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WTE-技术
直接焚烧
废弃物能源化利用研究与技术(中国)  2017-4-21 19:37:44

生活垃圾直接焚烧技术
        废弃物能源利用是一个复杂的系统工程,从研究的角度上看,属于典型的多学科交叉问题。从工程角度看,设计多个行业的产品与技术的集成应用。在发达国家,从最原始的单膛焚烧炉开始,已经有上百年的应用和研究经验。而在我们国家是从改革开放后才开始慢慢为人们所关注。
        目前来看,废弃物中能够作为能源来利用的主要是含碳氢化合物的有机质,包括生物可降解部分(如:纸张,庭院垃圾,厨余以及各种生物质类纤维素,木质素等)以及生物难讲解类(如:塑料,橡胶等高分子材料)以及少量的化石燃料等。
        目前,具备规模化应用的废弃物能源化利用的方式主要可以分为两大类,一类是以热化学为主的焚烧、气化技术。另一类是以微生物为主的厌氧消化技术。
        垃圾焚烧处置是采用高温热化学反应,将垃圾中的有机成分和可燃成分燃烧完全,与其它处理方法相比,焚烧法有以下突出的优点
        1. 大大地减少垃圾体积和重量, 同时焚烧后的灰渣还可综合利用(焚烧后体积可减少90%以上)。
        2. 垃圾的处理速度快,不需要长期储存。
        3. 垃圾就地焚烧,不需要长距离运输。
        4. 可以回收能量用于发电和供热。
        随着社会和生产的发展, 所产生的垃圾也会越来越多, 垃圾的品质越来越高,同时环境保护意识的不断加强, 也要求人们能更加科学地处理和处置垃圾, 焚烧法处理垃圾将起越来越重要的作用。各国已投入运行的垃圾焚烧炉燃烧方式有:
        1. 多级阶梯式链条炉排, 倾斜往复式炉排和反送式的马丁炉排等炉排炉;
        2. 流化床焚烧炉;
        3. 旋转式燃烧-回转炉;

机械炉排焚烧技术
        炉排(stoke)焚烧炉是目前世界上应用历史最久和应用最多的生活垃圾焚烧炉模式。机械炉排焚烧炉的基本原理是以机械炉排构成炉床,靠炉排的运动使垃圾不断翻动、搅拌并向前或逆向推行。其主要处理过程是:
        垃圾由抓斗送进炉前料斗,通过料槽用液压式加料器按设定的速度将垃圾推进炉膛,垃圾随着炉排的运行向前移动,并与从炉排底部进入的热空气进行混合、翻动,使垃圾得以干燥、点火、燃烧以致燃烬。它正常运行的炉温大于850℃,且烟气温度在大于850℃的高温下停留超过2秒钟,以保证烟气中有机成份的分解
        机械炉排焚烧炉的主要特点是它对垃圾的适用范围广,它既能适应欧洲含水率较低的高热值垃圾,也能适合亚洲含水率较高的低热值垃圾。它对进炉的垃圾颗粒度没有特别的要求,一般由生活垃圾车收集车送来的垃圾无需经过破碎即可直接送入焚烧炉燃烧
        机械炉排焚烧炉的品种繁多,使用历史长,具有较高的可靠度,是适于处理大容量垃圾的成熟焚烧设备。机械炉排焚烧炉主要分为往复运动炉排焚烧炉及滚动炉排焚烧炉两大类型。
        就垃圾在炉排上的焚烧过程而言,可以分为3个阶段:
        第1阶段:垃圾干燥脱水、热解和着火。
        在这一阶段,垃圾中的水分在炉膛内烟气对流和辐射换热作用下,从垃圾中蒸发出来,在垃圾中水分蒸发完全后,垃圾中的低密度有机质开始挥发,垃圾开始着火燃烧针。这一阶段垃圾温度一般在200℃~500℃左右。
        第2阶段:高温燃烧
        在炉排的往复运动下,垃圾通过自身重力或者炉排推力作用下,从给料段向炉排后段移动,并在一次风作用下,充分燃烧,此时炉排上的垃圾在900 C左右的范围。为了防止炉排过热,这一阶段的炉排通常采用特殊材质刚,并辅以风冷或者水冷来控制炉排温度。
        第3阶段:燃烬
        垃圾经完全燃烧后变成灰渣,在此阶段温度逐渐降低,炉渣被排出炉外。
        
