熱解氣化爐替代流化床焚燒爐的改造分析

牟文凱 李時宇

（1 中國機械設備工程股份有限公司 北京 100073 2 中國電力建設工程咨詢中南有限公司 湖北武漢 430071）

0 引言

隨著我國城鎮化的快速發展，垃圾每年以8%～10%的速度增長，“垃圾圍城”現象日益嚴重。預計到2030 年全國生活垃圾將會達到4.09 億t，到2050 年將達到5.28 億t［1］。生活垃圾對土壤、大氣和水系造成嚴重污染，而垃圾焚燒具有“減量化、無害化、資源化”的特點，是目前垃圾處理的主流方式。

城市生活垃圾焚燒爐主要采用爐排爐和流化床焚燒爐。爐排爐運行穩定，在我國垃圾焚燒廠中占據大部分份額；流化床由于初期造價低，屬于自主研發技術。在2010 年以前，循環流化床垃圾焚燒爐在我國得到大力推廣，但隨著時間的推移，循環流化床垃圾焚燒爐存在的問題逐漸凸現，逐漸被爐排爐代替。我國的主流生活垃圾焚燒廠中，應用爐排爐的焚燒廠約占75%，循環流化床約占25%。目前新建的垃圾焚燒項目絕大部分采用爐排爐，循環流化床焚燒爐已基本退出市場［2］。

在現有的垃圾焚燒廠中仍然有少量流化床焚燒爐。由于流化床焚燒爐飛灰排放比例高、需要摻燒少量燃煤作為輔助燃料、連續運行時間短等缺點，部分流化床焚燒爐面臨著停爐改造的問題。目前的方法是將流化床焚燒爐改成爐排爐。由于爐排爐與流化床焚燒爐在燃燒方式上存在很大不同，爐排造價昂貴、金屬耗量大、改造成本高。本文結合案例探討一種采用熱解氣化爐進行改造的方案，為流化床焚燒爐改造提供另一種解決方案。

1 項目背景

本項目位于東部某發達城市，廠內安裝有3 臺500 t/d 流化床垃圾焚燒爐，焚燒爐配有10%燃煤摻燒，額定主蒸汽壓力為3.82 MPa（g），溫度為450 ℃，額定蒸發量為75 t/h。生活垃圾坑儲存時間為5 d，垃圾坑內設有垃圾破碎系統。

本改造方案采用的是自主知識產權的立式旋轉垃圾熱解氣化爐。單爐容量是150 t/d，運行過程中不需要摻燒輔助燃料。

本項目結合業主需求，擬改造1 臺流化床焚燒爐做為示范。

2 改造原因

本項目垃圾焚燒廠于21 世紀初投運，距今已有近20 年的運營歷史。期間進行過1 次大修，并對煙氣處理系統進行了升級改造。由于項目建設年代早，廠址所在地城市擴張，周邊已有居民居住?？紤]到流化床焚燒爐本身的技術特點，即使經過大修后，運行仍然不穩定、連續運行時間短，污染物排放時有超標、飛灰排放量大，廠內已無堆積空間，經常被居民投訴，成為環保重點監管單位，存在技術改造需求。經過考察，業主考慮采用氣化爐技術進行改造升級。

3 垃圾熱解氣化爐

擬采用的垃圾熱解氣化爐是具有自主知識產權的立式旋轉垃圾熱解氣化爐。該熱解氣化爐分為一燃室和二燃室。一燃室為立式熱解氣化室，二燃室為熱解氣體燃燒室，其結構如圖1 所示［3］。

圖1 熱解氣化爐示意圖

立式旋轉熱解氣化焚燒爐主要由垂直加料倉、雙輥連續下料機、固定爐蓋、回轉爐體、凸型爐篦、爐座、回轉軸承及底座、重型鏈刮板式出渣機、過渡煙道、二燃室組成。

垃圾從垂直加料倉上方的漏斗投入，并通過設在爐蓋上的雙輥連續下料機，將料倉內的垃圾按照設定的處理量連續均勻不間斷地加入爐內。在一燃室爐內垃圾被干燥，熱解燃燒，燃盡。產生的渣排出一燃室，進渣池。產生的近800 ℃高溫燃氣進二燃室，與加入二次空氣進一步燃燒，經二燃室產生的1 200 ℃左右的高溫煙氣進余熱鍋爐。

立式旋轉熱解氣化焚燒技術，采用熱解氣化原理對固體廢棄物進行處理，確保了燃燒工況的穩定性和高效性，在無需任何輔助燃料的條件下，既具有“熱效率高、一燃室溫度高、熱灼減率低、飛灰排放量小、二噁英排放濃度低”等技術優勢［4］，又具有“爐型結構簡單緊湊、啟停爐操作便捷、維護方便、運行能耗低、爐子重量輕、占地面積小、建設成本低”等經濟優勢。熱解氣化爐燃燒指標如表1。

