（工程热物理专业论文）焚烧炉条件下典型城市生活垃圾干燥过程的试验研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：焚烧法是实现城市生活垃圾减量化、资源化、无害化的最有效的手段 之一。但由于目前我国的大部分城市生活垃圾的含水量高达5 0 以上，给垃 圾的焚烧带来了一系列困难，本文作为城市生活垃圾焚烧技术研究的一部分，通 过在马弗炉和循环流化床试验台上分别对一些城市生活垃圾干燥过程开展研究， 探求适合我国城市生活垃圾特点的干燥工艺条件。 由于我国城市生活垃圾的构成相当复杂，简单的随机取样不具有垃圾特征代 表性，本文通过对我国城市生活垃圾成分的调研，获得了能代表我国垃圾的一些 典型成分组成，通过对这些典型垃圾成分在焚烧炉内的干燥试验，获得了一系列 反映垃圾干燥特性的曲线，并分析了各种影响因素对干燥过程的影响。 通过对试验结果的分析得到了块状垃圾的干燥时间与厚度的无量纲经验关系 式、垃圾内湿分的动态变化规律，并对垃圾的干燥过程进行了动力学分析。 本试验结果可为改进或设计新型焚烧炉适应我国高水分、低热值的固体废弃 物焚烧技术提供参考和依据。 关键词；典型城市生活垃圾；焚烧炉；干燥：温度；速率；动力学特性 分类号： m 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c r ：l n c i n e r a t i o nt r e a 佃l e n ti so n eo ft h em a i nt c c h n o l o 百e st oa c h i e v ev o l u m e f e d 玎c i o ，h a i l l l l e s st 诧a t m e n ta n dr e u 虹l i z a f i o no fm u n 主c p a ls 0 1 i dw 勰t m s w ) n o w m o i s tc o n t e mi s 曲e nh i 曲e rt h a n5 0 ，w h i c hc a 惦e sal o to fd i f ! f i “l t i e st oi n d n e f a t e m s w ht l l i s p a p e r ，e x p e 血l e n t s d r ) 缸g0 fm s w w e d o n e 咖m u f f l e 锄d c i r c i l l a t i n gf l u i d i z e db e d ( ( = f d ) h c i n e r a t i o nt ou n d e r 曲m dt h ed r y j l l gd l 撒c t e r i s t i c a n da l s o ，t op m v i d er e f e r c n c ed a 组f o ri n c i n e r a t i o n sd e s i g n a s i n l p l es t o c h a s t i cs a m p l i i l gi si m t i o n a lb e c a u s e t 重l ec o m p o n e n to fm s wi sv e r y c o m p l c xi n0 u f u n t r y i n v t i g a t i w 勰d o n et om s w o fm o s tc i t i e s 锄dg a i n e dt h e t y p i c a ic o m p o n t e x p 撕m e n ti i l v c s t i g a t i o 璐 w e r c p e 矗o 删e d f o rd i 爿c r c n t t e m p 啪t l l r 髂( f r o m1 0 0 t o2 0 0 ) 粕d 、，0 l u m e s t h ea i m sw e f et od e t e 加i n ea s e r i 瞄 0 fd r y i n gp e 哟m 孤c cc i l r v e 柚d 彻a l y z c d 砌u e n c 路o fv 蚵o u sf a d o r so nt h ed r y i i l g p f o c e s s an o n d i m e 璐i a lf c l a t i o n a l 懿p r 髂s i o nw 勰p r c s e n t e db e 柳e e nd r y i n gt i n i ea i i d t h i c k n e s so fm 勰s i v cm a t c f i a la c r d i n gt o 唧e r i m 印td a t a ，卸dg a i n e dd y n 锄i cc h a n g e m l e so fm o i s t l l r ci nm a t e r i a l ；al 【i n e t i 鹤柚a l y s 髓姐dc a l c u l a t i o nw 舔a l d o n ei nt h i s p a p e r t h er c s u l t 锄dd a t ao ft h i se x p c r i m e n tc a 旷呻喇d e 如s