生活垃圾焚烧技术的比较及选择.docx

1、生活垃圾焚烧技术的比较及选择生活垃圾焚烧技术的比较及选择潘忠刚朱珂中国科学院工程热物理研究所北京中科通用能源环保有限责任公司摘要：本文结合对我国城市生活垃圾的特性和垃圾处理现状的描述，对机械炉排焚烧炉和循环流化床焚烧炉这两种主要技术的工艺过程和应用于焚烧处理我国混合收集的原生垃圾时的技术、经济和环境（特别是遏制二噁英生成的能力）特点进行了比较，以期为技术选择提供有实际意义的参考。关键字：生活垃圾；焚烧；机械炉排炉；循环流化床炉A comparison and Selection Consideration of MSW Incineration TechnologyPan Zhonggang

2、(Institute of Engineering Thermophysics, CAS)Abstract: Following a brief description of the MSW management status and the composition characters in China, this paper analyses two mainstream incineration technologies for unclassified MSW disposal, namely the mechanical grate incinerator and CFB incin

3、erator, in terms of the general process behavior, the technical, economical and environmental performance, especially the capability to prevent PCDD/Fs formation. It is expected to provide a realistic assistance to whom involved in selection of an incineration technology,Key Words: municipal solid w

4、aste (MSW)；incineration；grate；CFB1 我国生活垃圾处理概况近年来，随着国民经济的持续高速发展和城市化进程加快，我国城市生活垃圾产生量增长很快，特别在东南部经济发达、人口密集、土地资源特别紧缺的地区，传统的填埋、堆肥等工艺已经不能满足日常垃圾处理的要求，而作为最具减量化、无害化和资源化优势的焚烧处理工艺成为不少城市解决垃圾围城问题的首选方案。1.1 我国城市生活垃圾的特性由于经济发展水平、居民生活习惯和垃圾收集管理方式的差异，我国城市生活垃圾的特性同欧美等发达国家相比具有较大的不同（参见表1）。表1 中国与一些发达国家城市生活垃圾成分的比较 （）组 分美国德国法国

5、中 国上海北京哈尔滨南宁金属8.5540.530.80.880.47玻璃陶瓷121392.0510.752.564.52厨余垃圾13161542.749.7716.6214.58纸张5131341.614.173.61.83纺织品3230.471.460.50.6塑料4440.40.611.460.56其他可燃物质37-惰性物质5222252.2432.4474.3877.44其他-79-我国集中处置的生活垃圾主要具有以下特点：1）未经有效的分类收集，生活垃圾组分复杂，随地区和季节变化大；2）厨余垃圾和渣土等是主要组成部分，垃圾热值低，一般在40004800kJ/kg左右；3）垃圾含水率高，一

6、般在4060%左右。1.2 垃圾焚烧处理发展概况20世纪80年代后期，从日本引进了逆推式机械炉排焚烧炉技术，拉开了我国城市生活垃圾现代化焚烧处理的序幕。此后的20年间，又有一些不同炉型的焚烧炉相继从国外引进，国内也开发出了很多不同容量、不同工作原理的生活垃圾焚烧炉。垃圾焚烧处理在我国的应用正在稳步增长。由于垃圾焚烧技术是每个城市生活垃圾处理产业的核心技术，恰当的选择适合本城市、本地区的焚烧技术和装备，对于确保垃圾处置项目的长期、可靠和安全运营，解决好城市的环境和发展问题，具有十分重要的意义；而当前多种技术并存、评价不一的局面，颇使建设者和投资人有目不暇接、难以取舍的困惑。因此，有必要从技术的基

7、本特性和应用实践两个层面，对当前垃圾焚烧技术的主要流派进行分析和比较。2 主要垃圾焚烧技术分析目前垃圾焚烧技术市场上可见的主要装备有炉排型焚烧炉、流化床（鼓泡型及循环流化床型）焚烧炉、回转窑焚烧炉和热解气化炉等多种。回转窑和热解气化炉单炉处理量较小，难以满足大中城市现代化大型垃圾焚烧厂的建设需要；早期开发的固定炉排焚烧炉不适于产业化连续处理，焚烧效果和环境性能都很差，现在已很少使用。在后面的分析比较中不再把它们列入讨论的范围。2.1 机械炉排焚烧炉技术炉排型焚烧炉的主要特征是被处理的垃圾堆放在炉排上，焚烧火焰从垃圾堆料层的着火面向未着火的料堆表面及内层传播，形成一层一层燃烧（层燃）的过程。在炉

