（热能工程专业论文）流化床垃圾焚烧积灰特性研究及冷态积灰模拟实验.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着我国垃圾焚烧技术的发展，流化床垃圾焚烧技术对于焚烧高水分、低热 值的中国垃圾具有燃烧稳定、经济性高的优势，目前正在全国各地推广应用。然 而在一些焚烧炉尾部烟道内出现了积灰结焦现象。这是流化床垃圾焚烧技术遇到 的新的问题。积灰结焦不仅影响了锅炉的传热，而且要阶段性的停炉清灰，使焚 烧炉业主的经济性受到严重的损失。所以，解决尾部积灰问题的要求是十分迫切 的。 本文通过现场采样，分析了生活垃圾焚烧飞灰和积灰的化学成分和矿物组 成。并且在实际运行中的垃圾焚烧工业炉尾部烟道内放置积灰棒，考察积灰棒上 积灰随时间的变化情况，定期对积灰棒上取得的灰样进行分析测试。通过对积灰 微观形貌的考察和局部组成元素的分析，初步探索了生活垃圾焚烧积灰产生的机 理。钙基物质在管壁面沉积，并且在h c i 的作用下不断吸收烟气中的硫形成硫 酸盐；积灰中含有多种易熔物质，常会形成低熔点共熔体；烟气中水分含量高和 尾部烟道内的还原性气氛都是促进积灰生长的因素。 医疗废物焚烧会产生较多的h c l 气体，在焚烧过程中加入钙基物质脱除h c l 气体是一种高效经济的方法，但是会造成飞灰量的增加和积灰趋势的加重。本文 对加钙脱氯医疗废物焚烧炉内的飞灰和烧结积灰样品进行了微观形态、组成元素 和成分分析，结果表明，形成积灰的主要元素是c a 、c l 等，积灰的成分组成主 要是c a o 、e a c h 以及其低熔点共熔体。c a c h 是造成积灰液相烧结的主要原因， 持续高温烧结会造成c a o 晶格的致密化。通过对飞灰烧结特性的实验研究，考 察了温度、时间、成分等对烧结的影响，对不同的防烧结添加剂的效果进行了实 验研究，结果表明z n o 和n a n 0 3 有降低烧结强度的作用，作为防烧结添加剂是 可行的。 冷态条件下，用空气携带滑石粉，在自制的小型烟道内进行了积灰的模拟实 验。考察了不同气流流速和管束排列方式对积灰的影响，为焚烧炉的设计提供了 实验依据。 关键词：垃圾焚烧；流化床；生活垃圾；医疗垃圾；飞灰；烟气；积灰；烧结； 添加剂 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fw a s t ei n c i n e r a t i o ni no u rc o u n t r y , t h et e c h n o l o g yo f f l u i d i z e db e dw a s t ei n c i n e r a t i o nr e g a r d i n gt ob u md o w nt h eh i g hm o i s t u r ec o n t e n t , l o wh e a tv a l u ec h i n e s ew a s t eh a sb u r n i n gs t a b i l i z a t i o na n dh i g he f f i c i e n ts u p e r i o r i t y a tp r e s e n t , i tw a ga p p l i e da l l o v e rc h i n a h o w e v e ra s hd e p o s i t i o na n ds l a g g i n go f b o i l e rb a c k - e n dh e a tt r a n s f e rs u r f a c e si nw a s t ei n c i n e r a t i o np r o c e s sa p p e a r si ns o l n e p l a c e i t san e wp r o b l e m , a st h et e c h n o l o g yo ff l u i d i z e db e dw a sa p p l i e d t h ea s h d e p o s i t i o nh a sa f f e c t e dt h eb o i l e rh e a tt r a n s f e r m o r e o v e rg r a d u a lb l o w i n g - o u ta s h w a sw a n t e d i th a ss h a r p i yc u td o w nt h eo w n e r si n c o m e t h e r e f o r et h er e q u e s to ft h e a s hp r o b l e ms o l u t i o ni se x t r e m e l yu r g e n t t l l i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dt h ef l ya s ha n dd e p o s i t e da s h sc h e m i c a lc o m p o s i t i o n a n dt h em i n e r a lc o m p o s i t i o n ，t h r o