（工程热物理专业论文）城市废弃物的cfb焚烧和气化特性试验.pdf

摘要 摘要 在0 1 5 m w t h 循环流化床燃烧气化( c f b c g ) 试验台上做了一系列城市废 弃物的焚烧和气化试验。试验台的炉膛高度为6 0 0 0 m m ，内径为3 0 0 m l , ，由耐热合 金钢焊接制成。试验过程中炉膛的温度依靠炉内燃料的燃烧放热来维持。主要完 成城市垃圾与煤的混烧、城市污泥与煤和p e 的混烧和混合气化特性的试验研究。 城市废弃物可以在c f b 试验台上与煤和p e 混烧和气化。试验过程中，由、膛 温度可以稳定控制在一定范围内。经过焚烧和气化处理后，城市废弃物的体积大 幅度减小，实现了减容化和无害化的目的。 城市垃圾与煤的c f b 混烧过程能够满足城市垃圾焚烧处理的“3 t ) ，要求，实 现低二恶英类的排放水平( 当量毒性小于1 o n g m 3 ) 。混烧率的增加导致s o 。的排 放浓度急剧下降，h c l 的排放浓度并没有增加，燃料硫向s o ：的转化率和燃料氯 向h c l 的转化率降低。混烧率为5 0 时，s 0 2 的排放浓度接近0 ，燃料氯向h c l 的转化率小于5 0 。烟气中h c l 的存在有利于c a o 对s o 。的脱除。 城市固体废弃物的氮元素含量比煤和聚乙烯( p e ) 中的氮元素含量高。伴随 混烧率的增加，投入炉膛燃料的氮元素量增加，提供了更多的n 。o 和n o 的生成 机会。但是，试验过程中混烧率的增加仅导致n o 的排放浓度增加，而n ：o 的排 放浓度是降低的。 炉膛温度的增加可以有效降低n , o 的排放浓度，但是对n o 的排放浓度的影 响不明显。 在城市污泥与煤的混烧试验和混合气化试验中，空气系数的增加导致n ：o 的 排放浓度和燃料氮向n ：o 的转化率降低，n o 的排放浓度和燃料氮向n o 的转化牢 增加；燃料硫向s 0 ：的转化率上升。在气化条件下，部分硫元素发生向h 。s 的转 化。 关键词：循环流化床；城市垃圾；城市污泥；混烧；混合气化 a b s t r a c l l a b s t r a c t l iz h i w e i ( e n g i n e e r i n gt h e n n o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl uq i n g g a n g i n c i n e r a t i o n a n d g a s i f i c a t i o n o f m u n i c i p a l w a s t ew e r e i n v e s t i g a t e d i na 0 15 m w t hc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o m b u s t o r g a s i f i e r ( c f b c g ) t h ef u r n a c e i s 6 0 0 0 m mi nh e i g h ta n d3 0 0 m mi ni n n e rd i a m e t e r ，a n di ti sm a d eo fh i g ht e m p e r a t u l e a l l o yc o v e r e dw i t hh e a ti n s u l a t i o nm a t e r i a lo n t h eo u t s i d e t h et e m p e r a t u r eo f t h et e s t s y s t e mw a sm a i n t a i n e db yt h ec o m b u s t i o no ft h ew a s t ea n dt h ea u x i l i a r yf u e l t h e i n v e s t i g a t i o nw a sm a d eo nc o - f i r i n go fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ，c o l l e c t e d i n b e i j i n gc i t y ) a n dc o a l ，c o - f i r i n ga n dc o - g a s i f i c a t i o no fs e w a g es l u d g ew i t hc o a l a n d p e t h em s wa n ds e w a g es l u d g ec a nb es u c c e s s f u l l yd i s p o s e dt h r o u g hi n c i n e t 。