程特性与普通流化床锅炉相似。 1 4 1 国外对流化床燃烧技术的研究发展情况 经过近二十年的迅速发展，国外循环流化床燃烧技术已经形成了几个各具特色 的主要炉型( 或流派) 。它们是： 鲁齐炉型( l u g i ) 鲁齐公司是最早生产循环流化床锅炉的公司之一。其 循环流化床锅炉的特点是采用高循环倍率( 高速) ，高温旋风分离器和外置流化床热 交换器。目前这种循环流化床锅炉的大型化问题已顺利解决，最大容量锅炉是法 国普罗旺斯电厂配2 5 0 m w 机组的7 0 0 t r h 亚临界压力循环流化床锅炉。该锅炉已于 1 9 9 6 年4 月投入商业运行。 奥斯隆炉型一芬兰的奥斯隆公司是最早生产循环流化床锅炉的公司。其特 点是采用高循环倍率，高温旋风分离器，在炉膛内可布置少量受热面但不设外置 流化床热交换器。这种循环流化床锅炉的大型化问题也已顺利解决，已有各种容 量的大型电站锅炉在世界各地( 包括我国四川内江) 运行。 福斯特惠勒炉型( f w ) ，与奥斯隆炉型相近，其主要不同在于使用水冷高 温旋风分离器和在大型亚临界( 或超高压) 锅炉上采用特殊的循环灰，过热蒸汽热交 换器。最大容量的这种锅炉是装在美国宾夕法尼亚州约克郡的7 8 3 t h ( 配2 5 0 m w ) 亚临界压力循环流化床锅炉，该锅炉已于1 9 9 7 年上半年投入商业运行。 巴特利炉型这是美国巴特利试验室开发的一种多固体循环流化床锅炉。 其特点是采用专门的情性固体作床料，且其密相区下部不布置受热面，因而对煤 的粒度要求不高。按其设计意图，大颗粒煤( 如2 0 r a m 或更大) 可通过不断循环使其 燃尽这种炉型的最大容量是日本三井的3 0 0 t h 多固体循环流化床锅炉。目前少有 用户采用这种炉型。 德巴( 德国巴高克) c i r c o f l u i d 炉型一这是德巴在欧共体资助下开发的一 种低速( 低倍率) 循环流化床锅炉，其设计意图是尽可能将鼓泡床和高速循环床的优 点很好地结合起来。其特点是采用低的循环倍率和中温( 4 0 0 5 0 0 0 c ) 旋风分离。锅 炉采用塔式布置，在分离器前、炉膛稀相区的上方布置大量对流受热面。这种锅 炉的结构相对简单，但大型化，特别是再热器的布置，有一定困难。目前最大容 量的这种锅炉是装在捷克的燃褐煤的3 5 0 t h 高压电站锅炉。 美国巴威的内循环炉型这种锅炉采用高速床和两级分离器。在炉膛出1 2 1 前后的高温区装有两组槽型( 惯性) 分离器作为第一级分离，而分离下来的飞灰将 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 在炉膛上部形成内部循环。据介绍，其累计分离效率可达9 7 5 。在锅炉尾部省煤 器之后还有一多管( 旋风) 分离器作第二次分离。这种锅炉的结构相对摘单，布置更 接近传统的煤粉锅炉。目前最大容量的这种锅炉是装在美国宾夕法尼亚州的燃高 灰分尾煤的2 1 0 t h 高压循环流化床锅炉。 国外循环流化床锅炉的技术已趋于成熟。无论是锅炉本身的大型化还是各种 配套技术和设备，都已经能适应用户的各种不同要求。从某种意义上来说，对环 境保护的日益严格的要求促进了国外循环流化床锅炉的迅速发展，因而在某种程 度上国外循环流化床锅炉的理论研究还相对落后一些。近年来由于能源形势的改 善( 油、气供应的宽松) ，其他洁净煤燃烧技术的发展以及对温室气体的关心，使不 少国家循环流化床锅炉的发展有所减缓。这就使相对落后的循环流化床燃烧技术 的理论研究能够尽快赶上【1 9 q ”。 