u g ht h es c e n es a m p l i n g t h ed e p o s i t e da s hw a s i n s p e c t e d 衍t lt h et i m ec h a n g es i t u a t i o nb yl a y i n ga s i d ea s hs t i c ki nai n d u s t r yw a s t e i n c i n e r a t i o nb o i l e r sr e a l f l u e t h ed e p o s i t e da s hw h i c hw a so b t a i n e do nt h ea s hs t i c k w a sa n a l y z e dr e g u l a r l y t h r o u g hm i c r o s c o p i ca p p e a r a n c et h ei n s p e c t i o na n dt h e p a r t i a lc o m p o s i t i o ne l e m e n ta n a l y s i s ，t h ea s hd e p o s i t i o nm e c h a n i s mo fm u n i c i p a l s o l i dw a s t ec o u l db er e v e a l e d c a - b a s e dm a t t e td e p o s i t s0 1p i p es u r f a c ea n da b s o r b s s u l f u rt of o r mt h es u l f a t eu n c e a s i n g l yw i t hh c i p r e s e n c e t h ea s hd e p o s i t i o ni n c l u d e s m a n yk i n d so ff u s i b l em a t t e rw h i c hc a no f t e nf o r ml o wm e l t i n gp o i n tc o m p o u n d s n e m o i s t u r ec o n t e n ti sh i g hi nf l u eg a sa n dt h el e a rp a r tf l u er e d u c i b l ea t m o s p h e r ea r ea l l f a c t o r so fa s hd e p o s i t i o n m e d i c a lw a s t e si n c i n e r a t i o n r e l e a s e sm o r eh c lw h i c hc a u s e ss e r i o u sm e t a l d e v i c ee r o s i o na n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n a b s o r p t i o no fh c l b yc a - b a s e ds o r b e n t si n t h ei n c i n e r a t o ri sac o s t - e f f e c t i v ed e c h l o r i n a t i o nm e t h o d 1 h ea d d e ds o r b e n t sr e s u l ti n t h ei n c r e a s eo ff l ya s ha n da s hd e p o s i t i o no nt h eh e a t t r a n s f e rs u r f a c e t h ef l ya s ha n d a s hd e p o s i t i o nf r o mt h ei n c i n e r a t o rw e r es a m p l e d , a n dt h em i c m s n u c m r e , e l e m e n t s a n dc o m p o s i t i o n sw e r ea n a l y z e d c a , c 1 , f ea r _ ef o u n dt ob et h em a i ne l e m e n t si nt h e a s ha n dd e p o s i t s c a o ，e a c ha n dt h el o w - m e l t i n gp o i n tc o m p o u n d sa r et h em a i n c o m p o s i t i o n s t h em a i nc a u s eo fl i q u i ds i n t e r i n go ft h ed e p o s i t si sc a c h c o n t i n u e d h i g h - t e m p e r a t u r es i n t e r i n gm a k e sc a oc r y s t a ld e n s