a t i o n o rg a s i f i c a t i o ni nc f bu n d e rc e r t m nt e m p e r a t u r e sw i t he n e r g yr e c y c l i n g ，w e i g h ta n d v o l u m er e d u c t i o n c o - f i r i n gm s w w i t hc o a l sm e e t st h er e q u i r e m e n to f “3 t ”，w i t hl o we m i s s i o no f p c d d s f s ，w i t hl t e ql e s st h a n1 o n g m 。s 0 2c o n c c n t r a t i o ni n t h eg a sd e cz e a s e s s i g n i f i c a n t l yw i t ht h ei n c r e a s eo fc o - f i r i n gr a t e s ，a n dh c ic o n c e n t r a t i o n i nt h eg a s d o e sn o tr i s ew h e nc o f i r i n gr a t e si n c r e a s e i n c r e a s ei n c o f i r i n gr a t e sl e a d s t ot h e r e d u c t i o no fc o n v e r s i o nr a t i o so ff u e l st os 0 2a n df u e l c it oh c i w i t ht h ec o f i r i n g r a t eo f5 0 ，t h es 0 2c o n c e n t r a t i o ni nt h ef l u eg a si sa b o u t0a n dt h ec o t w e r s i o nr a t i o o fc h l o r i n et oh c li sl o w e rt h a n5 0 i na d d i t i o n ，h c ii nf l u e g a sp r o m o t e st h e a b s o r p t i o n o fs 0 2 b y c a o n i t r o g e nc o n t e n ti nt h em u n i c i p a lw a s t ei sh i g h e rt h a nt h a ti nt i l ec o a la n di l l t i l e p e ，a n do n _ i n c r e a s ei nc o f i r i n gr a t e sl e a d st ot h er i s eo f t h o s ec o n c e n t r a t i o n so fn 2 0 a n dn oi nt h ef l u eg a s i nt h ee x p e r i m e n t s ，n oc o n c e n t r a t i o ni nt h ef l u eg a si n c r e a s e s w i t h h i g h e rc o - f i r i n gr a t e s ，b u tn 2 0 c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e s a ni n c r e a s ei nf u m a c e t e m p e r a t u r e l e a d st o s i g n a f i c i a n t r e d u c t i o ni n n 2 0 e m i s s i o n ，b u td o e sn o tl e a dt oh i g h e rn o e m i s s i o n d u r i n gc o f i r i n ga n dc o g a s i f i c a t i o no fd a t o n gb i t u m i n o u sa n ds e w a g es l u d g e ， a b s t r a c t a ni n c r e a s ei nt h ee q u i v a l e n tr a t i oo fa i rt of u e ll e a d st od e c r e a s eo fn 2 0 e m i s s i o na n d d e c r e a s eo fc o n v e r s i o nr a t i oo ff u e l nt on 2 0 ，b ml e a d st oh i g h e rn o e m i s s i o na n d h i g h e rc o n v e r s i o nr a t i oo f f u e l nt on o ，a n d h i g h e rc o n v e r s i o nr a t i oo f s u l f u rt os 0 2 u n d e rr e d u c t i o nc o n d i t i o n ，s o m es u l f u ri sc o n v e r t e dt oh 2 s k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d ；m s w ；s e w a g es l u d g e ；c o f i r i n g ； c o g a s i f i c a t i o n i i i 符j 表 符号表 燃料气中c h 的浓度( 干) 燃料气中c o 的浓度( 干) 燃料气中c o ：的浓度( 干) 干燥污泥的含水率 燃料气中心的浓度( 干) 燃料气中的n 。