8、排上，沿料堆行进方向，可以区分出预热干燥、主燃和燃尽三个温度不等的区段，以及由不同区段产生的气体在炉排上方形成不同炉膛温区，是这种炉型的共同特点（如图1所示），而且沿炉膛高度方向温度也有明显下降。炉排上垃圾燃料堆层的着火燃尽情况，很大程度上取决于炉膛的结构设计是否与燃料的理化特性相适应。对于任一特定性质的燃料，原则上都应进行专门的设计，以求达到尽快着火、彻底燃烧而又不超温烧结的目的。用于焚烧有相当热值、品质比较均匀稳定的垃圾燃料，有较好的效果。机械炉排炉所用的炉排有很多种（如图2所示），它们在推送垃圾的同时对堆层进行翻搅，以使垃圾堆层尽可能地烧透，是当前欧美地区采用较多的炉型，已有3040年的

9、应用和发展历史。2.1.1炉排焚烧炉的优势（1）炉排燃烧炉型已有近百年的发展历史，用于焚烧生活垃圾也已有40多年的经验，技术成熟度高，设备配套性好，性能稳定可靠，可选择的供应商较多；（2）垃圾进料和底渣排出设备比较简单，系统运行操作易于掌握；（3）在技术原产国，用于焚烧处理经过分类收集的垃圾，热值较高、品质比较均匀稳定，有较好的焚烧效果。2.1.2炉排焚烧炉在我国应用时出现的问题在引进了发达国家发展的炉排焚烧炉后，供应给它们的都是混合收集的原生垃圾，热值低、含水率和不可燃组分含量高，致使在运行效果上与在原产国的应用有很大差距。主要问题包括：（1）对于混合收集的垃圾，因为水分高、堆积密度大、发热

10、量低，无论是那种炉排，都有垃圾料堆内层燃烧不充分的问题，排出的底渣甚至仍有恶臭，热灼减率一般偏高；（2）为降低垃圾含水率、提高进炉垃圾热值。常常将垃圾存在储坑中“堆酵”数天，沥出大量垃圾渗沥液；在焚烧炉排下方也会沥洒出垃圾沥出液。需要专门投资进行污水处理；（3）入炉垃圾的组成和燃烧特性随时间变化很大、很频繁。在炉排上的燃烧状态总是偏离设计情况。炉排和它上方炉膛温度的分布和燃烧条件都很不稳定和很不均匀，造成局部低温区和局部超温区，对充分燃尽和污染控制都很不利；（4）在炉排炉技术原产国，垃圾热值一般按8000kJ/kg左右设计1，而我国生活垃圾热值低，除需将垃圾“堆酵”外，还需要向焚烧炉膛喷入辅助

11、燃料油，消耗量大；（5）通常原生生活垃圾中含氯化物较常用燃料多，焚烧烟气对生产蒸汽的锅炉管束金属材料具有更强的高温腐蚀性。为了设备安全，通常需要降低所生产的蒸汽的温度和压力，导致发电效率降低。若采用更加耐酸腐蚀的材料制造。就会提高设备建造和维护费用，二者都会使发电成本提高；（6）各种炉排炉的复杂运动的炉排，对材质、加工条件、安装精度和日常维护都有更高的要求。前述各项造成投资和运行成本居高不下，阻碍了这类技术的应用和发展2。2.2 循环流化床垃圾焚烧技术流化床焚烧与层燃方式完全不同，它主要依靠炉膛内高温流化床料的高热容量、强烈掺混和传热的作用，使送入炉膛的垃圾快速升温着火，形成整个床层内的均匀燃

12、烧。自上个世纪60年代以来，这种技术已经成功地被用于劣质燃料及各类废弃物的燃烧处置和热能利用。但早期发展的流化床燃烧炉，属于“鼓泡流化床”燃烧模式，也有多种炉型（包括一些所称有内循环功能的焚烧炉），采用的流化风速较低，主要的燃烧过程发生在下部流化床层内，上部稀相空间的燃烧份额很小。因此沿炉膛高度温度下降很快，限制了燃料挥发分气体的燃尽和对污染物的控制。循环流化床燃烧是近30年才发展起来的一个新技术分支。它继承了一般流化床燃烧固有的对燃料适应性强的优点，同时提高了流化速度、增加了物料循环回路（如图3所示）。大量的物料被烟气带到炉膛上部燃烧，经过内、外循环的多个途径再返回炉膛下部，提高了炉膛上部的

