国内外垃圾焚烧炉技术概述_杜军

1、文章编号 :1004-8774(2003 05-15-05国内外垃圾焚烧炉技术概述收稿日期 :2003-05-29杜军 1, 王怀彬 2, 金霄 3(1. 哈尔滨工业大学 环保科技公司博士后工作站 , 哈尔滨 150001;2. 哈尔滨工业大学 能源学院 , 哈尔滨 150001; 3. 哈尔滨工业大学 八达集团 , 哈尔滨 150001摘 要 :文章分析了国内外四类城市垃圾焚烧炉 技术的 原理 、 特点 、 性能 以及优 缺点 , 针对主 要项目 进行了 对比研究 。 提出了一种新型垃圾焚烧炉 , 该炉采用专利炉排 装置 , 具有显著优点 , 能够达到抑 制二 英 类物质产生 的环保效果 。

2、关键词 :城市垃圾 ; 焚烧炉技术 ; 专利 ; 炉排装置中图分类号 :X705 文献标识码 :AAn Analysis Summary of Urban Waste Incineration Technology in Our and Foreign CountriesDU Jun 1, WANG Huai -bin 2, JIN Xiao 3(1. Post -doctor Working Station of HIT Environmental Co . under Harbin Institute of Technology , Harbin 150001, China ;2. Sch

3、ool of Energy Science and Engineering under Harbin Institute of Technology Harbin 150001, China ;3Banner Group Co . under Harbin Institute of Technology Harbin 150001, China A bstract :I n this paper , the principle , characteristics , performance , advantages and disadvantages of four kinds oftechn

4、ologies fo r urban refuse incineration in our and foreign countries are analyzed and co mpared comprehensively . A t thesame time , a new pattern waste incineration is proposed . Using a patent g rate device , the new incineration is providedw ith prominent adv antages and achieving environmental pr

5、otectio n effect o f suppressing dioxins .Key words :Urban refuse ; Incineration technology ; Patent ; Grate device1 引言城市生活垃圾 , 已经成为当今世界最严重的公 害之一 。 目前 , 国内外广泛采用的城市垃圾处理方 式主要有卫生填埋 、 焚烧 、 堆肥和综合利用 4种 。 长 期以来中国绝大部分城市采用露天堆放 、 自然填沟 和填埋的原始方式处理城市垃圾 , 这种处理方式对 土壤 、 地下水 、 大气等都会造成不利的影响和潜在的 危害 。 垃圾问题实际上已经阻碍了人民生活水

6、平的 进一步提高和城市建设的发展 1。中国 2000年垃圾产生量已达 1. 5亿多吨 , 占世 界总量的四分之一以上 , 而 且每年以 8%10%的 速度增长 2。 中国是世界上 13个贫水国之一 , 全国 668座城市中有 400多座城市缺水 , 其中 110座城 市严重缺水 。 而中国历年堆放的垃圾中的重金属以 及在腐败过程中产生的病原微生物等 , 使一些城市 的水源遭到污染 , 造成了严重的危害 。发达国家城市垃圾处理的发展历程表明 , 垃圾 焚烧处理具有占地面积小 、 选址较容易 、 处理快速 、 减量化显著 、 无害化较彻底以及可回收焚烧余热等 优点 , 在世界各国得到越来越广泛的应

7、用 。 全世界 每年垃圾焚烧量约为 1. 1亿吨 , 绝大部分的垃圾焚 烧处理 厂 分 布于 发 达 国家 。 日 本现 有 焚 烧厂 约 1900座 , 每年焚烧处理量近 4千万 吨 , 是世界上垃 圾焚烧处理规模最大的国家 。 我国垃圾处理的发展 趋势是 :在分类收集基础上的再生利用越来越受到 重视 ; 垃圾 填埋的标准将越来 越高 , 比 例将逐步下 降 ; 垃圾焚烧将稳步发展 , 焚烧余热利用特别是余热 发电的比例将有所上升 。15研究与开发 国内外垃圾焚烧炉技术概述 2 垃圾焚烧技术历史及发展状况垃圾焚 烧处 理已有 100多年 历史 , 1896年 和 1898年 , 德国汉堡和法