的浓度( 干) 实测的烟气中氧气的浓度 混烧率 燃料气中理论h ：s 的浓度 燃料气中理论n 。o 的浓度 燃料气中理论n o 的浓度 实测的烟气中水蒸汽的含量 湿污泥的含水率 烟气中x 气体的标准浓度 实测的烟气中x 气体的浓度 空气过剩系数 混和燃料中氮的质量百分含量( 收到基) 混和燃料中硫的质量百分含量( 收到基) 煤的低位发热量 干燥污泥的低位发热量 城市垃圾的低位发热量 p e 的低位发热量 湿污泥的低位发热量 煤的给料量 干燥污泥的给料量 城市垃圾的给料量 p e 的给料量 城市垃圾 湿污泥的给料量 聚乙烯 供入炉膛的实际空气量 供入炉膛的实际燃料燃烧所需的当量空气量 燃料气的产率 喷水率 m g m m g m r a g i n 、 k j t k g k j k g k , l k , q k j k g k g 7 t 1 k g h k g h k “h k g h n l h m 。h 一h k , h 衄阻r r洲唧唧吣距u u 搪l 章r j l 高 第1 章引言 二十世纪九十年代以来，我国的社会、经济和文化发卜了深刻变化，城锕队 速发展，城市人口数量急剧增加，城市生活垃圾的产量急剧上州。例如，j 9 9 8 年我国全国城市生活垃圾的清运量为0 9 亿吨，2 0 0 2 年的清运量增加到i 1 亿 吨。伴随我国城镇的快速发展，城市生活污水的排放量也急剧，【：升。t 9 9 7 年 我国城镇生活污水的排放总量为1 8 9 亿吨，到2 0 0 2 年达到2 3 2 亿吨”1 。为丁改 善我国水资源污染严重的现状，从“九五”期间污水治理问题得到充分重视城 市污水处理工程项目发展很快，但同时产生了大量的城市污水处理的副产物一城 市污泥。以2 0 0 2 年计算，如果对当年3 5 的城市生活污水进行处理，处理每万 吨污水产生5 吨城市污泥( 机械脱水，含水率8 0 ) ，2 0 0 2 年的城市污泥产量高 达4 百万吨。如此大量的城市废弃物给我们的生存环境带来严重的污染问题，在 制约着我国城市的可持续发展。因此，这些废弃物的安全处理成了我国现代化建 设中一个越来越紧迫的问题。 1 1 城市废弃物的产生 城市生活垃圾是指城市居民日常生活当中产生的、被认为没有价值而丢弃的 固体废物，主要包括有机物和无机物两大类。有机物包括厨余物、纸、塑料、植 物枝叶等，而无机物包括灰土、玻璃、陶瓷、金属等。伴随城市的发展，城市生 活垃圾的产量增加，其中的有机物的含量也增加。出表1 1 可以看出，近十年来 我国城市生活垃圾清运量在逐年增加“1 。 近年来，伴随我国城市的迅速发展，城市污水的产量急剧上丌，见表1 2 。 城市污水在没有处理之前含有大量的有机物、无机物、有坶物质删敛埘微，l 叫勿， 如果不加处理直接排放将造成水资源污染，水域的富营养化，威胁人类健康。”。 因此，在城市污水排放之前要求进行净化处理，城市污泥是城市污水处理过程的 副产物。 经过初次沉淀池处理的城市污泥的含水率在9 5 - 9 7 之间，剩余活，阽污泥 城市跋卉物的c f b 焚烧和气化特性试验 的含水率高达9 9 以上，污泥的体积巨大，且含有大量的有机物、重金属和致 病微生物。因此，需要在污水处理厂对污泥进行进一步的稳定化处理和脱水处理， 以降低含水率，减少污泥量、消除臭味、减小有机物含量、杀灭致病微生物。稳 定化处理包括发酵处理、添加石狄处理和热处理。发酵处理包括有氧发酵和厌氧 发酵两类，是通过微生物的代谢作用，将城市污泥中的有机物分解，部分转化 成气体，其余部分转化成稳定物质，在此过程中杀死大量致病病菌，减少污泥的 体积。添加石灰的稳定化处理是向未经处理的城市污泥中添加足够的石灰，使污 泥的p h 值高于1 2 ，在这种条件下，污泥中的微生物失去活性，污泥不会腐化、 不会散发臭味、不会危害人类健康。热处理是给污泥加压到2 6 m p a ，分两阶段 加热到3 0 3 3 4 8 k 和3 4 8 - 4 6 3 k ，使污泥发生凝固，破坏胶体条件，降低水分对固 体物质的亲和力，实现杀菌、除臭的目的，而且处理后的污泥容易脱水1 ：1 1 0 表1 1 我国城市生活垃圾清运量 n s ：未统计 表1 2 我国城市生活污水产量 竺垦兰要鋈盔主三兰盏兰 1 9 9 71 8 9 1 9 9 81 9 5 3 1 1 9 9 92 0 44 6 2 0 0 02 2 18 4 2 0 0 1 2 3 04 3 2 0 0 22 3 2 0 9 0坞撕弛们的弱黯雅：船勰蛎驼m能叭0孙挖勰嬲盯盯伯稿m ，4 9 7 7 5 7 3 6 8m姒鲳佰昭娩盯雕嘶娩坞培坞h心坞叭呓吣鲥盯蛆毗眈旧旧均均垮旧坶均均 第l 章j ：；| 吉 1 2 城市废弃物的处理 由于城市废弃物成分复杂，含有大量有害物质，如果处理不当，将对人类的 生存环境造成污染，如污染土壤环境、污染水体、污染大气环境，破坏自然景观。 