13、燃烧放热份额，增强了炉膛上下部之间的物料交换，使整个炉膛处于均匀的高温燃烧状态，确保烟气在高温区的有效停留时间。能保证垃圾各组分的充分燃尽，使有毒有害物质的分解破坏更为彻底；也防止了局部超温的出现，对常量污染物（SO2、NOx等）的控制更为有力。因此，循环流化床燃烧技术一出现就被能源环境界公认为是一种环境友好型的焚烧方式。国内在开发循环流化床垃圾焚烧技术方面投入力量较大，在焚烧处理混合收集的原生垃圾方面具有独到之处。为了确保炉膛内物料持续均匀流化，国外主要通过将垃圾可燃组分制成“垃圾衍生燃料”（RDF）均匀颗粒来实现；国内技术则主要借助完善流化供风和原生垃圾给料系统，加速包括不可燃物在内的炉渣

14、的排出，以及积极维持循环物料的平衡等手段，只需要辅之以对超大尺寸组分入炉的限制，来解决问题。这种炉型的开发，为焚烧技术和我国焚烧产业的发展注入了新的活力。以中国科学院、浙江大学和清华大学等为代表的研发成果为基础，已经建设了20多个循环流化床垃圾焚烧发电工程项目。2.2.1循环流化床垃圾焚烧炉的优势针对我国混合收集的生活垃圾发展的循环流化床垃圾焚烧技术，已经达到了商业化应用的阶段，并日趋成熟，形成了不同处理能力的系列化产品。给料、排渣、燃烧控制、尾气处理设备已有较好配套，入炉垃圾不需要复杂的前处理，产汽与常规汽轮发电设备参数配套，具有显著的环境和经济效益。（1）适于焚烧处理我国一般混合收集的原生

15、垃圾，燃尽完全，残渣热灼减率12%；（2）可以焚烧处置固形垃圾和其他气态或液态、热值悬殊的燃料和废弃物，垃圾堆放、储存过程中产生的垃圾渗沥液都可以直接送入炉膛焚烧处置；（3）为避免入炉垃圾品质变化及差异过大对焚烧状态的影响，可以向炉内添加适量的辅助燃料煤，而不必用油。价廉易得，添加量较少；（4）系统设备配套研发，对垃圾的分选和预处理要求很低，不需要复杂的预处理工艺，运行稳定。炉内没有复杂的运动机构，设备故障率低；（5）单炉处理量较大。目前已形成单炉处理能力从100500吨/日的产品系列，能够适应大型垃圾焚烧厂的建设要求；（6）可以把过热器布置在这类焚烧炉型所特有的物料循环通道中，隔绝与焚烧烟气

16、的接触，避免高温HCl腐蚀；所生产的过热蒸汽温度达到常规热电系统参数，提高垃圾发电效率；（7）焚烧炉膛内各处温度均匀，并采用了分级供风及炉内添加石灰石等措施，能彻底分解有毒有害物质，有效控制NOx、SOx等的生成，实现了环境友好。2.2.2循环流化床垃圾焚烧技术的不足（1）与机械炉排炉相比，发展历史不长，系统配套，特别是与原生垃圾不作分选处理相关的给料、排渣设备还需长期考验，不断完善；（2）虽然从技术发展到生产制造，均立足于国内，设备维护和技术更新都更加方便、经济、快捷，但对在设计准则和加工工艺等方面，仍需积累经验、形成实用可行的行业标准，不断完善；（3）一般循环流化床焚烧炉飞灰比例较高，灰量

17、较大。按照我国目前有关法规，焚烧炉飞灰需按危险废弃物作专门处置，处置成本较高。需要从减少飞灰量和降低飞灰毒性两个方面入手，探求解决方案，采用多渠道排灰和发展相应排灰安全处置的技术。3 焚烧过程中二噁英的生成及控制在防止生活垃圾焚烧处理过程发生新的二次污染的问题上，二噁英无疑是最受关注的一种毒性物质。近年来的研究表明，在垃圾焚烧过程中二噁英生成的两个主要部位是焚烧炉膛，和焚烧烟气停留过的烟道低温区段。在焚烧炉膛内，如果燃烧组织的不好，既可能直接释放二噁英或生成二噁英，也可能为低温烟道区的再合成提供二噁英的前驱物。关于低温烟道区二噁英的再合成或者以“从头合成”的方式生成二噁英，有学者将这主要归结为