i f i c a t i o n t h ei n f l u e n c e so ft h e t e m p e r a t u r e , t i m ea n dc o m p o n e n tt ot h es i n t e r i n gp r o c e s sw e r ee x a m i n e d t os o l v e t h ea s h d e p o s i t i o np r o b l e m , s o m ea n t i - s i n t e r i n g a d d i t i v e sw e r es t u d i e d 皿e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tz n oa n dn a n 0 3c a nd e c r e a s es i n t e r i n gi n t e n s i t y , w h i c ha r ef e a s i b l ea d d i t i v e s t h e s i m u l a t i n ga s hd e p o s i t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u to nt h es e l f - m a d es m a l l f l u eu n d e rt h en o r m a lt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n t h ea s hw a st a l c u mp o w d e rc a t i _ i e db ya 讥 浙江大学硕士学位论文 t h ea s hd e p o s i t i o ni n f l u e n c eo fd i f f e r e n tv e l o c i t yo f f l o wa n da r r a n g e m e n to ft h ep i p e b a n kw e r ed i s c u s s e d i tc a l lp r o v i d ee x p e r i m e n t a lb a s i so f i n c i n e r a t i o nb o i l e rd e s i g n k e yw o r d s ：w a s t ei n c i n e r a t i o n ，f l u i d i z e db e d ，m u n i c i p a ls o l i dw a s t e , m e d i c a lw a s t e ， f l ya s h ，f l u eg a s ，a s hd e p o s i t i o n , s i n t e r i n g ，a d d i t i v e m 学号：2 0 3 0 8 2 0 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知除了文中特别加以标江和致榭的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的蜕明并表示谢意。 学位论文作者签名：茄) 名客 签字只期：2 叩多年弓月f 阿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑鎏盘堂。有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有荚部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借i 划。本人授权盘鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库 进行捡索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j 氛 签字f 1 期：2 0 0 年；月扩同 学位论文作者毕业后去向： 1 作单位： 通讯地址： 导师躲弓彳看主 签字只期：2 彩年；月扩f i 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着城市建设的发展，工业化和城市化进程的加快，人民的生活水平迅速提 高，城市垃圾产生量与日俱增。全世界年产垃圾约4 5 0 亿吨，且每年以1 0 的增 长率递增1 1 j 。而承载地球总人口1 4 的中国，无疑成为了世界上垃圾包袱最重的 国家。 目前我国城市人均生活垃圾年产量为4 4 0 公斤，全国城市生活垃圾的年产量 超过1 5 亿吨，城市历年的垃圾堆存量高达6 6 亿吨，侵占3 5 亿多平方米的土地， 全国6 6 0 多个城市中，已有2 3 的大中城市被垃圾包围，有1 4 的城市不得不把 解决垃圾危机的途径延伸到乡村，城市生活垃圾的二次污染，导致城乡结合区域 的生态环境迅速恶化【2 】。 垃圾的危害具体表现在： ( 1 ) 侵占大量的土地：垃圾不加利用时，需占地堆放。堆积量越大，占地 也越多。据估算，每堆积l 万吨垃圾，约占地1 亩。