循環流化床純燒城市生活垃圾的技術實現與工程應用

殷建利 朱 俊 陳旭東

（杭州能達華威有設備限公司，浙江 杭州 311101）

循環流化床純燒城市生活垃圾的技術實現與工程應用

殷建利 朱 俊 陳旭東

（杭州能達華威有設備限公司，浙江 杭州 311101）

通過建模理論分析，得到了低位熱值為3238.9kJ/kg的生活垃圾在循環流化床鍋爐焚燒的理論數據。采用公司發明專利技術及其他相關技術工藝，實現了循環流化床純燒城市生活垃圾，并在垃圾焚燒處理廠得到成功應用。

循環流化床；純燒；城市生活垃圾；工程

城市生活垃圾的妥善處理是當今世界各國的重要環保課題。隨著我國經濟的發展、城鎮人口的增長和居民生活水平的不斷提高，城鎮生活垃圾產生量迅速增加，生活垃圾的處理已成為影響我國經濟發展和環境治理的重要因素，也是我國城鎮化進程中必須面對的問題。

垃圾焚燒處理是目前城市生活垃圾進行無害化、減量化和資源化處理最徹底最有效的技術方法。循環流化床垃圾焚燒技術具有燃燒劇烈、分解徹底、對垃圾種類適應性好及燃燒污染物排放低等優勢，比較適合我國城市生活垃圾高水分低熱值的特性。

1 技術背景

城市生活垃圾焚燒處理技術，國內外廣泛應用的技術主要有二種：層狀燃燒技術和流化床燃燒技術。

層狀燃燒技術主要采用爐排形式實現焚燒，是應用較早、較為成熟的焚燒技術，主要包括固定爐排、鏈條爐排、往復爐排等。其中往復爐排爐焚燒技術在垃圾分類收集系統完善的歐美等發達國家得到廣泛使用。采用層燃技術的爐排焚燒爐適合焚燒低水份高熱值的垃圾，具有煙氣含塵量低、動力消耗相對少等優點。但爐排爐因層狀燃燒的特性所致，床層中下部溫度較低整體燃燒速度緩慢，容易產生熱解不徹底現象，爐渣中常夾帶有未燃燼有機物，不適合燃燒高水份、高灰分、低熱值的生活垃圾，更難以實現單獨焚燒或摻燒市政污泥。

自上世紀八十年代以來循環流化床燃燒技術迅速發展成熟，由于其具有熱強度均勻穩定、燃料適應廣泛、環境排放特性優良等優點，在燃煤發電行業中正在全面取代其它燃燒技術。上世紀末國內垃圾焚燒開始起步，垃圾分類收集又尚未實施，中國科學院、浙江大學、清華大學等科研機構根據國內當時的垃圾特性相繼開發出循環流化床垃圾焚燒技術，通過摻燒一定量燃煤來保證垃圾安全穩定焚燒。隨著經濟社會發展，我國對環境保護和節約土地資源逐步重視，本世紀以來國家資源綜合利用和環境保護政策逐步完善，各地政府強化了垃圾源頭管理，進行垃圾分類收集運輸，進焚燒廠的垃圾水分得到了控制熱值有較大提高。特別是東部經濟發達的城市環衛收集運輸的生活垃圾進廠的平均熱值從650kcal/kg（2721 kJ/kg）左右提升至750kcal/kg（3140 kJ/kg）以上，為我們進行循環流化床純燒城市生活垃圾的技術研究提供了基礎。

圖1 樣本垃圾絕熱燃燒工況軟件模擬圖

2 建模與分析

2008 年，杭州市共處置213.90萬噸，日均清運生活垃圾5844.19噸，全年生活垃圾熱值在3238.9kJ/kg左右，全年平均含水率57.4%，杭州主城區垃圾熱值已達3952kJ/kg。我們就低位熱值3238.9kJ/kg的原生生活垃圾，進行建模計算與理論分析。根據杭州一垃圾焚燒處理廠提供的垃圾燃料數據分析表（見表1），采用伯勒（Bole）鍋爐性能設計計算軟件V1.03，先進行爐膛完全絕熱焚燒時建立計算模型，來獲得焚燒的有關理論數據。

表1 入爐垃圾數據分析表

計算模型以1t/h垃圾在完全絕熱爐膛焚燒為基礎，入爐垃圾低位熱值3238.9kJ/kg，過剩空氣系數取1.5，入爐垃圾及進口空氣的溫度均取25℃。

樣本垃圾絕熱燃燒工況模擬的數據見圖1，圖中三個畫面依次為煙氣側（爐膛輸出煙氣參數）、燃料側（入爐垃圾元素、熱值參數）、空氣側（爐膛輸入空氣參數）。

從模擬計算中看出，燃燒1t/h的樣本城市生活垃圾，助燃空氣1439Nm3/h，燃燒產生約2263Nm3/h煙氣量，絕熱爐膛出口煙溫879℃。煙氣溫度已高于城市生活垃圾安全焚燒的國家規范要求溫度850℃，具備設計純燒方案的基礎條件。

