低熱值垃圾焚燒發電機組設計和選型研究

王云剛,于 飛

(1. 安徽皖能環保發電有限公司，合肥 230051；2. 上海發電設備成套設計研究院，上海 200240)

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設計與制造

低熱值垃圾焚燒發電機組設計和選型研究

王云剛1,于 飛2

(1. 安徽皖能環保發電有限公司，合肥 230051；2. 上海發電設備成套設計研究院，上海 200240)

針對低熱值垃圾在地域、季節和收集儲運等差異所表現出的特性，分析應用個例遇到的燃燒問題，提出了四線城市及鄉鎮垃圾焚燒項目在主要系統工藝設計、設備選型方面的注意事項。

低熱值垃圾焚燒; 系統工藝; 設備選型

近年來垃圾污染環境、危害群眾的問題日益突出。垃圾焚燒發電技術能有效解決城鄉生活垃圾的處置問題，其特點是無害化、資源化、減量化、穩定化。隨著垃圾焚燒發電行業的發展，我國在四線城市及鄉鎮也開始建設垃圾焚燒發電廠；但是垃圾熱值低、灰分大、水分大的特點制約了行業的發展。筆者針對低熱值垃圾焚燒發電機組，闡述其主要系統工藝及設備選型。

1 生活垃圾特性

垃圾熱值高低隨季節波動，夏季雨水多，瓜果皮多熱值最低，冬季相對干燥熱值最高，以皖南某項目為例，經測算最多相差約1 460 kJ/kg[1]。垃圾熱值受地區風俗習慣影響有時會出現較大波動。以皖北某項目為例，由于當地在春節期間大量焚燒塔香，造成無熱值的香灰入庫，導致爐溫無法維持，甚至導致機組停運。

垃圾中轉站有無壓縮設備、垃圾收集運輸車輛的形式以及垃圾貯存倒堆技術會使垃圾水分發生變化，進而影響其熱值。由于原生垃圾中水分較高(40%～60%)，為了降低入爐垃圾的含水量，垃圾進廠后在垃圾坑內貯存發酵。垃圾在貯存期間將脫去部分水分，入爐垃圾的熱值提高，垃圾發酵時間的長短直接影響了入爐的熱值；相同發酵時間環境溫度越高發酵效果越好。

四線城市及鄉鎮垃圾存在熱值低、灰分大、建筑垃圾含量高等特點。

2 機組設計

2.1 垃圾庫容量

行業標準《生活垃圾焚燒處理工程技術規范》中規定：垃圾池有效容積宜按5～7天額定垃圾焚燒量確定[2]。工程實例中大部分垃圾庫設計有效庫存為6～7天，在大中城市的可以滿足垃圾的分區堆放、發酵、倒堆以及穩定燃燒的要求；但是四線城市及鄉鎮垃圾發電廠垃圾庫貯存量在7天時間很難保證垃圾焚燒爐長期穩定燃燒要求。

南方某省會城市的垃圾焚燒電廠采用2臺600 t/d機械爐排爐，熱值設計范圍為4 187～8 374 kJ/kg，垃圾庫的容積設計為23 373 m3，垃圾池可貯存焚燒廠7天的垃圾處理量；皖北某四線城市的垃圾焚燒電廠采用2臺350 t/d機械爐排爐，熱值設計范圍為4 200～7 500 kJ/kg，垃圾池的容積設計為9 324 m3，垃圾池可貯存焚燒廠6天的垃圾處理量。

南方某省會城市的垃圾成分較好，平均氣溫高于北方城市，垃圾發酵3天左右滿足穩定燃燒；但皖北某垃圾焚燒發電廠運行過程中遇到了如燃燒不穩定、燃盡段溫度偏高、熱灼減率大于3%、入爐噸垃圾發電量偏低等問題，主要是垃圾發酵時間不足導致燃燒速率太慢。