为了控制对环境的影响，我国对城市废弃物的处理提出了“资源化”、“无害化” 和“减量化”的控制政策“1 。 我国政府对城市垃圾的无害化处理要求起步比较晚，原来大多数的城市垃圾 没有分类投放、采用露天堆放，对二次污染问题没有采取任何措施，造成许多环 境污染问题。城市生活垃圾自然降解速度慢，远低于垃圾的产生速度，导致垃圾 围城现象较严重，白色污染问题突出。由于垃圾当中含有大量有机物，蚊蝇、病 菌大量繁殖，垃圾堆放场被臭气包围，环境恶劣。露天堆放的垃圾降解后的渗滤 液直接渗入到周围土壤和地下水中，其中的重金属和有毒有害有机物严重超过幽 家标准。堆放场的垃圾降解后产生的沼气容易达到爆炸极限，垃圾堆放场失火和 爆炸的事件经常发生。因此，我国政府在近几年丌始要求对城市垃圾进行无害化 处理，包括卫生填埋法、焚烧法、堆肥法。经过卫生填埋处理的城市垃圾仍然存 在许多问题，渗滤液的净化成本较高，如果管理上出现漏洞或技术h 现问题导 致垃圾填埋场的渗滤液发生渗漏，渗入到土壤或地下水中，会造成严重污染。此 外，随着城市的发展，城市用地同趋紧张，城市周边地区可以用作垃圾填埋的r 地越来越少。垃圾的堆肥法处理由于存在处理周期长、肥效低等问题而发展缓慢。 焚烧处理可以实现城市垃圾的减量化和无害化。经过高温焚烧，城市垃圾中的有 机物快速分解，体积迅速减小，有机物所含有的热能可以通过发电匹h 女，同时实 现高温杀菌地目的。因此在世界范围内得到迅速发展 e - l o 污水处理厂生产的机械脱水污泥的含水率在6 0 一8 6 之| 白j “”，【l = | 于其产蹙 巨大，含有大量有毒、致病物质，要求实现安全处理。目前，世界范囤内城市污 泥的处理方法主要包括：用作农肥处理、陆地填埋、填海处理、焚烧和气化处理 等”。城市污泥中含有大量有机物和氮、磷、钾等营养元素，还含有钙、镁、 铜、锌和铁等微量元素，用作农肥既可阱作为植物的养分，又可以改良土壤结构， 增加土壤肥力，促进植物生长。因此，城市污泥用作农肥处理在世界范围内占有 城市废卉物的c f b 焚烧羊n 气化特性试验 牛 1 当大的比例。但是，大量研究发现城市污泥中的重金属含量远远超出农田中的 含量，如果不加限制的在农阳中使用，会导致农田中熏余属浓度上升，并通过粮 食和动物被人类吸收。污泥中的致病微生物和有毒有机物也可能对粮食污染，最 终威胁人类健康。污泥中的重金属和其他有毒有机物还可能渗入到地下水中污染 地下水源“3 1 。因此，城市污泥用作农肥处理将受到越来越多的限制，处理量在 世界范围内将逐渐减少。目前，在世界范围内，卫生填埋处理仍然是城市污泥的 主要方法之一。这种处理方法日益引起人类的担心，因为污泥本身的特性，导致 填埋场散放臭气、甲烷气，并产生渗滤液，对环境造成污染；可用污泥填埋场地 的减少和新建填埋场地的严格限制，污泥填埋处理作为方便、便宜的处理方式的 优势同趋降低。欧洲的一些沿海国家和美国的一些沿海城市曾经把污水处理厂产 尘的城市污泥直接投入海洋。目前，由于这种处理方式严重污染海水，城市污泥 的填海处理在世界范围内受到限制。由于以上三种城市污泥处理方法存在的缺 点，人们开始研究和采用焚烧的方式处理城市污泥。通过焚烧处理，稳定化的城 市污泥焚烧灰的体积只有原污泥体积的十分之：污泥中毒性有机物可以实现高 温分解而失去毒性，致病微生物可以全部高温杀灭；干燥处理后的污泥热值与褐 煤相当，通过焚烧处理可以实现热能回收。因此，城市污泥的焚烧处理具有明显 优势，已经得到人们的关注。 1 3 城市废弃物的焚烧现状 城市垃圾的焚烧历史可以追溯到1 0 0 年以前。世界第一台垃圾焚烧炉在1 8 7 4 年建于英国n o t ti n g h a m 市，在1 8 8 5 年的美国纽约市、1 8 8 6 年的德国汉堡市和 1 8 9 8 年的法国巴黎市也建造了垃圾焚烧炉。但是由于当时垃圾的热值低，焚烧 技术落后，燃烧状况差，垃圾的焚烧处理并没有处于主导地位。进入2 0 世纪后 半叶以来，伴随世界经济的快速发展，城市垃圾的数量迅速增加，对垃圾的减量 化处理要求也日趋强烈，垃圾的焚烧处理得到快速发展。伴随经济发展，城市垃 圾中的有机物含量上升，热值增加。7 0 年代世界范围内的能源危机促使人们对 城市垃圾能量感兴趣，垃圾焚烧得到进一步的发展，烟气净化技术的发展也减轻 了垃圾焚烧的二次污染问题。9 0 年代以来，全球经济飞速发展，城市垃圾的焚 烧处理技术得到不断提高，可以实现城市垃圾处理的能源回收、减少填埋使用的 第1 章 占 土地、预防疾病传播，在环境保护和资源利用方面具有明显的优势，在工业发达 国家得到较广泛的应用t i l l 。表l r3 为1 9 9 5 年的主要发达国家城【t 圾的焚烧情 况1 15 1 可以看出，日本、德国、荷兰、瑞士、瑞典和月麦等国家的城市垃圾的 焚烧处理量已经超过5 0 ，各国家焚烧炉的数目差别巨大，日本的焚烧炉近2 0 0 0 座。 表1 3 发达国家城市垃圾焚烧情况( 1 9 9 5 年) 国家霞产瞥瓮尹篆j l | 厂。