i 印r c f b 聆n c cf o rn e ws t y l e i n c i n e r a t i o nt o a d a p t ( = l i i l l a kh i g h - m o i s t u r c ，l o w c a l o r i f i cv a l u eo fs o l i dw a s t e i i i c i i l c r a t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d s ： t y p i c a lm s w ；i n d n e m t o r ；d r y i l l g ；t e m p e r a t l l r c ；r a t e ；k i n 锄a t i c c h a m c t e r i s t i c c l a s s n o ： 北京交通大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师陈梅倩副教授的悉心指导下完成的，陈教授严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来 陈老师对我的关心和指导。 李国岫教授和清华大学张衍国副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作， 在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向两位老师表示衷心的谢 - 意。 清华大学蒙爱红和李清海老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，阮仔龙、曾时明、刘杰、杨雁梅师弟、师妹 以及范丽娟师姐对我论文中的试验研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也我的感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第1 章绪论 第1 章绪论 固体废弃物是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的一般不具 有原使用价值而被丢弃的以固态或泥态赋存的物质。城市固体废弃物( 生活垃圾) 是指居民生活、商业活动、市政建设、机关办公等过程中产生的固体废弃物1 1 】。城 市固体废弃物在收集、运输和处理处置过程中会对大气、土壤、水体造成污染， 不仅严重影响了城市环境卫生，而且威胁了人民身体健康，成为社会危害之一， 因此这一问题日益受到各国政府的重视。 1 。1 本课题的研究背景和意义 1 1 1 研究背景 随着经济的飞速发展和人们生活消费水平的提高，城市生活垃圾的产量也大 量增加，生活垃圾对环境污染所带来的影响越来越突出，已成为当今世界各国城 市所面临的辣手问题之一，引起了各国政府的普遍关注和重视，垃圾处理已成为 城市管理中的重要内容，垃圾处理水平也成为了反映一个城市文明程度以及管理 者环境意识的标志。 目前，全世界年产垃圾近6 亿吨，其中美国是世界上垃圾产量最多的国家， 生活垃圾每年i 盛吨；英国、法国、荷兰3 国的垃圾人均产量分别为3 2 9k g 、2 7 0k g 和2 1 0l ( g 【2 】；日本年产生活垃圾为5 千万吨，人均约5 0 0l ( g 【3 j 最近1 0 年平均日 垃圾产量增加了一倍；欧洲经济共同体国家生活垃圾平均增长率为3 ，德国为4 ，瑞典为2 ，韩国生活垃圾年增长率高达1 1 【4 】。国内调查表明，目前我国城 市生活垃圾年产量已达1 5 亿吨，人均年产垃圾量为4 4 0 k g ，已接近中等发达国家 水平，而且并以8 1 0 的速度增加，它们中的8 0 9 0 来自大、中城市。据 调查，在全国6 6 8 个大、中城市中，已有2 3 处于垃圾的包围之中。目前我国城市 生活垃圾存储量约为6 0 亿吨，侵占土地达5 亿。而我国城市垃圾处理率仅为5 0 ，无害化处理率不到2 垆。 早期的城市规模小，城市垃圾产量低而且成分简单，容易被环境消纳，生活 垃圾对环境的危害并不明显。自从工业革命以后，由于人们对自然进行掠夺式的 开发及错误的生态价值观，同时垃圾的产量大大增加以及人们生活方式的改变， 垃圾的成分也越来越复杂，由此产生了较为严重的环境问题。目前城市垃圾的问 北京交通大学硕士学位论文 题已成为世界性的一大公害，无论发达国家还是发展中国家都无法逃避这一现实。 与人们熟悉的水污染、大气污染相比，垃圾的污染有自己的特点，即：1 ) 垃 圾是各种污染物的终态，而人们往往却对其产生一种稳定、污染慢的错觉；2 ) 在 自然条件影响下，垃圾中的一些有害成分会转入大气、水体和土壤中，具有潜在 的、长期的危害性。城市生活垃圾的危害主要表现在侵占土地，污染土壤、水体、 大气及影响城市的社会和经济发展等方面【4 】。 城市生活垃圾的快速增长要求完善垃圾处理处置的方法，不适当的垃圾处理 方法会加剧其对环境的危害，因此垃圾的处理和利用已成为环境科学和能源科学 研究的重要课题【7 。垃圾处理的目标是：减容、减量、资源化、能源化、无害化和 商品化。目前，世界上现行的处理方法可归纳为3 种：填埋( l a i l d f i l i ) 、堆肥 ( c o m p o s i n g ) 、焚烧( i n c i n e r a t i o n ) l 踟。