生活垃圾焚燒鍋爐和煙氣凈化系統選型設計

文_高波 楊開宇 張磊

1 中國市政工程華北設計研究總院有限公司 2 中國電建集團江西省電力建設有限公司

生活垃圾焚燒系統主體工藝包括垃圾接收儲存及輸送系統、垃圾焚燒系統、余熱利用系統、煙氣凈化系統、灰渣處理系統等。其中，焚燒爐、余熱鍋爐、煙氣凈化系統是保證焚燒線連續穩定運行最為核心的三部分。

焚燒爐是垃圾焚燒處理工藝中的核心設備，其對垃圾處理的整體工藝路線、焚燒效果、工程造價、運行的穩定性、經濟效益等起著至關重要的作用，是實現垃圾焚燒無害化處理的關鍵。我國垃圾焚燒行業近20年的發展已證明機械爐排爐為比較成熟的技術，運行可靠度較高，燃燼度好，目前在國內市場份額約為80%。

“SNCR脫硝+旋轉噴霧半干法脫酸+干法噴射+活性炭吸附+袋式除塵”的組合工藝是目前國內垃圾焚燒煙氣凈化最典型、最常用且成熟的工藝技術，其中旋轉噴霧半干法脫酸工藝被評為國家重點環境保護實用技術。

本文以重慶市某生活垃圾焚燒發電項目為例，介紹該工程中焚燒鍋爐和煙氣凈化系統的設計選型過程，并結合實際運行效果進行分析，以期為同行業設計者提供參考。該項目建設總規模1500t/d，配置3×500t/d垃圾焚燒處理生產線。其中一期設計建設規模為1000t/d，預留二期規模為500t/d的焚燒線位置。焚燒采用往復式機械爐排工藝，余熱鍋爐選用中溫中壓鍋爐系統，配備1臺18MW汽輪發電機組（一期建設）和1臺12MW汽輪發電機組（預留場地）。

2 垃圾焚燒設計熱值的確定

合理確定垃圾熱值最佳設計點是焚燒鍋爐設計的關鍵。余熱鍋爐受熱面的布置按一定的燃燒強度考慮，留有裕度，但如果垃圾熱值上下偏離設計點過大，則會要求焚燒爐適應過寬的處理范圍，從而對垃圾處理廠的正常運行及運行成本造成較大的影響。

重慶市市政環衛監測中心在2013年對重慶市城鎮生活垃圾組成成分進行了檢測，該項目在設計之時以此作為基礎資料，垃圾組成成分見表1。

表1 重慶市城鎮生活垃圾組分表

根據表1檢測結果及抽樣統計數據，原生垃圾濕基低位熱值為4466kJ/kg，考慮到垃圾經儲存脫除滲濾液后，熱值將增加約9%～12%，結合重慶當地已投運項目的運營情況，該項目入爐垃圾熱值擬取5360kJ/kg。此外，設計熱值的確定還需考慮運行期間不同季節和不同年份垃圾特性的差異。重慶市垃圾熱值隨季節波動情況為夏季最低，冬季最高，相差350～700kcal/kg。同時，隨著城市生活水平的提高，垃圾可燃成份逐年增高，垃圾熱值增長率為1.5%～2.5%，但增長率隨年份增加呈遞減趨勢并逐漸趨于穩定水平。該項目特許經營期為27a（含建設期2a），取運行期中間年的垃圾特性作為焚燒廠處理的設計點（MCR）是較為合理的。因此，按當時入爐垃圾熱值不低于MCR點熱值80%并取整，確定垃圾焚燒爐的設計低位熱值為6700 kJ/kg（1600kcal/kg），垃圾熱值適用范圍為：最低4190kJ/kg(1000kcal/kg)，最高為8390kJ/kg（2000kcal/kg）。由此繪制燃燒特性圖如圖1所示。

圖 1 燃燒特性圖

由圖1可知焚燒爐熱值適應范圍為4190～8390kJ/kg；熱負荷適應范圍為60%～110%，機械負荷適應范圍為60%～110%。圖1中，LP1-LP2-LP3-LP4-LP5-LP6-LP1所圍成的區域是無助燃條件下連續穩定燃燒區域；LP3-LP2-LP2'-LP3"-LP3'-LP3所圍成的區域是需要添加輔助燃料的區域；LP1-LP1"-LP2″-LP2-LP1所圍成的區域是機械超負荷區域，垃圾焚燒爐可以連續超10%的機械負荷穩定運行；LP1-LP6-LP6'-LP1'-LP1"-LP1所圍成的區域是超熱負荷區域，不能連續運行，垃圾焚燒爐只能臨時超10%熱負荷運行。