嚣髌， 美国 7 552 01 5 73 0 0 0 日本2 347 31 8 9 93 0 8 6 德国 4 645 1 6 71 1 0 0 英国 8 811 1 3 81 8 0 法国4 02 23 82 8 42 0 0 荷兰4 545 l1 11 7 0 比利时6 292 92 91 3 2 瑞士 2 008 0 3 41 7 0 丹麦 1 81 27 0 4 61 4 5 瑞典 3 51 0 5 52 31 4 0 与城市垃圾的焚烧处理相比，城市污泥的焚烧处理出现比较晚。但是，由于 焚烧处理在无害化、减容化和资源化等方面存在明显优势，城市污泥的焚烧处理 发展迅速。表1 4 列出1 9 9 2 年欧盟国家的各种污泥处理方法所占的比例，平均 计算，焚烧处理所占的比例为i l 。在美国和同本所产生的城市污泥中，焚烧 处理所占的比率分别为2 5 $ u5 5 。据预测，到2 0 0 5 年欧盟吲家产! l 的城j j 泥中焚烧处理所占比例将超过4 0 ”。 城市垃圾焚烧炉主要包括多室焚烧炉、机械炉排焚烧炉和流化床焚烧炉等炉 型“”。机械炉排垃圾焚烧炉对垃圾的热值要求较高，通常需要喷油助燃：垃圾 与空气的接触条件差，不容易将垃圾彻底燃尽；炉膛温度不均匀，在低温区容易 生成污染物；炉渣活性差，难以综合利用。 流化床焚烧炉内存在大量高温炉料，投入到炉膛内的垃圾可以迅速升温并着 火，稳定燃烧并可以保证燃尽。用流化床焚烧处理城市垃圾在r 本、美国和西欧 城市废靠物的c f b 焚烧和气化特忡试验 已经积累了大量经验。在同本，e b a r a 公司到1 9 9 3 年已经建成5 0 座流化床焚烧 炉处理城市垃圾，1 0 座焚烧炉处理工业废物和污泥：到1 9 9 5 年，f o s t e rw h e e l er 公司建造了1 0 0 座流化床焚烧炉处理1 0 0 的城市垃圾| 3 1 0 表1 4 欧盟各困的污泥处理方法( 1 9 9 2 年) 比利时 2 95 51 50l 丹麦 5 42 02 402 法国6 02 02 000 德国 2 75 41 405 希腊 1 09 0000 爱尔兰 1 24 503 58 意大利 3 35 5 10i i 卢森堡 1 28 8000 荷兰2 65 0 302 0 葡萄牙 3 06 000i 0 西班牙 5 03 551 00 英国4 4 873 0l l 合计3 74 0 i i66 城市污泥焚烧炉主要包括多室焚烧炉和流化床焚烧炉“。美国在二十世纪六 十年代建造第一座流化床焚烧炉处理城市污泥和工业废物。欧洲的第一座流化床 焚烧炉于1 9 6 4 年在德国建造，用来处理炼油厂产生的的污泥；一年后在瑞士建 造一座流化床焚烧炉用来处理城市污泥。之后，用流化床处理城市污泥得到迅速 发展。1 9 8 8 年，r 本的1 5 1 个污泥焚烧厂中5 3 个是采用的流化床焚烧炉。1 9 9 7 年德国的3 9 个污泥焚烧厂中，2 8 个是采用的流化床焚烧炉。美国在1 9 7 0 年以 前已经有1 2 0 座多室污泥焚烧炉；到1 9 9 7 年，美国己经建立1 0 0 多座流化床污 泥焚烧炉，而在世界范围内建立了3 0 0 多座流化床污泥焚烧炉“1 。在日本，一些 垃圾焚烧炉由于二恶英类等污染物排放超标逐步关闭、或是采用新型低污染的新 型焚烧炉替代，开始转向循环流化床。 循环流化床燃烧技术近二十年多来在世界范围内得到快速发展。炉膛内存在 大量稳定循环的高温床料，新加入循环流化床锅炉的燃料只占床料的很小份额， 山于炉内气固强烈参混，存在良好的换热条件，新加入的燃料可以快速升温并稳 第l 章0 f 言 定燃烧。对于未燃尽的燃料粒子，通过多次循环增加其在炉内的停留时间，可多 次参与床层中剧烈的质量和热量交换，从而得到燃尽。因此，循环流化床尤其适 直低热值燃料的燃烧。循环流化床锅炉的床温在l1 2 3 11 7 3 t ( 之问，属于低温燃 烧，可以有效防止热力型n o x 的生成：在此温度范围内，石灰石的脱硫效果最佳， 可以实现在燃烧过程中炉内脱硫，实现低s o x 和低n o x 排放。，衙环流化床锅炉可 以实现低负荷运行，如在3 0 的锅炉额定负荷下运行，无需辅助液体燃料，也 不会发生锅炉熄火的情况：同样，循环流化床也能够适应负荷快速变化的胁况。 循环流化床适合焚烧城市垃圾这种水分高、狄分多、热值波动大的燃利”7 ， 能够克服垃圾成分的密度、形状、化学性质、着火特性及燃烧特性等不同所造成 的燃烧不稳定等问题，保证及时着火、稳定燃烧和充分燃尽，u j 以 艇好地典肌垃 圾处理的无害化、减量化和资源化，有效抑制二次污染物的排放。这是其它燃烧 设备不可比拟的。世界范围内，m s w 、垃圾衍生燃料( r d f ) 、树皮、造纸污泥、 城市污泥等对焚烧条件要求苛刻的固体废弃物越来越多的采用循叫：流化床处_ u 。 1 9 9 9 年，世界上最大的用循环流化床焚烧垃圾发电的电厂存s p ：，迎造“”1 ，锅 炉体系包括两台7 5 m w t hc f b 锅炉、干式尾气净化系统和柿袋除尘器，蒸汽透平 机发电能力为4 9 m w ，燃气发电机发电能力为2 1 6 m w ，并利用6 5 8 k 的) - g 气来f 燥 m s w 。返料器处布置过热器，由于浚处换热系数大，锅炉换热f f l i g l , j 。