8、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 。 但 出现有控制的焚 烧以及烟尘综 合处 理 、 余 热再利 用等 是从 20世 纪 70年代 以后开 始 的 3。近年来 , 城市垃圾焚烧技术的发展具有比较明 显的特点 :垃圾焚烧技术正向着自我完善方向发展 ; 向着多功能方向发展 ; 向着资源化方向发展 ; 向着智 能化方向发展 ; 向着环保高标准化方向发展 。 另外 , 我国生活垃圾焚烧处理社会化 、 市场化和民营化是 未来发展的大趋势 , 垃圾焚烧管理与经营的集约化 程度较高 , 属比较适宜的民营化技术 , 未来以垃圾处 理贴费与售电收入为经营基础的

9、民营化垃圾焚烧产 业 , 将对推进城市生活垃圾焚烧技术的总体进展发 挥积极的巨大作用 。在当今国内 、 国际日益重视环境保护的大环境 下 , 采用垃圾焚烧 处理方式具有必 要性和可能性 。 随着城市建设的发展和城市规模的扩大 , 城市人口 数量骤增 , 生活垃圾产量也快速递增 , 使原有的垃圾 填埋场日益饱和或已经饱和 , 而新的垃圾填埋场地 又难于寻找 , 采取垃圾焚烧方法 , 可使生活垃圾减重 80%和减容 85%以上 , 最大限度地延长现有垃圾填 埋场的使用寿命 。 此外 , 随着人们生活水平的提高 , 生活垃圾中可燃物 、 易燃物的含量大幅度增长 , 提高 了生活垃圾的热值 , 为应用

10、和发展生活垃圾焚烧技 术提供了先决条件 。 例如 :日本城市生活垃圾的低 位 热 值就 已经 由 20世 纪 60年 代的 33444196 kJ /kg , 提高到目前的 62707160kJ /kg 。现代城市生活垃圾焚烧厂系统 组成如图 1, 典 型的城市生活垃圾焚烧系统的工艺单元包括 : 进 出厂垃圾计量系统 ; 垃圾卸料及贮存系统 ; 垃圾 进料系统 ; 垃圾焚烧系统 ; 焚烧余热利用系统 ; 烟气净化和排放系统 ; 灰渣处理或利用系统 ; 污水处理系统 ; 垃圾焚烧自动控制系统等 。3 四类垃圾焚烧炉技术对比分析目前世界各地应用的垃圾焚烧设备 各种型号 垃圾焚烧炉达到 200多种

11、, 但应用广泛 、 具有代表性 的垃圾焚烧炉技术主要有四大类 , 即 :流化床焚烧炉 (包括 RDF 焚烧炉 技术 、 回转窑焚烧炉技术 、 炉排 型 焚 烧 炉 技 术 、 垃 圾 热 解 气 化 焚 烧 炉 (CAO 技 术 46。1-垃圾倾卸区 2-吊车控制室 3-渗沥水贮槽 4-垃圾贮 坑 5-垃圾吊车 6-进料斗垃圾给 料机 7-除渣吊 车 8-炉渣贮 坑 9-余热锅 炉 10-燃烧室 11-炉排 12-炉渣 输送带 13-温水游泳 池 14-汽轮 发电机 15-省煤器 16-飞灰输送带 17-袋式除尘器 18-中央 控制室 19-空 气预热器 20-变电室 21-一次送 风机 22

12、-尾 气加热器 23-洗涤塔 24-引风机 25-烟囱图 1 城市生活垃圾焚烧厂系统示意图3. 1 流化床焚烧炉技术流化床燃烧技术已发展成熟 , 由于其热强度高 , 更适宜燃烧发热值低 、 含水分高的垃圾 。 同时 , 由于 其炉内蓄热量大 , 在燃烧垃圾时基本上可以不用助 燃 。 垃圾颗粒在炉内悬浮燃烧 , 启动 、 燃烧过程特性 与普通流化床锅炉相似 , 图 2为典型流化床焚烧炉 结构示意图 。 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 , 要求垃圾在入炉前进 行一系列筛选及粉碎等处理 , 使其颗粒尺寸均一化 , 一般破碎到 15cm 。 床层物料为石英砂 , 布风板

