摘要:介紹了四川某地級(jí)市新建城市垃圾焚燒廠焚燒爐爐型的確定方案,結(jié)合該城市生活垃圾特性和環(huán)境特點(diǎn),通過工藝過程和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的分析與比較,為焚燒爐爐型的選擇提供參考。
關(guān)鍵詞:生活垃圾;熱值;焚燒;流化床;爐排爐
1 概述
四川某地級(jí)市(川西南)垃圾焚燒發(fā)電廠項(xiàng)目,廠址距市中心約30公里,緊鄰城市垃圾填埋場(chǎng)。設(shè)計(jì)規(guī)模800t/d,焚燒處理該市以及周邊區(qū)縣的城市生活垃圾,并利用余熱發(fā)電。
項(xiàng)目建設(shè)2條焚燒線,選用2臺(tái)額定處理量為400t/d,最大處理量500 t/d的垃圾焚燒爐,單臺(tái)余熱鍋爐額定產(chǎn)蒸汽量42t/h,最大產(chǎn)蒸汽量48t/h。
1.1 垃圾特點(diǎn)
重慶市環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)站于2010年12月對(duì)該市及周邊地區(qū)的生活垃圾就成分、含水率、熱值進(jìn)行檢測(cè)。
從檢測(cè)結(jié)果看出該市及周邊地區(qū)的生活垃圾具有如下特點(diǎn):
(1)含水率高。一般約在50%~60%,而發(fā)達(dá)國(guó)家約為25~45%;
(2)熱值較低。收到基垃圾平均低位發(fā)熱值為3200~4500 kJ/kg,發(fā)達(dá)國(guó)家為8300~12500kJ/kg;
(3)成分復(fù)雜。由于該市城市垃圾未實(shí)行分類收集和分檢,同時(shí)由于不同地域、不同季節(jié)、不同生活水平也使垃圾的成分相去甚遠(yuǎn),垃圾中的有機(jī)物和可燃物比例低于沿海等發(fā)達(dá)城市。
1.2 垃圾熱值確定
該城市生活垃圾化學(xué)特性見表1:
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對(duì)該市生活垃圾的熱值情況分析如下:
(1)參考本地垃圾和周邊垃圾熱值狀況。成都市2004年一月至九月垃圾熱值在2219~9353kJ/kg之間波動(dòng),平均熱值為5557kJ/kg。重慶市2001年一月至2001年十二月垃圾熱值在3874~5204kJ/kg之間波動(dòng)。
(2)垃圾熱值隨季節(jié)波動(dòng)情況:一年內(nèi)夏季熱值最低,冬季最高,相差1465~2930kJ/kg。
(3)常年垃圾熱值波動(dòng)范圍:垃圾處理廠運(yùn)行期30年,根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平,隨著市民生活水平逐步提高,垃圾熱值相應(yīng)增大,沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的垃圾熱值明顯高于內(nèi)地城市就是例證。
(4)垃圾收集運(yùn)輸及垃圾貯存倒堆技術(shù)狀況會(huì)使垃圾的水分發(fā)生變化,進(jìn)而影響其熱值。
(5)垃圾管理規(guī)范化程度,也一定程度影響垃圾有回收價(jià)值(例如橡膠、塑料及紙張等)的成份比率進(jìn)而影響垃圾熱值。
(6)垃圾設(shè)計(jì)熱值和焚燒爐處理量的匹配。
(7)參考國(guó)內(nèi)外垃圾熱值的變化記錄,如日本在上世紀(jì)六十年代的垃圾熱值為4186kJ/kg,到了八十年代的時(shí)候垃圾熱值已到達(dá)6700 kJ/kg,到了九十年代的時(shí)候已高達(dá)8270 kJ/kg;深圳市市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠最初的設(shè)計(jì)熱值為4186kJ/kg,而現(xiàn)在已達(dá)到5440~6280kJ/kg。
根據(jù)垃圾焚燒廠一般工藝流程,垃圾進(jìn)入焚燒廠后先卸入儲(chǔ)料坑,儲(chǔ)存幾天后再進(jìn)入爐內(nèi)焚燒,垃圾經(jīng)儲(chǔ)存后物理化學(xué)性質(zhì)將會(huì)發(fā)生較大變化。根據(jù)測(cè)定,生活垃圾儲(chǔ)存4~5天后,含水率降低10%左右,垃圾熱值能增加420~840kJ/kg。
參考我國(guó)已運(yùn)行的垃圾焚燒廠生活垃圾實(shí)際采樣分析熱值與實(shí)際運(yùn)行情況,根據(jù)對(duì)我國(guó)城市生活垃圾熱值的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行情況,本工程運(yùn)行期內(nèi)的垃圾設(shè)計(jì)值按6600kJ/kg(1577kcal/kg)考慮??紤]到垃圾熱值隨季節(jié)變化比較大,焚燒爐適用范圍最低4186kJ/kg(1000kcal/kg),最高為8778kJ/kg(2100kcal/kg),以保證焚燒爐在較寬的垃圾熱值范圍內(nèi)都能穩(wěn)定的運(yùn)行。