小5 0 9 0 ： r d f 燃烧产生的氯化氢经过高温烟气旋风分离器流向烟道，f f l ju - 蒯处氯化氖f 门浓 度很低，降低了过热器处的高温材料腐蚀。台湾于1 9 9 7 年建造。一臃混烧煤和造 纸污泥的1 0 3 m w t h 循环流化床锅炉，污染排放符合台湾环境标玳”。 我国垃圾焚烧处理的起步较晚，但是发展非常快。1 9 8 5 年，我国深圳ij 从 f 1 本引进2 台日处理垃圾1 5 0 吨的炉排型垃圾焚烧炉，并装有0 5 m w 发 u 机 _ l 【： 于1 9 9 6 年又增建l 台三菱马丁炉，装有3 m w 发电机组及相应配套设备。2 0 0 1 年 l 2 月上海浦东新区日处理垃圾1 0 0 0 吨的倾斜往复阶梯炉排焚烧炉投入运行。山 于循环流化床垃圾焚烧炉的优点，近年来有关这项技术的研究和应削在我国发展 很快。中匡i 科学院工程热物理所承担了“八五”课题“研究开发h 处理1 0 0 吨循 环流化床垃圾焚烧炉示范工程”，焚烧炉安装于北京海淀上庄，于2 0 0 1 年投入试 运行。1 9 9 8 年，浙江大学热能研究所与杭州锦江集团联合开发循环流化床混烧 城市睃卉物的c f b 焚烧麻【气化特件试验 城市垃圾和煤技术，并应用到余杭热电厂“，该电厂的垃圾处理能力为1 5 0 吨 h 。2 0 0 0 年浙江大学在1 m w 大型循环流化床试验台上研究煤和城市垃圾的混烧 过程，发现氯化氢的浓度远低于国家排放标准“。2 0 0 1 年1 1 月，东南大学在循 环流化床上研究城市垃圾与煤混烧过程，发现这种燃烧方式产生的二氧化硫、氯 化氢、氮氧化物和飞灰及底渣中的二恶英类等环境污染物的浓度都比较低 2 a o 畔，联环保公司与无锡华光锅炉厂合作为绍兴城市热电厂提供日处理4 0 0 吨城市 垃圾与煤混烧的7 5 吨小时c f b 锅炉，2 0 0 2 年通过鉴定，污染物排放符合排放 丰， i 准。 1 4 城市废弃物焚烧的二次污染 城市废弃物的焚烧处理已经由一丌始单纯的减量化处理发展成现在的无害 化、减量化和资源化处理。城市废弃物的有机部分主要由碳、氨、氧等元素组成， 此外还含有硫、氯、氮等元素，在焚烧过程中要生成c o 、s o x 、n o x 、h c l 和二恶 英类等大气污染物。城市废弃物焚烧过程中的这些污染物的排放问题在世界范围 内受到普遍重视，许多国家已经对它们的排放制订了严格限值“+ “+ ! “5 1 。 氯化氢不仅危害人类键康，而且对焚烧设备有很强的腐蚀作用。城市垃圾中 含有大量的有机氯化合物和无机氯化合物，其中有机氯化合物主要分布在聚氯乙 稀巾，而无机氯化合物主要分布在厨余物的氯化钠中。在焚烧过程中，这些含氯 化合物中的氯元素通过一系列的化学反应向氯化氢转化：但是，同时焚烧过程中， 钙化合物可以有效的脱除氯化氢，当温度在9 7 3 11 7 3 k 之间时，h c i 的脱除效率 为l o 一7 9 a 6 - al 。 二恶英类是o l i v e 等人= 于1 9 7 7 年最早在荷兰阿姆斯特丹市废弃物焚烧炉 排放的飞灰和烟气中首次检出。二恶英类是一类物质的总称，包括多氯代二苯并 对二恶英( p 0 1 y c h l 。r i n a t e dd i b e n e z o p d i o x i n s ，p c d d s ) 和多氯代二苯并呋 柏( p o 】y c h l o r i n a t e dd i b e n e z o f u r a n s ，p c d f s ) 。多氯代二苯并对二恶英为两 个氧原子连接两个被氯原子取代的苯环，简称为二恶英：多氯代二苯并呋喃为一 个氧原子连接两个被氯原予取代的苯环，简称为呋哺。二恶英类每个苯环上可以 取代l 一4 个氯原子，= 恶英有7 5 种异构体，呋喃有1 3 5 种异构体，二恶荚类共 第1 章引言 有2 1 0 种异构体，见其分子结构见图1 1 。二恶英类的熔点和沸点很高，常温 下为固态，化学性质很稳定，主要产生于城市垃圾、危险废物和医疗垃圾的焚烧 过程。美国环保局进行的一项全面二恶英类环境评价结果表明：二恶英类4 q y x 人体具有致癌性，显著增加癌症死亡率，还能降低人体免疫能力，影响正常的荷 尔蒙分泌“。 颐。o 双 二恶英 c y c l x 图】1 二恶英类分子结构 呋哺 c l y 在城市垃圾焚烧过程中，有机或无机碳和有机或无机氯在飞从中金属催化剂 的作用下生成二恶英类物质，生成方式有两种：有机或无机碳的低温d en o v o 合 成：前体物合成 ：1 4 - ：”1 0 无论哪一种生成方式，d e a c o n 反应( 催化剂作删卜。氯 化氢分子转化为氯分子) 所提供的氯分子都是必不可少的。 目前。为了抑制在垃圾焚烧过程中二恶英类的生成，我国环境标准“”、巴 塞尔公约“8 1 和日本厚生省于1 9 9 0 年1 2 月颁布的防止二恶英类发生的指南。“ 都要求垃圾焚烧必须达到“3 t ”条件：炉膛温度( t e m p e r a t u r e ) 必须达到充分 高的水平、燃烧气体的混合必须有充分的紊流度( l 、u r b u l e n c e ) 、烟气在炉膛内 必须有足够的停留时间( t i m e ) ，即通过控制完全燃烧来抑制二悲英类的生成。 