我国许多城市利用市郊堆存 城市生活垃圾，也侵占了大量农田，同时，大量废物的排放和堆积，将严重地破 坏地貌、植被和自然景观。例如，根据前几年北京市高空远红外探测的结果显示， 北京市区几乎被环状的垃圾群所包围。 ( 2 ) 污染土壤：废物堆放或者没有适当的防渗措施的垃圾填埋，其中的有 害成分很容易经过风化雨淋地表径流的侵蚀渗入土壤之中。这些有害成分能够杀 灭土壤中的微生物，使土壤丧失腐解能力，导致水木不生。 ( 3 ) 污染水体：城市垃圾随天然降水和地表径流汇入江河湖泊，或随风飘 落入水体使地面水污染；渗沥水进入土壤则使地下水污染，直接排入河流、湖泊 和海洋，又会造成更大的水体污染。这样的污染事件屡有发生。 ( 4 ) 污染空气：城市废物一般通过如下途径污染大气：一些有机垃圾在适 宜的温度和湿度下被微生物分解，释放出有毒气体；以细粒状存在的垃圾，在大 风吹动下会随风飘逸，扩散到很远的地方，造成大气的粉尘污染；垃圾在运输和 处理过程中，产生有害气体和粉尘。如焚烧法由于缺乏尾气净化装置而污染大气。 ( 5 ) 影响环境卫生：我国的城市废物的综合利用率很低。我国3 0 0 个城市 统计，城市垃圾的清运量仅占产量的4 0 5 0 ，无害化处理率只有1 6 ，5 0 以上的垃圾堆放在城市的一些死角，9 8 以上的垃圾未经无害化处理进入环境， 严重影响人们的居住环境的卫生状况，导致传染病菌繁殖，对人们的健康构成潜 浙江大学硕士学位论文 在的威胁。 ( 6 ) 其他危害：某些特殊有害废物的排放以及处理垃圾过程中，除了产生 以上各种危害外，还可能造成燃烧、爆炸、二嗯英中毒、严重腐蚀等特殊的损害。 1 2 垃圾焚烧处理方法 目前，世界各国都把城市生活垃圾的减量化、无害化和资源化作为综合解决 城市生活垃圾的原则，我国政府公布的中华人民共和国固体废弃物污染环境防 止法中提出对固体废弃物防治应实行减量化、资源化、无害化的发展方向。垃 圾的处理技术主要有堆肥、卫生填埋、焚烧、回收和综合利用几大技术圳。 1 2 1 垃圾焚烧发展历史暇帕 垃圾焚烧技术发展历史与其他垃圾处理方法相比要短得多，仅有1 0 0 多年。 1 8 7 4 年和1 8 8 5 年，英国诺丁汉和美国纽约先后建造了处理生活垃圾的焚烧炉， 代表了生活垃圾焚烧技术的兴起。1 8 9 6 年和1 8 9 8 年，德国汉堡和法国巴黎先后 建立了世界上最早的生活垃圾焚烧厂，开始了生活垃圾焚烧技术的工程应用。从 2 0 世纪初到6 0 年代末的约半个世纪，是垃圾焚烧技术的发展阶段，一次世界大 战后，发达国家的经济得到了较大发展，城市居民生活水平的提高和生活垃圾成 分的变化，给垃圾焚烧技术创造了条件。从2 0 世纪7 0 年代初到9 0 年代中期的 2 0 多年问，是生活垃圾焚烧技术的成熟阶段，也是生活垃圾焚烧技术发展最快 的时期。 1 2 2 垃圾焚烧处理的优点 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 7 q 2 ：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；4 ) 焚烧操作是全天候的，不受天气影响；5 ) 焚烧炉可安 装在接近垃圾源的地方，节约运输费用；6 ) 焚烧的适用面广，其他废弃物也可采 用焚烧方法进行净化；7 ) 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；8 ) 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；9 ) 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。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 垃圾焚烧技术的应用 表1 一l 所示为各国城市垃圾处理方法统计，从表中可看出凡是国土资源比较 紧张、人口密度较高的国家采用焚烧技术的比例较高。 表1 - 1 世界工业化国家城市生活垃圾处理方法统计表( i ) 脚 国外工业发达国家，特别是日本和西欧，普遍致力于推进垃圾焚烧技术的应 用。国外焚烧技术的广泛应用，得益于经济发达、投资力强、垃圾热值高，目前 已有先进且成熟的焚烧工艺和设备。图1 - 1 是目前国外应用最为广泛的垃圾焚烧 技术妒排焚烧炉技术的系统流程图【l 钔。原生垃圾由机械移动的炉排带入焚 烧炉膛，垃圾经历干燥、热分解和燃烧三个过程，燃烧所需要的空气由炉排下方 和上方给入，燃烧产生的热量由余热锅炉回收用于发电，焚烧产生的烟气经干式 洗涤和布袋除尘排入大气，焚烧产生的废渣经水冷排出，与干式洗涤塔的废渣和 布袋除尘灰混合后卫生填埋处理。燃烧室平均温度 8 5 0 ，烟气在燃烧区域的停 留时间超过1 0 秒，保证燃烧充分。 3 浙江大学硕士学位论文 l 垃圾清运车；2 垃圾库房；3 起重吊车；4 垃圾给料口；5 焚烧炉i6 移动炉排；7 燃烧室l 8 余热利用锅炉；9 蒸汽轮机；1 0 喷氨口；1 l 干式烟气吸附塔；1 2 布袋除尘器；1 3 引风机；“烟囱 1 5 淬火橹；1 6 出灰口 圈i - i 炉捧焚烧炉系统流程图 1 3 我国垃圾焚烧技术的发展 由于焚烧法有上述诸多优点因而近年来我国的垃圾焚烧发展非常迅速。