在發酵時間3天的情況下，對皖北某電廠的入爐噸垃圾發電量和入爐垃圾熱值進行量化比較，截取2015年7～12月的數據見表1。

表1 入爐垃圾發電量和入爐垃圾熱值

從表1可知：冬季入爐垃圾熱值低于夏季，與原生垃圾特性相反，說明冬季垃圾發酵3天時間，原生垃圾的內水不易析出，直接進入爐膛，造成爐膛燃燒不穩定，爐溫不能保證，時常還要投油助燃，對機組的經濟穩定運行造成很大影響。

建議淮河以北垃圾焚燒電廠卸料平臺高度以下部分的有效容積設計為滿足全廠8～10天以上的垃圾處理量，這樣才能保證垃圾的堆放、倒垛，同時保證垃圾有效發酵時間達到5天以上。根據測算，垃圾發酵5天，低位熱值提高約40%以上。在同樣的垃圾倉容量設計條件下盡量增大寬度或長度，減少深度，這樣方便垃圾的分區、堆料、排水，使垃圾倉利用率提高，經濟性增強。

2.2 給料能力的確定

以處理規模1 000 t/d為例，正常運行時垃圾焚燒日處理量為 2×500 t，小時平均投料量為2×20.8 t，垃圾抓斗起重機除正常的投料運行外，還應有一定的混料時間。正常狀況下，1臺垃圾吊車每小時累計用20 min給焚燒爐上料，其余時間對垃圾進行搬運、倒垛，按順序堆放到預定區域，按每次上料流程約4～5 min，即1 h需要完成4～5次上料，考慮超量焚燒工況，每斗料要抓至少5 t以上。再綜合考慮2臺行車相互影響等因素進行選型。

2.3 焚燒爐處理能力

以日處理1 200 t生活垃圾、設計點熱值6 800 kJ/kg為例，根據《城市生活垃圾焚燒處理工程項目建設標準》的規定和國內外城市生活垃圾焚燒發電廠建設的經驗，對于II類處理規模的垃圾焚燒發電廠，焚燒生產線數量應為2～4條。現擬定2種最符合實際的焚燒線配置方式見表2。

表2 焚燒爐數量配置比較表

本文推薦選用2臺600 t/d的爐排焚燒爐，每條線處理能力為600 t/d，單條線年運行時間8 000 h，其熱負荷變化范圍為60%～110%。因為：

(1) 國內設備制造企業逐步增加了對600 t/d及以上焚燒爐的研發投入，使該類型焚燒爐的技術日趨成熟。

(2) 技術上，600 t/d的焚燒爐鍋爐熱效率更高，對于燃燒控制更靈敏，燃燒穩定性更好，有利于后期燃燒的自動化操作。600 t/d爐排的熱容量基數較大，可以應對由于垃圾熱值的變化、燃燒調整等因素，導致垃圾焚燒爐的負荷波動。

(3) 經濟上，在總處理規模確定、技術可行的情況下，全廠采用的焚燒線數量越少，單臺焚燒爐規模越大，投資也就越少。因此，采用大規模的焚燒爐能夠有效地減少單位投資成本和一次性投資；從土建方面考慮，2臺焚燒爐配置能夠有效減少占地面積和土建投資費用；焚燒線數量越少，則維修、操作、管理更為方便。

2.4 焚燒爐

垃圾熱值的設計點往往遠大于實際處理的垃圾熱值，大部分發電企業選擇了超負荷能力強的爐排式焚燒爐。

2.4.1 翻動+滑動式往復式機械爐排

焚燒爐排由5個單元組成，在焚燒爐內形成干燥區、燃燒區和燃盡區，每個單元的焚燒爐排由固定爐排、滑動爐排和翻動爐排組成，其獨特的翻動爐排設計，使爐排不僅具有通常的往復運動功能，而且還具有翻動功能(圖1)，加強了對垃圾的攪動、松動、通風作用，適應我國垃圾的低熱值、高水分的垃圾焚燒特點。

