流化床技术处理垃圾.docx
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流化床技术处理垃圾
循环流化床技术在城市生活垃圾焚烧处理中的应用
无锡华光锅炉股份有限公司朱秋平
一.前言
随着经济的发展，我国的城市数量大幅度增加，城市规模不断扩大，正面临垃圾围城的困扰。
在过去十多年中，城市生活垃圾以每年以8～10%的速度增长，2001年全国660多座城市生活垃圾清运量已经超过1.4亿吨。
长期以来，我国城市垃圾的处理处置主要以寻找合适地点加以“消纳”为目的，最主要方式是填埋，约占全部处理量的80％以上；其次是堆肥，约占10％左右；焚烧量甚微，约占1~2％。
而发达国家的垃圾焚烧处理比重很大，其中日本城市垃圾100%焚烧处理，农村的垃圾虽然还是填埋，但垃圾量不超过20%。
而欧洲的垃圾焚烧量也超过50%。
总体来说，目前我国在城市垃圾无害化处理方面还处于起步阶段，处理处置设施严重不足，已建成的填埋处理设施大都标准较低，很难避免不污染地下水源。
为解决我国城市生活垃圾污染环境的问题，需要建设很多城市垃圾处理处置厂（场）。
焚烧作为一种可同时实现固体废物资源化、无害化、减量化和安定化处理的技术，是用于处理城市生活垃圾的较好技术。
我国日趋严峻的城市生活垃圾污染环境形势为焚烧技术产业提供了发展机遇和广阔的市场需求。
我国发达地区的城市，以及沿海地区的中小城市（镇），垃圾热值已经达到焚烧处理基本要求，经济承受能力也较强，再加上土地资源紧缺，迫切需要采用焚烧技术来处理所产生的城市垃圾。
目前，深圳、上海、宁波、珠海等大中城市已引进日本、德国、法国、美国等国的焚烧技术和设备。
还有一些城市也拟引进或用国内焚烧技术和设备处理其城市垃圾。
我国沿海地区，特别是南方沿海地区经济发展迅速，众多中小城镇产生的生活垃圾中混有许多乡镇企业产生的轻工业废物，如塑料、橡胶、皮革、布条等，致使垃圾热值较高，满足焚烧法处理所需的条件，建设垃圾焚烧炉已成为这些城镇的迫切的需求。
实际上，目前我国城市生活垃圾处理设施相当一部分建设标准很低，污染严重，不能再用；相当一部分填埋场业已或即将填满，必须建设新的垃圾处理厂，在今后10年内，最少需要建设约800座垃圾处理处置厂（场）。
作为一种可同时实现城市垃圾减量化、无害化和资源化处理的焚烧技术，将在众多城市成为一种垃圾处理的主要技术，正日益受到广大城市的关注和重视。
二.焚烧处理方法
目前世界上应用于处理固体废物的焚烧炉按燃烧反应过程可分为直接焚烧和热解气化焚烧；按燃料运动和气固混合方式可分为机械炉排炉、回转窑炉和流化床炉等。
目前处理生活应用最广的为直接焚烧的机械炉排炉，其次为直接焚烧的流化床炉，热解气化焚烧所占比例较小，主要用于处理工业垃圾。
发达国家焚烧垃圾采用机械炉排炉较多，而垃圾经过初分选破碎处理后采用流化床焚烧炉具有较大优点。
垃圾热值对焚烧技术的选择有很大的影响。
垃圾热值低时采用炉排炉焚烧残渣不易烧透，且炉温较低，易产生二恶英等二次污染，助燃用油消耗大，运行成本高。
流化床炉是在气流吹动沙床沸腾的情况下燃烧，即使低热值的垃圾也能彻底燃烬。
流化床可以采用煤助燃，可降低助燃燃料成本。
因此，对于低热值生活垃圾，采用流化床焚烧具有较好的经济效益和社会效益。
发达国家生活垃圾热值较高，低位发热值一般在8000～12000kJ/kg范围。
如丹麦的生活垃圾热值在8000～12000kJ/kg范围，平均为10000kJ/kg；德国为9000～12000kJ/kg；荷兰为10000kJ/kg左右；美国为10000～13000kJ/kg；日本为8000～11000kJ/kg。