其中焚烧法是一种对城市生活垃圾进行高 温热化学处理的技术。该方法是将生活垃圾作为固体燃料送入炉膛内燃烧，在8 0 0 1 0 0 0 的高温条件下，城市生活垃圾中的可燃组分与空气中的氧进行剧烈的 化学反应，释放出热量并转化为高温的燃烧气体和少量的性质稳定的固体残渣。 当生活垃圾有足够的热值时，生活垃圾能靠自身的能量维持燃烧，而不用提供辅 助燃料。垃圾燃烧产生的高温燃烧气体可作为热能回收利用，垃圾中的细菌、病 毒等能被彻底消灭，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。和前两种处理方法相比较，可以说焚烧处理是实现城市生活垃圾减量化、 资源化、无害化的最有效的手段之一。目前已成为发达国家垃圾处理的主要方法 之一，也逐步开始被国内一些大、中城市所采用。 1 1 。2 本课题的选题意义 对于焚烧处理，从工程技术的观点看，垃圾从送入焚烧炉起，到形成烟气和 固体残渣的整个过程，总称为焚烧过程，它包括四个阶段：加热干燥阶段、热解 阶段、燃烧阶段和燃烬阶段网。表l l 和表卜2 分别列出了我国部分城市以及国外 一些发达国家的生活垃圾的成分以及含水率的情况。我国城市生活垃圾中的有机 物，绝大部分是高水分的植物类物质，加之垃圾这类物质的形态、表面积和孔隙 率均相当大，更有利于蓄积外部水分，因此，实际入炉的垃圾水分，经常大于5 0 ，而国外的城市生活垃圾所含水分一般在3 0 左右。 2 第1 章绪论 表1 1 中国部分城市生活垃圾成分组成【1 0 】 t a b l e 1 - 1c o m p o n e n t so ft h em s wi n m ed t i e so fc l l i n a 有机无机纸类布类木竹塑料橡胶玻璃金属 含水 城市 物物 率 常州 4 0 4 03 4 6 03 5 63 1 5 1 8 07 9 53 5 01 0 44 8 4 7 杭州5 8 1 92 4 0 03 6 82 2 31 2 06 6 21 0 12 0 9o 9 85 3 6 0 福州 4 4 7 01 7 9 07 6 81 6 9 1 8 72 3 8 61 3 01 5 2 广州 6 0 1 7 1 7 1 25 柏3 4 0l 0 68 9 93 3 70 4 95 0 1 2 深圳 4 0 0 01 5 1 7 0 05 0 01 3 0 02 0 05 0 03 0 0 4 5 0 0 北京 3 5 0 01 5 8 71 7 8 94 1 1 1 0 3 51 0 7 03 3 45 1 4 表1 - 2 部分国家的城市生活垃圾组成【1 1 】 成分组成( )平均含水 国家 食品有机废物纸屑灰渣金属玻璃塑料其它量 英国 ” 3 81 1992 53 52 5 法国2 23 42 088443 5 荷兰 2 12 52 03 1 0 4 1 7 2 5 德国 1 52 32 87 931 03 5 瑞士2 04 52 055323 5 意大利 2 52 02 5 3 75 1 53 0 美国1 25 0 7 99582 5 由于水分是垃圾中的不可燃成分，水分含量大的垃圾的发热量低，不易着火。 在燃烧过程中水分的汽化要吸收热量，并降低燃烧室温度，使燃烧效率降低；而 且由于水分的存在会在低温处腐蚀设备。因此，垃圾中水分含量的高低决定着垃 圾焚烧的效率、发热量和腐蚀程度等主要环节，这也说明干燥过程在整个垃圾焚 烧过程中起着至关重要的作用。所以对干燥过程的研究是改进或设计新型焚烧炉 适应我国高水分、低热值的固体废弃物焚烧技术的关键，有着重大的工程技术价 值。本课题将对焚烧炉中典型城市生活垃圾的干燥过程进行试验研究。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 2 城市生活垃圾处理技术概述 垃圾的处理和应用，在很大程度上取决于垃圾的成分，其次是经济水平和技 术条件，以及地理、水文、环境、城市规划等方面的因素，但总的处理原则是无 害化、减量化和资源化。经过长期的研究和实践，当前世界上工业发达国家城市 生活垃圾的处理方法主要有三种：卫生填埋、堆肥和焚烧。另外还有一种新的生 活垃圾处理方法一热解法，该方法目前尚处于试验阶段，在整个垃圾处理中， 只占很小的比例。 1 2 1 卫生填埋法 城市生活垃圾的卫生填埋法处理是从传统的堆填法发展起来的一项最终处置 技术，是一种涉及多学科领域的综合土木控制技术。填埋处置具有工艺简单、成 本较低、对废物的适应性广、无须对垃圾进行分选等等优点。目前填埋是城市生 活垃圾处理的主要方法，而且也是各种处理残渣的最终归宿。但是这种垃圾处理 方式的重要缺点是垃圾减容效果差，需要占用大量的土地资源，填埋场地受地理 和水文地质条件限制很多，场址选择较为困难。此外，垃圾渗透液处理不当容易 对地下水和土壤污染；另一方面，填埋场产生的沼气收集和处理难度也较大，除 了对环境产生污染外，还存在爆炸的隐患。垃圾填埋的处理方式已经不再适合人 口密集、土地资源紧缺的国家和地区填埋处置，不仅占用大量土地，还会造成地 下水、土壤和大气等的污染，并且不能综合回收有价值的物质和能源。 1 2 2 堆肥法 堆肥法是在控制条件下，使来源于生物的有机废物发生生物稳定作用的过程。 