垃圾处理与循环流化床垃圾焚烧炉

垃圾处理与循环流化床垃圾焚烧炉

陈力刘化才

1前言

据新华社长沙2000年12月24日电文“经济的高速发展导致我国城市垃圾量迅猛上升，同时垃圾回收行业却在萎缩。我国的城市已陷入垃圾的包围之中，据统计，我国历年垃圾的堆存量达60多亿吨，占用的土地面积超过5亿平方米，近200座城市发展到无适合场所堆放垃圾，导致不少城区城乡结合带生态环境恶化。”

改革开放20年来，我国的国民经济有了长足进展，城市规模迅速扩张。工业化进程的不断推进创造了空前巨大的社会财富，但是同时也制造了越来越多的垃圾。1999年全国城市生活垃圾产量已经超过1亿t，预计2000年以后将达到1.2亿～1.4亿t。垃圾对城市的污染愈演愈烈，成为现代城市亟待解决的一项难题。城市处理垃圾的传统方式是填埋。在城市规模较小时，垃圾产量有限，填埋显然是最简便易行的处理方式，因而也是目前大多数城市处理垃圾的方式。但是这一方式现在日益面临着越来越大的困难。

(1)随着人口的增长、城市的扩张，土地的价格越来越昂贵，而垃圾填埋需要占用大量宝贵的土地资源；

(2)仅靠垃圾自己的腐化反应来使垃圾逐渐减少、消失，垃圾处理周期长；

(3)容易导致垃圾渗滤液和挥发气体污染地下水、空气，导致土壤沙化。

焚烧处理城市生活垃圾与填埋相比，其优势是非常明显的。

(1)占用土地有限；

(2)处理周期短；

(3)采用先进的燃烧方式和工艺设备，可以将环境污染物的排放控制在一定的水平内；

(4)将垃圾中的热能转化为生活和工业中能够利用的二次能源，节约了能源，为城市的可持续发展提供支持；

(5)垃圾焚烧后转化成灰渣，对于燃烧方式，比如循环流化床锅炉，燃烧生成的灰渣具有很好的活性，可以作制造建筑材料的原料，从而实现了物资的再生利用。

综上所述，如果能够使用合适的燃烧方式和工艺设备，将会变废为宝，实现绿色环境工程，使因垃圾产生的问题得到圆满解决。

2城市生活垃圾的成分和热能

城市生活垃圾泛指一切生活废弃物，包括食品垃圾、废纸、废布、塑料、木头、金属、玻璃、陶瓷、灰渣、废砖瓦、废器具、建筑废弃物，以及动植物残体、医院垃圾、地下水沟道污泥、公共交通带来的各种废弃物等，包罗万象，种类繁多，其构成主要受城市的规模、地理环境、燃料结构、居民生活水平和生活习惯、自然季节等的影响。

我国城市生活垃圾成分与全球平均值的对比情况列于表1中。

城市生活垃圾的可燃成分是其中的有机物，各种有机垃圾的热值列于表2中。

从表2可以看出，各种有机垃圾本身热值很高，有很大的能源利用价值。从表1可以看出，我国城市生活垃圾成分与全球平均值相比，炉渣等无机物成分比较高，因而发热值较低。但随着城市燃气普及率逐年上升，纸及塑料等高热值可燃物比例的增大，生活垃圾热值呈逐年递增的趋势。表3示出了广州市1991～1996年垃圾成分的变化情况，从中可以看出此趋势。

按我国城市居民4亿人计，平均每人每天产生1kg生活垃圾，平均每千克垃圾的热值为4000 kJ，则每年废弃在垃圾中的热能约折合标准煤20Mt

3城市生活垃圾焚烧的条件

城市生活垃圾不仅发热值低，无机物及水分含量比较高，而且具有非均匀性，其组成会随着季节的变化和收集地点的不同而有很大差异，且含有金属、砖瓦等不可燃物，因此，要想保持焚烧过程能够稳定而彻底的进行，具有一定的难度。虽然从环境保护和能源节约的角度来讲，用焚烧来处理城市生活垃圾有着巨大的优越性，但是这种方式能否大规模应用，仍然取决于其在既定社会条件下的经济成本。