由于饮食习惯和西方人不同，华人的生活垃圾中厨余物含量较高，即使经济发达的国家和地区，生活垃圾热值也相对比西方人的低，如新加坡为7200kJ/kg左右；我国台湾省为6500～7500kJ/kg。
当垃圾热值大于6000kJ/kg时，热值对焚烧炉型的选择已经影响较小，各种成熟的炉型都能较好地满足焚烧要求，焚烧炉的选择主要是依据商务报价、技术支持和服务等。
但从技术经济性分析，根据世界银行的推荐，垃圾平均低位热值至少达到7000kJ/kg，任何季节不低于6000kJ/kg，否则采用焚烧处理热能回收量少，需要昂贵的垃圾补贴费才能维持焚烧厂运行。
我国大部分城市生活垃圾热值在3300～5500kJ/kg范围，平均热值在4180kJ/kg左右。
随着生活水平的提高，生活垃圾的发热值会逐步提高，但仍远比发达国家和地区低。
主要原因在于我国生活垃圾的厨余物高，水份高，由于未实行垃圾分类收集，还混有少量的建筑垃圾和不可燃烧的废物。
我国典型的生活垃圾见照片1和照片2
照片1
照片2
从以上照片看，采用炉排炉技术焚烧垃圾难度不小。
且垃圾的渗滤液不能喷入炉膛分解，必须送入污水处理厂处理，处理费用大。
目前从国外引进的炉排炉大多数都采用加长原设计炉排方式提高垃圾干燥和燃烧时间，但从焚烧厂实际运行情况看，将炉排简单加长焚烧现阶段低热值生活垃圾仍存在一些问题：
焚烧炉大多燃烧不彻底，热效率低，运行经济性差等。
三.国产循环流化床垃圾焚烧锅炉技术简介
1.循环流化床锅炉技术简介
循环流化床锅炉是上世纪八十年代发展起来的新一代燃烧技术锅炉，具有高效率和低污染的特点。
循环流化床锅炉的工作原理是燃料和循环物料在炉膛内流化风的作用下呈流化状态，采用较高的流化速度，使物料在流化状态时没有明显的床面，燃料在流化状态下燃烧，大量的物料被烟气带到炉膛上部，经过布置在炉膛出口的分离器，将物料与烟气分开，并经过一种非机械回送阀将物料回送至床内，这是循环流化床的基本原理。
循环流化床具有很大的热容量和良好的物料混合，所以对燃料的适应性强，能燃烧各种煤、煤矸石、煤泥，甚至石油焦也能很好地燃烧。
在燃煤技术发展起来的循环流化床锅炉也能很好地焚烧生活垃圾。
由于床内强烈的湍流和物料循环，增加了燃烧的停留时间，因此燃料燃烧充分、彻底，燃烧效率高。
循环流化床锅炉炉膛运行温度通常控制在850~950℃，这是一个理想的脱硫温度区间，在床中加入石灰石和脱硫剂，可以使SO2的排放量大大降低，脱硫成本低。
循环流化床采用低温分级送风燃烧，使燃烧始终在低温、低氧下进行，从而大大降低了NOX的生成。
循环流化床的物料浓度大，一般每公斤烟气可携带若干公斤的物料，这些循环物料带来了高传热系数，使锅炉负荷调节范围广，且循环量与锅炉负荷变化一致。
照片3是采用流化床垃圾焚烧后排出的渣，可以看出焚烧得彻底，干净。
照片3
当焚烧垃圾采用循环流化床技术时，在焚烧垃圾的同时掺烧不超过入炉总重量20%的煤，可以起到意想不到的焚烧效果，具有以下特点：
1）.垃圾焚烧彻底，灰渣的热灼减率不超过1%。
2）.循环物料的热容量大，可以稳定地焚烧水份≥50%，发热值≤5000KJ/kg的国内生活垃圾，且垃圾的发热值在很大范围内变化时都能适应，不需要投油助燃。
3）.垃圾的渗滤液可以直接喷入炉膛内热分解处理，解决了渗滤液处理的难题。
4）.垃圾和煤混合燃烧产生的蒸汽量大，蒸汽参数高，可大大提高发电效率和供热能力，降低运行成本，在热电联供方面具有明显的优势。
易于实现垃圾焚烧处理的产业化发展。
5）.焚烧温度可以确保在850~950℃，烟气在该温度下的停留时间可以超过2秒，具有防止二恶英产生的效果，可防止二次污染的发生。