我国 城市生活垃圾焚烧技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，9 0 年代后期得到迅速 的发展，目前全国有3 0 多家生成商、研究单位和大专院校在进行焚烧技术和设 备的研究。运行和在建的焚烧装置处理量超过1 3 1 5 0t d ，2 0 0 5 年我国生活垃圾 的焚烧处理比例已超过5 。我国焚烧飞灰的产量巨大，每年生活垃圾焚烧将产 生飞灰2 l 万吨，在未来5 年内医疗垃圾和危险废弃物焚烧每年将产生约2 万吨 焚烧飞灰。 深圳市市政环卫综合处理厂是我国引进国外关键技术及其主要设备建成的 第一座现代化焚烧厂。珠海市资源发电厂也在2 0 0 0 年7 月进口美国底特律公司 的炉排炉发电，此外仅广东省目前在建的垃圾焚烧发电厂就有广州资源电厂( 9 0 0 t d ) 、广州小洲垃圾发电厂( 2 0 0 0t d ) 、惠州市垃圾发电厂( 6 0 0t d ) 、深圳龙岗 平湖垃圾发电厂( 6 0 0t d ) 、东莞清溪垃圾发电厂( 1 0 0 0t d ) 、顺德垃圾发电厂 ( 6 0 0t d ) 等十余家。上海浦东新区生活垃圾焚烧厂处理能力1 0 0 0t d ，年发电 量l 亿度。江桥生活垃圾焚烧厂是上海的第二座垃圾焚烧发电厂，工程规模为日 处理生活垃圾1 5 0 0 吨，一期安装2 台5 0 0t d 的焚烧线和2 台1 2 m w 汽轮发电 机组，主要设备由西班牙引进，总投资约7 5 亿元人民币，已于2 0 0 2 年年底建 成。四川、沈阳等地也相继建设了垃圾焚烧处理厂。另外，浙江大学在流化床垃 圾粉烧方面取得了卓有成效的成绩，现已在杭州、义乌、芜湖、荥阳、荷泽、枣 4 浙江大学硕士学位论文 庄等全国各地建成了6 座大中城市生活废弃物焚烧发电厂，共有焚烧炉1 6 台， 日处理垃圾3 0 3 0 吨。广东东莞、浙江富阳、浙江金华，萧山、山东济宁、河北 邢台、安徽黄山、湖南邵阳等垃圾焚烧处理项目已经启动在建。我国部分垃圾焚 烧厂的概况如表1 也。 表l - 2 我国部分垃圾焚烧发电厂概况 t 浙江大学热能工程研究所和锦江集团 从上世纪8 0 年代末开始，我国已先后引进了十几套不同型式的焚烧设备， 根据实际运行经验，照搬过来的焚烧设备在进行焚烧处理没有经过分拣、成分杂、 热值低、含水率高且变化范围较大的中国城市垃圾时，处理效果并不理想，垃圾 焚烧厂也很难正常运行。因此，探索、研究、开发适合中国国情的垃圾焚烧处理 技术是大势所趋。 1 3 1 我国城市垃圾的特点 中国城市生活垃圾的特点是有机物、灰土、水分含量高而热值普遍偏低，一 般有机物3 0 - 5 5 ，灰土1 0 一5 0 ，水分4 0 , - 6 0 ，热值大多低于4 0 0 0k j k g 【l “j 。 从表l 。3 【1 引可知，近年来中国城市生活垃圾构成在总体上呈现含水率降低，纸类、 塑料、木质和纤维等有机成分增加，生活垃圾的热值大大增加，这无疑为我国城 市生活垃圾的资源化利用创造了条件。 最新统计数据表明，目前我国中心城市日平均垃圾量为l 2k 人。中国东 部沿海发达地区垃圾热值达1 1 0 0 k c a i k g 以上，深圳已达1 3 5 0 k c a l k g ，中部地区 可达7 5 0k c a l k g 以上，西部地区在5 0 0k c a l k g 左右。在发达地区垃圾已具备焚 5 浙江大学硕士学位论文 烧的条件，随着工业发展和生活水平的提高，现代化城市的垃圾作为燃料利用的 潜力诱人。 衰1 _ 3 近1 0 年我国城市生活垃圾组成变化 1 3 2 循环流化床燃烧方式的快速发展豳嘲 目前国内有两种走向：一种是借鉴国外已有的焚烧炉技术和市场经验，引进 或仿制国外8 0 年代的炉型与设备系统；另一种是以一般燃煤或工业炉窑为参照， 借鉴国内已较为成熟的燃煤电厂锅炉燃烧技术，把燃煤技术和工艺移植过来进行 垃圾焚烧处理，由国内自制的焚烧系统。前者以杭州锅炉厂、深圳能源环保公司 为代表，后者以中科院工程热物理所、浙江大学、清华大学为代表。 对于平均低位发热量不足4 1 8 6 7k j k g 的中国城市垃圾的焚烧，要维持焚烧 室出口8 5 0 的高温，离不开辅助燃料，辅助燃料费是垃圾焚烧厂的一项主要开 支，多数焚烧厂因过高的运行费而无法正常运转，降低辅助燃料费用是降低焚烧 厂运行费用、维持焚烧厂正常运行的重要保证。现阶段的垃圾焚烧技术仍以高效 燃烧、燃尽为目标，以降低投资水平和运行成本为重点，实现“买得起、烧得好、 用得了”。 循环流化床燃烧方式具有良好的燃料适应性，对于中国城市垃圾具有较强的 适应能力，而且可以用价廉、易得的煤作辅助燃料，在解决了垃圾入炉、排渣问 题后，可以很好地焚烧城市垃圾。 从表1 - 4 【”1 可看出，采用国产循环流化床垃圾焚烧炉，具有明显的经济效益， 符合中国国情，易于实现垃圾焚烧处理产业化。在国家政策的支持下，在国内各 科研院校和设备制造企业的共同努力下，循环流化床垃圾焚烧处理技术将会受到 越来越多的关注，垃圾焚烧处理的比重也会越来越大，城市环境卫生质量将会得 到明显的改善。几年来，中科院与无锡华光锅炉股份有限公司、浙江大学与杭州 锅炉集团有限公司、清华紫光与济南锅炉集团有限公司等数家联合体己在国内建 6 浙江大学硕士学位论文 设多个流化床城市垃圾焚烧厂，显示出该技术具有较高的性价比，与层燃技术相 比优势明显，是目前焚烧我国城市垃圾的有效手段。