联合国环境组织(UNEP)综合考察了世界经济的发展情况，提出了焚烧城市生活垃圾来发电的标准，认为符合以下条件的城市应大规模采用垃圾发电。

(1)平均每人每天产生垃圾0.5～1.0kg以上；

(2)垃圾中有机质份额大于40％；

(3)垃圾含水量份额小于50％；

(4)垃圾平均高位发热量在3 349.44～7 117.5kJ/kg以上；

(5)考虑实施减量，重复使用，回收再利用措施的成本和可行性之后，仍然不能将垃圾的产量削减35％。

可见，要采用焚烧城市生活垃圾来发电，其垃圾中必须含有一定的热值。参照此标准，我国的一些大城市，如上海、北京、天津、重庆、珠海、深圳等，已经具备大规模焚烧生活垃圾发电的条件。在国务院发布的《中国二十一世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展白皮书》中，明确表示要建设有害废物焚烧示范厂作为有害废物管理和处理、处置的样板，并要建设一批垃圾示范工程，还指出有条件的地方要发展焚烧处理技术。发展城市生活垃圾焚烧发电是一项涉及能源、环保、环卫、城建等等诸多部门的市政系统工程，应该综合考虑。从经济上说，城市生活垃圾焚烧发电能否得到发展，取决于其产生的利润(处理垃圾、供热、售电获得收益)能否在可接受的年限内弥补其投入的成本。在既定的社会经济条件下，其成功与否，取决于具体的操作者和具体的操作过程。

4垃圾处理的各种方法

垃圾处理问题是随着城市的出现而产生的，并随着城市的扩大而日益成为一个严重的问题。由于人口的急剧增长，城市规模的迅速膨胀，在我国的东南沿海经济发达地区和内地的大中城市，人们的生产生活空间变得日益狭窄，垃圾能否得到有效而彻底的处理，已经是一个直接影响人们生产生活的急迫问题，是一个影响城市可持续发展的重要因素。目前，人们处理

垃圾的方式有以下几种。

4.1简单填埋

很明显，这种方法适用于我国人口密度相对较稀少的中西部的小城镇、小城市。

4.2堆肥

垃圾堆肥会造成二次污染，并且肥料品位低，内含玻璃渣多。这一方法可以用于处理某些行业或生产过程中产生的高水分、富含有机物的垃圾，不适用于城市生活垃圾的处理。

4.3炉排炉焚烧

多年以来，人们已经使用炉排炉来焚烧垃圾，目前使用的垃圾焚烧设备基本上是各种炉排炉。但是炉排炉垃圾焚烧设备有很大的缺点，难以胜任目前大中城市迅速增多的大规模垃圾处理工作。主要问题如下：

(1)我国的城市垃圾不可燃物质含量大，发热值低，平均不超过4 186.8kJ/kg，纯粹的垃圾无法在炉排炉中进行燃烧，必须喷油助燃，在原油价格涨升后，运行费用高的惊人。如深圳两台炉排垃圾焚烧炉，日处理垃圾共300t，一年需要烧掉4 700万元的燃油。

(2)炉排炉的燃烧方式，决定了垃圾与助燃空气的混合作用很弱，远达不到将垃圾进行彻底燃烧的要求。

(3)炉排炉垃圾焚烧容易导致二次剧毒污染物二恶英的产生。二恶英，即四氯二苯，是日前所知的最毒的物质之一。垃圾中含有苯环的有机物与含氯物质在高温下可以生成二恶英。研究表明，在400～600℃的温度区间内，在氧气供应不充分的情况下，含有苯环的有机物与含氯物质(如塑料)燃烧不完全，其中的挥发性物质在烟气中易于发生二恶英的合成反应。当烟气温度超过1 000℃时不产生二恶英；当烟气温度超过780℃，并且在炉内停留时间超过2s时，不易产生二恶英。炉排炉炉膛中的烟气温度和烟气成分很不均匀，和投入助燃油的多少密切相关，有些炉排炉炉膛的出口烟气温度仅在400℃左右，因此，在炉排炉的炉膛中极易生成二恶英。

(4)炉排炉燃烧产生的炉渣活性差，难以综合利用。

4.4循环流化床垃圾焚烧锅炉燃烧

这正是要着重讨论的问题。根据这几年的工作经历，认为从技术经济上看，循环流化床垃圾焚烧锅炉是我国目前和以后大中城市进行垃圾处理的性能最优秀的设备与技术。

5循环流化床垃圾焚烧锅炉

自1989年第一台循环流化床锅炉在山东明水热电厂通过国家鉴定以来，济南锅炉厂一直致力于循环流化床锅炉技术的进步和发展，并且取得了长足的进步。目前，其生产的35t/h、75t/h循环流化床炉在国内居于主导地位，市场占有率超过50％，到目前累计销售了400余台。根据有关用户的实践经验，其75t/h循环流化床锅炉能够很好的燃用热值为7 326.9kJ/kg的煤矸石并持续稳定运行。考虑到各方面的实际情况，按如下条件来发展循环流化床垃圾焚烧锅炉。