2 焚燒鍋爐的設計選型

2.1 焚燒爐

項目選用SITY2000型逆推往復式機械爐排爐。垃圾由起重機送至給料斗，經給料溜槽和給料器，被推到機械爐排上進行干燥、燃燒、燃燼及冷卻。爐排面下部設計一次風室供應垃圾燃燒所需的空氣并對爐排片進行冷卻；爐膛設計前后拱，以加強對爐排上垃圾的熱輻射，二次風通過爐膛前后拱的噴嘴射入爐內，加強煙氣的擾動，延長煙氣的燃燒行程。焚燒產生的煙氣進入余熱鍋爐進行余熱利用，垃圾燃燒后的爐渣經除渣機收集；焚燒爐上部預留滲濾液回噴口。

SITY2000型逆推式機械爐排向下與水平面成24°傾角，爐排面由一排固定爐排和一排活動爐排交替安裝而成，爐排運動方向與垃圾運動方向相反，其運動速度可以任意調節，以便根據垃圾性質及燃燒工況調整垃圾在爐排上的停留時間。活動爐排和固定爐排與側墻之間設計合理的膨脹間隙，保證運行期間爐排不會與側墻摩擦。活動爐排由液壓系統驅動，并由DCS進行集中控制，運動周期可根據垃圾的燃燒狀況進行調整，爐排的運行穩定可靠。其結構示意圖如圖2所示。

圖2 焚燒爐結構示意圖

項目選用的爐排主要技術參數為爐排列數4列/爐；爐排行數19行/爐；爐排尺寸9.162m×10.60m；爐排面積97.12m2；爐排機械負荷214.5kg/（m2·h）；爐排片材質合金耐火鑄件。焚燒爐主要設計參數詳見表2。

表2 焚燒爐主要設計參數

2.2 余熱鍋爐

選用不同的鍋爐布置方式對鍋爐的燃燒效率、投資成本等均有較大影響。通常情況下，對于垃圾日處理量小于500t/d的焚燒爐，推薦采用立式余熱鍋爐；對于垃圾日處理量為500t/d及以上的大型焚燒爐，推薦采用臥式余熱鍋爐。但項目所處重慶，廠區占地面積相對有限，綜合考慮全廠布置及節約廠房土建成本方面考慮，本項目采用了立式鍋爐。

鍋爐采用自然循環水管鍋爐、立式結構、頂部懸吊。由三個垂直膜式水冷壁通道和一個垂直鋼煙道組成，在第二通道布置有三片屏式蒸發受熱面，第三通道從下至上依次布置了第一級蒸發器、高溫過熱器、低溫過熱器以及第二級蒸發器，第四通道布置了四級省煤器。此外，第一通道水冷壁內表面敷設耐火隔熱材料，第二、三通道下鋼灰斗內部敷設隔熱材料。

余熱鍋爐與焚燒爐配套組成焚燒鍋爐，其結構如圖3所示。

圖3 焚燒鍋爐示意圖

余熱鍋爐主要設計參數詳見表3。

表3 余熱鍋爐主要設計參數

3 煙氣凈化系統

項目煙氣排放標準執行《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014），采用了國內最典型的成熟可靠、效率高且經濟性好的“SNCR+半干法（高速旋轉霧化反應器）+干法(石灰粉)+活性炭吸附+袋式除塵器”組合工藝，處理對象為垃圾焚燒所產生的煙氣中的氮氧化物、酸性物質、粉塵、二噁英和重金屬。煙氣凈化系統工藝流程如圖4所示。