同时由于煤中有少量的硫和金属元素，可抑制二恶英的生成。
6）.焚烧产生的灰、渣可用于制造建材、铺路，真正做到资源综全利用。
7）.采用循环流化床技术，可以大大提高单炉的垃圾处理量，国内研制的单炉处理垃圾量已达到500t/d，技术已非常成熟，已达到国际先进水平。
循环流化床垃圾焚烧处理、余热综合利用和烟气处理的流程下图
2.国产循环流化床垃圾焚烧锅炉简介
国内科研院校和锅炉制造厂投入了大量的人力和物力进行循环流化床垃圾焚烧锅炉的研制，组织技术攻关，取得了显著的成果。
这些科研成果解决了国内垃圾发热值低、成份复杂的处理难题，同时又解决了尾气处理难题，做到了达标排放，已引起国际上有关专家的关注，取得了较好的成绩，在国内各城市中有推广应用的价值。
2.1产品研制背景
中国科学院工程热物理研究所在循环流化床垃圾焚烧炉技术研究领域取得了重大突破。
中联环保技术工程有限公司（中科院工程热物理研究所将循环流化床垃圾焚烧技术入股该公司）、无锡华光锅炉股份有限公司结合绍兴生活垃圾焚烧项目联合开发研制了400~500t/d垃圾焚烧炉产品。
2.1.1垃圾焚烧锅炉设计规范
锅炉额定蒸发量75t/h
锅炉额定蒸汽压力5.3MPa
锅炉额定蒸汽温度485℃
给水温度150℃
锅炉每天处理400～500吨生活垃圾，其余燃煤。
2.1.2锅炉总体布置
针对生活垃圾中含有砖头、碎石和金属等不可燃物及焚烧过程产生的HCl气体会对高温金属受热面产生强烈腐蚀等特性，本产品在流化床布风系统、排渣系统和锅炉受热面布置等方面都采用了不同于常规燃煤循环流化床锅炉的结构设计，可将进入流化床内的大块不可燃物顺利排出，并防止HCl气体对高温受热面产生腐蚀。
图2为锅炉总体布置图。
锅炉燃烧系统采用循环流化床，它由炉膛、高温旋风分离器和返料器三部分所组成。
在高温旋风分离器的烟气出口布置了对流管束蒸发受热面，其后面的尾部烟道内依次布置低温过热器、省煤器和空气预热器，高温过热器布置在外置换热器内。
外置换热器布置在流化床燃烧室的后墙侧，和流化床燃烧室设计成一体结构，采用炉膛后墙下部向内收缩的水冷壁作为分隔墙，分隔墙在外置换热器的床面上部空间和下部与流化床燃烧室相通。
外置换热器内布置高温过热器。
由分离器分离下的高温固体物料通过返料器送入外置换热器，将携带的部分热量传给布置在其内的过热器后再从外置换热器和流化床燃烧室分隔墙下部的连通口返回流化床燃烧室。
2.1.3技术特性
2.1.3.1金属腐蚀防治对策
由于垃圾焚烧处理产生的HCl对金属有严重的高温腐蚀，国外和国内引进技术型垃圾焚烧炉的蒸汽出口温度都设计在400℃以下，以避免高温腐蚀。
但系统的发电效率不高，经济效益差。
而国内根据国情设计开发的循环流化床垃圾焚烧炉蒸汽温度已达到485℃,大大突破了400℃界限，解决了高温腐蚀的世界难题，使我国的垃圾焚烧技术处于国际领先的水平。
垃圾焚烧炉的燃烧温度一般在850～950℃之间，其产生的烟气中主要成分为二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、水份（H2O）、氧气（O2）及有害气体如硫氧化物（SOx）、氯化氢（HCl）、氟化氢（HF）、氮氧化物（NOx）、重金属、二恶英和呋喃（PCDDs/PCDFs）及不完全燃烧气体如一氧化碳（CO）等。
其中HCl的浓度在600～1900mg/m3之间，SOx的浓度在200～1000mg/m3范围，对布置在烟道内的金属受热面会产生腐蚀作用，金属的腐蚀速率与金属表面温度关系如图3所示。
金属温度在320～480℃范围，会形成氯化铁（ironchloride）和硫酸硷铁盐（alkali-iron-sulfate），温度进一步提高（480～800℃），氯化铁和硫酸硷铁盐产生分解，使得金属材料失去氧化保护层而腐蚀，这种现象称为高温腐蚀。