假定純燒此類垃圾，按800t/d規模設計循環流化床焚燒爐方案：爐膛煙氣流速控制在4m/s左右，燃燒溫度≮900℃，煙氣有效停留時間≮4.5s，確定焚燒爐膜式水冷壁爐膛結構主要尺寸。爐膛截面5070mm×4630mm，爐膛有效高度24m，爐膛內側襯30mm厚硅酸鋁耐火纖維板加80mm厚耐火耐磨可塑料，爐膛有效截面約4.8m×4.4m，爐墻面積F=461.2m2，爐膛容積V=440.2m3，爐內有效輻射層厚度為：s=3.6V/F=3.436m=3436mm。硅酸鋁耐火纖維板導熱系數約為0.156W/（m·k），耐火耐磨可塑料（Al2O3/Fe2O3），導熱系數約為3.7W/（m·k），爐膛水冷壁內壁溫及爐膛內煙溫分別以256℃和900℃計，則1小時內爐膛水冷壁吸收能量約為1384kWh（合4982400kJ）。根據爐膛水冷壁吸收的功率，計算出爐膛水冷壁在通?；鹧娓叨认禂?.45時的壁面熱有效系數為0.0112。

圖2 樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中常溫空氣（25℃）助燃工況數據模擬圖

圖3樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中預熱空氣（180℃）助燃工況數據模擬圖

將數據輸入計算模型：樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中常溫空氣（25℃）助燃工況數據見圖2，圖中三個畫面依次為煙氣側（爐膛輸出煙氣參數）、燃料側（入爐垃圾元素、熱值參數）、空氣側（爐膛輸入空氣參數）。

從模擬計算中看出，樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中燃燒，垃圾焚燒量33.34t/h，助燃空氣47974Nm3/h，燃燒產生約76218Nm3/h煙氣量，絕熱爐膛出口煙溫843℃，爐膛煙氣流速4.1m/s，爐膛煙氣停留時間5.09s。煙氣流速與停留時間滿足設計參數，但關鍵參數燃燒溫度不滿足規范要求，須對設計方案進行優化。

經分析，確定不作其它結構參數修改，通過提高助燃空氣溫度來保證安全燃燒溫度。擬將空氣溫度預熱至180℃。將數據輸入計算模型：樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中預熱空氣（180℃）助燃工況數據見圖3，圖中三個畫面依次為煙氣側（爐膛輸出煙氣參數）、燃料側（入爐垃圾元素、熱值參數）、空氣側（爐膛輸入空氣參數）。

從模擬計算中看出，樣本垃圾在800t/d焚燒爐方案中以180℃預熱空氣助燃，垃圾焚燒量33.34t/h，助燃空氣47974Nm3/h，燃燒產生約76218Nm3/h煙氣量，爐膛出口煙溫906℃，爐膛煙氣流速4.33m/s，爐膛煙氣停留時間4.8s。燃燒溫度、煙氣流速、停留時間均滿足規范或設計參數。具備開發純燒爐型的技術條件。

若熱風溫度提高至180℃，則爐膛出口煙溫可達906℃，見圖3所示。入爐焚燒的垃圾進行短暫堆酵以適當降低水分，如果城市生活垃圾經中轉站壓縮轉運，且在入爐焚燒時再進行短暫堆酵，則入爐焚燒處理的垃圾水分可降低5%以上，爐膛出口溫度還將提高。當然，如果當地的生活垃圾熱值明顯較高，采用循環流化床垃圾焚燒爐來焚燒處理垃圾時，則不再建議在垃圾庫內堆酵，甚至在進行鍋爐熱力計算時適當降低鍋

爐爐膛的絕熱程度，否則容易導致爐膛出口煙溫超溫。在保證垃圾焚燒爐爐膛

出口溫度的前提下，再對垃圾進行“均質化”破碎處理，使得入爐垃圾燃燒更加連續，并充分發揮循

環流化床焚燒特性，則能實現循環流化床純燒生活垃圾的工程應用。

3 純燒垃圾的技術工藝

我們通過對天津、山東、浙江、福建等省份的一二線城市生活垃圾取樣分析、建模計算提出當入爐垃圾水分不高于50%時，低位熱值達到800kcal/kg（3349kJ/kg），水分不高于60%時低位熱值達到950kcal/kg（3977kJ/kg），可實現循環流化床純燒垃圾。

3.1 湍沸復合循環流化床垃圾焚燒技術

湍沸復合循環流化床垃圾焚燒技術是實現純燒城市生活垃圾的新型流化床技術，其基本原理是入爐高水分垃圾在湍流床內部分水分氣化，進入沸騰床時熱量負貢獻大幅降低，使沸騰床面、密相區、燃燒室中上部的溫度能保持穩定均衡，在高溫循環灰作用下經高溫一二次熱風助燃氣固可燃成分充分燃燒。

湍沸復合循環流化床垃圾焚燒爐結構示意圖見圖4，該技術先后獲得國家知識產權局的發明專利證書和實用新型專利證書，并在杭州喬司和嘉興步云垃圾焚燒爐技術改造項目中獲得成功。

