（工程热物理专业论文）流化床垃圾焚烧炉新型布风装置的试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 y 0 3 3 3 1 3 8 7 随着经济的飞速发展j 城市垃圾的产量不断增加及其所带来的环境污染已 成为国际社会所共同面临的问题。垃圾处理的目标是实现无害化、资源化和减 量化，传统的处理技术已很难满足我国垃圾处理的需要，采用流化床焚烧处理 垃圾是实现减量化最快捷和最有效的方法之一，本文对流化床关键部件之一的 布风装置进行了试验研究。 垃圾中含有大量的不可燃物，焚烧时这些不可燃组分留在炉内将严重影响 流化质量，甚至危及锅炉的正常运行，因此必须迅速将这些不可燃物排出炉外， 基于上述要求本文设计建造了倾斜布风板流化床冷态试验台，并进行了流化床 内颗粒横向混合特性的试验研究。实验表明，对于采用传统布风装置的流化床 而言，不同的给料位置对床内物料的混合无多大的影响，采用倾斜布风板、导 向风帽和分风室送风更有利于床内物料的横向混合。 管式布风装置作为一种新型的布风方式应用于流化床垃圾焚烧炉中，具有 许多的优越性，它采用了流化床和移动床相配合的方式摒弃了单纯流化床或 单纯固定床的缺点，能够满足炉内大块炉渣顺畅排除和冷却的要求。这种集布 风、冷渣一体化的装置成功地解决了灰渣冷却、床料分选回送之间的矛盾，同 时它还具有结构简单、造价低、阻力小、排渣顺畅和维修方便等优点。本文介 绍了管式布风装置的冷态试验台，并对布风管的阻力系数进行了测定，发现其 值较普通布风板的值要小，同时对床层阻力特性和连续运行情况下的排渣特性 进行了试验研究。结果表明，采用管式布风装置的流化床具有与常规流化床相 类似的床层阻力特性。卜一 关键词：城市生活垃圾，焚烧，流化床，倾斜布风板，管式布风装置 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ei n c r e a s i n gm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) a n di t sp o l l u t i o n t ot h ee n v i r o n m e n th a sb e c o m et h ec o m m o nd u t yo f i n t e r n a t i o n a ls o c i e t y t h eg o a lo f t r e a t i n gm s w i st om a k ei ti n n o x i o u s r e s o u r c e f u i a n dr e d u c t i v et h et r a d i t i o n a lm e t h o dt od e p o s ew a s t ei sn o ts u f f i c i e n tt om e e to u r c o u n t r y sn e e d f l u i d i z e db e di n c i n e r a t i o ni so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d st o d e p o s em s w i nt h i sp a p e r t h er e s e a t c hw o r ki sd o n ea b o u td i s t r i b u t o r o n eo ft h e p i v o t a lp a r t so f f l u i d i z e db e d t h e r ea r eal o to fi n c o m b u s t i b l et h i n g si nm s w t h e yw i l ls t a yi nt h ei n c i n e r a t o r w h e n i n c i n e r a t i n g a n dt h i sw i l le n d a n g e r t h er e g u l a rw o r ko ft h ei n c i n e r a t o r s ot h o s e i n c o m b u s t i b l et h i n g sm u s tb eg o tr i do fq u i c k l yw eh a v eb u i l ts l a n td i s t r i b u t o ro f c 0 0 1t e s t e ra n dd o n et h e e x p e r i m e n ta b o u tr a d i a lm i x i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs o l i d m a t e r i a l s f r o mt h ee x p e r i m e n tw ek n o wt h ed i f f e r e n t p o s i t i o no ff e e d i n gh a sn o m u c hi n f l u e n c eo nt h er a d i a lm i x i n gi ti sm o r e a d v a n t a g e