圖1 翻動+滑動式往復式機械爐排結構圖

每個單元焚燒爐排組都有各自的液壓調節機構，滑動爐排推動垃圾向前運動，并決定了垃圾層厚度及停留時間，擺動爐排則起到攪動垃圾層的作用。每組爐排的速度和頻率可單獨控制，提高了焚燒爐對熱值波動范圍很大的生活垃圾的適應性。對每個單元的爐排組的單獨控制，使垃圾在焚燒爐排上完成干燥、加熱、分解、燃燒、燃盡的每個反應過程能得到較好地控制。

此爐排的控制系統以及液壓系統相對其他爐排復雜得多，相對燃燒調整來說運行人員調節、控制燃燒的調整手段要多，但成本造價和維護費用高。

2.4.2 傾斜多級往復式爐排

傾斜多級往復式垃圾焚燒裝置，其爐排長度較長，整個爐排的面積比同等規模的其他種類爐排要大；適合焚燒處理我國城市低熱值、高水分生活垃圾，具有適應熱值范圍廣、負荷調節能力大、可操縱性好和自動化程度高等特點。

傾斜多級往復式垃圾焚燒裝置分為干燥、加熱、分解、燃燒和燃盡五個區域，沿長度方向，爐排分為若干段，段與段之間設置一定的落差(圖2)。其主要流程為：抓斗將垃圾送入落料槽，在給料推桿的推送下進入爐膛落在傾斜的多級往復式爐排上，垃圾在床面上翻滾、攪拌，完成干燥、加熱、分解、燃燒和燃盡過程。由于垃圾熱值、垃圾成分繁雜等因素，在燃燒過程中料層必須要有足夠厚度，爐排落差的預期效果在四線城市使用效果稍差。

圖2 傾斜多級往復式爐排結構圖

2.4.3 日立造船爐排

爐排分活動列和固定列，通過活動列的動作，爐排反復進行前進和后退動作。通過爐排運動和爐排之間的落差，對垃圾進行松散和攪動，使垃圾充分燃燒，保證熱灼減率；為了增加可調節的手段，攪動垃圾，降低熱灼減量，在燃燒爐排上設置剪切刀裝置(圖3)。

圖3 日立造船爐排結構圖

在國內的使用情況來看，此爐排在一、二線城市使用效果很好，但在四線城市，由于建筑垃圾相對較多，運行中剪切刀存在磨損相對嚴重、卡澀、故障率較高的情況；剪切刀的剪切半徑(350 mm)相對于垃圾焚燒料層(控制在600～800 mm)，只能在料層下部運動，碰到垃圾起包、料層厚的情況時作用較小，使用效果較差，垃圾熱灼減率偏高。

2.4.4 三驅動逆推式爐排爐

三驅動逆推式爐排采用了自行開發的驅動機構，對應干燥區、燃燒區和燃盡區有三組獨立驅動裝置(稱之為“三驅動”)，可根據垃圾焚燒過程中各區垃圾移送的實際需要進行單獨調整、控制爐排片的移動速度，互不干擾，使爐排面積的有效利用率得到提高，從而提高了爐排焚燒處理垃圾的能力，并通過適當延長爐渣在燃盡區的停留時間降低熱灼減率(圖4)。

圖4 三驅動逆推式爐排爐示意圖

三驅動逆推式爐排各功能區以及二次風均采用變頻調速獨立送風的配風方式，各區的風量和風溫都可以根據垃圾燃燒的狀況進行調整和控制，合理的配風是垃圾完全充分燃燒的保證。

各種類型爐排都很成熟，在爐排選型的時候要考慮地域、氣候等方面差異。

2.5 吹灰器

垃圾焚燒爐的吹灰設計要區別于傳統煤粉爐，主要原因在于垃圾成分復雜、腐蝕性、粘結性強。如果吹灰不理想，容易造成受熱面積灰和結焦，從而導致排煙溫度升高，排煙損失增加，縮短機組運行周期。機械振打清灰裝置以進口設備為主，用壓縮空氣帶動錘頭，敲擊振打錘，從而振動受熱面集箱，進而振落受熱面上的積灰，輔助清灰效果良好，但是要求的安裝精度較高。激波吹灰以正面沖擊為主，作用范圍較小，需布置較多數量的吹灰器，適用于松散型積灰和粘結性積灰。蒸汽吹灰器吹灰效果顯著，但是汽源來自新蒸汽，運行成本高，經測算，鍋爐蒸汽吹灰每天的耗汽量約占產汽量的1%。布置單一一種形式的吹灰方式效果往往欠佳，很多在建項目采用以下一些組合清灰方式：機械振打+激波吹灰、蒸汽吹灰+激波吹灰、蒸汽吹灰+機械振打。