圖4 煙氣凈化系統工藝流程示意圖

采用SNCR系統將尿素溶液噴入余熱鍋爐第一煙道內以控制氮氧化物的排放，鍋爐出口煙氣溫度約為210℃，自頂部進入噴霧脫酸塔，通過噴霧脫酸塔頂部入口處的導流葉片，煙氣在噴霧脫酸塔內旋轉紊流流動，與通過旋轉霧化器噴入的石灰漿液進行脫酸反應，噴霧脫酸塔出口煙氣溫度值設定為150℃。被脫去了酸性物質仍含有大量粉塵的煙氣從噴霧脫酸塔出來，通過煙道導入布袋除塵器，在煙氣進入布袋除塵器入口前的煙道中噴入活性炭以吸附二噁英、重金屬等物質，同時也噴入石灰粉進一步吸收煙氣中的酸性氣體，以確保污染物的排放達標。在布袋除塵器中當煙氣通過由顆粒物形成的濾層時，殘存的二噁英、重金屬及酸性氣體仍能與濾層中未反應的石灰粉末、活性炭粉末發生反應而得到進一步凈化。最終煙氣通過布袋除塵器后被引風機吸入通過煙囪排放。

每條焚燒線設計1套獨立完整的煙氣凈化處理系統，其主要設計參數見表4，并裝設煙氣在線監測系統，運行互不影響；煙氣處理系統設備均可在中央控制室自動操作控制，任何煙氣監測信息通過網絡傳送至中央控制室，并可在中央控制室顯示所有重要數據。

表4 煙氣凈化系統主要設計參數

4 實際運行狀況分析

4.1 焚燒鍋爐運行狀況

項目一期工程配置為兩爐一機，已于2018年1月順利投產，截取2019年1～12月份進廠垃圾、入爐垃圾的熱值和含水率及爐渣熱灼減率的檢測值，對應各月入爐噸垃圾發電量指標進行統計，詳細數據見表5，其中垃圾發酵時間為7～10d。

表5 焚燒鍋爐實際運行數據表

根據行業標準《生活垃圾焚燒處理工程技術規范》（CJJ90-2009），垃圾池有效容積宜按5～7d額定垃圾焚燒量確定。有文獻介紹，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3d左右即可滿足穩定燃燒。事實上，這種情況較少，大部分工程中垃圾池的池容在7d左右，具備條件的甚至設計為10d以上。如表5數據所示，7～10d的發酵時間可使垃圾的低位熱值顯著提高，全年平均滲濾液析出率為17.7%，入爐垃圾相比入廠垃圾含水率平均降低約10%，熱值提高約20%，能夠很好地滿足入爐要求。此外，夏季垃圾的含水率相對較高，而春秋季垃圾的發酵效率最高，當冬季氣溫較低時，可采用鼓入熱風的方式輔助發酵。

入爐垃圾低位熱值能夠保證在焚燒爐熱值適應范圍內，爐渣熱灼減率＜3%，爐機運行至今，性能狀況良好。

4.2 煙氣凈化系統運行效果

項目設置了煙氣在線監測系統（CEMS），實時監測各主要煙氣排放污染物，并委托有資質的第三方對煙氣中主要污染物、重金屬類污染物和二噁英進行了現場采樣實測，其中二噁英類監測方法按《環境空氣和廢氣 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質譜法》（HJ77.2-2008）的有關規定執行；其它污染物現場檢測周期及頻次按檢測1d，每天3次進行，表6為2019年8月1日～7日的實測數據與國標對比情況。

由表6可見，項目焚燒和煙氣凈化系統正常運行工況下，煙氣排放完全滿足甚至優于國標限值，也印證了項目焚燒鍋爐和煙氣凈化系統選型設計的合理性。

表6 煙氣排放實測數據表

5 結語

垃圾熱值設計點的確定是焚燒系統設計的一個重點。若設計點定得過低，則當實際垃圾熱值較高時造成焚燒爐熱負荷過大和垃圾處理量下降，以致達不到處理量的要求。反之，若設計點定得過高，當實際垃圾熱值較低時，設備長期處于低負荷運行，甚至無法正常運行。因此，必須根據處理垃圾的實際熱值及波動趨勢，恰當地設定最佳設計點，以使焚燒廠從常年平均概率上處于較好的運行工況及較低的運行成本。

垃圾池容越大，一方面有利于垃圾發酵，另一方面有利于垃圾抓斗的攪拌翻動操作的便利性，但同時也增加了投資成本，并且垃圾發酵到達一定程度后，即使儲存更久時間對熱值的提高作用也有限。綜合來講，垃圾池的池容設計為7d左右比較合適。

SITY2000型逆推往復式機械爐排爐和立式余熱鍋爐的組合方式運行穩定可靠，熱負荷適應范圍廣；“SNCR+旋轉噴霧半干法+干法+活性炭吸附+袋式除塵”的煙氣凈化工藝能有效保證煙氣達到國家排放標準。