适合中国国情的垃圾焚烧技术.doc

专业论文适合中国国情的垃圾焚烧技术工作单位： 申 报 人： 申报专业：热 能 设 计申报职称： 适合中国国情的垃圾焚烧技术 摘要中国城市化进程不可避免，生活垃圾无害化处理的工作意义重大。垃圾处理要符合“减量化、无害化、资源化”原则。堆肥因为含有重金属、肥效不明显等原因很难为市场所接受；填埋需要占用大量的土地；焚烧法将成为我国处理城市生活垃圾的主导方法。我国城市生活垃圾的主要特点是水分高、灰分高、热值低、有机物含量相对较低、成分复杂多变。国外成熟的垃圾焚烧技术并不完全适用于处理目前中国的城市生活垃圾；引进设备和技术费用昂贵。循环流化床垃圾焚烧锅炉，非常适合于燃烧低热值废弃物。垃圾掺煤燃烧，可以保证燃烧温度和燃烧稳定性，提高锅炉的热效率；燃烧符合3T（温度、时间、紊流）原则能减少二恶英的生成。炉内加钙可以降低尾气净化系统脱酸要求和造价；飞灰处理成本低。循环流化床垃圾焚烧技术有适应垃圾处理量、热值增长的特性，这是炉排炉所不能比拟的优势。技术开发历史过程决定了钢耗造价上，国内流化床焚烧技术都有非常大的优势。掺煤焚烧垃圾的循环流化床技术发展很快，但尚存在进料均匀性差、排渣不稳定，缺少燃烧自动控制系统等三个主要缺陷。通过引进国外破碎进料技术和排渣技术，自行开发燃烧自动控制系统，循环流化床垃圾焚烧技术一定能在国内垃圾焚烧市场占据其应有的位置。一、垃圾处理方法概述1.1 中国生活垃圾无害化处理工作迫在眉睫、意义重大随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾问题显得日益突出，因为它是一个长期存在的污染源，未经处理或处理不善的城市生活垃圾会造成严重的大气、地下水及土壤污染，并使土地被垃圾大量占用、自然景观遭到破坏等问题日趋严重，已危及人类的生存。据统计，中国1999年城市垃圾总产量超过1.2亿吨，预计今后每年将以10%的增长率迅速递增，但处理量仅占总量的1/3。目前，国内已有200多座城市处于“垃圾围城”的窘境。中国正从传统的农业国变成新兴工业国，城市化进程不可避免，因此中国城市生活垃圾无害化处理的工作迫在眉睫，同时又意义重大。1.2 生活垃圾无害化处理方法概述目前城市生活垃圾常用的处理方法有填埋、堆肥和焚烧等。我国近年来也开始注重垃圾处理，通过引进国外技术和自主开发不断探索适合国情的垃圾处理技术，现在已投入应用的几种处理方法主要有：卫生填埋、堆肥、焚烧。下面对这三种方法作一比较。1.2.1 卫生填埋卫生填埋是按照卫生填埋工程技术标准处理城市生活垃圾的一种方法。需建立完全密封的垃圾卫生填埋场，地下铺上防渗层，安装完善的地下废气和渗出液收集系统。卫生填埋法处置垃圾数量大，技术简单成熟，运行方便，垃圾可不进行预处理，是一种较独立处理垃圾的方法。填埋可以使垃圾减量化、无害化，是使用较久，应用广泛，较为经济的垃圾基本处理方式，是最终处理方法。焚烧和制肥处理后均残余一部分固体废弃物，需要采用填埋方法进行配套作最终处理。英、美等国大部分城市垃圾均采用填埋处理，德、法等国近一半的城市垃圾采用填埋处理。我国7080%的城市垃圾采用这一方法处理，但大多属于简易填埋，既无防渗和渗滤液的收集处理，又无沼气的采集与利用设施，对环境造成了严重的污染并且存在着随时发生沼气自燃和爆炸的危险，同时填埋方法占地面积大、卫生条件不好、减量化低、资源化困难、污染问题较多，特别是水污染，另外场址选择的制约因素也较多。近年来，随着城市的发展，城市用地日趋紧张，污染物排放控制要求日趋严格，填埋场址难以寻觅，运距逐步增加，填埋成本上升。为此，采用填埋方法处理垃圾的比例趋于降低。美国填埋方法由二十世纪八十年代末的处理城市垃圾的90%左右降至二十世纪末的不足70%，其他国家亦有类似趋势。