烟气温度在硫酸露点温度（约150℃）以下时，会发生电化学腐蚀，亦称为低温腐蚀，低温腐蚀通常在酸性气体露点温度以下20～50℃时最为严重。
由图3可以看到，金属的腐蚀速率随着金属温度的提高加快，当金属温度为430－450℃时，腐蚀情况尚属轻微，若温度继续升高，则腐蚀随之加剧。
一般过热器的管壁温度约比管内蒸汽温度高40~50℃，因此，一般的垃圾焚烧锅炉过热蒸汽温度控制在400℃以下，并将过热器布置在烟气温度600~650℃的烟道中，以降低过热器管壁温度，减小腐蚀速率。
进一步提高蒸汽参数，过热器必须采用抗酸腐蚀的合金材料，但余热锅炉造价将大幅度提高。
本设计锅炉蒸汽压力为5.3MPa，过热蒸汽温度为485℃。
锅炉工作压力下的饱和蒸汽温度为274.42℃，因此，金属高温腐蚀主要发生在过热器。
为防止高温腐蚀发生，在高温旋风分离器的烟气出口首先布置了对流管束蒸发受热面，将烟气温度由900℃降到650℃以下，再在尾部烟道内布置过热器。
由于本锅炉额定过热蒸汽温度为485℃，即使过热器布置在600～650℃的烟道中，过热器最高管壁温度也超过500℃，高温腐蚀严重。
为此，本锅炉设计中增加了外置换热器，将过热器分为两级，低温过热器布置在烟道中，高温过热器布置在外置换热器内。
低温过热器出口蒸汽温度控制在400℃以下。
由于进入锅炉的燃料主要在流化床燃烧室内燃烧，产生的HCl气体随烟气进入燃烧室上部的悬浮空间，在外置换热器内HCl气体浓度非常低，可有效防止高温过热器腐蚀。
图3金属的腐蚀速率与金属表面温度关系
2.1.4外置换热器工作
外置换热器内的床料主要为高温分离器分离下的固体颗粒，粒径为0.1－0.35mm，临界流化风速小于0.1m/s，因此，外置换热器的运行风速一般都小于1m/s，远比循环流化床燃烧室运行风速（5～8m/s）低。
紧凑式外置换热器由于其底部和燃烧室相连通，通入很小的松动风，床料就在密度差产生的压力推动下从底部返回燃烧室内。
因此，紧凑式外置换热器可以在移动床和流化床不同状态下运行。
流态实验研究结果表面，当流化床燃烧室运行风速为4~6m/s时，外置换热器在移动床和流化床状态下都能在一定的高度下形成稳定的物料循环。
在小于临界流化风速的情况下，外置换热器处于移动床状态，且靠近主床侧床料移动较另一侧快。
随着流化风速的提高，外置换热器内床料由移动逐渐转变成流化状态，床料混合变均匀。
2.1.5锅炉负荷适应能力
循环流化床锅炉的负荷调节灵敏度较好，本锅炉带有外置换热器，可通过改变燃料量、风量、一二次风比和外置换热器吸热量来实现负荷调节。
表1为锅炉在额定负荷、70％负荷和110％负荷情况下主要性能数据。
计算结果表明，锅炉可以在过量空气系数基本不变的情况下，通过调节其它参数使其在70％~110％负荷范围稳定运行。
表1锅炉在不同负荷下主要性能数据
名称
单位
锅炉负荷％B-MCR
70
100
110
1．高温过热器出口蒸汽流量
t/h
52.5
75
82.5
2．高温过热器出口蒸汽压力
MPa
5.3
5.3
5.3
3．高温过热器进口蒸汽温度
℃
357.48
366.78
370.37
4．高温过热器出口蒸汽温度
℃
485.00
485.00
485.00
5．低温过热器进口蒸汽温度
℃
274.57
274.54
274.54
6．低温过热器出口蒸汽温度
℃
394.29
400.77
403.61
7．减温水焓
kcal/kg
21.02
24.59
23.85
8．减温水喷量
t/h
0.54
0.90