它是利用某些微生物的氧化分解有机物的能力来处理可降解的有机废物的一种方 法。垃圾堆肥处理不仅减少了垃圾造成的环境污染，而且良好的堆肥具有改良土 壤、培肥、促进作物生长和增产的作用。通过出售肥料，有一定的经济效益。堆 肥工艺比较简单，不仅实现了对垃圾中部分组份的资源利用，同时处理相同质量 的垃圾投资比单纯的焚烧处理大大降低。但该法建设投资和处理成本与卫生填埋 相比仍然较高，堆肥产品销路的好坏更是堆肥法能否实施的决定性因素，目前垃 圾堆肥厂销售堆肥的收入都难以补偿垃圾处理的支出。堆肥法不能处理不可腐烂 的有机物和无机物，减容、减量程度低。因此仅仅依靠堆肥处理仍然不能彻底解 决垃圾问题，也不是垃圾的最终处置方法l l “。 4 第1 章绪论 我国堆肥技术处理固体废物和堆肥的商品化程度仍远落后于许多发达国家， 应寻找和发展适合我国国情的堆肥技术。城市固体废物的处理无法单纯依靠堆肥 法，必须与其它技术相结合使用。 1 2 3 热化学处理方法 目前我国生活垃圾的构成发生了较大变化，垃圾热值有了较大的增长，北京、 上海、广州等地的热值已超过5 0 0 0 蚝【d 1 。生活垃圾中蕴含着巨大的热量资源， 因此其中的回收利用在我国乃至世界能源短缺的今天尤显重要。而城市生活垃圾 热化学处理技术可以有效地回收利用生活垃圾中具有的热量。热化学处理( 焚烧、 热解和气化) 就是在高温条件下对废物进行分解，改变垃圾的成分、形态、理化 特性，实现垃圾的“三化”。随着公众环境保护意识的提高和世界能源的捉襟见肘， 以及环保领域的科技进步，洁净高效的热化学处理方法逐渐得到青睐。 1 2 3 1 焚烧法 焚烧法是一种高温处理技术。有机垃圾在高温、供氧充足的条件下，氧化生 成惰性气态物c 0 2 、1 1 2 0 等，而无机不可燃物则形成稳定的固态残渣，是一种可 同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术【1 3 】。在热化学处理技术中，焚 烧法应用最早，技术比较成熟，其焚烧过程如图1 1 所示。焚烧法将垃圾中的化学 能全部转化成热能，产物包括气相产物烟气和固态产物灰渣( 底渣和飞灰) 【1 4 1 。 焚烧技术符合垃圾处理的“三化”( 资源化、减量化和无害化) 原则，焚烧可使其 重量减少7 5 ，体积减少9 0 左右，焚烧产生的热量可以供热或发电，有效地回 收能源，实现资源化。焚烧处理的特点是处理量大、占地小、减容性好，处理时 间短，不受天气影响。但垃圾焚烧技术尚未完善，主要表现为【瑚：( 1 ) 焚烧炉渣 的热灼率为3 5 ，尚有潜力可挖；( 2 ) 气相产物中残留有少量的c 0 等可燃物； ( 3 ) 由于燃烧温度不太高，烟气中易形成二恶英类毒性物，炉渣中未燃尽有害物 的再溶出，不能完全避免对环境的污染；( 4 ) 生活垃圾焚烧的经济性和资源化有 待提高：( 5 ) 造价及运行费用高。 近年来，由于污染控制技术的进步，焚烧技术发展较快，并且在固体废物处 理技术中一直呈上升趋势，目前许多国家焚烧处理技术在城市垃圾处理技术中的 地位仅次于填埋。 5 北京交通大学硕士学位论文 图1 1 垃圾焚烧过程示意 f i g 1 1 n es k e t c h m a po f c o m b u s t i n g p r o c e s s f o r m s w 1 2 3 2 热解法和气化法 热解是指在无氧或缺氧的惰性气氛下，利用高温使固体废物有机成分发生裂 解，从而脱出挥发性物质并形成固体焦炭的过程。热解工艺产物主要是液体油和 固定炭，气体产率较低；而气化则是在热解基础上，引入c 0 2 和比或l 2 0 等气 化剂，不仅使长链挥发性产物向小分子气体烃转交，而且也通过焦炭和气化剂反 应使固体产物进一步转化成气体产物。气化工艺的产物主要是由0 、 b 和c h 4 组成的中、低热值燃气【1 6 1 。气化分为直接气化和间接气化。直接气化就是用氧气 作为气化介质进行气化，使部分原料发生氧化反应放出热量来提供气化所需热量； 如果气化不是用氧化性介质则称为间接气化，需要外部提供热量。垃圾热解过程 和气化过程的示意图如图1 2 和图1 3 所烈。而图1 4 更好地表述了垃圾焚烧、 热解和气化处理过程及产物的差别1 1 ”。 6 第1 章绪论 图1 2 垃圾热解过程示意图 f i 吕1 之s k e t c h 蚴p o fp a r a l y z i n gp r o c e 站f o rm s w 能量：化学能 合成气 ( 中低热值) c 0 2 ，h 2 ，( n 2 ) 、 、 图l - 3 垃圾气化过程示意图 f i g 1 3s k e o c hm a p0 f g a s i f i n gp r o c e s sf 研m s w 7 北京交通大学硕士学位论文 图1 4 垃圾焚烧、热解和气化技术比较 f 蟾1 - 4 ( = o m p a m t i o nw i t hc o m b 惦虹，p a r a l y s j s 姐dg 弱i n c a l i o nf o rm s w 对于固体废物的适应性而言，热解法比较适合高热值废物( 高分子聚合物) 制取清洁液体燃料【1 8 】；气化法则更适合于处理均质的工业垃圾和农业垃圾。