1 4 2 国内发展现状 我国虽然早在6 0 年代初就开始发展鼓泡( 流化) 床锅炉，但循环流化床燃烧技术 的起步却较晚，直到1 9 8 9 年1 1 月才有首台3 5 t h 循环流化床锅炉在山东明水电厂 投入运行。此后，在有关部门的支持下，一批中小容量( 7 5 t h 为主) 循环流化床锅 炉相继在各地中小熟电厂投入运行。其中绝大部分为国内自行开发研制，只有少 量是引进技术生产的。短短几年间循环流化床锅炉的生产和应用就得到了巨大的 发展。但由于基础研究工作相对滞后，我国循环流化床锅炉的大型化尚未取得相 应的进展。至今虽然自行开发了2 2 0 t h ( 5 0 m w ) 循环流化床的高压锅炉，但未能 得以推广。只有引进技术的2 2 0 t h ( 5 0 m w ) 机组在一些地方建成投运，目前国内 最大的循环流化床锅炉是安装在四川内江发电总厂的4 1 0 t h a ( 1 0 0 m w ) 芬兰 a h l s t r o m 技术的锅炉1 2 6 - 2 9 1 。 在理论研究方面有中国科学研究院工程热物理研究所、清华大学洁净煤燃烧技 术国家研究中心、国家电力公司西安热工研究院、华中理工大学煤燃烧国家重点 实验室、东南大学热工研究所等科研机构。在流化床锅炉生产制造上具有一定能 力和规模的有哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂、东方锅炉厂、四川锅炉厂、武汉锅炉 厂、杭州锅炉厂、北京巴布科克威尔科斯有限公司等十多家企业。随着流化床 燃烧技术的日盏成熟和推广，其必将在我国电力行业占有重要的地位。 前阶段国内循环流化床锅炉的发展也呈现基础理论相对落后的特点，这可能与 当时基础理论研究的投入不够而又大力推广有关。近年来，随着电力建设的调整， 中小容量循环流化床锅炉的生产也大为缩减，同时前阶段发展中出现的问题又急 待解决，这就使有关研制单位加大了基础研究的投入。从最近的情况看，对前阶 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 段发展中遇到的问题，不少都在开展相应的试验研究，有的还得到了较好的解决。 相信这会为今后我国循环流化床锅炉的更大发展打下坚实的基础 不仅在电力行业中循环流化床的应用越来越广泛，在垃圾处理中，循环流化床 的也逐渐走出了试验阶段，进入到大规模的工业实用阶段。在国内，浙江大学， 清华大学以及中科院都已经具备了成熟的技术，并且有一部分采用循环流化床的 垃圾焚烧炉在国内已经建成并且进入到商业化的运营p ”j 。 1 9 9 8 年8 月余杭锦江热电厂投运了浙江大学热能工程研究所和杭州锦江集团 共同开发的垃圾、煤混合焚烧循环流化床锅炉，这标志着我国企业自己进行的垃 圾直接焚烧发电开始进入产业化推广阶段。这台锅炉系由3 5 t h 链条炉改造而成， 日焚烧垃圾3 0 0t ，总发电功率为12 万k w ，对我国垃圾治理、环境保护由政府 行为变为企业行为具有积极的意义。 与此同时，流化床锅炉在烧洗煤泥和和煤矸石方面也到到了广泛的应用。因为 流化床床料的热惯性很大，能适应烧多水分、多灰分、低热值的煤泥。我国在1 0 、 2 0 、7 5 讹的流化床锅炉均取得了成功。 除此之外，流化床焚烧炉还在废轮胎的焚烧处理以及农业份废物的焚烧方面得 到了越来越广泛应用。 从我国目前已建设的焚烧炉来看，按处理规模基本上可分为三类：处理能力 小于1 0 t d 的小型焚烧炉，处理能力在1 0 t d 至5 0 t d 的中型焚烧炉；处理能力大于 5 0 t d 的大型焚烧炉。