2 焚燒爐爐型選擇
目前國(guó)內(nèi)用于生活垃圾焚燒爐爐型主要有流化床焚燒爐、機(jī)械爐排爐、熱解焚燒爐、回轉(zhuǎn)窯焚燒爐等四類。由于熱解焚燒爐、回轉(zhuǎn)窯焚燒爐在生活垃圾焚燒中應(yīng)用較少,循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐和機(jī)械爐排爐在生活垃圾焚燒中應(yīng)用較廣,對(duì)本工程均有一定的適應(yīng)性。為便于提出切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的爐型選擇方案,重點(diǎn)對(duì)循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐和機(jī)械爐排爐兩種方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,并提出推薦意見。
2.1 技術(shù)比較
2.1.1 爐型工作原理及特點(diǎn)
(1)流化床焚燒爐
工作原理:爐體是由多孔分布板組成,燃燒系統(tǒng)由爐膛、高溫旋風(fēng)分離器、返料器三部分組成,采用外置式換熱器、布風(fēng)板和超大垃圾排渣口,床料為爐渣或石英沙,蓄熱量大,在焚燒垃圾時(shí),采用幾十倍于垃圾量的石英砂(或爐灰)作為床料(熱載體)加熱垃圾燃料,垃圾和床料都處于流化狀態(tài),它們之間的接觸、摻混和熱交換都十分強(qiáng)烈,瞬時(shí)即可干燥高水份含量的垃圾,并在幾秒之內(nèi)把它引燃,使其穩(wěn)定燃燒直到完全燃燼。
特點(diǎn):循環(huán)流化床鍋爐操作方便,運(yùn)行穩(wěn)定,燃料效率高,負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬,污染物排放低,熱強(qiáng)度高,適合燃用低熱值燃料等優(yōu)點(diǎn)。流化床燃燒充分,爐內(nèi)燃燒控制較好,因而適合焚燒低熱值、高水份的生活垃圾,其殘?jiān)械奈慈挤蓊~(即爐渣熱灼減率)<2%。因而避免了床的急冷急熱現(xiàn)象,燃燒穩(wěn)定。垃圾的干燥、著火、燃燒幾乎同時(shí)進(jìn)行,無(wú)需復(fù)雜的調(diào)整,可通過改變?nèi)剂狭?、風(fēng)量、一二次風(fēng)比和外置換熱器吸熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié),燃燒控制容易,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)燃燒。但煙氣中灰塵量較大,對(duì)燃料粒度均勻性要求較高,需要設(shè)垃圾預(yù)處理線,石英砂對(duì)設(shè)備有一定磨損。
流化床爐燃燒技術(shù)是本世紀(jì)六十年代初得到迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型清潔燃燒技術(shù)。該工藝燃燒比較復(fù)雜、水分比較多的垃圾也能夠把垃圾燃燒徹底,溫度也比較高,投資也比較低。
(2)機(jī)械爐排焚燒爐
工作原理:采用層狀燃燒技術(shù),垃圾通過進(jìn)料斗進(jìn)入傾斜向下的爐排(爐排分為干燥區(qū)、燃燒區(qū)、燃盡區(qū)),由于爐排之間的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng),將垃圾向下方推動(dòng),使垃圾依次通過爐排上的各個(gè)區(qū)域(垃圾由一個(gè)區(qū)進(jìn)入到另一區(qū)時(shí),起到一個(gè)大翻身的作用),垃圾在爐排上著火,熱量來(lái)自上方的輻射和煙氣的對(duì)流,以及垃圾層的內(nèi)部。爐排上已著火的垃圾通過爐排的特殊作用,使垃圾層強(qiáng)烈的翻動(dòng)和攪動(dòng),引起垃圾底部的燃燒。連續(xù)的翻動(dòng)和攪動(dòng),也使垃圾層松動(dòng),透氣性加強(qiáng),有利于垃圾的燃燒和燃燼。
特點(diǎn):爐排的材質(zhì)要求和加工精度要求高,要求爐排與爐排之間的接觸面相當(dāng)光滑、排與排之間的間隙相當(dāng)小。不需要對(duì)垃圾進(jìn)行預(yù)處理。技術(shù)比較成熟,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛。但該爐型機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,損壞率高,維護(hù)量大。爐排爐造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用高。我國(guó)垃圾沒有嚴(yán)格分類,垃圾中含水率較高、成分復(fù)雜,熱值低,很難把垃圾焚燒透徹,爐內(nèi)溫度難以提高,因此造成二次污染的可能性大。