我国大中城市目前产生的垃圾的平均热值不超过4 186.8kJ/kg，通常在3 768.12～4 186.8 kJ/kg之间，在设计中取其热值等于3 977.46kJ/kg。

用煤做助燃燃料，其价格远远低于石油，仅为石油的1/10。考虑到通常不会把低热值的煤矸石和劣质煤运往大中城市使用，在垃圾焚烧厂中，应当使用高热值的优质煤。在工程设计中，取煤的热值等于25 120.8kJ/kg，这是符合经济社会的运行规律的。

从以下3个方面来考虑能够在循环流化床锅炉中进行稳定燃烧的垃圾－煤混合物的最低热值。

(1)根据济南锅炉厂在设计制造循环流化床锅炉方面的经验和有关电厂在使用循环流化床锅炉燃烧劣质煤的实践，在炉膛绝大部分水冷壁曝光的情况下，燃料最低热值为7 326.9kJ/kg。

(2)清华大学在垃圾焚烧方面所作的研究认为：在炉膛全部覆盖耐火混凝土的情况下，要保证燃烧稳定，垃圾－煤混合物的最低热值应不小于5 024.16kJ/kg。

(3)垃圾中比热容最大的物质是H2O，H2O从0℃升温到900℃，需要吸收的热能为4 396.14kJ/kg。

由此，在设计中取垃圾－煤混合物的热值为5 442.84kJ/kg，设每燃烧1kg垃圾需要加入xkg煤可以得出，x=0.074 468。

下面来设计一座日处理垃圾1 000t的垃圾焚烧设备（目前国内已有花费巨资兴建的大型垃圾焚烧场其日处理垃圾一般不超过1 000t/d）。

燃烧1 000t垃圾需要加入74.468t煤，垃圾与煤含有的总热量/kJ·kg－1为：

(1 000＋74.468)×1 000×1 300×4.186 8

=5 848 157 409.12

将这个热量作为所研究热力系统的输入热量，折合功率为67.687MW，估计循环流化床垃圾焚烧炉的总热效率η在80％～90％之间，设计中取η=85％，则热力系统的输出功率为57.544MW，与一台75t/h中温中压锅炉的热功率相当。

关于工质(H2O)的参数，可以从以下3方面考虑：

(1)低参数的蒸汽可以用于工业生产和供暖。很显然，垃圾焚烧场生产的蒸汽不可能用于工业生产；垃圾焚烧场是全年进行工作的，其生产的蒸汽作为供暖的热源也是不合适的。

(2)用于发电。高参数的蒸汽，其热－电转换效率高，但是，高温高压的蒸汽，其水蒸气过热阶段需要吸收大量的热量，需要布置复杂的过热器系统和减温系统。垃圾焚烧产生的烟气复杂多变，其中H2O含量最高可达50％，烟气具有很强的腐蚀性，高温高压锅炉的过热器工作在非常恶劣的工况下，发生故障的概率很大。

(3)中参数的蒸汽用于发电。热力循环仍然具有较高的循环效益——实际上，在我国日前广为存在的大量中小厂，使用的绝大部分为中参数锅炉。中温中压蒸汽锅炉(温度t=450℃，压力P=3.82MPa)或者次高温次高压蒸汽锅炉(温度t=485℃，压力P=5.29MPa)，其过热器系统仅布置两级受热面和一级减温水即可。其发生故障的概率远低于高温高压锅炉的过热器系统。因此，将垃圾焚烧炉设计成中参数蒸汽锅炉，并且用于发电是最好的选择。

根据以上思路绘制了日焚烧垃圾1 000t的循环流化床垃圾焚烧锅炉的方案图，该方案是在总结燃煤循环流化床锅炉的基础上提出的，对锅炉的主要结构尺寸提出了详细的数据，因而已经离工业化产品非常接近了。下面对其主要的特点加以说明。

(1)此锅炉的炉膛特别高，通常情况下，75t/h中温中压煤粉炉的炉膛高度在15～16m，220t/h(或230t/h)高温高压煤粉炉的高度在23～24m，燃煤循环流化床锅炉的炉膛高度在22m左右，而本设计方案取定的炉膛高度为25～28m。之所以把炉