受经济条件的限制及我国城市生活垃圾组成特点的制约，以 前焚烧技术在我国主要用于单个企业处理各自产生的工业废弃物f 垃圾) 和医院处 理其产生的医院垃圾，且大部分是处理能力小于1 0 t d 的小型焚烧炉。我国生产小 型焚烧炉的企业已有3 0 多家，主要分布在北京、武汉、广州、江苏、河南、辽宁、 山东等地，专门生产焚烧炉的企业很少，大多属于机械制造厂的附属产品。国内 各企业已投入使用的小型焚烧炉数量尚无确切的统计资料，估计有数百台之多， 大多数分布在化工、食品和医药及医院等行业，用于处理生活垃圾的焚烧炉较少。 我国已使用的几种典型的垃圾焚烧炉大致如下： 深圳垃圾焚烧发电厂是我国引进日本三菱重工成套焚烧处理设备( 焚烧炉采 用马丁逆向往复炉排) 建成的第一座现代化焚烧厂。垃圾处理能力4 5 0 t d ( 安装3 台处理能力1 5 0 t d 焚烧炉，其中第三台1 5 0 t d 焚烧炉的炉排是从日本三菱重工引 进，其它设备由国内配套) ，其工艺、设备先进，自动化程度高，运行主要参数采 用微机控制，其先进的技术加之完善的配套设施及管理手段，为我国发展自己的 垃圾焚烧技术提供了宝贵的经验。 常州市环卫工程设计研究所与常州市环卫环保设备厂共同研制出f d l i f 一 5 0 b 生活垃圾焚烧炉，垃圾处理能力5 0 t d ，其主要特点是：( 1 ) 出渣口采用水封 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 方法，由p l c 自动调整炉膛负压；( 2 ) 在烟道接合处采用伸缩连接工艺：( 3 ) 在 炉条上设计了独持的处理积灰装置及设计了当混和垃圾中夹有部分金属和建筑垃 圾使炉排受堵、受力剧增时的自动卸荷装置和为方便维修和磨损后节距加大、长 度延长时的涨紧装置；( 4 ) 设置了炉膛火焰、进料的监控显示装置。这种技术适 合中小城市日处理2 0 l o o t 生活垃圾的规模，为我国开发全国产化城市生活垃圾焚 烧炉开创了一条新路t 3 4 - - 3 9 1 ， 由沈阳环境科学研究所开发、沈阳市环保局推荐的城市医疗垃圾热解焚烧技术 适用于处理医疗垃圾。该项目采用热解氧化工艺，垃圾进入一段炉后，炉底点火 形成一定的火层作为热源，通过控制燃烧速度使火层上部的垃圾在5 0 0 下缺氧热 解，热解气体进入二段炉在1 0 0 0 1 1 0 0 下烟气停留时间达1 5 2s ，在过氧条 件下充分燃烧净化，一段炉热解后的残渣在过氧条件下燃尽。该焚烧炉主要技术 指标为： 一段炉温度：5 0 0 8 0 0 c ； 二段炉温度：1 0 0 0 1 1 0 0 ，烟气停留时间1 5 2 & 垃圾有害组分破坏率：9 9 燃烧效率：9 9 9 排放尾气、残渣中有害组分达到国标。 该焚烧炉的投资效益分析如下： 投资情况：总投资：1 5 0 万元，其中设备投资：9 0 万元。投资回收年限：当年。 经济效益：直接经济净效益：1 8 0 万元a ，运行费用：5 0 万元。该技术由国 家环境保护总局于1 9 9 8 年1 2 月2 9 日组织鉴定。该项医疗垃圾焚烧技术被国家环 境保护总局评为1 9 9 9 年国家重点环境保护实用技术推广项目( b 类) 。 纵观国内自行开发和生产的垃圾焚烧炉，均有下列特点： 处理能力小； 投资低，大部分在1 0 0 0 万元以下，小型焚烧炉的投资只需几万元至几十 万元： 炉体结构简单，自动控制程序低，导致各设计参数( 如炉渣、辅助燃料、 停留时间等) 难以满足设计要求，焚烧效果不理想； 配套设施不完善，运行不稳定，尾气净化系统简陋，或难以满足工业卫生 和环保要求： 设备寿命短( 可靠性差) ，维修工作量大。 