18、飞灰表面的催化作用。因此，对焚烧烟气二噁英排放的控制，需要采取多管齐下的措施：优化焚烧过程以减少不完全燃烧的二噁英及其前驱物的生成；尽可能避开二噁英烟道再合成的条件，特别是减少烟道飞灰积蓄或遏制其催化作用；在烟气净化装置中，对二噁英进行吸附控制。很显然，优化焚烧过程，能够对二噁英的生成起到釜底抽薪的效果。3.1 不同焚烧技术对燃烧过程中二噁英生成的控制近年来，焚烧炉炉膛设计和运行的“3T”原则已被公认为是控制二噁英生成的有效手段，这也符合高效燃烧装置的一般原则。从这一原则出发，我们不难对炉排焚烧炉和循环流化床焚烧炉控制二噁英生成的能力作出比较和判断。前面的分析已经说明，炉排焚烧炉烟气的特点是湍

19、流度低，炉膛内温度分布比较不均匀：炉排燃烧区正上方温度最高，越往上温度越低；炉排前端垃圾预热区上方温度明显地低于燃烧区上方的温度。在焚烧低品质垃圾时，炉膛内温度不均匀的偏差超过400500的情况很普遍，“3T”原则只是在平均参数的意义上得到实施。由此引起不完全燃烧和可能生成过量的二噁英类物质，造成焚烧炉初始排放浓度过高3，炉排炉烟道后面捕获的飞灰二噁英浓度较高4，就是例证。因此，炉排焚烧炉对控制二噁英的生成不力。与炉排焚烧炉形成强烈对照的是，不同品质的垃圾在循环流化床焚烧炉中都能够得到充分燃烧。在高流化速度及高物料循环流率的共同作用下，紊流度高，沿炉膛高度和各个横截面内温度均匀，温差不大于10

20、0，850以上的高温区充满整个炉膛上部空间和绝热高温气固分离器，燃烧所需空气供应均匀，烟气在锅炉高温区内的停留时间达到34秒以上，“3T”原则得到充分实现。因此，循环流化床垃圾焚烧工艺可以有效遏制二噁英类物质产生，垃圾中原来可能存在的二噁英能够完全被分解。典型的飞灰取样分析研究表明，循环流化床焚烧炉飞灰二噁英含量比炉排炉的飞灰低1个数量级5。国内已建的循环流化床垃圾焚烧项目的焚烧尾气中二噁英类物质的排放浓度均远远低于现行国家有关标准生活垃圾焚烧污染控制标准（GB18485-2001）的规定值1.0 ngTEQ/m3。3.2 控制焚烧锅炉尾部二噁英再合成的措施二噁英可能在烟气离开燃烧区后2504

21、50的低温区段从二噁英前驱物或者直接通过“从头合成”的途径产生。在这一温度区段烟气的停留时间长短和飞灰的催化作用是两个关键因素。对于缩短烟气在相应温度区段停留时间的问题，在焚烧炉设计阶段已经给予了充分重视和保证。对于弱化或抑制飞灰催化作用的问题，一些研究认为，飞灰中的过渡金属氯化物（例如CuCl2和FeCl2）是关键的催化剂。对运行的焚烧炉的调研还发现，焚烧垃圾时掺烧少量的煤炭，可以减少焚烧炉二噁英的排放。还有，如果向炉内喷石灰石粉进行炉内脱硫，也能显著降低焚烧炉二噁英的排放量。究其原因，是因为煤中少量硫分造成烟气中SO2的存在，或者脱硫后多余活性钙基氧化物的存在，都可能破坏CuCl2和FeC

22、l2的存蓄，进而阻断二噁英在低温合成的条件6。因此，向垃圾焚烧炉内掺少量煤助燃和向炉内添加石灰石脱硫，都是抑制焚烧锅炉尾部二噁英低温合成的有效措施。这对于我国循环流化床垃圾焚烧炉已是一种常规运行模式，不增加额外的设备和消耗；对于炉排焚烧炉而言，其实实行起来也不应有任何障碍。4 技术经济性的综合比较机械炉排焚烧和循环流化床焚烧技术，都已成功地进入了我国国内城市生活垃圾焚烧处理行业。由于技术本身和发展目标、产业化历史以及应用要求的不同或变化，总体说来两种技术在应用于我国城市生活垃圾焚烧处理时的各项技术经济性能方面也都存在一些差异。表2是参照一些文献评述及应用实践，综合考虑技术的先进性、设备可靠性、