2.1.2 應(yīng)用情況
機(jī)械爐排爐采用層狀燃燒技術(shù),具有對(duì)垃圾的預(yù)處理要求不高,對(duì)垃圾熱值適應(yīng)范圍廣,其單臺(tái)最大處理能力可達(dá)1200t/d,技術(shù)成熟可靠,但在爐排等關(guān)鍵設(shè)備上故障率較高。因其造價(jià)、操作及維護(hù)費(fèi)用高、低負(fù)荷下需投加助燃燃料,同時(shí),制造復(fù)雜,體積大,占地面積大,因而不適合于中小城鎮(zhèn)垃圾處理量小的場(chǎng)合,使其在內(nèi)地及中、小城市應(yīng)用受到限制。
循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐,由于其具有投資省、熱能利用率高、垃圾減量化好、公害低、對(duì)垃圾及負(fù)荷適應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn),在近幾年得到了日益廣泛的應(yīng)用。
2.1.3 垃圾適應(yīng)性
爐排爐不需要對(duì)垃圾進(jìn)行預(yù)處理,只需將大尺寸的垃圾挑出即可;流化床對(duì)入爐垃圾的粒度一般要求為(150~200)mm,因此需要設(shè)置垃圾預(yù)處理系統(tǒng),選用破碎機(jī)再加人工分選。
我國(guó)垃圾沒有嚴(yán)格分類,垃圾中含水率較高、成分復(fù)雜,熱值低,垃圾維持在整個(gè)爐排內(nèi)均勻移動(dòng),均勻完全地燃燒是困難的,很難把垃圾焚燒透徹,爐內(nèi)溫度難以提高,造成二次污染的可能性就大。此外,爐排難以適應(yīng)水份變動(dòng)范圍較寬的垃圾焚燒,因?yàn)樗葺^高的垃圾需較寬的干燥區(qū),這給水份高的垃圾完全燃燒帶來(lái)困難。
流化床由于摻混和熱交換效率高,可以同時(shí)燃燒形態(tài)各異(氣、液、固等)、熱值懸殊的燃料和廢棄物,故被譽(yù)為“多種燃料爐”。這種爐型只要加入的總熱量控制得當(dāng),就能取得滿意的燃燼效果。燃燒所需的過量空氣系數(shù)可以控制得較低(1.3~1.5),熱能利用率高,能焚燒熱值范圍很寬的高水份垃圾,也可混燃污泥,也可以焚燒塑料、橡膠、纖維、廢油等各種工業(yè)垃圾,對(duì)混有相當(dāng)數(shù)量工業(yè)垃圾的城市垃圾也十分合適。
2.1.4 污染物排放控制
垃圾焚燒所產(chǎn)生的二次污染主要指重金屬和二噁英,流化床焚燒垃圾有助于控制重金屬的排放,因?qū)崿F(xiàn)了均勻的燃燒溫度,并采用了分級(jí)供風(fēng)等措施,能徹底分解有毒有害物質(zhì),有效控制NOx、SOx的生成,除含塵量較高外,其余的煙氣污染物含量較低。此外,流化床焚燒爐摻一定比例的煤焚燒垃圾能有效控制二噁英的產(chǎn)生。
從燃燒機(jī)理上看,爐排爐產(chǎn)生二噁英和氮氧化物的水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于循環(huán)流化床鍋爐。循環(huán)流化床鍋爐可以通過攙煤、爐內(nèi)噴鈣等多種手段控制二噁英的數(shù)量,目前運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐的二噁英排量都低于歐盟標(biāo)準(zhǔn)。爐排爐去除二噁英的方法只有通過燃燒溫度控制和煙氣噴射活性炭,操作不當(dāng)或者鍋爐本體、爐后設(shè)備泄漏,二噁英很容易超標(biāo),這在當(dāng)?shù)卣蛘甙傩湛磥?lái),是絕對(duì)不允許的。
2.1.5 煙氣凈化
機(jī)械爐排爐焚燒灰渣大部分作為主灰由爐排底部排出,煙氣凈化較容易;流化床爐煙氣中飛灰含量略高于機(jī)械爐排爐,煙氣凈化較復(fù)雜。因此,使用流化床焚燒垃圾,要十分重視布袋除塵器的布袋質(zhì)量,消除漏灰現(xiàn)象,以免造成環(huán)境污染。
2.1.6灰渣綜合利用
機(jī)械爐排爐焚燒飛灰中含有大量重金屬及有機(jī)類污染物,這些污染廢棄物需進(jìn)行進(jìn)一步的穩(wěn)定化處理;流化床爐飛灰量大,但單位重量飛灰中重金屬及有機(jī)類污染物量低,便于飛灰的綜合利用。
2.1.7垃圾滲濾液處理
循環(huán)流化床爐可考慮將滲濾液由滲濾液泵送回鍋爐參與燃燒,而爐排爐產(chǎn)生滲濾液需設(shè)置專門污水處理設(shè)施,投資費(fèi)用龐大且難以維護(hù),給廠區(qū)生產(chǎn)、生活環(huán)境帶來(lái)極大的負(fù)面影響。