o u s t ot h er a d i a lm i x i n go f m a t e r i a l si nt h ei n c i n e r a t o rw h i l ea d o p t i n gs l a n td i s t r i b u t o r , d i r e c t e dc u po fd i s t r i b u t o r a n d a p a r tw i n d b o x t h e p i p ed i s t r i b u t o ri san e w s t y l ed i s t r i b u t o ri nt h ef l u i d i z e db e di n c i n e r a t o ra n d h a sai o to f a d v a n t a g e ，i ti st h ec o o p e r a l i o no ff l u i d i z e db e da n dm o v i n gb e d ，a n d t h r o w so v e rt h ed i s a d v a n t a g eo f s e p a r a t ef l u i d i z e db e da n dm o v i n gb e di tc a nc o o l s c l i n k e r q u i c k l ya n d e x c l u d e sb i gc l i n k e rs m o o t h l y t h i sd e v i c es u c c e s s f u l l ys o l v e st h e c o n f i i c tb e t w e e n c o o l i n gc l i n k e ra n dr e m i n d i n gt h es a n d w h i c hh a sb e e nd i v i d e df r o m t h em a t e r i a lo ff l u i d i z e db e d a tt h es a m et i m e , t h i sd e v i c eh a sal o to fa d v a n t a g e s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，m i n o rr e s i s t a n c e ，d i s c a r d i n gs m o o t h l y , c o n v e n i e n t m a i n t e n a n c ea n ds oo n w eh a v eb u i l tc o o lt e s t e ro fa i rp i p ed i s t r i b u t o r i nt h i sp a p e l w eh a v em e a s u r e dt h ec o e f f i c i e n to fr e s i s t a n c ea n df o u n dt h a tt h ev a l u ei ss m a l l e r t h a nt h a to f o r d i n a r yd i s t r i b u t o rw e a l s oh a v em e a s u r e dt h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ef l u i d i z e db e da n dd i s c a r do fc l i n k e ru n d e rs u c c e s s i v ef u n c t i o n t h er e s u l t s h o w st h a tt h ef l u i d i z e db e db o t hu s ea i rp i p ed i s t r i b u t o ra n do r d i n a r yd i s t r i b u t o rh a s s i m i l a rr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d ：m s 、mi n c i n e r a t i o n ，f l u i d i z e db e d ，s l a n td i s t r i b u t o r a i rp i p ed i s t r i b u t o r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 本文的背景 城市垃圾是城市居民日常生活的副产品，它伴随居民生活而产生，成份和 产量也伴随居民消费水平的提高和消费方式的改变而变化。世界各国，在城市 规模、人口、经济水平、消费方式、自然条件等差异很大，致使城市垃圾的产 量和质量存在明显的差别，因而城市垃圾对居民生活和城市环境影响的程度也 不同，随着经济飞速发展，城市规模不断扩大，人口高度集中，人民消费水平 的提高，城市垃圾的产生量不断增加。从我国来看，1 9 9 0 年中国城市生活垃圾 产量为7 5 2 9 万吨，至1 9 9 5 年垃圾产量已达1 亿吨，年增长率大于7 0 0 。