0.96
9．锅炉数据效率
%
84.00
83.18
82.87
10．实际燃料消耗量
（按设计燃料收到基算）
t/h
15.46
22.30
24.63
11．烟气温度
炉膛出口
℃
865.38
872.03
879.36
EHE
℃
777.93
808.80
834.05
对流管束出口
℃
590.29
622.82
634.11
低温过热器出口
℃
411.19
439.59
448.75
低温省煤器出口
℃
226.48
247.94
254.59
排烟温度
℃
157.51
170.84
175.29
12．空气预热器出口温度
（一次/二次风）
℃
177.29/170.49
189.47/179.21
194.08/182.10
2.2技术创新点
我们联合开发的产品的主要创新点为：
（1）提出了全新的紧凑式外置换热器（CompactExternalHeatExchanger,CEHE）技术，并应用该技术成功地开发出了新型循环流化床垃圾焚烧锅炉。
该技术不仅有效地解决垃圾焚烧高温腐蚀问题，而且大大提高了燃料适应性和锅炉负荷调节性能；
（2）采用大倾斜布风板和非均匀布风技术，提高垃圾的掺混和大块不可燃物排出能力，从而降低对垃圾预处理要求。
带紧凑式外置换热器的新型循环流化床锅炉采用了目前用于燃煤循环流化床锅炉不同的结构和控制方法。
外置换热器和流化床燃烧室设计成一体结构，采用炉膛后墙下部向内收缩的水冷壁作为分隔墙，分隔墙在外置换热器的床面上部空间和下部与流化床燃烧室相通。
由分离器分离下的高温固体物料全部送入外置换热器，再从外置换热器和流化床燃烧室分隔墙下部的连通口返回炉膛。
由于流化床燃烧室的运行风速远比外置换热器运行风速高，外置换热器内的物料堆积密度比流化床燃烧室床料的堆积密度大，两者运行风速相差越大，床料密度差也越大。
循环流化床的运行风速一般为6~8m/s，CEHE的运行风速小于0.8m/s,在这样的速度差范围，外置换热器只要很小的风速使床料松动，床料就能从分隔墙下部的连通口顺利返回流化床燃烧室内，因此，外置换热器可以在移动床和流化床不同状态下运行。
由于移动床和流化床传热系数相差很大，利用这一特性，可以通过控制外置换热器的床料运动状态来实现流化床温度调节。
实际操作中，通过改变外置换热器运行风速，很容易实现这一调节。
此外，循环流化床垃圾焚烧锅炉和燃煤锅炉相比，物料循环量减小，采用紧凑式外置换热器炉膛内的返混物料有相当一部分进入外置换热器，提高了外置换热器的热稳定性，即使在焚烧炉掺煤比例很小情况下，也能保证过热器蒸汽温度。
针对生活垃圾中含有砖头、碎石和金属等大块不可燃物，锅炉设计时循环流化床的布风板从前墙给料口一侧向后墙倾斜，并在后墙形成长方形排渣口，排渣口尺寸大于垃圾给料口尺寸，使得进入焚烧炉的大块不可燃物都能从排渣口排出。
在布风方式上，靠近给料口一侧流化风速低，靠近排渣口侧流化风速高，从而在流化床内形成床料内循环运动，提高入炉垃圾在流化床内的横向掺混速率和推动大块不可燃物向排渣口方向运动。
采用上述创新技术，本产品具有以下显著优点：
●外置换热器充分利用了流化床燃烧室后墙向内收缩形成的空间，外置换热器前后墙由和炉膛一体的膜式壁构成，可和炉膛一起向下膨胀，结构紧凑，占空间小，系统连接方便。
●利用外置换热器内固体颗粒的流动变化引起的传热系数变化控制流化床温度，无需高温物料量控制机械阀。
●采用倾斜布风板和非均匀布风方式，可在流化床床层内形成大尺度的颗粒横向运动，提高垃圾的掺混和大块不可燃物排出能力，从而降低对垃圾预处理要求。
2.3锅炉运行测试结果
2.3.1经机械工业火电设备产品质量监督检测中心检测，此垃圾焚烧锅炉热工测试结论为：