对于 城市重活垃圾而言f 一由于其非均质，气化处理起来有困难，从回收能源的角度看， 热解处理目前在技术经济上尚不合算，一种可能的办法是把生活垃圾制成r d f ( 垃 圾衍生燃料) ，以使其均质化，并具有可控性【l ”。 目前世界上不同的国家根据本国的国情分别采取了不同的垃圾处理方式，表 1 - 3 列出了三种垃圾处理方式在世界上不同国家所占的比例。 表1 _ 3 三种垃圾处理方式在世界不同国家所占比例1 0 】 1 曲1 e 1 3p m p o r t i o no ft h r e et r c a t m e mt c c h n o l o g i e si l it h ew o r l df o rm s w 国家 堆肥( )卫生填埋( )焚烧( ) 瑞士 2 0 8 0 丹麦 1 21 87 0 日本 42 37 3 瑞典 1 03 55 5 荷兰 44 55 1 法国2 2 4 0 3 8 德国 36 53 2 比利时 96 22 9 澳大利巫 2 65 02 4 8 第l 章绪论 接上表( 续) 美国5 7 5 2 0 奥地利 2 46 01 6 1 3 焚烧法技术现状及设备简介 1 3 1国内外焚烧法技术发展现状 垃圾焚烧是一种技术高度复杂、成本相对昂贵的垃圾处理技术。因此，它的 发展及应用水平都是欧美、日本等发达国家走在最前沿。到目前为止，国外的垃 圾焚烧技术已有1 0 0 多年的发展历史，西方发达国家在开发出马丁炉( m a r t i n f u r n a c e ) 后，又对两段炉( t w o s t a g ef u r n a c e ) 、两室炉( t w o c h 绷b e rf u r n a c e ) 、 回转窑( r o t a r yk i l n ) 、流化床( f l u i d i z e d b e d ) 、垃圾衍生燃料( r e f u s ed e r i v e d f u e l ) 、控制氧量燃烧( c o n t r 0 1 1 e da i ro x i d a t i o n ) 、直流电弧炉( d i r e c t c u r r e n t a r c 鹏l t e r ) 、等离子体焚烧炉( t h e 撇1p l a s i l l aa r cv i t r i f i c a t i o n r r ) 及高温 或低温裂解( h i g h l o wt e m p e r a t u r ed e c o m p o s i t i o n j 等多种技术进行了研究、 开发，这些发达国家的垃圾焚烧技术已是一项成熟的工艺【1 9 。2 3 1 。不同的焚烧炉以 及焚烧方法有着与各自适应的条件和要求。然而，总体设计时，注意力往往集中 于有效组织炉内燃烧工况和燃烧自动控制，以期提高热能利用率和无害排放。机 械炉排焚烧炉是目前发达国家大型生活垃圾焚烧炉的主流设备，这种炉适宜处理 高热值的垃圾；另外流化床焚烧炉也具有较好的应用前景。 我国的城市生活垃圾焚烧技术始于8 0 年代末，垃圾焚烧技术最初在我国的发 展受到几个因素的限制：第一，我国的生活垃圾热值较低，无法保证炉内稳定燃 烧，必须辅加煤或油助燃；第二，垃圾焚烧产生有害气体，排放到大气中，造成 二次污染，其中二恶英的排放更是关注的焦点；第三，垃圾焚烧炉投资较大，经 济效益不高例。因此，焚烧技术直到9 0 年代后期才得到了迅速发展，现在全国有 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瞄】。从我国 垃圾的理化特性分析和目前的技术经济条件考虑，简单地引进技术和设备的办法 并不能从根本上解决我国垃圾焚烧的问题，而应该发展较为经济的技术。目前我 国在引进国外垃圾焚烧技术方面存在以下问题： ( 1 ) 由于从国外引进焚烧炉的设计思想主要以垃圾经过焚烧处理后充分达到 无害化、减量化和资源化为主要目标，对系统的经济性、简易性、垃圾成分的波 动性和恶化等情况考虑还不够充分，使得这些焚烧处理技术存在着炉体初期设备 投资较高，关键高温部件使用寿命较短，维修不方便等问题。 9 北京交通大学硕十学位论文 ( 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。 ( 3 ) 虽然我国部分城市( 城镇) 和地区的垃圾热值总体上满足焚烧的要求， 但垃圾中的可燃物主要是厨余类垃圾，塑料、废纸等高热值垃圾的含量较少。与 国外相比热值较低。同时由于厨余类垃圾含量及含水量季节波动大，导致垃圾热 值季节波动大和垃圾含水量高，且灰分比例大，国内外垃圾的差异使得国外较为 先进的焚烧技术未必能适应我国垃圾焚烧。 因此在引进国外先进技术的基础上，应该结合我国的实际发展较为经济的垃 圾焚烧技术。目前国内对焚烧技术的研究正从两个方面开展，一是垃圾的焚烧原 理分析；二是焚烧炉的开发研究。 中国科学院和浙江大学等单位对采用强气流流化床或异重流化床技术进行了 深入的研究i 冽，同济大学等研究了垃圾气化技术，西安交通大学和东南大学则对 垃圾热解进行了研究【2 7 1 ，中国科学院广州能源研究所则着重研究除去不可燃成分 后得到的r d f ( 垃圾衍生燃料) 的燃烧特性及硫和氯物质的高温腐蚀特性l 孤2 9 1 。 