欧盟最新规定原生垃圾不得直接进行填埋处理。1.2.2 堆肥处理堆肥处理是利用微生物分解垃圾中有机成分的生物化学过程。在生物化学反应过程中，有机物、氧气和细菌相互作用，析出二氧化碳、水和热，同时生成腐殖质，可以作有机肥料。制肥是处理城市垃圾的传统方法，符合减量化、资源化、无害化的处理原则。堆肥对垃圾预处理的工艺要求较高。该技术是只针对垃圾中有机物，并非全部垃圾的处理技术。只有与分选方法结合，与填埋场配套，才算完整。制肥要求垃圾中有机物宜大于40%，对混合垃圾需进行预处理，垃圾处理后尚有50%左右的残余固体废弃物仍需进行最终处理，其中可燃物热值较高，尚需焚烧处理。目前世界各国用此法处理城市垃圾量约10%左右，我国用此法处理的垃圾量较少。由于化肥工业的发展，化肥成本下降，垃圾肥料市场需求不旺，此方法应用也在下降。堆肥处理资金投入较高，垃圾堆肥中所含的有害成分不宜直接用于粮油作物的肥料，所以垃圾堆肥难以大面积应用。1.2.3 焚烧处理焚烧法是通过高温氧化作用，把废弃物中的可燃物氧化为二氧化碳和水，同时释放热能、烟气，排出固体残渣，可实现城市垃圾的减容化、无害化和资源化。焚烧法处理量大，速度快，占地面积小，可分解破坏有害、有毒废弃物，使之成为无毒、无害的简单化合物。回收的热量可产生热水或蒸汽。灰渣的化学成分主要为硅酸盐和铝酸盐，有害元素及离子浸出浓度很低，经处理后可作为生产建筑材料的辅料，即使不用作建材而用于填充低洼地或者在垃圾堆场堆放也不会污染水体、大气，因为高温焚烧过程已实现了垃圾的无害化处理。焚烧法可在焚烧过程中控制二次污染物的形成，在燃烧后需对烟气净化处理，一次性投资较大。附表1和附表2为几种主要垃圾处理方式对比情况。1.3 焚烧法将成为我国生活垃圾无害化处理的主流方法目前，在国土资源紧张、经济发达的国家和地区的城市生活垃圾也在积极向以焚烧的方式处理的方向发展，如：美国：7892年关闭了34%的填埋场，至90年代末已建设了3150多个垃圾焚烧厂，计划再建设300多个日焚烧量3003000吨的垃圾焚烧厂。日本：90年代末统计，有1900多个垃圾焚烧厂，焚烧量占垃圾产量的75%。瑞典：75%的垃圾采取焚烧的方式处理。韩国：92年垃圾焚烧量仅占1.5%，计划2000年达到25%。台湾现有22个垃圾焚烧厂，几乎焚烧了所有的城市生活垃圾。德国：焚烧占32%。法国：焚烧占32%。瑞士：焚烧占38%。丹麦：焚烧占80%。虽然焚烧法处理垃圾成本较高，但随着能源和土地资源的日趋紧张、经济水平的提高、垃圾热值的上升、焚烧和烟气净化技术的发展、焚烧费用逐步降低以及政府配套政策的出台，垃圾焚烧处理的比例在不断扩大。我国虽然国土面积位列世界第三，但人均耕地面积水平尚不到世界平均水平，土地是一种稀缺的资源，尤其是城市化进程中大量土地被转变为工业用地和商业用地，而填埋法需占用大量土地。自发的城市化进程使越来越多的人拥向沿海发达城市和大城市，造成一个很有趣的现象，那就是：经济发展水平远高于内地的沿海城市，其人口众多，但是土地资源非常稀缺，生活垃圾无害化处理的压力也最大。而内地人口较少，垃圾无害化处理的压力不是很大，但是土地资源相对丰富。卫生填埋法虽可以做到“无害化”，但很难做到“减量化”和“资源化”。就我国填埋场现状而言，网络媒体曾经有一篇报道说“由于防渗材料和施工技术不过关，中国没有一座合格的垃圾填埋场”，可见中国的垃圾填埋并没有做到“无害化”。堆肥搞了很多年了，无论是动态堆肥还是静态堆肥、无论是好氧还是厌氧，无论是初步处理还是深度处理，无论是国内技术还是国外技术，没有一个厂真正能做到无害化、减量化和资源化。