2.3.1.1锅炉蒸汽流量、压力和温度达到设计值。
2.3.1.2锅炉热效率达到82.61%。
2.3.1.3锅炉在额定工况下，NOx排放浓度为177.6mg/Nm3。
2.3.1.4灰渣的热灼减率为0.66%。
2.3.1.5锅炉日处理垃圾达到500吨。
2.3.2经浙江省环境监测中心站、中科院水生生物研究所和德国MPU实验室检测，垃圾焚烧锅炉烟气排放各污染物测试结果为：
2.2.3.2.1烟尘排放浓度为42.1mg/Nm3。
2.3.2.2SOx排放浓度为64.6mg/Nm3。
2.3.2.3HCl排放浓度为14.7mg/Nm3。
2.3.2.4CO排放浓度为93mg/Nm3。
2.3.2.5Hg排放浓度为＜0.007mg/Nm3。
2.3.2.6Cd排放浓度为＜0.007mg/Nm3。
2.3.2.7Pb排放浓度为＜0.14mg/Nm3。
2.3.2.8二恶英的排放浓度为＜0.01TEQng/Nm3。
上述测试结果表明国产循环流化床垃圾焚烧锅炉及其烟气处理设备已达到垃圾处理、利用余热发电、供热的要求，污染物排放已符合国家有关环保标准，真正做到了垃圾处理减量化、无害化和资源化的要求。
四．技术经济比较
采用炉排炉焚烧处理垃圾的成本较高，法国每处理一吨垃圾的政府补贴约为670元（人民币，下同），日本约为800元，香港约为780元。
我国政府投资兴建的垃圾焚烧处理厂采用炉排炉处理技术，在不考虑投资回收的情况下，运行费用补贴需要约110元左右。
而采用循环流化床处理技术，在考虑投资回收的情况下，运行补贴费用需要约60~80元左右。
国内建有炉排炉垃圾焚烧处理厂的主要有：
1985年深圳市政环卫综合处理厂引进日本三菱重工的2×150t/d垃圾焚烧炉；1998年珠海垃圾发电厂3×200t/d垃圾焚烧锅炉是采用国产化锅炉和引进美国燃烧设备相结合的途径；自2000年以来，上海、宁波等地采用国外政府贷款筹建垃圾焚烧发电厂，每天可处理垃圾量为1000t。
温州、台州等地建有国产化炉排炉垃圾焚烧处理厂。
表2为循环流化床垃圾焚烧炉和炉排垃圾焚烧炉的有关经济性数据（仅供参考）
城市
绍兴
上海浦东
珠海
焚烧炉型式
循环流化床
炉排层燃
炉排层燃
垃圾焚烧炉数量
台
1
3
3
日处理垃圾量
t/d
450
1000
600
投资总额
亿元
1.35
6.98
2.05
每处理一吨垃圾总投资
万元/吨
30
70
34
垃圾焚烧炉价格
万元/台
1200
5378
2130
每处理一吨垃圾焚烧炉价格
万元/吨
2.7
15.3
10.7
锅炉蒸发量
t/h
75
3×15.2
3×10.5
主蒸汽压力
MPa
5.3
3.82
2.57
主蒸汽温度
℃
485
400
370
辅助燃料
煤
轻柴油
轻柴油
从上表可看出，采用国产循环流化床垃圾焚烧炉，具有明显的经济效益，符合中国国情，易于实现垃圾焚烧处理产业化。
在原国家经贸委下发了《资源综合利用电厂（机组）认定管理办法》后，循环流化床垃圾焚烧炉进行了改进设计，完全能按照原煤掺烧量不超过入炉燃料总量的20%（重量比）的规定设计，并且垃圾处理厂都配备垃圾与原煤自动给料显示、记录装置。
国内还有许多城市正在建设或正在规划建设循环流化床垃圾焚烧热电厂，解决垃圾围城的问题，垃圾与煤的入炉比可以达到4:
1。
在国家政策的支持下，在国内各科研院校和设备制造企业的共同努务下，循环流化床垃圾焚烧处理技术将会受到越来越多的关注，垃圾焚烧处理的比重也会越来越大，城市环境卫生质量将会得到明显的改善。
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