张永照1 3 0 j 等采用热分析法对垃圾的热解和燃烧特性进行了实验研究；马晓茜1 3 l 3 2 】 等在e s s e n h i 曲模型的基础上，建立了更接近实际过程的垃圾焚烧炉热力模型， 并对城市垃圾在炉内的干燥、热解、挥发份和焦炭燃烧等过程进行分析，给出了 一个具有稳定燃烧及低腐蚀、低污染的垃圾焚烧系统方案。 总之，国内开展的这一些中小型的焚烧技术研究项目，与国外相比，总体上 灰渣和烟气的二次污染较严重；另外也由于一些厂家移植燃煤的链式炉排技术于 垃圾的焚烧，也存在着燃烧效率低、排烟污染突出、设备成本偏高等缺陷。这主 要是由于城市生活垃圾焚烧技术在我国发展起步较跪，而且大部分设备是从国外 进口的，因此国内目前缺乏完整的城市生活垃圾焚烧过程的完整的资料，同时由 于国内外的城市生活垃圾在成分方面存在较大差异，使得国外的一些试验数据不 能很好的适应我国的实际情况。 1 3 2 主要焚烧设备简介 焚烧炉是整个焚烧过程的核心，焚烧炉类型不同，往往整个焚烧反应的焚烧 效果不同。目前世界各地应用的垃圾焚烧设备一各种型号的焚烧炉多达2 0 0 多 种p 3 1 ，但应用广泛、具有代表性的垃圾焚烧炉主要有三类，即：炉排型焚烧炉、 流化床焚烧炉和回转窑焚烧炉。目前我国国内在处理城市生活垃圾常用的是炉排 型焚烧炉和流化床型焚烧炉，回转窑焚烧炉主要用于对工业或医疗等危险性废弃 物的处理。 l o 第1 章绪论 1 3 。2 1 炉排型焚烧炉 炉排型焚烧炉是开发最早的炉型，也是目前在处理生活垃圾中使用最为广泛 的焚烧炉，其应用占全世界垃圾焚烧市场总量的8 0 以上刚。目前常用的炉排结 构如图卜5 所示。 一次风l一次风2次域3 图1 - 5 炉排型焚烧炉炉排结构示意图 f i g 1 5g 0 璐t i t u t i 衄d i a g r a mo ff a t ef i i m a c e 该类炉型的焚烧技术发展较为成熟，多用于焚烧混合型生活垃圾。对垃圾的 形态、发热量、含水率等适应范围广，可省去垃圾预处理的工程投资，结构简单， 运行可靠，焚烧能力大，尤其应用于大规模垃圾集中处理，可用于垃圾焚烧发电 ( 或供热) 。许多国家都普遍采用这种类型的焚烧炉。但这种机械炉排也有局限性， 含水率特别高的污泥，大件生活垃圾不适宜直接用炉排型焚烧炉。 从燃烧学角度看，炉排型焚烧炉的燃烧方式属于层状燃烧，适用于成分稳定、 热值较高和水分较低的燃料。总体而言，欧美发达国家的生活垃圾品位较好，属 于成分稳定、热值较高和水分较低的燃料，较适应炉排型焚烧炉的燃烧，运行稳 定；但仍需要油气助燃，运行成本较高。我国的生活垃圾品位较差，具有成分复 杂多变、热值低、水分高的特点，从国外引进的炉排式焚烧炉需要进行必要的技 术和工艺改进，并经过一个渐进的适应过程，才能真正在我国较好的推广应用。 垃圾在炉排上的焚烧是一个复合过程，包括多个相互关联，互相影响和前后 1 1 北京交通大学硕士学位论文 重叠的过程：干燥一热分解一点燃一气化一燃烧一燃烬【3 5 】。这个过程是多成分、 高水分固体燃料完全燃烧的过程。燃煤时一般不经过干燥阶段，燃油时直接从气 化阶段开始进行燃烧，而燃用生活垃圾、废弃生物质和下水污泥时，则要经过上 述完整的过程。下面简要介绍整个焚烧过程的特点。 ( 1 ) 于燥：垃圾进入炉排上形成料层( 又称料床) ，牙始受到从底部通入的热 空气或热烟气( 一般温度不低于1 8 0 ) 的烘干，并接受部分炉内辐射热。干燥过程 中垃圾从室温升高到1 0 0 以上，干燥时产生的水蒸汽被热空气或热烟气带走。 ( 2 ) 热分解：随着垃圾水分逐渐降低，料层温度逐渐上升到2 5 0 ，这时垃 圾中的某些有机成分开始从圃相转化成气相，发生了受热分解，释放出挥发分。 这个阶段由于没有燃烧行为，并不需要氧气，热解所需能量主要来自后部燃烧区 域及高温炉壁的辐射。 ( 3 ) 点燃：挥发分从固相释放出来后在温度稍高的区域( 大于3 0 0 ) 被点燃， 点燃的条件是足够的燃料( 气态) 浓度、足够的点火能量以及必要的氧气。 ( 4 ) 气化：当挥发分被点燃后，垃圾料层温度会明显上升，可达4 0 0 左右， 这时氧气开始与垃圾料层热解后的碳发生气化作用生成c o 等。一般对于炉排而言， 4 0 0 是保护炉排的一个温度限值，必须防止炉排表面的温度过高。 ( 5 ) 燃烧：热解、气化产生的气态可燃物在空间燃烧，残炭则在料层中燃烧， 燃烧的温度可达1 0 0 0 ，这时火焰主要是在垃圾料层的上方，炉排由于通风良好， 其温度仍在4 0 0 左右或者更低，在燃烧过程中，为了降低烟气中的c o ，应有足 够的氧气和温度，但氧气过多且温度过高( 如1 2 0 0 ) 时，n o x 生成量会显著增 加，因此燃烧组织及其优化控制是十分重要的一环。 ( 6 ) 燃烬：料层通过旺盛燃烧区域后，仍有少量可燃质会继续燃烧，炉渣则 在通过燃烬段后离开炉排表面并被排出。 从炉排的结构形式上来讲，炉排的类型可以分成由炉排块构成的炉排和由一 组空心圆筒组成的炉排两类；从炉排的运动形式来看，可以分为往复运动和滚动 运动两类。 目前我国研制开发的炉排焚烧炉主要有链板式生活垃圾连续焚烧炉、阶梯式 往复炉排焚烧炉、二段往复式垃圾焚烧炉排、武锅垃圾焚烧炉、机械炉排式焚烧 炉。 1 3 2 2 流化床焚烧炉 流化床焚烧炉技术在2 0 世纪6 0 年代便已开发。从垃圾的送入开始到垃圾供 给系统、焚烧炉、汽锅炉、气体冷却室、除尘器、烟囱，整个过程与机械炉排几 乎一样。