表l _ 5 1 2 4 j 说明以上三家焚烧 炉的主要特点。 表h 循环流化床垃圾焚烧炉和炉捧垃圾焚烧炉的经济比较 表1 - - 5 焚烧炉的主要特点 图l - 2 为异重介质循环流化床垃圾焚烧炉系统，是浙江大学热能工程研究所 针对我国城市生活垃圾组成复杂、高水份、低热值的特点开发的垃圾和煤混烧流 化床焚烧系统，该技术经国内首座日处理1 5 0t d 垃圾焚烧发电示范工程成功运 行后已于1 9 9 9 年2 月通过鉴定该技术又成功应用于日处理3 0 0 t d 垃圾的大规 模焚烧发电示范工程并于2 0 0 4 年l o 月通过鉴定。该流化床焚烧技术的主要特点 体现在：燃烧稳定，重度差异较大的不同颗粒( 如石英砂与垃圾) 组成的异重流化 床可以防止大块垃圾在床内的沉积和轻粒度垃圾成分的偏浮；尾部安装有湍流烟 气净化装置可有效除尘和脱除有害气体( 如h c l 、h f 、h 2 s 、s o z 、n o x 等) ； 7 浙江大学硕士学位论文 特殊的布风装置及燃烧设备保证高效燃烧和顺畅排渣等，实现城市生活垃圾的资 源化处理利用1 2 & 2 6 。 c 图l - 2 流化床垃圾甍烧炉系统流程图 1 3 3 流化床垃圾焚烧的特点 1 ) 燃料适应性广，适用于低热值、高水分、热值波动大的燃料焚烧； 2 ) 炉内混合强烈，炉膛内温度场均匀，有利于控制污染物排放；能实现垃 圾无害化各项指标； 3 ) 炉内燃烧强度和传热强度高，单位面积处理量大，投资省；可实现垃圾 焚烧大型化； 4 ) 燃烧设备和锅炉结构属成熟产品并已商品化；炉内没有运动部分，使用 寿命长； 5 ) 启停方便，操作方便，运行稳定； 6 ) 般情况下只要加煤稳燃和助燃，不必用油助燃。 1 4 垃圾焚烧过程中的积灰现象及其危害 随着垃圾焚烧技术的应用，个别垃圾焚烧炉也出现了积灰和结焦现象。这种 现象时有发生，大大影响了垃圾焚烧炉的正常运行。通常情况下垃圾焚烧炉运行 十余天左右，在尾部受热面即可观察到显著的积灰现象，最严重的时候，三十天 左右需要停炉清灰一次。国1 3 是某垃圾焚烧炉尾部受热面的积灰情况。垃圾焚 烧过程中形成的积灰为高温烧结灰，属于粘结性积灰它主要是在管子迎风面形 8 浙江大学硕士学位论文 成并沿着气流方向生长。这种积灰会引起管束阻力迅速不断的增长，直到烟道完 全堵塞、强迫停炉。积灰底层相当坚硬密实，具有很高的烧结强度。外层积灰较 内层松散，灰粒间存在孔隙结构。积灰整体呈梳状，硬而脆，形成后难以用吹灰 器清除。 田l - 3 垃圾甍烧炉尾部受熟面积灰情况 锅炉尾部受热面的积灰会引起很多问题，主要有经济性和安全性两个方面， 积灰可以降低炉内受热面传热能力，增加传热阻力，降低锅炉经济性；在高温烟 气作用下，积灰会与管壁发生复杂的化学反应，形成高温腐蚀；使锅炉连续运行 周期缩短；积灰清除困难，增加工人劳动强度。 1 5 飞灰的分类以及积灰的形态狂删 长期以来我国的一次能源结构以燃煤为主，这种状况在今后相当长一段时间 会一直存在。燃煤在锅炉内燃烧时，锅炉受热面对热量的吸收程度直接决定着能 源利用率的高低。由于燃煤在燃烧过程中会有不同程度的飞灰和烟尘，当带灰烟 气流经各受热面时，部分飞灰积灰对锅炉的热效率影响很大，因此有必要对积灰 的产生机理、产生过程以及防止措施进行深入的研究。国内外关于燃煤锅炉积灰 的研究已经有几十年的历史了，对于积灰问题已经有了比较深入的认识和了解。 燃料燃烧后产生的灰分，其中一部分在炉膛高温区熔化聚集结成大块渣落入 炉底成为炉渣，其它细灰则跟随烟气运动成为飞灰。 按照直径，可将飞灰分为细径灰群、中径灰群和粗径灰群。根据易熔程度， 可将其分为：低熔灰，熔点在7 0 0 8 5 0 ，主要成分是钙金属氯化物和硫化物； 中熔灰，熔点在9 0 0 11 0 0 ，主要成分是f e s 、n a 2 c 0 3 、k 2 s 0 4 等；高熔灰， 熔点在1 6 0 0 2 8 0 0 ，主要由纯氧化物组成。 烟气中的飞灰颗粒沉积到受热面上，就形成了积灰。根据积灰的主要形态及 多发部位的不同可将其分为： 9 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 熔融性结渣，主要发生在炉膛受热面及高温对流受热面的前部等，通常 与烟气所携带的熔化或粘性灰粒的物理迁移有关。 ( 2 ) 高温粘结性积灰，这种形态的积灰主要发生在燃用多升华物质燃料( 包括 重油) 的锅炉的高温对流受热面上，也可能发生在炉膛等受热面上。灰粘结过程 中发生化学反应，反应物具有粘性，能大量捕捉飞灰，往往在受热面上产生坚硬 的粘结灰。 ( 3 ) 低温粘结性积灰，这种积灰在空气预热器的冷段形成。积灰与冷凝在管 壁上的硫酸形成以硫酸钙为基质的水泥状硬质灰层，这种积灰是与硫酸蒸汽的凝 结联系在一起的。 ( 4 ) 松散性积灰，烟气中携带的灰粒物理沉积在受热面上所形成，质地松散。 在烟温低于6 0 0 7 0 0 的尾部烟道，除空气预热器冷段可能形成低温粘结性积 灰外，大多数属于松散性积灰。当含尘烟气流过高温受热面时，也会在高温粘结 灰层的外面沉积下来，形成松散的外灰层。 根据积灰的强度，可将其分为松散性的积灰和黏结性的积灰两种。