表1 熱解氣化爐燃燒指標

4 改造方案

本項目改造為在主廠房內改造1 臺流化床焚燒爐，并盡量利用原有設備和空間，同時希望保留原余熱鍋爐。由于流化床垃圾焚燒爐在焚燒爐膛布置有水冷壁，而熱解氣化爐一燃室及二燃室未布置受熱面，因此在拆除流化床焚燒爐后，原尾部受熱面不足，需要一并拆掉，新設余熱鍋爐配熱解氣化爐。而2 臺熱解氣化爐合并設置1 臺余熱鍋爐，需要2 臺熱解氣化爐配合運行，不便于熱解氣化爐的啟停，不便于運行管理。在其中1 臺熱解氣化爐停運檢修時，余熱鍋爐內由于煙氣量減少一半，煙氣流速降低很多，不利于機組穩定運行。因此改造方案將采用2 臺熱解氣化爐各配置1 臺余熱鍋爐的方式。

根據現有系統設置及布置條件，參考熱解氣化爐的系統要求，提出2 種改造方案。

4.1 方案一

氣化爐布置在原料倉間，單元布置，各新設1 臺余熱鍋爐。具體措施為：

（1）設置2 臺熱解氣化爐和2 臺余熱鍋爐。熱解氣化爐布置在鍋爐房緊靠E 排柱，在熱解氣化爐之后依次布置二次燃燒室和余熱鍋爐，省煤器出來的煙道接入原電廠除酸塔。

（2）熱解氣化爐布置在給料間，給料系統設置在原工程的給料間D-E 柱之間，拆除原給料間設備和樓層，原料通過抓斗抓取輸送到熱解氣化爐進料接口。

（3）一次風機布置在氣化爐爐側的0 m 處，二次風機布置在氣化爐爐側的9.3 m 處。

（4）拆除原工程垃圾和煤D-E 柱之間的給料系統，整個CFB 鍋爐系統設備。

該方案的優點是熱解氣化爐布置在料倉間，取消爐前給料裝置，系統簡單，減少潛在故障點。二燃室、余熱鍋爐采用單元設置，運行靈活。

4.2 方案二

熱解氣化爐布置在原鍋爐房，單元布置，各新設1 臺余熱鍋爐。具體措施為：

（1）設置2 臺熱解氣化爐和2 臺余熱鍋爐。熱解氣化爐布置在鍋爐房緊靠E 排柱，在熱解氣化爐之后依次布置二次燃燒室和余熱鍋爐，省煤器出來的煙道接入原電廠除酸塔。

（2）給料系統設置在原工程的給料間D-E 柱之間，給料層標高為18.5 m，原料通過抓斗抓取輸送到料斗，再通過螺旋給料機輸送到熱解氣化爐進料接口。

（3）一次風機布置在氣化爐爐側的0 m 處，二次風機布置在氣化爐爐側的9.3 m 處。

（4）拆除原工程垃圾和煤D-E 柱之間的給料系統，整個CFB 鍋爐系統設備。

該方案優點是熱解氣化爐布置在鍋爐房，料倉間改造量少。二燃室、余熱鍋爐采用單元設置，運行靈活。

4.3 改造技術可行性

本文將熱解氣化爐布置在料倉間和鍋爐房，提出2 種改造方案和措施，簡要列出了各方案的優點。經過現場考察及查看設計資料后發現，原料倉間給料機以下樓層已被電氣配電室及控制室占據，拆除改造將造成全廠停電。因此需要將熱解氣化爐布置在鍋爐房。原給料機平臺為15.4 m，熱解氣化爐進料口位于18.4 m 平臺，因此需要設置2 級給料機，將垃圾從原料斗下端輸送到熱解氣化爐進料口。

因此最終確定改造方案是新設2 臺熱解氣化爐、2 臺余熱鍋爐，同時對爐前給料系統進行改造，以適應氣化爐的進料口。

4.4 改造經濟可行性

改造前垃圾處理量是500 t/d，年運行時間243 d，年處理垃圾121 666 t，按垃圾灰分25%計算，年產飛灰21 291 t。改造后2 臺熱解氣化爐是300 t/d，年運行時間365 d，年處理垃圾109 500 t，年產飛灰1 368 t。改造前后，飛灰產生量減少了19 923 t，按垃圾飛灰固化和填埋總費用800 元/t 計算，年節約飛灰處理成本1 594 萬元。因垃圾處理量減少而減少的處理費和電費收益減少，約208 元/t，扣除這部分收益減少后，凈收益仍有約1 340 萬元。因此，改造在經濟上有可行性。

5 結語

本文分析了熱解氣化爐的優勢，并結合某流化床焚燒爐垃圾電廠的具體案例，提出了2 種改造方案。根據項目實際條件確定了可行的流化床改造為熱解氣化爐的改造技術方案，并同時簡要分析了改造方案的經濟性。由于熱解氣化爐的運行穩定性，以及產生飛灰量極少的技術特性，在保障電廠穩定運行的同時極大地減少了飛灰處置成本，從而具有明顯的經濟效益。改造方案從技術和經濟上都具有可行性，為流化床焚燒爐垃圾電廠改造提供了1 種新的思路和方法。