此外，在垃圾焚烧过程中添加硫元素和钙化合物也会抑制二恶英类的生成“”。”1 。 元素硫抑制二恶英类的生成存在两种机理“3 1 ：二氧化硫促使氯分予向氯化氧分 子转化 4 4 1 避免了氯元素的芳香化反应：二氧化硫毒化了二恶英类生成的铜丛 催化剂。在焚烧过程中通过向炉膛添加钙化合物抑制二恶英类的生成的反应机耻 是，钙元素与氯元素结合生成氯化钙，阻止了氯化氢向氯分子的转化“1 ”。 城市唆卉物的c f b 焚烧和气化特忡试验 城市废弃物在焚烧过程中有n o 、n o 。和n ! o 的排放。n 0 和n ( ) ! 通称为n o x ，燃 烧过程中形成的n o ? 的浓度比n o 的浓度要小的多，一股小于n o x 浓度的5 ，研 究过程中常常忽略掉，而仅考虑n o 的浓度值1 。n o x 的毒性很强，既危害人类 的健康，又对植物的生长有不利的影响；此外，n o x 还会参与光化学反应，形成 光化学大气污染。因此，在世界范围内n o x 被列为大气污染物。燃烧过程中生成 的n o x 主要由两部分组成：燃料型n o x 和热力型n o x 。燃料型n o x 是由燃料中的 氮元素( 包括挥发型氮和焦碳型氮) 在燃烧过程中转化来的；热力型n o x 是空。i 。l - t 的氨气与氧气在高温燃烧条件下( 大于1 8 0 0 k ) 发生化学反应生成的。在流化 床燃烧条件下生成的n o x 主要是燃料型，热力型n o x 所占份额很小，常忽略不计。 另外，n ：o 一般为低温燃烧条件下( 小于1 3 0 0 k ) 的燃烧生成产物。n 。o 是一“种温 室气体，对大气臭氧层有破坏作用。燃烧反应过程中生产的n ! o 包括挥发型，( 如 h c n 的氧化反应生成的n 。0 ) 和焦碳型”。由于城市废弃物中氮元素含量比煤 中的含量要高得多，因此，关于城市废弃物焚烧过程中n o x 和n ：0 的排放有大量 报导( a , t s , t s l 在城市废弃物中含有硫元素，燃烧过程中会转化成s 0 。s o 。不仅危害人类的 身体健康，还会造成酸雨，危害植物生长，对建筑物造成腐蚀。此外，烟气中 s o 。的存在也会对燃烧设备造成腐蚀。因此，有必要对燃烧过程中s o ：的排放进行 控制。在循环流化床燃烧条件下脱除s o ：的主要方法是向炉内添加石灰石，最佳 脱硫温度为l1 2 3 1 2 7 3 k ，可以达到较高的脱除效率。”1 。此外，文献报导，烟气 中氯化氢的存在可以有效提高石灰石的脱硫效率u g - s a l 。 1 5 城市污泥与煤和p e 的混合气化 固体燃料气化过程中的化学反应主要是燃料中碳与气化剂中的氧、水蒸汽、 二_ 氧化碳之川发生的化学反应和碳与产物气或者产物气之间的发生的化学反应。 一i 化反应过程是在缺氧的条件下进行的，利用燃料部分燃烧所放出的热量提供可 燃气成分生成所需要的热量，最终生产出可燃气体。气化过程主要发生如下几个 反应； c + 0 2 - c 0 2+ q 第1 章引言 c + h 2 0 一c o + h 2 一q c + 2 h 2 _ c h 4+ q c o + h 2 0 _ c 0 2 + h 2 + q 城市污泥与煤一样，含有大量的有机物，可以通过气化反应转化成燃料气， 实现能源的回收利用，使污泥中的有毒有机物分解，把重金属等有害物质固定在 匕灰中，减少污泥的体积。但是，关于污泥气化的研究工作在世界范围内仍处于 起步阶段，关于气化特性的文献非常有限。 p i n t o ”综述了城市废弃物的气化进展。在商业运行的气化炉上进行废塑料 的气化过程中，由于废塑料的成分波动大，添加褐煤来稳定气化条件，每吨塑料 可以产生8 5 0 公斤燃气；在中型和大型加压煤气化试验台上添加生物质燃料可以 产生燃气；在小型加压流化床气化试验台上进行多种生物质与煤的混合气化试 验，证明这种技术在简化i g c c 系统中应用是可行的，生物质的比例达到5 0 时， 没有出现结渣、焦油和运行问题，并且在芬兰的1 8 m w t h 的混合气化煤与生物质 的中试炉上成功运行。与单独生物质气化相比，与煤混合气化过程中生成的焦油 鼍要少；与煤单独气化相比，生物质的添加使燃气产量增加。 从目前的发展状况来看，城市垃圾的焚烧处理在减量化、无害化和资源化方 面具有明显得优势，在全世界得到较普遍的应用。我国在深圳、上海、天津、哈 尔滨等大中城市也建立了垃圾焚烧厂。但是，这些焚烧厂的主要设备全部依靠从 吲外引进，建设成本昂贵。此外，由于我国的城市垃圾热值偏低，燃烧不稳定， 常伴油或伴气燃烧，运行成本高。因此，有必要研究开发具有我国自主知识产权 的城市垃圾焚烧技术。 我国城市污泥的产量逐年增多，填埋处理和用作农肥处理存在着诸多缺点， 有必要借鉴城市垃圾焚烧处理的方法处理城市污泥。但是我国在城市污泥的焚烧 处理方面的研究工作非常欠缺，这种高含水率、高挥发分、高灰分燃料的燃烧与 城市废弃物的c f b 焚烧和气化特性试验 常舰燃料的燃烧不同，需要较深入的研究工作才能掌握城市污泥的燃烧和排放特 性。 城市污泥的挥发分含量和灰含量较高，水分含量也较高，如果能够实现通过 先气化后焚烧的方法对城市污泥进行处理，可以节省城市污泥常规的先干燥再焚 烧过程中的干燥过程，工艺简单，运行和维护成本降低。