膛设计这样高，主要是基于以下2个方面的考虑：

1垃圾－煤混合物中不可燃成分含量很大，在流化床燃烧的过程中，自燃烧室(密相区)披上升的烟气携带的固体颗粒比燃煤循环流化床锅炉成倍增加，加高的炉膛将使炉膛的内分离作用显著增强，从而使炉膛山口的烟气固体携带率大大降低，避免旋风分离器的剧烈磨损。实践经验表明，炉膛的内分离作用主要是依靠固体颗粒的自身重量来实现的，分离出来的固体颗粒沿膜式壁内表面滑落返回流化床内，不存在对水冷壁的正向冲击力，这样就在降低了旋风分离器磨损的同时，并不增加对水冷壁的磨损。

2高达25～28m的炉膛使烟气在炉膛内停留时间达到4s以上，从而使烟气中的可燃气体得到充分燃烧，杜绝二恶英的产生。

(2)炉膛的内表面全部焊上销钉，覆盖上耐火混凝土，防止水冷壁吸收太多热量，保证燃烧的稳定性。

(3)配风。一次风与二次风分立布置，各占总风量的50％，这样可使运行中配风很方便，并考虑将二次风的一部分(20％左右)作为三次风在炉膛中部引入。

(4)给料。垃圾和煤可以分别送入炉膛，也可以混合后一起送入炉膛，对给料装置的基本要求是能够连续均匀稳定的将物料送入炉膛。垃圾具有恶臭，整个垃圾输送系统必须是全封闭的。

(5)受热面的配置。方案图中，受热面的配置类似于中温中压燃煤锅炉，垃圾燃烧产生的烟气成分与煤燃烧产生的烟气有很大不同，传热特性变化很大，在具体的项目设计中，应通过实验取得烟气成分的可靠数据，然后进行传热计算，对各受热面的面积进行相应增减。

6经济效益与市场前景预测

在上面设计的日处理1 000t生活垃圾，热功率与75t/h中温中压锅炉相当的循环流化床垃圾焚烧炉系统中，主要的收益来自垃圾处理费和供电。

(1)供电收益。此系统可配15MW的汽轮发电机，实际对外供电功率不会低于12MW（1.2万kW），每度电按0.7元计算，设备每年运行8 000h，则售电收益6 720万元。

(2)垃圾处理费。按处理垃圾500元/t·h收费，系统每年运行330d，则收入16 500元。

日常运营成本主要为燃煤采购费、垃圾收集运输费、系统维护和辅助材料费。

(1)按每吨煤送至焚烧炉炉前的完全成本为300元/t，则每年的燃煤费用约为737万元。

(2)现在的大中城市都存在着原有的垃圾收集、输送组织，其主要成本为环卫人员的工资，短途运输费，做最大的估计，也不会超过上面的燃煤成本，按每年700万元计算。

(3)由于垃圾焚烧系统是全自动的，需要人员有限，系统的维护费用、辅助材料费、人员工资可参考现存的火电厂，最大的情况下不会超过燃煤成本，按每年700万元。则一年的运行成本为2 137万元。

则整个垃圾焚烧厂的全年利润大致为21 083万元。

投资。根据有关方面的估计，并参考当前新建火电厂的投资，建一座包括3套循环流化床垃圾焚烧炉发电装置的垃圾处

理厂一三炉两运，1台备用，以保证系统运行的可靠性、稳定性，其总投资不会超过10亿元；建成后，每年的利润为4亿元，2年半则可收回投资。

7结束语

随着社会的进步，生产工具的改进，人们生活水平的提高，各种物质财富和商品不断丰富；但是，各种对环境的污染和垃圾的迅速增多成了困扰人们的当务之急。人们日常可感受到的，如汽车尾气，噪声，冒黑烟的烟囱，混浊的空气，污秽的河流；最多的，亦是最令人厌恶的，是城市里的垃圾。许多城市正日益沦陷在垃圾的包围之中。人们渴望在物质不断丰富的同时，更想拥有碧水蓝天、清新的空气、洁净的环境。这里所讨论的循环流化床垃圾焚烧炉系统，其社会与经济的价值都是很高的，把近1年多来思考的东西写出来，不讳其浅陋，仅供对城市环保和相关问题感兴趣的同仁参考，以抛砖引玉。