2.1.8運(yùn)行業(yè)績(jī)
爐排爐由于在國(guó)外有成熟的長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),因此在我國(guó)沿海發(fā)達(dá)城市使用數(shù)量最多。已建成投運(yùn)有深圳龍崗、重慶同興、天津雙港、福州紅廟嶺、成都洛帶等項(xiàng)目。
隨著垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展,循環(huán)流化床垃圾焚燒處理技術(shù)日趨完善,在國(guó)家政策支持下及國(guó)內(nèi)各科研院校和設(shè)備制造企業(yè)的共同努力下,采用循環(huán)流化床處理比重越來(lái)越大。已建成投運(yùn)有山東菏澤、杭州錦江、嘉興、蕪湖、無(wú)錫、鹽城鹽度、長(zhǎng)春鑫祥等項(xiàng)目。
2.2 經(jīng)濟(jì)分析比較
不論是機(jī)械爐排爐還是流化床爐,由于發(fā)電成本構(gòu)成中,投資成本折舊均占了較大的權(quán)重,因此在建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠時(shí),在保證系統(tǒng)安全、可靠、環(huán)保的前提下,應(yīng)設(shè)法控制投資,以使項(xiàng)目能確定較好的回報(bào)。
2.2.1投資
我國(guó)早期垃圾發(fā)電廠采用爐排爐大多為成套引進(jìn)設(shè)備,設(shè)備投資費(fèi)用高,近幾年雖然采用引進(jìn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn),關(guān)鍵部件進(jìn)口等措施使造價(jià)大幅度降低,但仍比采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備的流化床垃圾焚燒爐高。
2.2.2運(yùn)行成本
機(jī)械爐排爐有成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),適用于焚燒熱值較高的垃圾。而對(duì)于垃圾熱值較低的中小城市,采用爐排爐焚燒,當(dāng)垃圾水分高,熱值不夠時(shí),殘?jiān)灰谉?,且爐溫較低,易產(chǎn)生二噁英等二次污染。需要噴入一定數(shù)量的燃油或燃?xì)庾鳛檩o助燃料。
循環(huán)流化床鍋爐為我國(guó)自主研發(fā)的垃圾焚燒設(shè)備,通過摻燒部分煤炭,使垃圾在流化床爐內(nèi)燃燒充分,及時(shí)入爐垃圾成分復(fù)雜、水分較高,也能夠燃燒徹底,爐內(nèi)溫度均勻,并能保持在850度以上,且開停車迅速。因此,可以有效避免二噁英的產(chǎn)生。
對(duì)于循環(huán)流化床摻煤的問題,由于在以往的項(xiàng)目中,循環(huán)流化床均設(shè)計(jì)有摻煤給料系統(tǒng),而在目前的煤價(jià)是造成循環(huán)流化床運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差的一個(gè)主要原因。對(duì)于摻煤?jiǎn)栴},一般認(rèn)為循環(huán)流化床鍋爐必須攙煤,而且比例大約為垃圾熱值比的20%,實(shí)際這是誤區(qū)。據(jù)筆者了解,目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的比較好的循環(huán)流化床垃圾焚燒爐,現(xiàn)在很多都不摻煤或者摻燒很少的煤,像國(guó)內(nèi)的能達(dá)華威垃圾電廠已實(shí)現(xiàn)不摻煤運(yùn)行(該工況為垃圾熱值在900Kcal/kg左右),而寧波眾茂姚北則是摻燒很少部分煤。
2.2.3 檢修維護(hù)成本
機(jī)械爐排爐由于爐排需要往復(fù)移動(dòng),可靠性低及能耗高,檢修維護(hù)量大。
循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,故使用壽命長(zhǎng),且燃燒均勻,不會(huì)產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象,檢修維護(hù)量較小。
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3 焚燒爐型的確定
目前世界上應(yīng)用于生活垃圾焚燒的各種類型焚燒爐達(dá)幾十種,新技術(shù)和新產(chǎn)品還在不斷發(fā)展,要選擇技術(shù)先進(jìn)可靠的產(chǎn)品,必須結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)區(qū)城市生活垃圾特性進(jìn)行全面的分析比較。