综上所述，同其它炉型相比，循环流化床锅炉焚烧废物具有以下特点： 对焚烧废物适应性特别好，圃体、液体和气体废物均能在锅炉内燃烧，如 城市垃圾、农业废物、煤矸石和煤泥、非木头、废油和污泥、石油焦和化工废物、 9 至壅丕兰堡主堂垡笙塞! 丝堕一 各种含可燃质成分的废液和废气及各种有毒有害的废物，均可采用流化床焚烧技 术处理。 与其他焚烧装置相比，其燃烧效率高5 1 0 个百分点。 与其他固定炉排、往复炉排相比，流化床焚烧装置没有活动部件，结构相 对来说比较简单，能耗少，可靠性性，结构紧凑。 循环流化床焚烧温度一般比较低，在9 0 0 左右，所以不易结渣。 流化床锅炉具有优良的低二次污染物排放特性，可以降低垃圾焚烧厂的环 境投资。 由于流化床的床料有着良好的蓄热能力，可以焚烧低热值燃料，更加适合 我国垃圾热值普遍较低的的现状； 对燃料的尺寸要求比较严格，对于大尺寸的垃圾需要破碎 对于灰分少的垃圾需要使用床料，并在运行过程中不断补充，以维持正常 燃烧 要维持床料的流化状态，需要使用大功率的风机，所以用电比较大。 1 5 循环流化床垃圾焚烧炉的技术特点 1 5 i 医疗垃圾焚烧的炉内过程 通常医疗垃圾的几种主要可燃成分，如输液管、棉签、纸屑、纱布、塑料等， 其挥发分含量都比较高，燃烧过程中其受热析出的时间较长，一旦析出，可以在 一定温度和充足的氧气条件下迅速燃烧。 在扩散控制条件下，垃圾燃料挥发分的燃烧受颗粒尺寸、燃烧温度、挥发分 成分的影响，其中颗粒尺寸的影响最为强烈。当燃烧温度为1 3 0 0 k 时，直径从0 1 m m 增大到1 0 0 m m ，挥发分的燃烧时间从几十毫秒增加到几百毫秒，延长了一万倍。 在动力控制条件下，垃圾的挥发分主要受燃烧温度和挥发分成分的影响，其中燃 烧温度是主要的1 4 0 , 4 1 l 。 碳的燃烬主要是受颗粒尺寸和温度的影响，其中温度的影响更为强烈。当温 度提高1 0 0 度时，碳的燃烧时间降低了一个数量级，而粒径要减小五倍，碳的燃 烧时间才降低了一个数量级。 由以上分析可知，在垃圾燃烧过程中颗粒的尺寸，以及燃烧的温度是影响其 能否燃尽的两个最重要的因素。故在预处理费用允许的条件下，宣将垃圾破碎， 而对于悬浮燃烧，可通过减少颗粒尺寸、增强炉内扰动、提高燃烧温度来实现动 力控制工况，从而使物料能更好的燃烧。 由此可知，医疗垃圾炉内的燃烧是一个非常复杂的过程，它与煤的燃烧有巨 1 0 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 大差异。医疗垃圾由于其挥发分大于煤和城市生活垃圾，故较二者更易燃烧。 垃圾焚烧炉的设计要求使垃圾在足够高的温度下完全燃烧，才能最大限度的减少 二恶英的生成。基于医疗垃圾的特殊要求，炉膛设计成高瘦形，应有较大的容积 热强度。在炉膛内减少或不设置水冷壁，并应加高温二次风使高温烟气充分混合。 入炉冷空气应先进行预热。 1 5 2 烟气的处理与控制 焚烧技术中，烟气的处理是其中难点之一。医疗垃圾中含有许多塑料制品和 塑料包装材料，使垃圾中的硫、氯含量不断增加，因而烟气腐蚀性大大增加。我 国第一家垃圾焚烧发电厂就是因为烟气腐蚀问题，使工作受到具大影响。 实验和实际运行经验均表明，不论是碳钢或合金钢，高温腐蚀与试样所处的 气氛有密切关系。只有在缺氧的环境中，被腐蚀的管壁才会形f e e l 2 、c r c l 2 、n i e l 2 等 腐蚀产物。