航空遥 测表明，目前我国主要城市郊外大小垃圾堆己形成对城市的包围圈。众所周知， 城市生活垃圾的危害在于：侵占土地，平均每吨固体废弃物占地面积约为1 2 m 2 ： 污染大气、土壤及水体，并且造成的危害难以恢复，同时污染还会实现传递， 严重影响到人类生活的环境。因此，如何有效地处理城市垃圾己成为一项紧迫 的课题。 环境与能源是世界经济发展面临的突出问题，大气空间、土壤、水质由于 经济的发展已造成严重的污染，发达国家对环境的污染已采取严格的控制措施； 同时经济的发展也造成能源的紧缺及不久的将来某些一次能源的枯竭。垃圾的 焚烧处理既可以满足环境保护，又可以达到充分利用能源的目的。 1 2 城市垃圾的特性 城市垃圾可依其经济性、资源性及有害性分为以下六大类： l 资源垃圾：废纸类、废罐头类、废塑胶、废玻璃等。 2 可燃性垃圾：木竹类、纤维布类、庭院废弃物等。 3 不可燃垃圾：玻璃、土沙、陶瓷等。 4 不适燃垃圾：塑胶、橡胶、皮革等。 5 有害垃圾：水银电池、温度计、日光灯等。 6 臣火垃圾：废家俱、废冰箱、废洗衣机等。 城市垃圾成份与其经济发达程度、居民生活水平咀及生活习惯有密切关系， 经济发达的国家和消费水平高的地区及城市，其城市垃圾不仅产量高，而且固 体废弃物中的纸、塑料及其他容器废弃物( 如罐头和饮料用的盒、罐、瓶等1 所 占比例也大，而经济不发达的国家与消费水平低的地区及城市则反之。美国环 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 保署对城市垃圾的质与量曾做过完整的预测分析，在物理组成方面由表1 1 可 知，美国垃圾的纸类及金属含量较高。 年份 物理组成 1 9 8 0 ( )1 9 9 0 ( )2 0 0 0 ( ) 纸类 3 36 3 8 34 10 庭院废弃物 1 82】7 0 1 53 厨余9 2776 8 塑胶 6 o839 8 木屑393 738 纺织品 232222 橡胶及皮革 332 52 4 玻璃 8876 金属1 0 - 39 4 90 杂项 l92l 2l 总和1 0 0o1 0 00 l o oo 城市垃圾是一种极不均匀、种类各异的异质混合物，它的产量和物理化学 特性很难掌握。长期以来，虽然垃圾分析对垃圾处理方法的重要意义逐步被认 识，但是在较大范围内一直没有系统地开展这项工作。 国家美国臼本 西德意大利英国法国瑞士 有机物c ) 6 0 8 4 25 057 26 38 0 6 5 无机物( ) 1 92784 95 2 81 82 03 5 其他2 088 1 9 热值( 1 j ，i 嘻) 1 1 6 4 21 1 0 0 0 8 3 8 36 9 9 59 7 8 09 3 1 4i 0 0 1 2 含水量( ) 2 53 53 02 5 3 53 5 如果将城市垃圾作为固体燃料进行处理和利用，那么其含水量和热值是决 定性的关键因素。由表1 2 中可以看出龆分发达国家城市垃圾中，有机物占了 很大比例平均为6 7 8 1 ，垃圾的热值也较高，平均热值为9 4 3 7 k j k g ，有利于 采用芡烧回收能源的处理方法， 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 垃圾成份不是固定不变的，不同地区、不同季节，甚至同一城市中不同区 域( 工业区与生活区) ，同一季节不同时间都会有较大变动。表1 3 给出了我国 南方城市不同时期的垃圾物理成份及热值q 品。由表中数据可知，我国南方经 济发达城市的垃圾中可燃成份在2 5 - 4 0 的范围内变动，热值在3 3 4 0 - 7 5 3 5 k j k g 的范围内变动，有时候变动范围还会比这稍大些。 表1 3 几次垃圾抽样的物理成份c 呦与热值q 盏( k j k g ) 序号布、纸草、木塑料其它垃圾不可燃物水份 q 量 l62976 92 42 4 05 083 3 4 0 2l l21 1 51 23382 l43 986 2 8 0 31 3 51 2 71 464 11 7 73 7 47 5 3 5 1 3 城市垃圾处理的现状与发展 1 3 1 城市垃圾的一般分类 我们通常讲的城市垃圾指城市居民在日常生活中抛弃的固体垃圾。它主要 包括：生活垃圾、零散垃圾、医院垃圾、市场垃圾、建筑垃圾和街道扫集物等。 ( 1 ) 生活垃圾。它指居民在住宅内的日常生活中产生的固体生活垃圾，是一 种成份相当复杂的异质混合体，并且随居民生活水平的改变而变化。 ( 2 ) 零散垃圾。它包括两部分，一部分是居民在生活活动中随手抛弃的固体 垃圾，一部分是需要单独收集和运输的庞大家庭垃圾，如：各类家用电器，旧 家具等。它的特点是非常零散，而且产量和成份波动很大，不易掌握。 ( 3 ) 市场垃圾。它指在商店、市场等处产生的类似生活垃圾成份的垃圾，其 主要成份是食品废物、饲料废物，包装材料、办公室废物等。这种垃圾的产生 量比较大，可以单独收集，也可以和生活垃圾一起收集和清除。 ( 4 ) 医院垃圾。它指在医院内产生的固态和液态垃圾，主要包括废弃的医疗 器械，病房的粪、尿、痰，手术室污物，废弃药品等，这种垃圾含有大量致病 菌，是各类疾病的传染源，应严格采取单独清运，集中焚烧处理的方法。 ( 5 ) 街道扫集物。它指在道路清扫过程中收集的各类垃圾和废物。这类垃圾 通常是灰尘等惰性物。在秋季，各类树木落叶占很大比例。 ( 6 ) 建筑垃圾。它指在翻建、修缮和新建城市建筑物遗留下的垃圾和废物。 在城市扩建、改建规模较大的城市，它的产量是相当可观的。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 城市垃圾的回收及处理 由于城市垃圾对环境造成危害而发生的公害案，推动了工业发达国家致力 于城市垃圾资源的开发和利用。日本各种公害案中8 4 0 0 是由于城市垃圾引起的。 美国1 9 7 2 1 9 7 7 年发生过六次城市垃圾污染事件。这种现实推动了有关国家的 环境保护法规的制订和不断完善。反过来，环境保护法规的实施对推动了城市 垃圾资源化技术的研究与应用。 图1 1 城市垃圾的处理目标系统图 自然资源中有些是属于不可更新的，一经用于生产或生活，即从生态圈中 永久消失。像各种非金属或金属矿物那样，它们并非取之不尽，用之不竭，而 具有枯竭的必然性。能源危机的出现，增强了入们对城市垃圾资源化的要求， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 工业发达国家要求更为迫切。近年来，“垃圾经济”一词经常出现在欧美国家的 杂志上。它包含两个意义：( 1 1 回收垃圾中的部分物品，经加工使之成为有用 的东西，以降低产品原料成本；( 2 ) 利用垃圾焚烧的热量生产民用电，既可以 节约一次能源，又可以解决垃圾堆放问题。 城市垃圾处理的实质是改变原垃圾的物理、化学性质及减少垃圾数量的过 程，其最终目标是实现城市垃圾无害化、减量化、安定化和资源化，既消除垃 圾的污染危害，又为社会创造财富，在环境、社会、经济三方面的效益兼而得 之，达到化害为利的目的，图11 给出了城市垃圾处理系统图。 目前处理垃圾的方法有海洋倾泄，陆地填埋，高温堆肥和焚烧法等，海洋 倾泻处理废弃物费用高且易产生二次污染，是一种消极方法，填埋法随着社会 发展和环境保护要求的提高，其局限性也越来越大，这是由于：( 1 ) 填埋需要 大面积土地：( 2 ) 需要的技术条件过于严格；( 3 ) 填埋的垃圾经过若干年以后， 在厌氧条件下由于微生物降解作用，会产生气体，引起严重二次污染，并己屡 次发生填埋气爆炸事件；( 4 ) 长期堆积将最终导致重金属积蓄，污染地下水， 不利于土地再利用，填埋还需慎重选址，受到了各方面限制。目前，由于环境 等方面要求，直接焚烧、气化和热解日益受到各国的重视。表1 4 给出了世界 各国垃圾不同处理方法的比较。 填埋堆肥焚烧回收 美国 6 052 5 日本3 29 26 53 联邦德国 7 232 5 法国 5 02 03 0 荷兰 5 02 03 0 比利时 6 292 9 瑞士 1 51 47 0 丹麦3 226 6 奥地利 6 5u2 4 瑞典 7 523 3 澳大利亚 6 2l l2 4 近年来焚烧技术飞速发展的原因是： 1 生活水平提高，人们的消费结构发生了变化，物品包装的改善等使垃圾 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 热值显著提高。 2 能源紧张，能源结构发生了变化，使人们把注意力投向垃圾产能这方面。 3 大大地减少垃圾体积和重量，同时焚烧后的灰渣还可综合利用r 焚烧后体 积可减少9 0 以上) 。 4 垃圾的处理速度快，不需要长期储存。 5 垃圾就地焚烧，不需要长距离运输。 6 燃烧技术的进步和完善，尾气净化技术的进步。 现代对垃圾的处理方法要达到垃圾的无害化、减容化、资源化的目的，焚 烧法是达到这一目的的有效途径。6 0 年代后，垃圾不但大量增加，而且其成份 也发生了很大的变化，可燃物在垃圾中比例明显上升，为垃圾的焚烧奠定了基 础。根据垃圾的燃烧特性，当其热值大于3 3 5 0 k j k g 时，不需外加燃料便能维 持燃烧，国外发达国家垃圾热值已远远超出此值。焚化处理可使垃圾高湿灭菌 达到无害化，同时可使垃圾减容，减量分别可达9 0 左右。而且可采用焚烧余 热供汽或发电，达到资源利用的目的。因此垃圾的焚烧处理是发展的必然趋势。 1 4垃圾焚烧处理概况 城市垃圾的焚烧历史可以追溯到1 8 7 4 年的英国。早期的城市垃圾热值不高， 同时由于焚烧炉本身结构比较简陋，没有良好的尾气净化措施，操作时烟气惊 人，因此，直到6 0 年代垃圾焚烧并没有成为主要的垃圾处理方法。本世纪五六 十年代间，西方资本主义国家经济发展迅速，城市垃圾的数量也迅猛增加，这 时候西欧国家注意到了垃圾焚烧处理所具有的卓越的减量化效益，体积和重量 分别可缩减了3 7 9 0 和5 0 8 0 ，因此，从6 0 年代开始，城市垃圾的焚烧处理 得到了飞速的发展，特别是1 9 7 3 年石油危机发生后，能源价格高涨，加速了垃 圾能源回收技术的发展，垃圾焚烧厂如雨后春笋。 利用垃圾焚烧热产生蒸汽和发电已有1 0 0 多年的历史。第一个固体废弃物 发电设备于1 8 9 5 年在德国汉堡建成，1 9 0 5 年在纽约建成了焚烧城市垃圾发电 厂，直到1 9 5 0 年，垃圾焚烧设备一直是用包括耐火材料的焚烧炉和具有专门回 收热量的锅炉组装而成。1 9 5 4 年，第一座现代化水墙式垃圾焚烧炉在瑞士的伯 尔尼建成。7 0 年代初在伦敦的e d m o n t o n 建立了当时世界上最大的垃圾焚烧厂， 共有五台滚动炉排锅炉，其中一台用了季节调峰，年处理量接近四十万吨。