松散性积 灰主要是在管子的背部形成楔形积灰，它填在管子后方的漩涡内并使管子成流线 型，因此对烟道阻力影响不大。在管子正面，只有当速度很小或飞灰颗粒很细时， 才会形成松散性积灰，并且大颗粒的碰撞，将使积灰在短时间内达到动态平衡。 而黏结性积灰主要在管子正面生长，并迎着气流不但成长，将引起管束阻力迅速 增加直到管道堵塞。 根据受热面的积灰位置，可将其分为三种类型。第一种类型的沉积物在管子 的迎风面上形成，而且非常牢固。随着温度的提高，这种沉积物的厚度也增加， 这种沉积物的特征是硫酸盐含量高，而s i 0 2 含量低。第二种类型的沉积物当烟 气温度超过9 5 0 时在管子的迎风面上形成，呈梳子状。一般这种沉积物的黏结 强度不高，但形成速度很快，以第一种沉积物相比，其硫酸盐含量较低，在迅速 形成之后，会限制锅炉的出力。第三种类型的沉积物在广泛的温度范围内，可在 管子的背部和炉墙上形成。这种沉积物的牢固度可以相差很大从非常松脆到 十分牢固，其硫酸盐含量随硫酸化的时间和温度的不同而改变，其他成分的含量 变化不大，它在管子后面的涡流区内形成。 ，6 垃圾焚烧炉积灰结焦机理的探索 垃圾焚烧锅炉积灰结焦由许多复杂的因素引起，如燃料特性，炉内空气动力 场，炉腔几何尺寸，燃烧器布置方式及结构特性，垃圾的尺寸等都将影响炉内结 焦状况。保证空气和燃料的良好混合避免在水冷壁附近形成还原性气氛，合理而 良好的炉内空气动力工况是防止锅炉积灰结焦的前提。 1 0 浙江大学硕士学位论文 锅炉积灰结焦是个很复杂的物理化学过程，它涉及物料的燃烧、炉内传热、 传质、物料的潜在结渣倾向、灰粒子在炉内运动以及灰与管壁问的粘附等复杂过 程，至今还没有能定量描述结渣过程的数学模型。城市生活垃圾与煤共烧时，矿 物质的迁移、转化和沉积机理与纯煤燃烧条件下的情况存在很大的不同，对于这 一新出现的问题，国内外已开始了一些研究工作。积灰的产生与飞灰特性息息相 关，飞灰的理化性质直接决定了积灰的产生和生长。目前，关于垃圾焚烧飞灰的 研究”卸正逐渐引起国内外有关学者的重视。 根据j l o n t i v e r o s ，t lc l a p p 和d s k o s s o n 等人的研究1 3 研，依据飞灰的 尺寸将垃圾焚烧炉的飞灰分为7 档；小于2 0 岬1 2 0 4 1 岫1 4 2 6 0 蝉l ；6 1 1 1 0 i r a ；1 1 1 1 4 9 岬l ；1 5 0 2 3 0p m ；大于2 3 0i m a 。颗径大于2 3 0p m 的，主要 是焦碳的薄片，焦碳片越少，颗粒燃烧的越完全，它与第二次供风有密切的关系。 对颗粒的密度和表面积进行分析，测量表明：飞灰密度的大小可表明物料的燃烬 性，密度越大燃烬性越好；灰的密度越大则有更高的表面积，灰表面积随粒径的 减小而增大，这种现象与炉的效率或装置的收集效率有关。城市垃圾焚烧飞灰最 多的颗粒主要是黑色和白色颗粒，形状包括扁平和圆状型的，成渣结块时也有球 型的，然而，球型的粒子不太多。t a y l o r i 驯用碎海绵状、卷纸状、画板状等词语 来描述垃圾焚烧飞灰的形状，这与煤碳的飞灰以球型状居多有所不同。通过电子 扫描图上可以看出飞灰晶型结构的形成，它可用c a h i l i 和n e w l a n d 蛔等人的挥 发富集理论来解释，铝和硅的气化温度比焚烧温度高，因而成为其他挥发元素的 晶核。f u r u y a 4 t ! 等人分析得到飞灰颗粒为c a s 0 4 型。但j l o n t i v e r o s ，t l c l a p p 和d s k o s s o n 等人对飞灰样品的研究表呀强l ，它们的晶体结构除了 c a s 0 4 型之外，还有可能有n a c i 或k c l 型。 李润东 4 6 , 4 0 等利用高温d s c 们a 热分析仪对国内外2 种城市垃圾焚烧飞 灰在惰性气氛( n 9 和氧化气氛( 0 2 ) 下的熔融特性进行了研究。在2 0 。c 一1 4 5 0 c 的 温度范围内采用3 种温升速率进行实验。飞灰熔融过程包含多晶转变和熔融相变 2 种反应，多晶转变发生在4 8 0 - 6 7 0 范围内，吸热量2 0k j k g ；熔融约发生 在1 1 3 6 一1 2 3 1 ，在1 1 7 4 达到峰值，熔融相变潜热约7 0 0 k j k g ，整个过程总 吸热量约1 8 0 0k j k g 。研究了c a o 添加剂对飞灰熔融的影响。最后提出飞灰熔融 吸热量的预测模型，模型计算结果与实验数据符合较好。应用能谱分析、灰熔点 炉、x r d 、压汞仪等仪器手段对国内外8 种垃圾焚烧飞灰的成分、熔点、晶相 结构、颗粒特性等物理化学性质进行了系统研究。研究表明，飞灰成分因为受原 料、炉型、取样位置等因素影响而差异很大。由于飞灰的成分差异导致垃圾焚烧 飞灰比煤灰更易于熔融，对熔融处理有利，这主要归因于飞灰中s i 0 2 含量以及 s i o z a 1 2 0 3 差异，熔点与s i 0 2 含量存在正比关系；添加c a o 实现助熔是有条件 的，不同飞灰由于焚烧条件和飞灰成分不同导致晶相组成有一定差异；飞灰内部 浙江大学硕士学位论文 孔径主要分布于o 3 p m 1 5 肛m 范围内，飞灰的比表面积为2 0 5 m 2 g 。 华南理工大学的祝建中1 4 8 以城市垃圾焚烧后的残渣为研究对象。