其原因就在于我国城市生活垃圾特点为：未进行分类收集，垃圾中混入大量的玻璃制品以及有毒有害物质，影响垃圾堆肥的使用范围；垃圾中有机物含量低，可回收利用物少，水分高，不宜直接进行堆肥处理。低位发热量大于3349 kJ/kg的垃圾即可充分自燃，大于4000 kJ/kg就可进行余热利用，我国许多城市生活垃圾的热值大都可以满足这一要求，同时随着经济的发展，垃圾中可燃成分将会逐渐增加，所以焚烧法将成为我国处理城市生活垃圾的主导方法。二、中国城市生活垃圾的特点及中国国情中国所有城市（台湾省除外）尚没有对生活垃圾实行分类收集；垃圾的来源和组成成分十分复杂，各种废弃物均混在一块进行收集，很多工业垃圾、建筑垃圾和医疗废物也混杂在生活垃圾中。由于生活习惯和生活水平问题，中国城市生活垃圾具有水分多、灰分多、热值低，组成随季节复杂多变等特点；而且南方城市垃圾水分和热值高于北方城市；有机物含量相对较低 ( <30% )，但含量逐渐升高，年增长率5%。同时中国也是一个发展中国家，经济发展水平和居民生活水平有限，面对严竣的垃圾处理形势，不太可能为此付出高昂的垃圾处理费。三、垃圾焚烧技术概述焚烧炉型种类繁多。属机械炉排类的焚烧炉有：固定炉排炉，链条式炉排炉，摇动式炉排炉，回转式炉排炉，倾斜逆动式炉排炉（即马丁炉），水平顺动式滑动炉排炉，滑动与翻动结合式炉排炉等；属流化床焚烧炉的炉型有：沸腾式流化床、内循环流化床，循环流化床等；回转式焚烧炉；热解式焚烧炉有：CAO控氧式热解炉、外加热回转式热解炉等；气化熔融炉型有：流化床气化熔融炉，回转式气化熔融炉、电阻炉、电弧炉、等离子熔融炉等。比较成熟和常用的垃圾焚烧技术有机械炉排炉和流化床。下边分别就二者就作简要介绍：机械炉排炉是目前世界上先进的、处理量大的城市生活垃圾焚烧炉，在欧美等先进国家得到广泛使用，其单台最大规模可达1200t/d，成熟可靠。炉排炉有多种型式，有水平顺动式炉排炉、倾斜阶梯逆动式炉排炉、滚筒式炉排炉、滑动与翻动结合式的炉排炉等。前两种炉排炉均属滑动炉排炉，由活动及固定炉排组成，两种炉排交错设置，活动与固定炉排相动运动，垃圾在炉排上翻滚向前运动，完成焚烧。滚筒式炉排炉一般由6个滚筒组成，垃圾在滚筒的转动下向前翻动完成焚烧。后一种炉排炉是比利时西格斯（SEGHERS）的专利技术，该炉将滑动炉排、搅拌炉排及固定炉排有机结合，增大了垃圾的翻动量，加速了垃圾的焚烧速度，使焚烧更完全。炉排炉具有以下优点：1. 处理规模大，技术成熟可靠，无风险。2. 动力消耗小，由于鼓风压力小，风机装机容量小。3. 烟气粉尘量小。由于垃圾在炉内翻动量小，使烟气粉尘量大大减小，降低了除尘器的负荷和运行成本。4. 垃圾在炉内分布均匀，料层稳定，燃烧稳定。并可视炉内垃圾焚烧状况人工控制垃圾在炉内的停留时间，使其燃尽。5. 适合以液体及气体燃料为助燃剂焚烧垃圾，炉排炉特殊结构，为液体和气体燃料的助燃提供了空间。如在垃圾入口端可设常开的辅助燃油或燃气烧嘴进行助燃，对垃圾进行预热干燥，提高了燃烧和燃尽区的垃圾热值，保证了焚烧温度。炉排炉具有以下不足之处：1. 投资高，由于活动及固定炉排由耐热的合金钢制造，使之造价提高。2. 燃烧速度慢，一般情况下，炉排炉内垃圾停留50分钟以上。3. 炉床负荷小，一般约250kg/m2·h。4. 热效率较低，与流化床比较，由于其炉床负荷小，故炉子体积大，热损失增加，热效率降低。5. 垃圾中的灰土易堵塞进风通道、并且易结渣等，影响设备正常运行及焚烧效果。流化床焚烧技术是目前世界上比较成熟的垃圾焚烧技术之一，该炉型在日本应用较广。流化床垃圾焚烧炉有多种，从流化形式上分，有喷腾式、内循环式、循环式等。从床板结构分，有板式及管式等。鉴于生活垃圾燃烧成灰特性细而且轻，因此不管哪种型式，流化床垃圾焚烧炉均需另外添加砂子做热载体。垃圾与砂子一起流化而完成焚烧。