2.6 空氣預熱器

以往在額定工況下設計一次風溫在180～220 ℃。由于垃圾焚燒時熱力學參數波動幅度較大，負荷波動范圍也很大，容易形成負荷下降導致的風溫下降，由此引起垃圾干燥不充分、垃圾燃不盡、大渣熱灼減率高等惡性循環；垃圾水分含量較大、冬季垃圾發酵不是很理想。傳統設計風溫自動調節裝置往往在現場是很難實現的，因為調門全開風溫只能達到200 ℃多一點，可調節空間很小。綜上所述，建議一次風溫設計在200～250 ℃。

2.7 一次風機

不同形式的焚燒爐排所配置的一次風機數量不相同，有1臺風機母管制配風，3臺一次風機(干燥、燃燒、燃盡)以及5臺或10臺小一次風機單元單段送風的形式。從運行情況來看，各有優缺點，使用多臺風機對整個燃燒風量的控制、風力的穿透、壓頭控制上要高于單臺母管的控制效果(母管制靠調節風門來控制)；從故障影響來考量，單臺小風機故障對整個鍋爐燃燒的影響很小，有充足的時間來消除故障，而單臺母管制風機一旦故障，只有壓火處理，所以從調節控制手段、燃燒穩定性來說，可以考慮多臺小風機，但成本高。

2.8 煙氣再循環技術

該技術將系統尾部的部分煙氣(250～350 ℃)抽出，通過循環風機送入爐內，這樣做的優點是有效控制爐膛溫度，降低了區域氧氣濃度，有效抑制NOx的生成。由于該系統的有效性，在MCR工況下，不需要進一步噴入尿素溶液(氨水)，NOx排放量也能滿足小時均值250 mg/m3和日均值200 mg/m3的水平。

煙氣再循環系統可減少SNCR裝置投用時間和還原劑的使用量，甚至取消SNCR裝置，減少運營成本和維修成本，同時消除SNCR裝置投運對煙氣溫度的影響(特別低熱值垃圾地區，機組低負荷運行時SNCR裝置無法投用，導致NOx排放超標)。

3 結語

針對燃用熱值低、灰分大、總處理量少的垃圾，在設計階段針對性地進行方案優化，綜合考慮長期穩定運行、投資回報率等因素，做到兩項兼顧。只有這樣，垃圾焚燒發電行業才能取得長遠的發展。

[1] 白良成. 生活垃圾焚燒處理工程技術[M]. 北京: 中國建筑工業出版社,2009.

[2]五洲工程設計研究院. CJJ 90—2009 生活垃圾焚燒處理工程技術規范[S]. 北京: 中國建筑工業出版社,2009.

Design and Type Selection of Low Calorific Value Waste Incineration Power Units

Wang Yungang1,Yu Fei2

(1. Anhui Wenergy Environmental Protection Power Co.,Ltd.,Hefei 230051,China; 2. Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

To solve the combustion problem occurring in a specific example of low calorific value waste incineration power unit,an analysis was conducted according to the differences in storage and transportation of low calorific value wastes collected in different regions and seasons,after which matters needing attention were proposed for the process design and equipment selection of main systems for waste incineration power units to be constructed in fourth-tier cities and small towns.

low calorific value waste incineration; process design; equipment selection

2016-06-23；

2016-09-26

王云剛(1979—)，男，助理工程師，從事垃圾焚燒、生物質焚燒發電工作。

E-mail: 8285405@qq.com

X705

A

1671-086X(2017)04-0250-04