因此，有必要对城市污 泥的气化技术进行深入的研究。 1 6 研究目的和本文的内容 通过煤和城市垃圾混烧来提高燃烧的稳定性，保证城市垃圾的燃尽率，抑制 二恶英类的生成；利用煤中含有的硫元素抑制二恶英类的生成；利用城市垃圾焚 烧产生的氯化氢提高钙化合物的脱硫效率。通过城市污泥与煤和p e 混烧，保证 稳定燃烧和污泥的燃尽，降低污染物的排放。通过煤与城市污泥的混合气化，煤 的添加可以保证气化的稳定性克服由于城市污泥的热值低给气化过程带来的问 题；通过废塑料与城市污泥的混合气化，不仅克服了城市污泥的热值低给气化带 来的不稳定性，而且同时解决了废塑料的处理问题。利用c f b c g 技术的燃料适 用性广、尤其适用燃烧低热值燃料的优点处理城市废弃物，能够保证稳定燃烧， 保证炉膛内存在的强烈气固参混条件，保证烟气在炉内足够的停留时间，能够满 足废弃物焚烧的“3 t ”要求，保证垃圾的燃尽，抑制二恶英类的生成；炉膛内存 在的强烈的气固参混过程给城市污泥与辅助燃料的混合气化过程提供了良好的 气化反应条件，有利于燃料气的生成。通过一系列的试验研究，掌握废弃物的焚 烧特性和气化特性掌握污染物的排放特性，为实现城市废弃物的无害化、减量 化和资源化处理提供基础数据和理论指导，为开发具有我国自主知识产权的城市 废弃物焚烧和气化处理技术提供依据。 本文在综合国内外城市废弃物的焚烧与气化研究现状的基础上，确定了在 0 1 5 m w t hc f b 试验台上进行如下研究内容： 1 城市垃圾与夏庄烟煤和京西无烟煤的混烧试验，炉膛温度是影响化学反应 动力学和热力学的重要条件，混烧率是影响投入炉膛物质变化的重要条件，主要 1 2 第1 章引言 研究炉膛温度和混烧率对燃烧特性和排放特性的影响。 2 ，城市污泥与大同烟煤和p e 的混烧试验，主要研究炉膛温度和混烧率刈燃 烧特性和排放特性的影响。 3 城市污泥与大同烟煤和p e 的混年 j 气化试验，! i j 7i 过删系数址影响影响燃 料燃烧份额和气化份额的重要因素，主要研究空气过剩系数对气化特性和排放特 性的影响。 城市跛弃物的c f b 焚烧和气化特陛试验 第2 章试验装置与试验方法 城市废弃物在焚烧过程中的燃烧特性和排放特性以及城市污泥的气化特性 足在中国科学院工程热物理研究所0 1 5 m w t h 循环流化床燃烧气化( c f b c g ) 试 验台上完成。由于城市废弃物的热值比较低，而且成分不稳定，为了保证稳定燃 烧与稳定气化，在焚烧与气化试验过程中添加了辅助燃料煤和聚乙烯( p e ) 。试 验主要包括两部分内容：城市垃圾与煤的混烧试验：城市污泥与煤的混烧和气化 试验、城市污泥与p e 的混烧和气化试验。 2 1c f b c g 试验系统 0 ，1 5 m w t h 循环流化床焚烧气化( c f b c g ) 试验系统简图见图2 1 。试验系 统主要由燃烧气化系统和辅助系统两部分组成。 燃烧气化系统包括炉膛、旋风分离器、料腿、返料器。炉膛的高为6 0 0 0 n 1 i r i ， 内径为3 0 0 m m ：布风板上方8 0 0 r n m 的部分由耐火材料浇注制成，外部由钢板固定。 炉膛卜部其余5 2 0 0 m m 的部分、旋风分离器、料腿和返料器由耐热合金钢焊接箭 成，外部包扎绝热石棉毡。炉膛的设计运行温度为9 7 3 k 1 1 7 3 k 。 炉膛侧壁上分别安装6 个测温热电偶和6 个压力探头，设置了给煤孔和给垃 圾孔。炉膛上热电偶、压力探头和给料口的位置列入表2 1 。为了控制炉膛热平 衡和调节炉膛温度，在城市垃圾与煤的混烧试验和城市污泥与煤和p e 的混烧试 验中，从炉膛顶部插入了一根长4 0 0 0 1 l m l 的水冷管，外径为5 1 r a m 。在试验过程中， 水冷管的插入深度可以调节，最大调节量为2 5 m 。冷却水的流量为 3 0 0 0 4 0 0 0 k g h 。而在城市污泥的混合气化试验中，考虑到气化反应中存在着大 量吸热反应，把水冷管从炉膛中拔出。 固体颗粒伴随烟气离丌炉膛进入旋风分离器后，大部分被旋风分离器捕集， 并通过料腿和返料器返回到炉膛。为了保证返料通畅，从返料器底部通入高压空 气作为返料流化风，高压空气由空压机提供，高压空气的流量在l o 一1 5 m = 1 h 之间。 第2 章试验装置与试验方法 辅助系统主要包括给料系统、供风和排烟系统、排渣系统、烟气分析系统和 数据采集系统等。 t 6 ，p 6 t 5 ，p 5 t 4 ，p 4 1 3 ，p 3 t 2 ，p 2 t 1 p 1 图2 1c f b c g 试验系统简图 1 炉膛；2 水冷管：3 旋风分离器：4 烟气分析仪；5 螺旋给料机；6 返料器： 7 空气流量计；8 一次风机；9 空压机；1 0 ，和袋除尘器；1 1 引j x l $ ；i ；1 2 省煤 器；1 3 烟囱：t 卜t 6 ，温度测点，p 1 一p 6 ，压力测点。 考虑到炉膛高度等因素，试验所用空气全部以一次风的形式通过炉膛底部的 风箱和风帽进入炉膛，没有空气预热装置。空气流量的调节通过控制安装在空7e 管道上阀门的开度来实现，根据不同的试验条件，空气流量为1 7 0 2 5 0 m 。h 。 在城市垃圾与煤的混