流化床焚烧炉的特征在于其特设的垃圾供给装置、不燃物排出装置、床 料循环装置和分选装置。流化床焚烧技术己发展成熟，由于其热强度高，更适宜 1 2 第1 章绪论 燃烧发热值低、含水分高的垃圾。但垃圾需预先处理，动力消耗大，烟气含尘高。 因此用于垃圾预处理及尾气处理的投资较高。图卜6 示出了流化床焚烧炉的结构 示意图。 r 炳气 图l 缶循环流化床焚烧炉 f i g 1 6c o n s t i t u t i o nd i a g r a mo fc h 饥l a 血gn u i d i z c db c di n c i m 虹 时间、温度和湍流度( 即。3 t ”) 是组织良好燃烧过程所必须保证的j 在流化 床焚烧炉中，可以充分满足上述三个条件。良好的内循环和外循环给燃烧颗粒在 足够高温度下提供了足够长的停留时间，循环床内强烈的气固混合为良好的燃烧 提供了必须的湍流度。 送入流化床的燃料颗粒将依次经历如下过程r ( 1 ) 干燥：垃圾( 或焦炭) 占床料的重量百分比一般为1 3 ，其余为灰和 石灰石，当新鲜燃料送入流化床后，立即被大量惰性床料所包围并被加热至接近 床温，加热速率一般在l o o s 1 0 0 0 s 的范围。影响加热速率的因素很多， 其中之一为燃料的粒度。燃料的干燥过程取决于燃料的水分和粒度。由于加热速 率较高，加热时间短，因而干燥过程很短暂，以至于与挥发分析出过程紧密相连。 对于水分高达4 0 9 6 以上的生活垃圾，若把燃料直接投入密相区，由于水分闪蒸等原 因，可能导致床压剧烈波动。 ( 2 ) 挥发分析出：挥发分析出过程即热解过程，是指燃料受热分解并产生大 量气态物质的过程。对垃圾而言，挥发分的第一个稳定析出区域大约发生在温度 为3 0 0 5 0 0 范围内，第二个稳定析出区域在温度为6 0 0 8 0 0 范围内。燃 料的工业分析为挥发分产率提供了一个大致范围，但挥发分的精确产率和成分却 受到许多因素的影响。 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 焦炭燃烧：焦炭燃烧通常是在挥发分析出基本完成后开始的，在焦炭燃 烧过程中，气流中的氧先被传递到颗粒表面，然后在焦炭表面和碳发生氧化反应 生成c o 和c 0 2 。焦炭是多孔颗粒，有大量不同尺寸和形状的内孔，这些内孔表面 积要比焦炭外表包覆面积大好几个数量级。在一定条件下，氧还会通过扩散进入 内孔并与内孔表面的碳产生氧化反应。焦炭燃烧在垃圾焚烧中是一个相对次要的 过程。 1 4 城市生活垃圾干燥过程的国内外研究现状 城市生活垃圾中的含水量一般都高于3 0 ，这是垃圾不利于燃烧的重要原因， 因为水分的增加使得用于蒸发水分和过热水蒸气的热量增加，增加了着火热，影 响了燃烧质量。所以，干燥过程是有机垃圾燃烧前必须进行的一步阁。垃圾送入 焚烧炉后，随着炉排的向前运动，受到高温烟气的辐射、对流传热和高温炉墙的 辐射传热。同时垃圾燃料由无数形状各异，体积不同的垃圾碎块堆积而成。碎块 间有许多的孔隙，碎块内部也有许多微孔，因此，目前对城市生活啊垃圾的干燥 过程的研究均将其视为多孔介质进行研究【3 刀。 城市生活垃圾的干燥过程实际上是一个热量和质量耦合传递的过程i 删。一方 面，垃圾从炉膛中吸收热量，即热量由外往里进行传递；另一方面，垃圾内的水 分由里向外传递，经过这一过程，垃圾的含水量逐渐降低，得以干燥。因此，固 体垃圾的热、质传递过程是干燥过程研究的基本问题。 1 4 1 城市生活垃圾干燥过程的理论研究现状 城市生活垃圾的干燥过程中，由于固体废弃物内部结构复杂，传递过程的物 理机制不清晰，而且伴随着流体的相变，使得固体垃圾内部水分的各种运动形式 变得十分复杂，尤其是湿分的迁移机制，受到了各种物理量的支配f 翊。目前国内 外对城市生活垃圾这种含湿多孔介质的干燥研究尚未达到令人满意的程度，各个 学派各抒己见，各种模型五花八门，以至于对同一问题，用不同模型时，计算结 果相差很远。近年来，关于干燥问题传热、传质模型比较典型的有耦合场驱动模 型，包括k i n g 、l ( r i s c h e r 、b e r g e r 、e c k e r t 等基于介质内部湿分的蒸汽扩散机制 和毛细驱动机制的单场驱动理论模型。p h i l i p 和d ev r i e s 以温度梯度g r a d t 和湿 分梯度g r a do 为推动势的双场驱动耦合理论，l u i k o v 的关于场物理量温度t 以及 饱和度s 、压力p 的三场驱动模型；基于质量、动量、能量守恒原则的连续体介质 模型，包括w h i t a k e r 模型，各种将饱和d a r c y 定律移植过来，而作一些简单的非 1 4 第1 章绪论 饱和系数修正，作为动量方程的d a r c y 模式，此外，还有融耦合场驱动理论模型 和连续体介质理论模型于一体的混合理论模型，如i l i c 模型【3 们。比较而言， w h i t a k e r 模型通过对控制点方程采用容积平均化技术来建立宏观方程，并考虑了 介质内部湿分、能量的较多传输机制，因此有着更严格的理论基础，比其他模型 要严格和全面一点，更富有说服力。 1 4 2 城市生活垃圾干燥过程的实验研究现状 城市生活垃圾的干燥实验研究就是由试验测出干燥介质不同工况下垃圾含湿 量随时间变化以及干燥速率随垃圾含湿量的变化规律，通过实验曲线建立干燥特 性方程，利用该方程揭示干燥介质在不同工况下干燥过程热湿传递规律【钟“”。