因此控制局部c o 含量高的还原性气氛，可控制腐蚀的加速 3 3 】。 为避免或减轻受热面高温腐蚀；通常采用过量空气。有时炉内过量空气系数 会超过2 。加大炉膛和降低炉内气流流速的措施对减轻腐蚀也能起到一定作用。从 避免产生废水的角度出发，有三种方式可以选择：( 1 ) “干式吸收+ 布袋处尘”工 艺( 2 ) “喷雾干燥吸收+ 加布袋处尘”工艺( 3 ) “喷雾干燥+ 布袋除尘+ 湿式洗涤” 工艺。【2 习比较三种方案的投资和运行费用，目前，我国应优先选用方案一，条件 允许时也可选用方案二，方案三宜在2 0 1 0 年以后选用。 1 5 3 焚烧系统应注意的问题 为保证医疗垃圾稳定洁净的燃烧，医疗垃圾的焚烧系统应满足的以下几项要 求 3 3 3 9 燃烧设备应该具有对垃圾成分( 水或热值等) 突然出现波动情况适应的能 力。当垃圾成分发生波动时。焚烧炉垃圾给料量以及一次风量及其分布温度均应 及时准确地予以调节。 燃烧空气( 一次风和二次风) 进行预热。 炉膛及二次燃烧室内的烟温不低于8 5 0 1 8 ，烟气在炉膛及二次燃烧室内的 停留时间不少于两秒，并合理控制助燃空气的风量、温度和注入位置。 控制烟气中的一氧化碳浓度低于6 0 m g m 3 ，氧气浓度不少于6 。 若炉型为炉排炉，则炉排上的垃圾料层厚度保持在1 0 0 m m 左右。 提高一次风温，保持生活垃圾充分预热烘干。 具有投入某些添加剂的可能性，以降低某些有害物质如二囔咽、n o 。、s o 。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的排放量。 燃烧室下部不设水冷壁，采用性能好的耐火材料。 将整个焚烧过程划分为垃圾焚烧阶段和烟气中可燃有害物质的燃烧阶段， 后一阶段烟气的燃尽需要足够的空气。在垃圾焚烧阶段需限制燃烧空气量，以避 免炉膛温度的强烈波动以及产生过多飞灰。 保证较低的灰渣和飞灰含碳量，燃尽良好。 1 6 小结 我国的医疗垃圾，成份比较复杂，水分比较高，灰分比较高，而热值又相对比 较高。因此，循环流化床焚烧技术( c f b c ) ，是处理垃圾的理想选择。 虽然循环流化床得到了越来与广泛的应用，但是想对与煤份炉来说，循环流化 床的基础研究与实验研究进行的并不是非常深入，特别是完整的热态试验研究。 由于循环流化床炉内是气固两相流，同煤粉炉相比较而言，流化燃烧技术特别是 循环流化床燃烧的一些问题还没有得到完全的解答，这样就大大制约了循环流化 床的进一步大规模应用。采用循环流化燃烧技术处理城市垃圾是上世纪7 0 年代在 日本兴起，应用远远没有炉排炉( 特别是马丁炉) 广泛。我国仅有几家大规模现 代化垃圾焚烧厂无一例外的引进日本三菱的马丁炉燃烧技术，还没有见到循环流 化床燃烧城市垃圾的工业应用例子。而专门以医疗垃圾或者城市生活垃圾作为燃 料的循环流化床热态试验，则更加少了。国内仅有的热态试验研究也很少有公开 的报道。浙江大学热能工程研究所对流化床垃圾焚烧炉的回料机构，二次污染物 的产生特性进行了研究，得出了不少有益的结论。除此之外，国内的研究机构多 是涉足于理论性的探讨，或是进行冷态试验结果数值模拟推测出合适的结果。本 课题研究得出的结论不仅对于循环流化床炉内燃烧过程有很好验证作用，更重要 的是，它可以作为设计循环床垃圾焚烧炉的一个重要的参考依据，并且对于如何 从设计以及运彳亍中抑s r j - - 次污染物的产生都提供了有益启示，为了循环流化床在 清洁焚烧城市垃圾医疗垃圾的进一步大规模应用提供了必要的条件，为促进中 国的环保事业发展贡献力量。 