23、环境友好程度、技术成熟程度、操作易掌握程度、市场易获得程度，以及投资强度和运行成本等因素，对这两种市场主流技术的比较，作为对前述技术性能对比的补充，可供项目建设时参考。表2 循环流化床焚烧和机械炉排焚烧用于我国城市生活垃圾处理的技术经济性比较项 目循环流化床焚烧炉技术机械炉排焚烧炉技术单台处理能力已有100500t/d系列产品引进设备大、中、小型均有技术先进性技术先进：燃料适应性广，对低品质燃料尤具优势。燃尽程度高，热能回收利用发电效率高燃料适应性较广，垃圾一般不必破碎成熟程度发展历史较短，已实现商业化实用；系统及配套工程设计尚待完善和规范历史悠久，系统成熟；唯对低品质垃圾的燃尽及污控问题，仍

24、待完善可靠性炉膛内无运动部件，运行可靠性主要受制于垃圾给料和排渣设备总体可靠性高；但炉排易损，维护工作量大环保性能环境友好：能有效控制NOx、SO2和二噁英的生成；飞灰量较大，但能够实现安全处置对二噁英和其他污染性气体控制力弱，飞灰中二噁英含量高，垃圾渗滤液需另作处理市场供应情况我国有自主开发的核心技术，已有成套的制造、建设能力技术经引进吸收，设备基本实现国产化；唯机械炉排的知识产权仍属外方技术复杂程度设备简单，易于生产制造，运行操作要求较高，运行操作人员须经严格培训炉排制造及运行维护要求严格，运行操作容易掌握焚烧设备占地燃烧强度高，占地面积小炉排燃烧强度低，占地面积大单位投资强度4-6亿元/

25、1000吨日处理量6-9亿元/1000吨日处理量运营维护费用50-100元/处理1吨垃圾100-200元/处理1吨垃圾3 结论和建议1）垃圾焚烧工艺在实现城市生活垃圾的减量化、无害化和资源化处理的目标上有明显优越性，特别是对于土地紧张、经济发达、垃圾处理矛盾突出的城市和地区，具有良好的发展前景。2）我国混合收集的生活垃圾具有成分复杂多变、热值低、含水率高的特点，所选择的垃圾焚烧技术必须与这些特性相适应。始于引进国外技术的炉排焚烧技术，经过多年的适应性开发，已能连续稳定地焚烧国内垃圾，在国内市场应有一定的地位；同时经过多年自主研发和工程应用，循环流化床垃圾焚烧技术已经走向成熟，实用中显现出燃料适

26、应性广、焚烧充分、二次污染控制力强等优点，具有广阔的应用前景。3）综合考虑技术的社会、环境和经济效益，鼓励发展具有自主知识产权的先进技术，或引进技术再开发，避免单纯地重复引进技术，这对加强综合国力，提高地区及国家的国际竞争力具有长远的意义。4）建议加强对焚烧炉飞灰危险毒性监测和鉴别、开发安全有效的资源化处置技术。在这些方面，国际、国内均已有相当工作基础。 1 高亮，周立，吴树桐. 赴欧洲垃圾焚烧厂考察报告J.环境卫生工程, 2001，9（2）：84-88.2 苏萍，王国华. 城市生活垃圾焚烧技术发展现状J，能源研究与信息，20022，18（3）：134-149.3 刘劲松，刘维屏，罗瑜等. 炉排型城市生活垃圾焚烧炉排气中二污染状况及存在问题J，中国环境监测，2005，21（4）：46-48.4 陈彤，李晓东，严建华等. 垃圾焚烧炉飞灰中二噁英的分布特性J，燃料化学,2004，32（1）：59-64.5 杨志军，倪余文，张智平等，不同垃圾焚烧炉产生的PCDD/Fs和PCBs同类物的分布J，环境化学,2005，24（1）：63-67.6 钱永，郑明辉，刘文彬等，钙化合物对前生体生成二噁英类的阻滞作用J，环境化学，2005，24（6）：633-637.