目 前国内外学者对此已开展了多方面的研究。 华南理工大学马晓茜1 4 2 】对广州市的城市生活垃圾的干燥过程做了实验，并得 出了其干燥热解速率的经验公式。但该试验主要侧重于垃圾的热解过程，而对其 干燥过程描述及解释较少。 孙振刚【4 3 】等对蔗糠的干燥过程进行了研究，得到了不同因素对其干燥的影响 关系。 李娟【删通过对酒糟干燥过程的分析发现，由于此种垃圾粒径较小，其干燥主要 以垃圾表面非结合水的汽化为主，干燥速率由周围干燥介质所决定。所以提高风温， 有利于提高干燥速率和临界湿含量，减小酒槽的平衡湿度和干燥时间。 e b r uk a v a i 【a k p i n a r l 4 5 】等通过对茄子、洋葱等农产品在强迫对流下的室内开 放条件下的干燥过程进行了试验，并得到了相应的对流传热系数。 f a h r e t t i n 【舶】等通过对废弃果皮的干燥试验得到了不同温度、风速、果皮的厚 度和尺寸对其干燥过程的影响关系。 目前对干燥的研究走熏集审在食品、农作物方面，于燥时的环境温度一般低 于1 ，其干燥的目的仅仅是为了除去物质内的水分而便于保鲜储藏。而垃圾则 是一种多组分、高水分的混合物；同时，其成分，含水率通常也随着地区、气候、 季节的变化而改变，且每种成分又有其各自的物理、化学性质。干燥过程中各种 成分之间同时也存在着相互影响，从而使垃圾的干燥过程与谷物、大麦、玉米等 单组分的物质的干燥过程有着较大的区别。同时垃圾干燥的目的是为了后续的燃 烧的需要，炉内干燥时的环境温度一般高于1 0 0 ，对于垃圾在此温度下发生的 些现象及规律，目前国内对这方面的研究较少，对其干燥规律的认识还较肤浅。 北京交通大学硕士学位论文 1 5 本课题的研究目标和主要研究内容 本文作为城市生活垃圾焚烧技术研究的一部分，通过在马弗炉和设计搭建的 循环流化床试验台上分别对一些典型城市生活垃圾干燥过程和特性开展研究，进 行温度为l o o 2 0 0 的一系列的干燥试验，通过研究各因素对干燥垃圾的影响。 其主要目的是了解垃圾在炉内干燥过程中的一些特点及其传热传质规律。希望能 得出普适于我国城市生活垃圾特点的一些规律性结论，为以后进一步研究焚烧特 性奠定基础，并找出适合我国城市生活垃圾特点的干燥工艺条件，为改进或设计新 型焚烧炉适应我国高水分、低热值的固体废弃物焚烧技术提供一些基础性的资料。 本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 对国内现有垃圾种类进行分析，得到能代表我国垃圾的一些典型成分组 成。 ( 2 ) 通过对生活垃圾典型组分在马弗炉、流化床中不同温度、垃圾种类、体 积大小进行干燥试验。得到能够反映垃圾干燥规律的特性曲线：干燥曲 线、干燥速度曲线和干燥温度曲线，以及反映垃圾干燥动力学规律的失重率曲线。 ( 3 ) 通过对于燥物特性曲线的分析，找出炉内温度、垃圾体积大小对干燥过 程的不同程茇酌影响，并针对块状垃瑗总结出其干燥时间和垃圾厚度的经验关 系式。同时，通过对已有干燥经验模型进行改进，获得适合本试验干燥垃圾的更 为准确的模型方程，为干燥工艺和设备的设计、控制和改进提供依据，也为进一 步探讨被干燥垃圾内外传热传质过程的机理提供资料参考。 ( 4 ) 对典型城市生活垃圾的干燥过程进行化学动力学分析，为垃圾干燥过程 的控制提供依据。 1 6 第2 章典型城市生活垃圾干燥试验方案设计 第2 章典型城市生活垃圾干燥试验方案设计 2 1 试验目的 通过对城市典型生活垃圾在不同温度、不同形状大小下进行干燥实验，以得 到以下相关干燥特性曲线： ( 1 ) 干燥曲线：垃圾平均整体湿度矽随时间f 的变化规律，即一f 曲线， 其中，形一，码，m ：分别为水分质量和垃圾固体骨架质量。 ( 2 ) 干燥速率曲线：垃圾干燥速率d 如随垃圾湿度的变化规律，即 d 缈，如一曲线。 ( 3 ) 干燥温度曲线：垃圾温度f 随垃圾湿度形的变化规律，即f 一形曲线。 ( 4 ) 垃圾失重率曲线：垃圾失去水分占其总水分的比值口随时间的变化规律， 即a f 曲线。 对上述干燥特性曲线进行分析，得出炉内典型垃圾干燥的规律，并分析温度、 垃圾尺寸对干燥过程的影响 通过垃圾的干燥失重率曲线图，利用动力学原理拟 合出相应的干燥动力学方程。 2 2 试验对象的选取 目前我国城市生活垃圾的主要成分为有机物( 主要为厨余垃圾、果皮等) 和 无机物( 主要包括灰土、渣、陶瓷、石块等) 。另外，城市生活垃圾的构成与社会 诸因素紧密相关。影响城市生活垃圾构成的因素包括：与城市特征有关的城市规 模、地理环境、能源结构、经济发展水平、季节、废品回收状况等。可见，城市 生活垃圾的构成相当复杂，简单的随机取样是不具有垃圾特征代表性的。为此， 实验前必须对其进行综合分析，确定质量含量较大的一些物质，从而得到最能代 表我国垃圾的一些典型成分组成。本文通过对我国大部分城市生活垃圾成分的调 研，从中选取土豆块、白菜茎这两种我国南北方均常见的两种单元垃圾作为研究 对象，对其进行干燥试验研究。以获得其一些干燥过程的基础性的试验数据，为 以后焚烧阶段的进行打下基础。由于对城市生活垃圾干燥的研究刚刚开展，为了 能够较好的探寻垃圾干燥过程的规律性，对土豆块仅仅改变其一维( 厚度)