13、通 常设计成倒锥体结构 , 风帽 为 L 型 , 床内燃烧温度 控制在 800900, 冷态气流断面流速为 2m /s , 热 态约为 34m /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 600 左右时可以投入垃圾 焚烧 。图 2 流化床焚烧炉结构图16 工 业 锅 炉 2003年第 5期 (总第 81期 流化床焚烧对垃圾的热值适应性广 , 农村垃圾 和高热值工业塑料垃圾均可焚烧 。 但流化床焚烧炉 对垃圾颗粒度要求很高 , 同时要求进料均匀 ; 对操作 运行及维护的要求高 , 操作运行及维护费用也高 , 垃 圾预处理

14、设备的投资成本较高 ; 并且预处理中容易 造成垃圾臭气外逸 , 产生环境污染 。 这些因素都制 约着流化床焚烧技术在我国的广泛应用 。 3. 2 回转窑焚烧炉技术回转窑焚烧炉技术的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 , 其结构示意图如图 3所 示 。 回转窑直径为 46m , 长度约 1020m , 可根据 垃圾的焚烧量确定 。 它是通过炉本体滚筒连续 、 缓 慢转动 , 利用内壁耐高温抄板将垃圾由筒体下部在 筒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 , 经过

15、着火 、 燃烧和燃尽三个阶段进行较完全的燃烧 。 垃 圾由滚筒的一端送入 , 热烟气对其进行干燥 , 在达到 着火温度后燃烧 , 随着筒体滚动 , 垃圾得到翻滚并下 滑 , 一直到筒体出口排出灰渣 。 当垃圾含水量过大 时 , 可在筒体尾部增加一级炉排 , 用来满足燃尽 , 滚 筒中排出的烟气 , 进入一个垂直的燃尽室 (二次燃烧 室 。 燃尽室内送入二次风 , 烟气中的可燃成分可在 此得 到 充 分 燃 烧 。 燃 尽 室 温 度 一 般 为 10001200。 回转窑式垃圾燃烧装置设备费用低 , 厂用 电耗与其他燃烧方式相比也较少 , 但焚烧热值较低 、 含水分高的垃圾时有一定的难度 。1

16、-回转窑 2-燃尽炉排 3-燃尽室4-助燃器 5-余热锅炉 图 3 回转窑焚烧炉结构图3. 3 炉排型焚烧炉技术炉排型焚烧炉技术发展较为成熟 , 这种焚烧炉 因为具有对垃圾的预处理要求不高 , 对垃圾热值适 应范围广 , 运行及维护简便等优点 , 许多国家都普遍 采用这种燃烧技术 。 该类型焚烧炉型式很多 , 主要 排 、 倾斜顺推往复炉排 、 倾斜逆推往复炉排等 。 机械 炉排焚烧炉是当前各国采用比较多的炉型 , 也是开 发最早的炉型 。 它采用活动式炉排 , 可使焚烧操作 连续化 、 自动化 , 是目前在处理城市垃圾中使用最为 广泛的焚烧炉 。为使垃圾燃烧过程稳定 , 炉排型焚烧关键是炉

17、排 。 炉排的布置 、 尺寸 、 形状随着垃圾水分 、 热值的 差异以及生产厂商的不同而不同 , 图 4为阶梯往复 式炉排结构图 。 炉排有水平布置 , 也有呈 倾斜 1526布置 , 炉排设计分为预热 、 燃烧 、 燃尽段 , 段与 段之间可以有垂直落差 , 也可没有落差 。 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 , 引起垃 圾底部也开始着火 , 连续的翻动和搅动使垃圾层松 动 , 透气性加强 , 有助于垃圾的着火和燃烧 。 炉拱形 状设计要考虑烟气流有利于热烟气对新入垃圾