流化床焚烧炉技术具有以下优点：1) 从燃烧理论上讲，流化床可使可燃垃圾与空气充分接触，所以不仅燃烧速度快，而且燃烧完全，即残炭量小（3%）。2) 以砂子做载热体，故热容量大，焚烧强度高，即单位炉床面积单位时间处理垃圾量大，可达450kg/m2·h以上。3) 由于焚烧强度高，与炉排炉相比，同等规模下炉体积减小，因而热损失减小、热效率高。4) 在满足二燃室温度850要求的情况下，入炉垃圾热值要求比炉排炉低。5) 流化床内无转动的机械设备，故制造简单，造价较低。.流化床垃圾焚烧炉的不足之处1) 单台处理能力相对较小。2) 动力消耗大，要使物料流态化，要求较高的鼓风压力，另外，入炉垃圾需要破碎，也是动力消耗增大的另外一个原因。3) 烟气粉尘含量高，流态化焚烧必然导致烟气粉尘含量提高。因此，致使烟气净化系统负荷增大，除尘和灰处理的费用亦随之增大。4) 磨损量大，由于砂体的不断翻动，对耐火内衬造成较大的磨损，使检修量及检修时间增加。四、循环流化床垃圾焚烧技术的特点生活垃圾与常规燃料燃烧相比有以下显著不同之处：异比重、多组分、多颗粒尺度、多污染源、高水分、多着火点、多热值、受热面存在高温腐蚀等特点。中国的城市生活垃圾作为燃料，上述的特点（可以概括为燃料的不均匀性、高水分、高灰分和低热值）尤甚，给焚烧处理带来很大的难题。另外燃烧过程中有毒有害物质的生成和迁移规律十分复杂，除了产生常规有害气体如NOX，SO2，CO等外，还产生其他有害气体如HCl和HF等，以及其他有害有毒有机物如POHC，PCDDs（二恶英），PCDFs，PCBs等）和重金属的超细颗粒（锌、铜、镉、汞等的氧化物）。要切实解决以上问题才能真正体现焚烧处理的“无害化、减量化和资源化”的优势。循环流化床焚烧方式的特点是炽热床料颗粒所占的比例很大，约有98以上的床料颗粒均为炽热的惰性床料，入炉的新燃料只占全部流化床料的很小一部分，约2左右。因此，炉内的热储备量极大，新入炉的垃圾燃料被大量的炽热床料包围，再加上燃烧颗粒在床内作沸腾状态的上下翻滚运动，十分有利于空气和燃料的混和，使得新燃料迅速预热、干燥及着火，其引燃条件十分有利。同时，固体颗粒间的相互碰撞不断地更新燃料表面，并且可以控制燃料颗粒在循环流化床内停留足够的时间，从而使循环流化床燃烧实际上是一种强化燃烧的过程，如此优越的着火条件，是目前其它燃烧设备都不能比拟的，它完全能克服生活垃圾水分高、灰分多、热值波动大以及垃圾的燃料不均匀性带来的燃烧不稳定，保证及时着火、稳定燃烧、充分燃尽。由于循环流化床焚烧锅炉内的燃烧温度一般保持在850到950之间，该燃烧方式属于低温燃烧，同时采用分级配风，可以减少热力型NOx的生成。从而降低了NOX的浓度。另外，可以采取炉内加石灰石的方式，廉价地实现SOX和HCl的部分脱除，可以降低尾气净化系统脱酸要求和造价。通过掺煤燃烧，除了可以进一步保证燃烧温度和燃烧稳定性，提高锅炉的热效率外，还因为煤中的含硫量较生活垃圾为高，可以使促进二恶英生成的催化剂中毒，加上这种燃烧方式符合3T（Temperature、Time、Turbulence即温度、时间、紊流）原则可以大大减少二恶英的生成。经炉内加钙脱氯还可以较好地炉内受热面的腐蚀问题；当然，煤的含硫量不应太高，否则也会给尾气净化系统带来更大的压力，因为一般推荐采用的半干法尾气净化工艺因为排烟温度不能太低的原因，造成对脱硫效率有决定意义的温距不能很小，从而不能达到很高的脱硫效率。由于我国的城市化进程刚刚开始，因此垃圾的产生量将随着人口的增加而增大，垃圾热值也将随着生活水平的提高以及“双气化”（燃气和暖气）率的提高而增加，一般地城市生活垃圾焚烧炉的服务年限均长于20年，因此要求垃圾焚烧技术具有适应垃圾处理量、热值增长的特性。