3.2 絕熱爐膛結構

循環流化床垃圾焚燒鍋爐的主要目標是焚燒處理垃圾，在保證“3T+E”的燃燒原則中，Time是高溫煙氣的停留時間，Turbulance是進料垃圾與空氣的充分混合，還有的Temperature就是要求保證爐膛的燃燒溫度應在850℃以上。

圖4 湍沸復合循環流化床垃圾焚燒爐結構示意圖

我們認為常規燃煤循環流化床鍋爐爐膛沸騰床及密相區為了防止磨損，一般敷設100mm左右的耐火耐磨澆注料，而在密相區上部直到爐膛出口下部約1米處的水冷壁部分，則基本裸露不打澆注料以吸收爐內輻射熱，控制爐膛上部溫度，循環灰除了達到充分燃燒的目的外起到將密相區的可燃物與燃燒熱向爐膛上部輸送的作用，使整個爐膛溫度穩定均衡。而循環流化床垃圾焚燒爐的循環灰熱能輸送作用恰恰相反。通過分析我們提出，針對國內多數城市的生活垃圾設計循環流化床焚燒爐純燒生活垃圾時爐膛應采用基本絕熱爐膛。筑爐工藝大致為在爐膛內側，在水冷壁管內先襯一30mm厚絕熱層，可采用硅酸鋁耐火纖維板，再澆注一層厚80mm耐火耐磨澆注料，以維持爐膛合理的燃燒溫度確保垃圾在爐內穩定燃燒。要考慮到絕熱層長期運行逐漸失效的因素，在熱力計算時爐膛壁面熱有效系數取較高值0.08。生活垃圾平均低位熱值較高的地區，通過可靠的計算可在爐膛上部適當降低絕熱程度甚至部分水冷壁完全裸露。

3.3 提高一二次熱風溫度

從本文前述的垃圾絕熱焚燒的鍋爐軟件模擬與理論分析可知，如其他條件不變，當進爐風溫為25℃時其理論燃燒絕熱爐膛溫度達879℃，當爐膛采用膜式水冷壁并存在一定傳熱系數的狀況下，爐膛溫度下降為843℃。此時將入爐熱風溫度提高至180℃時，爐膛溫度上升至906℃?？紤]到裝備材料造價工程項目設計中推薦入爐熱風溫度控制在200—250℃。

4 工程應用

杭州錦江綠色能源有限公司（杭州喬司垃圾焚燒電廠）于2008年底啟動整體升級技改工程，垃圾焚燒爐采用杭州能達華威公司的湍沸復合流化床垃圾焚燒專利技術，因垃圾平均低位熱值接近980kcal/kg（4100kJ/kg），設計前充分計算分析，保留了部分水冷壁裸露，焚燒原生垃圾時無需堆酵、無需摻燒輔助燃料，平均日焚燒處理垃圾達到800噸。2009年10月經浙江省經信委組織專家認證，垃圾焚燒發電機組已達到可再生能源發電標準。

2009年5 月，嘉興市綠色有源有限公司2#垃圾焚燒爐進行技術改造，因當地垃圾熱值稍低，設計時爐膛全敷設耐火絕熱層，日焚燒處理800噸，運行中不摻燒燃煤。

5 運行管理

循環流化床純燒城市生活垃圾的技術成功應用于杭州、嘉興二個垃圾焚燒電廠，并專門針對垃圾給料系統與底渣排出系統進行了技術改進。技改后焚燒電廠注重日常生產管理，保證焚燒爐密封均勻進料，爐膛溫度壓力穩定，排渣均勻順暢燒蝕率低于1%。

6 技術展望

針對循環流化床焚燒爐存在電能消耗和飛灰比例偏高的不足尚有進一步研究提高的空間：

①采用機械擠壓脫水、堆酵脫水、物理干化等手段減少水分氣化與排煙熱損失。

②減少沸騰床水氣化負荷以縮減布風板面積，減小一次風量與循環倍率，降低電耗。

③通過自動分選、機械破碎等方式減小物料幾何尺寸，使入爐物料均質化以減小流化風量、小孔風速與空板阻力，減小一次風量、風壓，降低電耗。

④采用高溫二次分離減小飛灰比例，減少危險廢棄物產生量。

結語

循環流化床作為一種新興的潔凈燃燒技術通過短短的十幾年發展，已實現純燒原生生活垃圾，這是行業政策與市場引導的結果，也是負責任的科技工作者與企業經營者努力的結果。城市生活垃圾的無害化、減量化、資源化處理的全面實現，需要政府、企業、大眾的參與支持，自源頭至末端共同控制，才能使我們有一個可持續發展的環境。

[1]陳旭東，湍沸復合循環流化床垃圾焚燒爐[P].中國專利:ZL 2009 1 0097419.2.

[2]洪國才，陳增豐，杭州市生活垃圾物化特性分析與處置對策[J].杭州研究，2010.

[3]嚴建華，沈祥智，李曉東，馬增益，溫俊明，池涌，岑可法.流化床焚燒垃圾的關鍵問題及預處理措施[J].中國動力工程學報，2005.

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.149