18、的热 辐射预热干燥和燃尽区垃圾的燃尽 。 配风设计要确 保空气在炉排上垃圾层分布均匀 , 并合理使用一 、 二 次风 。 对于垃圾成分复杂 , 炉温太高时会发生物料 熔融结块 , 炉排 、 炉壁易烧坏 , 而且同时会产生过多 的氧化氮 ; 炉温太低 , 烟气滞留时间过短 , 将易产生 不完全燃烧 , 尤其是对人体有严重危害的二 英难 以完全分解 , 故炉膛出口温度定位不低于 800, 烟 气滞留时间不低于 2s 。图 4 阶梯往复式炉排结构图3. 4 垃圾热解气化焚烧炉技术目前 , 世界发达国家开始采用较先进的垃圾焚烧技术是垃圾热解气化焚烧炉技术 。 垃圾热解气化 焚烧炉 (Controlle

19、d Air Oxidation 可 控空 气氧 化技 术 , 简称 CAO 技术 , 是一 种控制 空气 燃烧技 术 。 CAO 系统可分为加热干燥 、 热解气化 、 残碳燃烧 、 可 燃气燃烧等 4个区域 , 燃烧系统示意图如图 5所示 。CAO 燃烧 部分的第 1燃 烧室中 , 通入少 量空 气 , 垃圾停留很长时间 , 在一定温度下 , 垃圾部分气 化 , 部分分解 , 部分燃烧 。 灰渣和不能热分解的物体 17研究与开发 国内外垃圾焚烧炉技术概述 生的可燃烟气进入上部的第 2燃烧室 , 再配以空气 , 在 超过 1000 的高温 下经 过 2s 的充 分燃 烧后 排 出 。 这些 高温

20、 气体可 以引 入余 热锅 炉回 收热量 。 CAO 燃烧系统在一定程度上解决了城市垃圾的处 理问题 , 垃圾不用分选就可以充分地分解和燃烧 , 但 对于水分超过 50%的垃圾 , 在不投油助燃时则不能 稳定燃烧 。 中国城市垃圾成分十分复杂 、 热值较低 且含水率高 , 而且地区差别大 , 例如东部地区城市平 均为 3140kJ /kg , 中部地区为 2219kJ /kg , 西 部地区 为 1507kJ /kg , 因此在我国广泛 应用垃圾热解 气化 焚烧炉技术还有一定困难 。3. 5 四类垃圾焚烧炉技术性能对比分析根据四类垃圾焚烧炉技术原理 、 特点 、 性能以及 优缺点 , 进行主要

21、项目的对比分析 , 将对比分析结果 归纳为表 1 。图 5 CAO 焚烧炉结构图表 1 四种垃圾焚烧炉技术比较表比较项目 流化床焚烧炉技术 回转窑焚 烧炉技术 炉排型焚烧炉技术 热 解气化焚烧炉技术 主要应用地区 日本 、 美国 美国 、 丹麦 、 瑞士 欧洲 、 美国 、 日本 加拿大处理能力 中小型 150t /d 以下 大中型 200t /d 以上 大型 200t /d 以上 中小型 150t /d 以下 设计 、 制造水平 生产供应商有限 生产供应商有限 已成熟 生产供应商有限 燃料适应性 燃料的种类受到限制 燃料的种类受到限制 燃料适 应性广 燃料适应性较广对入炉垃圾要求 需分类破

22、碎至 15cm 以下除大 件 垃 圾 外 不 需 分类破碎除 大 件 垃 圾 外 一 般 不分类破 碎除大 件 垃 圾 外 一 般 不 分类破碎燃烧性能 燃烧 温度较 低 、 燃烧 效率较 佳 、 燃烧稳 定性 一般 、 燃 烧 速 度 较 快 、 燃尽率高可高 温安 全燃 烧 、 残灰颗粒 小 、 燃烧 稳定 性一般 、 燃 烧 速 度 一 般 、 燃尽率较高燃 烧可 靠 、 余热利 用较好 、 燃 烧 稳 定 性 好 、 燃烧速度 较快 、 燃尽率高先热 解 、 气 化 、 再燃 烧 、 燃烧稳 定性 较好 、 燃烧 速度较慢 、 燃尽率高炉内温度 流化床内燃烧温 度 800900回转窑