接 着在n o t t i n g h a m ，j e n s e y , c o v e r t y 都建造了比较大的垃圾焚烧厂。目前，欧州有 5 0 0 多座垃圾焚烧热回收装置在运行，每座处理能力1 3 0 1 8 0 0 t 。美国政府从8 0 年代起投资2 0 亿美元兴建9 0 座年处理能力为3 0 0 0 万吨的垃圾厂，到1 9 9 0 年 己发展到4 0 2 座，焚烧率达1 8 。美国的垃圾焚烧厂的处理能力普遍较强，1 9 8 5 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 年在纽约建造了当时最大的垃圾焚烧厂。处理能力为2 2 5 0 9 d 。1 9 9 1 年投产的 垃圾焚烧厂平均处理量为1 4 0 0 t d 。法国现有垃圾焚烧炉约3 0 0 台，可以处理4 0 0 , 4 的城市垃圾，在巴黎附近的i s s y 厂，便有马丁炉四台，每台炉处理能力为4 5 0 t d 。 西德在1 9 6 5 年只有7 台垃圾焚烧炉，1 9 8 5 年已有4 6 台，到1 9 9 5 年已发展到6 5 台。日本在垃圾焚烧技术方面处于世界领先地位，日本的垃圾焚烧技术已普及 到中小城市，采用焚烧处理垃圾达7 5 ，瑞士的垃圾焚烧率达7 0 ，新加坡在 1 9 8 6 年建成了一座处理能力为2 7 6 0 t d 的垃圾发电站后，实现了新加坡垃圾的 全部焚烧化。香港己建造了三座垃圾焚烧厂。澳门建立了座处理能力为 2 8 8 x 2 t d 的垃圾焚烧厂，1 9 9 2 年投入使用，实现了澳门垃圾的全部焚烧处理。 我国垃圾处理技术比较落后，目前以“填埋”为主，“雄肥”为辅，只在极 少的几个城市建立了垃圾焚烧厂，在少数地区还存在着无组织排放、露天堆放 的情况，既造成了严重的环境污染，又侵占了大量土地。垃圾焚烧技术在中国 的应用在近三四年内刚刚兴起，目前深圳、乐山、广州、杭州、徐州等城市己 建立了垃圾焚烧厂，进行了垃圾焚烧发电的示范性试验，但其规模不大，曰处 理能力在1 5 0 3 0 0 吨左右，北京、沈阳、上海等大城市正在计划兴建较大规模 的垃圾焚烧发电厂。 1 5 城市垃圾渣化床焚烧技术综述 流化床焚烧炉己成为近年来焚烧炉发展过程中的重点项目，主要是流化床 在炉体的构造及燃烧控制技术方面有了新的解决对策，不但能实现完全燃烧， 且能有效地控制n o x 、s o x 及二恶英等二次污染物的产生，在操作成本及控制 上也有许多优点，较传统的机械式焚烧炉更能克服目前垃圾处理所面临的问题。 因此，现今许多国家皆已朝向流化床的研究方向迈进，以期使二恶英等二次污 染物排放至环境中的机率降至最低，使焚烧技术更为纯熟，同时配合资源回收 厂的建立，以低成本高效率的方式回收能源。流化床燃烧技术在发电工程上的 应用已相当成熟，由于拥有燃烧效率高、操作稳定及低污染排放等特色，使得 许多国家投入大量的人力及经费，朝向应用流化床焚烧废弃物方面的研究，目 前已有相当的成效。 1 5 1 流化床焚烧炉的应用 1 9 6 2 年美国首先采用流化床技术焚烧城市下水污泥，近几十年来，随着人 们环保意识的不断增强，流化床的优势越来越突出，在日本，流化床焚烧技术 得到了迅猛发展，其处理容量也日益增加，美国则朝向大型化的循环流化床焚 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 烧技术发展。 表1 5 欧美各国利用流化床焚烧炉处理城市垃圾业绩表。 鼓泡流化床焚烧炉 出厂购买单位发电量压力污染物燃料处理 年份控制设备容量 ( t h ) 1 9 7 9 e k s j8 v a r m e v e r k5 m w 6 m p a 布袋除尘器城市废弃物、2 e k s j ；，s w e d e n 8 m m b t u ， i衍生性燃料、 废木材 1 9 8 3v ；s t e r v i k2 x 1 0 m w 1 6 m t m 石灰泥+ 布城市废弃物、8 v ；r m e v e r k 2 x 3 5 m m b t u h袋除尘器废木材、泥煤 v ；s t e r v i k , s w e d e n 1 9 8 3b o l l n ；v i! x 1 0 m w 1 6 m p a 石灰泥+ 布城市废弃物、 8 r m e v e r k8 m m b t u h袋除尘器废木材、泥煤 b o l l n i 量s w e d e n 1 9 8 3l a n d s k r o n a2 x 1 0 m w1 6 m p a 石灰泥+ 布r d f 、废木材、8 v ；r m e v e r k ， 2 3 5m m b t u h袋除尘器煤 l a n d s k r o t m ，s w e d e n 1 9 8 4 l i d k ；p i n g 2 1 5 m w 1 6 m p a 石灰泥+ 布城市废弃物、1 2 v a r m e v e r k ， 2 x 5 l m m b t u h袋除尘器废木材、泥煤 l i d k ；p i n g ，s w e d e n 1 9 9 5b c h e n e r g y , 蒸汽2 4 0 5 t h4g m p a石灰泥+ 活r d f2 4 f a y e t t e v i l l e ，n c ，u s a 2 8 9 0 0 0l b s ， i性碳+ 布袋 