1、焚燒爐型的選擇和垃圾圾處理工藝密切相關(guān),一般來(lái)說不經(jīng)分撿的原生垃圾多采用機(jī)械爐排焚燒爐,垃圾分選破碎后則采用流化床焚燒爐具有較大的優(yōu)點(diǎn)。
2、垃圾熱值對(duì)焚燒技術(shù)的選擇有很大的影響。垃圾熱值低,采用爐排爐焚燒殘?jiān)灰谉?,助燃油消耗大,運(yùn)行成本高。流化床爐適合低熱值垃圾焚燒,流化床爐用煤助燃,助燃燃料成本低,該市的垃圾熱值總體較低,采用煤助燃的流化床焚燒爐經(jīng)濟(jì)性較好。
3、以本項(xiàng)目為例,采用循環(huán)流化床焚燒爐比爐排爐設(shè)備價(jià)格低約1500萬(wàn),可降低投資,減少運(yùn)行費(fèi)用,減少垃圾補(bǔ)貼費(fèi),減輕市政負(fù)擔(dān)。
4、循環(huán)流化床焚燒爐溫度始終控制在850度以上,避開了二噁英產(chǎn)生的溫度區(qū)間,因此減少了污染物排放量。
5、由于本市垃圾特點(diǎn)為熱值低,水分多,成分復(fù)雜,且隨季節(jié)變化,垃圾特點(diǎn)波動(dòng)較大,屬于典型的中小城市垃圾特點(diǎn),而循環(huán)流化床對(duì)于具有此類城市垃圾特別適用。
6、對(duì)于本垃圾項(xiàng)目,符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策,符合節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求,有利于改善環(huán)境質(zhì)量,發(fā)展前景看好。同時(shí),通過垃圾焚燒發(fā)電示范工程,有利于推到該市鍋爐產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展壯大。
近年來(lái)我國(guó)發(fā)展垃圾發(fā)電技術(shù)上有了很大的突破,特別是循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展迅速,為垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。目前,我國(guó)各地?zé)犭姀S循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)量正在大幅度上升,并向大型化發(fā)展,運(yùn)行操作和管理水平在不斷提高,并趨于成熟,對(duì)垃圾流化床焚燒爐的推廣應(yīng)用又創(chuàng)造了較好的環(huán)境。
可以說我國(guó)目前在中小城鎮(zhèn)最有發(fā)展前景的垃圾焚燒爐為流化床爐。尤其是我國(guó)的垃圾熱值相對(duì)偏低,要實(shí)現(xiàn)其高效穩(wěn)定燃燒,流化床焚燒技術(shù)無(wú)疑是最佳選擇。
綜合考慮焚燒爐對(duì)垃圾熱值適應(yīng)性、輔助燃料要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、國(guó)內(nèi)運(yùn)行業(yè)績(jī)與項(xiàng)目具體情況,本城市垃圾焚燒發(fā)電工程推薦采用循環(huán)流化床焚燒爐。
4 結(jié)論
對(duì)于垃圾處理量需求不大,垃圾熱值低、成分復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)條件一般,同時(shí),當(dāng)?shù)厝济簝r(jià)格低、煤質(zhì)好的中小城市,采用循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行垃圾處理要優(yōu)于爐排爐。但必須控制好垃圾入爐前的預(yù)處理,同時(shí),鑒于目前燃煤價(jià)格上漲,導(dǎo)致循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行成本高,如果能夠采用天然氣等氣體進(jìn)行補(bǔ)燃,循環(huán)流化床的技術(shù)應(yīng)用將有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
而對(duì)于垃圾處理量大,垃圾熱值高,助燃燃料(燃油或天然氣)價(jià)格低、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大中型城市,采用爐排爐來(lái)處理生活垃圾較循環(huán)流化床有一定的優(yōu)勢(shì)。但必須嚴(yán)格控制燃燒過程和溫度,控制二噁英的產(chǎn)生。否則,在二噁英排放嚴(yán)格監(jiān)控的條件下,爐排爐在沒有進(jìn)一步技術(shù)突破的條件下有可能被其它爐型替代。