着重地介 绍城市垃圾焚烧炉中灰渣的形成、结构、组成等基本性质，同时借鉴燃煤技术初 步探讨了城市垃圾焚烧过程中结渣的形成。对垃圾焚烧炉的正常运行提供科学的 保证，对残渣的管理及综合利用有一定的意义。 中国科学院广州能源研究所的阎常峰 4 9 5 0 1 对垃圾焚烧灰渣的熔融物理化学 特性研究，为合理应用和发展垃圾焚烧技术以及对灰渣的熔化处理和有效利用提 供基础。此研究对目前运行的不同垃圾焚烧技术进行灰渣采样，系统分析垃圾灰 渣的熔融物理化学特性的变化和相互关系，并给出灰渣流动温度和软化温度的拟 合公式，并对垃圾焚烧技术及灰渣处理提出建议。 同济大学的章骅 5 1 , 5 2 详细介绍了国外城市生活垃圾焚烧灰渣基于产生位置 的不同分类，并介绍了各类灰渣的物理化学性质和工程性质，以及其重金属的浸 出特性。对灰渣处理处置或有效利用时需注意的问题作了分析。研究了上海浦东 新区垃圾焚烧发电厂烟气净化系统飞灰的物理和化学性质。结果表明：飞灰为含 水率很低的灰色粉末，主要由s i ，a l ，c a ，n a ，k ，m g ，f e ，c 和s 组成。飞 灰中p b 的浸出浓度高于危险废物鉴别标准，为危险废物。矿物组成主要为s i 0 2 ， a h s i 2 0 s ，n a c i ，k c i ，c a a h $ i 2 0 s ，z n s i 0 4 ，c a c t h 和c a s 0 4 等；溶解盐含量 高达1 7 9 一2 2 1 ，酸中和能力约为3 0m e q g - 1 6 0m e q g - 1 ，对环境p h 变化 的抵抗能力强。 同济大学的陈德珍，张鹤声 5 3 1 在研究我国城市生活垃圾焚烧炉飞灰的毒性 特征和高温灼烧特性的基础上，试验了几种常用玻璃熔制助熔剂、烟气净化产物 中的成分对飞灰的熔融温度和熔融减量的影响，以实现低温玻璃固化。实验发现 受热温度越高、时间越长，飞灰减量越大；b 2 0 3 、硼砂、c a f i 对飞灰助熔效果明 显，而废玻璃、c a o 、c a c l 2 能使飞灰熔融后形成的玻璃态物质质地均匀、少孔。 按一定比例同时加入硼砂、c a f 2 、废玻璃、c a o 、c a c l 2 于飞灰中，混合物的熔 融温度降到l 0 0 0 以下，大大低于飞灰自身的熔融温度( 1 2 0 0 c ) 。对该熔融物在 空气中淬火形成的玻璃态物质按标准方法浸沥，选择测量了浸出液中铅、汞、镐、 砷的浓度，初步发现低温玻璃态物质对重金属铅和镉具有较好的固化效果，而对 汞及砷的固化效果尚不确定。 小结：目前对于城市生活废弃物积灰结焦这个新出现的问题，国内外还缺乏 系统的研究。目前有关垃圾焚烧飞灰的研究重点在于飞灰的净化处理，如飞灰中 的重金属和二嗯英等污染物质。与积灰密切相关的焚烧飞灰的研究大多集中在理 化特性、成份分析、熔融特性等方面，还没有能够和积灰理论联系起来。因此， 这方面的研究还很不系统，还有很多工作要做。 浙江大学硕士学位论文 1 7 本文主要内容 本文主要围绕垃圾焚烧积灰现象展开研究，研究了垃圾焚烧飞灰以及积灰的 元素组成和晶相结构，探讨了垃圾焚烧积灰的产生机理和抑制方法，并且在冷态 条件下，进行了积灰的模拟实验。主要内容如下： l 。生活垃圾焚烧积灰元素和矿物组成实验研究。通过现场采样，分析了生 活垃圾焚烧飞灰和积灰的化学成分和矿物组成。 2 生活垃圾焚烧积灰的微观形貌和炉内积灰棒实验研究。在实际运行中的 垃圾焚烧工业炉尾部烟道内放置积灰棒。观察积灰棒上的积灰随时间的变化情 况，并对取得的灰样进行分析测试。通过对积灰微观形貌的考察和组成元素的分 析，初步探索了生活垃圾焚烧积灰产生的机理。 3 医疗垃圾焚烧积灰特性实验研究。对加钙脱氯医疗垃圾焚烧炉内的飞灰 和烧结积灰样品进行了微观形态、组成元素和成分分析，考察了温度、时间、成 分等对烧结的影响，对不同的防烧结添加剂的效果进行了实验研究。 4 尾部烟道积灰冷态模拟实验研究。冷态条件下，用滑石粉代替飞灰，在 自制的小型烟道内进行了积灰的模拟实验，考察了气流流速和管束排列方式对积 灰的影响。 参考文献 【1 】陈勇，马晓茜，李海滨，赵增立，固体废弃物能源利用，华南理工大学出版 社，广州，2 2 7 【2 沈雪海，俞觊觎，城市垃圾处理产业化的现状和对策，杭州科技，2 0 0 3 6 ，第 3 期 【3 】李斌，流化床垃圾焚烧炉中流动、燃烧及二次污染特性研究，浙江大学博士 学位论文，1 9 9 8 6 【4 】李威武，废弃物燃烧中含氯有害物的生成和控制研究，浙江大学硕士学位论 文，2 0 0 0 1 【5 】宋国英，牛静波编译，国外城市固体废弃物的处理技术的进展，国外环境科 学技术，1 9 9 3 ，2 ：5 3 - 5 7 【6 】李国鼎，金子奇等，固体废物处理与资源化，清化大学出版社，北京，1 9 9 0 【7 】c cw i l e s ，m u n i c i p a ls o f i dw a s t ec o m b u s t i o na s h ：s t a t e - o f - t h e - k n o w l e d g e ， j o u r n a lo f h a z a r d o u sm a t e r i a l s ，4 7 ( 1 9 9 6 ) ：3 2 5 3 4 4 【8 c c