除尘器 循环流化床焚烧炉 1 9 8 4 s u n d s v a l l蒸汽3 0 t h 3 2 m p a石灰泥+ 袋 r d f 、泥煤、 6 e n e r g i v e r k ， 6 6 0 0 0i b s 1 1式集尘器 废木材 s t m d s v a l ls w e d e n 1 9 8 5s a n dp a p e rm i l l蒸汽4 0 t h 2 2 m p a 静电集尘器r d f 、废木材、1 0 m s ，s a n d e , n o r w a y 8 8 0 0 0 i b s ，l i煤、工业废弃 物 1 9 8 5 m l s s d ， 蒸汽1 7 t hl 7 m p a 旋风分离器r d f 、废弃物、8 d l l l u t h ，m n ，u s a 3 8 0 0 0l b s h污泥、燃油 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 欧美各国对流化床开发的经验较早，从早期发电效率的提高，燃料的改良 到空气污染物排放的降低，都有相当的研究，而目前最新的建造观念已趋向于 资源回收厂与流化床焚烧炉的结合应用。欧美国家一般将城市垃圾进行预处理， 加工成r d f ( 垃圾衍生燃料) ，然后燃烧处理，其主要用途是发电。表1 5 为目 前欧美国家利用流化床焚烧炉处理城市垃圾的业绩。 日本在垃圾焚烧技术方面处于世界领先地位，日本半数以上的垃圾废料都 用来焚烧法处理。1 9 9 1 年日本有1 1 3 座城市垃圾流化床焚烧炉，到1 9 9 5 年增 至1 3 l 座。日本有多家垃圾焚烧炉制造厂商，其中主要的有：石川i 岛播、三井 造船、栗本、荏原制作所、日本制钢、神户制钢等，各厂家生产的焚烧炉的特 点和流动型态分别如表l ，6 和图1 2 所示。 表1 6 各种流化床焚烧炉的特点 厂商流动方式和特征 石川岛播磨为了使垃圾能稳定的燃烧，布风采用强弱循环，如此可减少相对流化空 三井造船气的速度，垃圾向空气的传热被降低，垃圾亦被慢慢加热。 久保田建设传统的流化风速是比较均匀的，为了让垃圾能充分搅拌燃烧，流化空气 采用高风速运行，燃烧在传热效果高的区域进行。 栗本为了垃圾的热分解速度平稳，流化风速采用强、中、弱循环变化。 荏原制作所 回旋流式之流动砂采用三阶段执行： ( 1 ) 流动用空气流速差( 中央部分较慢左右两侧较快，中央为移动层，左 右是流动层1 ( 2 ) 曲板墙芝设计，左右流动层将砂往上吹，当碰到屈板墙时，则转换 方向，向炉中央回旋。 ( 3 ) 炉床设计为向不燃物排出口方向倾斜，从下方吹出的流动空气使得 砂沿着倾斜面移动。 回旋流之流体化床砂具有良好的热分散性，所以炉内不会产生局部高温 垃圾能得到稳定燃烧。 日本制钢由于流化空气采用大中小分敞吹入，故使流动砂具有涡流回旋的效果。 神户制钢由于流动砂呈涡流方式，垃圾能受到分散循环的热分解和稳定燃烧。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 流化形态的区分流化床内物科的流动形态 烈”爨鬣灭幽袖 熙删 强弱循环 垂直流形垃圾 垃浏， 蕈垃k 罩i_ 姻酬 。貔喂割 疆搬戮 旋回流形 _ 作所由 ( 向下2 回旋流形) 藿毽当煎咎l 晒碗瞌缚。 ， 。 l | 一弋不可燃物排出 1 。 一 流髓他空氯 日本裂辆 垃埠蚣# 。 神户袋绷 嘲川i 崎复工 l 、 涡流形 蛰氯：不i 太巾燃物排出口 ( 向上2 回旋流形) 流髓健 图l2日本各厂家生产的焚烧炉的流动型态 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 郧5 2 流化床焚烧炉的特点 流化床燃烧技术是本世纪六十年代初得到迅速发展起来的种新型洁净燃 烧技术，采用该技术的焚烧炉的基本特征在于炉膛下部布置有耐高温的布风板， 板上装有载热的惰性颗粒，通过床下布风，使惰性颗粒呈沸腾状，形成流化床 段，在流化床段上方设有足够的燃烬段。采用流化床燃烧技术焚烧垃圾的优点 主要表现在如下几个方面： 1 操作方便、运行稳定。流化床蓄热量大，可以避免投料时炉温急剧变化， 床层的温度保持均一，避免了局部过热，因此，床层温度易于控制，使燃烧稳 定。 2 垃圾的干燥、着火、燃烧与燃烬几乎同时进行，无需复杂的调整，燃烧 控制容易，并易于实现自动化。 3 耐久性好，炉内没有机械运动部件，故使用寿命长。 4 可采取全面的防二次污染的措施，对焚烧时产生的有害物质进行处理。 5 流化床焚烧炉由于炉内燃烧强度和传热强度高，相同垃圾处理量的流化 床炉体积比炉排炉要小，故而投资省，适宜于向大型化发展。 6 燃料适应性广，可燃烧高水份，低热值。高灰份的垃圾，床内混合均匀， 燃烬度高，特别适合于垃圾热值随季节性变化很大的特点。 7 燃烧速度快，停机时炉内垃圾很快烧完，不产生臭气，启动时间短，不 存在受热面低温腐蚀。 1 6本文的主要研究工作 城市垃圾排放所产生的环境污染及其妥善治理是我国面临的急待解决的问 题之一，从可持续发展战略角度看，垃圾处理的目标应该是实现无害化、资源 化和减量化，目前比较普遍的观点认为焚烧法处理垃圾是实现减量化最快捷和 最有效的技术方法。流化床具有燃烧效率高，负荷调节范围宽，污染物排放低， 炉内燃烧热强度高，适合燃用低热值燃料等优点，因此流化床垃圾焚烧炉是一 种综合性能优越的焚烧方式，尤其适合我国垃圾热值低的国情。