重庆大学硕士学位论文 2 医疗垃圾特性 2 医疗垃圾特性 准确把握医疗垃圾各项物理化学性质是设计燃烧装置、进行热力计算的前提 条件。由于我国对医疗垃圾的研究尚处于起步阶段，对垃圾的燃烧特性( 如热值、 挥发分、灰分、水分的含量等) 及热解特性尚没有相关资料，所有的这些都必须通 过实验来确定，从而为进行焚烧炉系统的设计和试验准备必要的基础数据。 2 1 医疗垃圾组份分析 在对重庆某医院实地调查中，进行三次考察，对换药室、注射室和住院部的 垃圾进行了取样，每次重量( 毛重) 分别为0 3 4 ，0 2 7 ，o 2 9 千克。结果发现，医 院垃圾的主要成分中有机物占7 1 ，无机物2 9 ，且无机物中的绝大部分为医疗 废弃玻璃残渣。与生活垃圾有重要不同之处在于，医疗垃圾容易实现分类投放( 将 玻璃与非玻璃分开) ，因此，医疗垃圾中的不可燃成分将大大减少，更容易实现燃 烧。由于垃圾容易实现分类处理，此次实验只对医疗垃圾中的有机物进行分析。 其有机物的主要成分如表2 1 所示。 表2 1 医疗垃圾的成分 t a b l e 2 1 t h ec o m p o n e n t so f m e d i c a ls o l i dw a s t ei nh o s p i t a l i 组分名称输液管 棉签纸屑纱布塑料其他 i 重量( 克) 1 4 1 51 2 1 3o 7 3 50 9 6 80 4 8 50 - 3 5 l 百分比( ) 2 2 9 51 9 6 71 1 9 23 1 9 7 8 75 6 8 2 2 医疗垃圾工业分析 2 2 1 单一组份的工业分析 表2 。2 和表2 3 分别标出了几种常见医疗垃圾的主要成分的工业分析和热值。 由表中可知： 在各单一组分的工业分析图2 2 当中可以看到，医疗垃圾中的灰分含量很 少，小于9 ：固定碳的含量也很少，不超过2 0 ，这决定了医疗垃圾的热值与一 般动力用煤有一定差距。塑料、输液管中的水分含量很少，约为1 0 ；而挥发分 的含量很高，高达8 0 。纱布和棉花中水分的含量数值较大，由于二者往往被医 用酒精浸湿，在测定水分时，酒精也同时挥发，从而使得表中的水分含量显得特 别高。因此，实际水分含量应减少一定数值，而将减少的部分加到挥发分中去。 重庆大学硕士学位论文 2 医疗垃圾特性 与生活垃圾不同，几种医疗垃圾的主要成分热值都相对较高，在 1 0 2 9 3 2 2 9 1 6 4 2 k j k g 的范围内波动，已经达到一般劣质煤的热值。而且其挥发分 含量较高，比生活垃圾更容易着火和燃尽。 表2 2 各种医疗垃圾组分工业分析比较 t a b l e 2 2t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p o n e n t si nm e d i c a lw a s t e 挥发分( )灰分( )水分( 呦固定碳( ) 塑料 8 081 2 输液管 8 7 17 5 纸4 073 51 8 棉花 2 3o 5 7 33 5 纱布5 1o 84 2 26 表2 3 医疗垃圾的几种主要成分的热值 名称塑料输液管纸 棉花纱布 l 热值( k 1 k g ) 2 8 7 5 2 52 9 1 6 4 ，2 1 3 3 9 3 61 0 2 9 3 21 3 0 1 3 8 2 2 2 混合医疗垃圾的工业分析 表2 4 混合垃圾抽样组分的工业分析 水分灰分挥发分固态碳热值 垃圾编号 ( )( )( )( ) ( k j k g ) 垃圾13 0 80 9