23、内 600800、燃 尽室 温 度 为 10001200垃 圾 层 表 面 温 度800、 烟 气温度 8001000第 1燃 烧 室 600 800、 第 2燃烧室 800 1000垃圾停留时间 固体垃圾在炉 中停留 12h 、 气体 在炉 中约 几秒种固体 垃 圾 在 回 转 窑 内停留 24h 、 气体 在 燃尽室约几秒种固体 垃圾在炉中停留 13h 、 气 体在 炉中 约几秒种固体 垃 圾 在 第 1燃 烧 室约 36h 、 气 体 在第 2燃烧室约几 秒种垃圾运动方式 炉内翻滚运动 回转窑内回转滚动 取决于 炉排的运动 推进器推动对 高 温 腐 蚀 的 防治较难 、 尚无有效 方法

24、较难 、 尚无有效方法 较难 、 尚无有效方法 较难 、 尚无有效方法 对污染的防治 较难 较难 较易 较易炉体结构 瘦高型 、 体积大 长圆型 、 体积大 瘦高型 、 体积大 紧凑型 、 体积较大 运行操作费用 高 较低 较高 中初投资 大 较大 大 较大存在缺陷 操作 运转技 术高 、 需 添加流 动媒介 、 进 料颗 粒较小 、 单 位处理 量所 需动力 高 、 炉床材 料易 损坏连接 传动 装置 复杂 , 炉内耐 火材 料易 损坏 , 焚烧热 值较 低 、 含水 分高的垃 圾 时 有 一 定 的 难度操 作运 转技术 高 、 炉排易损坏对氧量 、 炉 温控 制有较 高要求 、 对 于高

25、 水分的 垃圾 在 无 油 助 燃 时 不 能稳定燃烧4 一种新型垃圾焚烧炉针对目前我国城市垃圾热值低 、 夏天水分含量 高 、 地区差别大等特点 , 采用一种往复推饲分层供风 炉排装置 (专利号 ZL002412500 , 王怀彬教授设计 , 6。18 工 业 锅 炉 2003年第 5期 (总第 81期 1-进料斗 2-专利炉排装置 3-烟道 4-空气预热器图 6 新型往复炉排焚烧炉结构图该新型城市垃圾焚烧炉具有很大优点 :垃圾在普通炉排上燃烧存在着火条件与拨火条件差 , 不易 燃烧 。 而在往复推饲分层供风炉排上 , 活动炉排是 往复运动的 , 在推垃圾运动时 , 它把部分新垃圾推到 下一

26、层已燃炽热垃圾层上 , 而返回时又会把部分已 燃的垃圾带回到未燃的垃圾层下面 。 这样一来 , 炉 排上的垃圾就具有 “ 下部着火 ” 的因素 , 同时垃圾层 上部吸收来自炉膛高温烟气 (火焰 和炉墙炉拱的辐 射热 , 具有 “ 上部着火 ” 的因素 。 往复推饲分层供风 炉排的垃圾具有双面着火的特性 。 可解决垃圾因发 热量低造成垃圾不易着火的问题 。为了防止二 英类物质的产生 , 该新型城市垃 圾焚烧炉在炉型设计方面采用了 “ 3T ” 原则 。 所谓 “ 3T ” 原 则 即 :Temperature (温 度 、 Time (时 间 、 Turbulence (湍流度 。 日本某垃圾焚

27、烧厂采用 “ 3T ” 技术使炉膛出口的 PCDD (五氯二苯二 英 /PCDF(呋喃 的排放量从 33. 1ng /m 3下降到 6. 1ng /m 3, 效果十分明显 。该新型城市垃圾焚烧炉 , 对入炉垃圾不需分拣 、 筛选 、 破碎即可直接入炉焚烧 , 这样就避免了在人工 分拣时由垃圾分解析出的二 英造成的伤害 。 通过 垃圾预热 、 烘干 ; 低而长的后拱 ; 往复推饲分层供风 炉排 ; 分级配风等设计组织起了 “ 3T ” 工况 。 通过一 次风提高垃圾焚烧炉的 燃烧效率 , 提高炉内温度 , 在 炉 膛内未 布置任 何受热 面 , 使 炉膛温 度保持 在以上 800。 通过二次风与炉拱的配 合 , 烟气在喉 口处形成 火焰 ,