垃圾中含有大 爨的不可燃物，这些不可燃物留在炉内将严重影响流化质量，甚至会危及锅炉 的正常运行，因此，有必要迅速将这些不可燃物排出炉外，但在排出这些组分 的同时，会有大量的流化床料伴随排出，而床料的减少将使异重流化工况难以 保持，为维持锅炉的正常流化运行，必须将床料分选出来送回炉内。本文正是 在这种情况下开展了流化床新型布风装置的开发研究，以图解决流化床垃圾焚 烧炉中排渣、灰渣冷却和床料回送方面所遇到的问题。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本文分以下几个部分进行讨论 第二章，本章重点介绍流化床的一些基本特性。 第三章，介绍倾斜布风板流化床试验装置。并对采用不同型式风帽的临界 流化风速进行测定。 第四章，对倾斜布风板流化床内的颗粒混合特性进行试验研究。 第五章，着重介绍管式布风装置试验台及床内颗粒运动的一些特点。 第六章，对布风管流化床的阻力特性进行标定，对连续排渣和物料回送同 时进行的条件下研究排渣特性。 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章流化床总体特性 第二章流化床总体特性 2 1 前言 流化床一度被认为是良好的搅拌器。流化床操作在化工系统较早得到普遍 应用，比起燃烧反应来，化工上的流化床内的反应速度较小，多采用细颗粒， 分布比较均匀，不存在颗粒混合不良的问题。随着大床面浅床层的流化床反应 器的使用，颗粒混合才成为急需解决的问题。流化床中空气动力特性对于床料 的混合、燃料的燃烧、气相与固相间物质的交换、床料的夹带与扬析以及床内 的传热等均有重大的影响。 2 。2 固定床与漉化床彩态的描述 将一定量的颗粒放置在布风板上，在布风板下通入一定的流化空气，当流 速低的时候，空气只是穿过静止的颗粒之间的空隙，这时整个床层处于固定床 状态。随着流速的增加，颗粒相互离开，并可看到有少量的颗粒在一定区间进 行振动和游动，这时的床层为膨胀床，速度再升高达到使全部颗粒都刚好悬浮 在向上流体中，此时颗粒与流体之间的摩擦力与其重量相平衡，相邻颗粒间的 挤压力的垂直方向分量等于零，而且通过这床层的任一截面的压降大致等于在 该截面上颗粒和流体的重量，床层达临界流化状态。随着流速增加超过临界流 化风速，就出现很大的不稳定性，发生鼓泡和气体沟流现象，这个阶段虽然气 速增加，但压降几乎保持不变。当流速高到超过固体颗粒的终端速度时，床层 面上界就消失，可以观察到夹带现象，固体颗粒随流体从床层中带出，床层达 气力输送状态。床层压降与气流速度的关系如图2 1 所示。 u m ru o 空气速度( m s ) 图2 1压降与气流速度的关系 1 3 浙江大学硕士学位论文第二章流化床总体特性 2 3 布风装置 流化床要求布风装置配风均匀，以消除死区和粗颗粒沉积，使底部流化质 量良好，减少冷渣含碳量。进入床内的空气不仅要求分配均匀，而且要形成细 流，以减少初始气泡的直径，气泡沿床层上升过程中不断增长合并形成大气泡， 气泡上升速度又是随气泡直径而增加的，这就使从气泡补充到乳化相碳粒子表 面的扩散阻力增加，使燃烧速率降低。大气泡动量大，上升到床层表面破裂时， 把气泡尾涡中携带的细颗粒抛向上部空间，增加了烟气中夹带损失。因此，合 理的布风结构是减少气泡尺寸的重要手段。 格罗塞经过试验指出鼓泡流态化的质量受布风装置形式的影响极大，在 仅有少量的进气孔时，床层密度在所有流量下都有显著波动，在高流量时更为 严重。当有较多的进气孔时，较低空气流量下床层密度的变化很小；在高流量 时床层密度变化仍然显著，但是床层密度较为均匀，气泡较小，气固相接触较 为密切，气体沟流较少。从工业或大规模操作的观点来看，采用烧结成型的多 孔布风板虽然流化质量较好，但压降较大，使动力消耗增加。对于平风型的布 风板，般要求能均匀分布气体，阻力小，不漏煤，不堵塞，结构简单，制造 维修方便等。我们知道，大多数的工业流态化体系( 特别是燃煤流化床) 均为 不稳定的气固体系，在这种体系中流化床是不均匀的，固体的一部分以浓相存 在于气流少的低空隙度床内( 乳化相) ，另一部分以稀相状态存在于短路的气泡 内( 气泡相) 。要想增强气体和固体的接触，就必须减少气泡并减少气泡直径， 因为气泡越大，床层越不稳定、越不均匀。改变这种不良状况的措施之一就是 对布风板进行合理设计。 z e n g 和o t h m e r 曾指出，布风板的型式对床层流化质量的影响极大。不同类 型的布风板对流化操作常常表现出不同的影响。因此，在布风板研究中大量的 工作是开发适用于某一或某些特定工业过程的布风装置，迄今，已推出了许多 类型的布风板，其中比较重要的有多孔板式、喷咀式、泡罩式、风帽式、布风 管式，还有凹形布风板和倒锥形布风装置( 如图2 2 所示) 。多孔板式布风板因 其结构简单易于加工兼具良好的布气特性而受到广泛的应用，而多管式布风板 因其优良的防泄露功能而在a 类颗粒的气固流化催化反应器中极为常见。 布风板作为重要的布风装置，是保证床层具有良好和稳定的流化状态的重 要构件，其在流化床锅炉中的作用有三个：一是支承静止的燃料层；二是给通 过布风板的气流以一定的阻力，使在布风板上具有均匀的气流速度分布，为取 得良好的流化工况准备条件；三是以布风板对气流的一定阻力。维持流化床层 的稳定，抑制流化床层的不稳定性。 