掺煤的循环流化床垃圾焚烧技术所设计的原始热量输入大于原始生活垃圾所具有的热量，在垃圾热值和处理量增加时，可以减少掺煤量来调整输入的热量，可以较大范围地适应垃圾处理量、热值增长的特性，由于设计上的原因，炉排炉在垃圾热值达到设计值时就不能再增加处理量。因此循环流化床垃圾焚烧技术在这点上具有炉排炉所不能比拟的优势。国外的流化床技术是在焚烧炉基础上发展起来的，当时首先是解决垃圾处理的减量化和无害化问题，后来考虑到资源化问题，采用在焚烧炉后面加余热锅炉的形式来回收热能。从结构形式上与炉排焚烧炉一样，都是焚烧炉后面加上余热锅炉。因此钢耗和占地都很大；但国内循环流化床技术是在燃煤的循环流化床锅炉技术上发展起来的，结构上与一般的煤粉炉一样，是锅和炉的有机结合，因此严格意义上，国内的循环流化床垃圾焚烧炉准确的名称是“垃圾焚烧锅炉”。其钢耗和占地都很小，因此相对炉排型和国外流化床垃圾焚烧炉而言，具有很大的成本优势。国内的循环流化床垃圾焚烧技术采用的流化风速要高于国外流化床垃圾焚烧技术（从床型看，属于鼓泡流化床），炉内温度分布更为均匀，因此具有更好的适应中国垃圾的不均匀性和高水分、低热值和高灰分的特性。垃圾燃烧也更为完全，热灼减率更低。由于我国尚处于社会主义初级阶段，经济发展水平还不算高，通过加煤的方式可以提高发电量，通过大于垃圾本身热值所能发出的电量的销售，间接地降低垃圾处理补贴费用。国外成熟的炉排炉由于技术和设备引进费用昂贵，又不能通过掺煤来提高发电量，因此造成所要求的吨垃圾处理费用高的令人乍舌。因此，循环流化床垃圾焚烧技术是适合中国国情的垃圾焚烧技术。统计表明：国内现已建成的垃圾焚烧厂中，采用循环流化床垃圾焚烧锅炉技术的标称垃圾处理量已经占到全国垃圾焚烧标称处理量的一半。五、循环流化床垃圾焚烧技术的发展方向虽然掺煤的循环流化床垃圾焚烧技术发展很快，但由于开发时间相对较短，因此存在进料均匀性差、排渣不稳定，缺少燃烧自动控制系统等三个主要缺陷，另外焚烧锅炉的年累计运行时间也短于炉排炉和国外流化床焚烧炉，这使得该技术的大面积推广受到限制。通过引进国外破碎进料技术和排渣技术，在燃煤的循环流化床锅炉燃烧自动控制系统基础上自行开发燃烧自动控制系统，循环流化床垃圾焚烧技术一定能在国内垃圾焚烧市场占据其应有的位置。六、结论循环流化床垃圾焚烧锅炉，非常适合于燃烧燃料不均匀性很强、低热值的废弃物。垃圾掺煤燃烧，可以保证燃烧温度和燃烧稳定性，提高锅炉的热效率；燃烧符合3T原则能减少二恶英的生成。炉内加钙可以降低尾气净化系统脱酸要求和造价。循环流化床垃圾焚烧技术有适应垃圾处理量、热值增长的特性，这是炉排炉所不能比拟的优势。国内流化床焚烧技术在钢耗占地上有非常大的优势。循环流化床垃圾焚烧技术适应中国垃圾特点，更好的实现城市生活垃圾处理的“三化”原则。掺煤焚烧垃圾的循环流化床技术发展很快，但尚存在进料均匀性差、排渣不稳定，缺少燃烧自动控制系统等三个主要缺陷。通过引进国外破碎进料技术和排渣技术，自行开发燃烧自动控制系统，循环流化床垃圾焚烧技术一定能在国内垃圾焚烧市场占据其应有的位置。附表1 几种常用处理方法归纳比较处理方法处理量处理时间占地面积产品预处理要求减容控制二次污染能力资源利用率投资处理成本卫生填埋较大几年最多无无很小弱0高中等堆肥小十几个月多肥料分选，破碎1020%最弱15%较高较高焚烧大2小时少热能分选，破碎5090%强50%较高较低附表2 几种常用处理方法的主要优缺点处理方法优点缺点卫生填埋方法简单，投资相对较低，处理量大。浪费土地资源，仍有潜在的环境污染源。堆肥方法较简单，生成有机肥料。占地面积大，肥效低，经济效益差，很难控制二次污染。焚烧处理彻底，降低二次污染能力强，占地少，减量幅度大，处理量大，快捷。投资相对较高。