浙江大学硕士学位论文第二章流化床总体特性 簪哥哥够 蕊癸 丽 图2 2 不同形式的布风装置 目前流化床锅炉采用的布风装置有两种型式，即风帽型和密孔板型。风帽 型布风装置是由风室、花板、风帽和隔热层组成，通常把花板和风帽合称为布 风板。密孔板型布风装置是由风室和密孔板构成。 花板的作用是支承风帽和隔热层，初步分配气流。风帽的作用在于使进入 流化床的空气产生第二次分流并具有一定的动能，以减少初始气泡的生成和使 低部粗颗粒产生强烈的振动，避免粗颗粒沉积。从风帽小孑l 喷出的空气速度称 为4 , t l 风速，是布风装置设计的一个重要参数。小孔速度越大，气流对床层低 部颗粒的冲击力越大，扰动就越强烈，有利于粗颗粒的流化，热质交换就越好， 冷渣含碳量可以降低。在低负荷时仍然稳定运行，负荷调节范围较大。但风帽 小孔过大，风帽阻力增加，所需风机压头增大，结果风机电耗增加。反之，小 孔风速过低，容易造成粗颗粒沉积，底部流化不良，冷渣含碳量增大，尤其当 负荷降低时，往往不能维持稳定运行，造成结渣灭火。所以小孔速度的选择， 应根据燃煤特性、颗粒筛分特性、负荷调节范围和风机电耗等全面综合考虑。 由鼓风机送来的空气，经风道进入风室，由于风室的稳压作用，将空气的 动压头绝大部分转变为静压头。空气在风室内的静压头作用下，均匀地进入布 风板上各个风帽中心孔内，进行初次分流与导向，然后风帽中心孔的空气从风 帽周围若干个小孔喷射出来，进行第二次分流与导向。从风帽小孔喷出的气流 具有较高的速度和动能，进入床料低部，使风帽周围和帽头顶部造成强烈的扰 浙江大学硕士学位论文 第二章流化床总体特性 动和气流垫层，使床料中煤粒与空气均匀混合，强化了气固间热质交换过程， 延长了煤粒在床内的停留时间，建立良好的流化状态。 因此，对布风装置的设计要求是： 1 能均匀密集地分配气流，避免在布风板上面形成停滞区。 2 能使布风板上的床料与空气产生强烈的扰动和混合，要求风帽小孔出 口气流具有较大的动能。 3 空气通过布风板的阻力损失不能太大，但又需要一定的阻力。 4 具有足够的强度和刚度，能支承本身和床料的重量，压火时风板防止 受热变形，风帽不烧损，并考虑到检修清理方便。 许多资料表明，当布风装置设计不合理时，会影响到燃烧工况，甚至根本 不能实现流化床燃烧。因此，布风装置的正确设计是流化床锅炉燃烧达到稳定 与安全运行的关键技术之一。 2 4 流化颗粒的分类 大量的研究工作表明，不同类型的颗粒组成的流化床，往往表现出明显不 同的流体动力特性。各种气一固流动体系总体的行为取决于气体和固体的性质、 它们的速度以及流化装置的尺寸。因此，将以某类颗粒为对象而得到的实验结 果或理论模型用于另一类颗粒时，经常产生较大的偏差，为了能够合理地利用 和借鉴有关文献中实验的或理论的研究结果，预先对流化颗粒的分类及其基本 的流体动力特性进行简要的讨论是有必要的。 ps k g j m 3 2 05 01 0 02 0 05 0 01 0 0 02 0 0 04 0 0 0 d l ( m m ) 图2 3气体流化床；l 负粒的分类 关于流化颗粒的分类，不同的研究者曾提出过各种方法，其中较为系统并 被广泛接受的是g e l d a r t 的分类方法。g e l d a r t 根据颗粒的粒度和密度的不同 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章流化床总体特性 将流化颗粒分为a 、b 、c 、d 四类，图2 ，3 给出了推荐的划分区域，它是在理论 分析的基础上总结了有关文献的大量实验数据后得出的。 关于各类颗粒的流化特性，各有关文献比较一致的看法是： a 类颗粒( p 。= 2 5 0 0 k g ，m 3 ) 一般在3 0 一1 0 0 u m 范围内，这类颗粒具有 较小的粒度，能很好地流化，化工流化床中采用的某些催化剂颗粒即属此类。a 类颗粒组成的流化床在气泡出现之前床层就有明显的膨胀，它的最小鼓泡速度 大于临界流化速度。这类流化床内气泡的上升速度远大于乳化相颗粒间的气流 速度，气泡相和乳化相之间的气体交换非常强烈，即使床内的气泡量非常少对， 床内的总体循环和混合也很明显。很多循环流化床系统采用a 类粒子。 b 类颗粒粒度通常在1 0 0 5 0 0 um 范围内( p 。= 2 5 0 0 堙m 3 ) ，其粒度稍 大于a 类颗粒，如黄沙就属于此类粒子。b 类颗粒组成的流化床的床层膨胀很 小，它在流化风速稍高于临界流化风速时床内就出现气泡，即有 。“。，* l 。 这类流化床内的气泡上升速度仍比乳化相颗粒间的气流速度要高得多。气泡直 径则与高度和过余流化速度( “。一”。，) 都呈线性关系增加。b 类颗粒流化床中 气泡云相的体积已不可忽略，床内乳化相气体的返混及气泡相乳化相之间的气 体交换与a 类流化床相比相对较弱。由b 类粒子组成的流化床将呈现聚式流态 化特性，床内气泡尺寸较大，并沿床高两增大，两且床层不甚平稳。 c 类颗粒非常细，一般小于3 0 um ( p 。= 2 5 0 0 k g m 3 ) ，粒子间具有较强 的附着力，一些超细颗粒，容易带强电荷的颗粒，湿的或粘的颗粒即属此类。 这类颗粒难以流化，如果要流化c 类粒子，则需特殊的技术，否则常会造成节 涌或沟流，通常很难实现正常的流态化。c 类颗粒流化床内的混合和传热较a 类和b 类差得多。 d 类颗粒具有较大的粒度和较高的密度，如图2 3 所示，流化