国外引进炉排技术 (部分资料来源:各公司网站及维普文献)
a)逆动式往复炉排
        技术来源:德国马丁炉排,(授权使用日本三菱, COVANTA)
        应用案例:深圳清水河、广州李坑一期、杭州滨江(150t/h)、澳门(300t/d)
        特点:
        炉排长度固定,宽度则依炉床所需的面积调整,可由数个炉床横向组合而成,每个炉床包含13个固定及可动阶梯炉条,固定炉条及可动炉条采用横向交错配置,炉床为倾斜度26的倾斜床面。
        垃圾的干燥、燃烧及后燃烧均在此炉床进行,一次空气由炉床底部经由炉条的空气槽从炉条两侧吹出。可动炉条由连杆及横梁组成,由液压传动装置驱动,其移动速度可调整,以配合各种燃烧条件,其搅拌垃圾可动炉条逆向移动,使得垃圾因重力而滑落,使垃圾层达到良好的揽拌,最后灰烬经由灰渣滚轮移送至排灰槽。
        德国马丁炉排技术是目前世界上应用最多的垃圾焚烧炉技术,在欧洲和日本等垃圾热值较高的地区应用较为广泛。

德国马丁倾斜逆向往复炉排

b)台阶式多级炉排        技术来源:新加坡吉宝西格斯 (原比利时西格斯Seghers)
        应用案例:深圳南山(400t/d)、深圳盐田(400t/d)、深圳宝安(400t/d)、江苏常熟(350t/d)、江苏苏州(350 t/d、500t/d)、江苏江阴(400t/d)、天津贯庄(500t/d)
        特点:
        比利时西格斯炉排为台阶式多级炉排,由固定式炉条、滑动式炉条和翻动式炉条的相互结合而成,并且可以各自单独控制。西格斯炉排由相同标准的元件组成,每一元件包括由刚性梁组成的下层机构,每片炉条的铸钢支撑和钢质炉条。每件标准炉排元件有六行炉条,分三种不同炉条按两套布置:固定式、水平滑动式和翻动式。下层机构的低层框架直接支撑固定炉条。全部炉条顶层表面形成一个带21度斜角的炉排倾斜面,全部元件皆按这个方式布置。滑动炉条推动垃圾层向炉排末端运动,而翻动炉条使垃圾变得膨松并充满空气。在炉条下面的燃烧风经过几个冷却鳍片和位于每片炉条前端的开口槽后离开炉条,并吹过下一炉排片的顶部。每一片炉条有燃烧风出口开口。从而保证整个炉排表面的空气分布均匀。

西格斯台阶式炉排

c)日本田熊阶段往复摇动式炉排
        技术来源:日本田熊公司(Takuma, Japan)
        应用案例:天津双港(400t/d)、北京高安屯(800t/d)
        特点:
        阶段往复摇动式炉排干燥、燃烧及后燃烧三段炉排均为倾斜床排,固定炉条及可动炉条以纵向交错排列。高压高速的一次空气由炉底的空气导管送人炉条底部,再由盒状炉条两侧的空气喷嘴吹出。可动炉条由炉条支架及连杆曲柄机构组成,由液压传动装置驱动,各炉排的可动炉条水平前后移动,使得垃圾因重力滑落,及切断垃圾,经过阶段落差使得垃圾产生混合搅拌。垃圾移动所需的力与垃圾自重及炉条的摩擦系数成正比,炉条的倾斜角愈大时,垃圾所需的移动力愈小,同时垃圾作用于炉条的反作用力也愈小。
        田熊炉排设置两个阶梯,采用足够的炉排面积,使垃圾在炉内翻滚并燃烧;采用四个驱动单位:一个在干燥阶段,二个在燃烧阶段,再一个在燃烬阶段。因此,通过调整各独立驱动单位的速度,能控制垃圾和灰层的厚度


日本田熊阶段往复摇动式炉排
d)日本日立造船阶段反复摇动式炉排
        技术来源:日本日立造船公司(Hitachi Zosen)
        应用案例:台中市-中国台湾
        特点:
        阶段反覆摇动式焚烧炉的每个炉排上都有固定炉条及可动炉条以纵向交错配置,可动炉条由连杆及棘齿组成,在可动炉条支架上水平方向作反覆运动,此种运动方式将剪力作用于垃圾层的前后及左右各方向,使得垃圾层能松动及均匀混合,并与火上空气充分接触。一次空气由炉排底部经由炉条两侧的缝隙吹出。在燃烧区的固定炉条上的炉条有切断刀刃装置,其功能为松动垃圾块、垃圾层及调整垃圾停留时间,使供给空气分布均匀,以及使二次空气的通道有自清作用,垃圾借此力量反覆翻搅及移动。


日本日立阶段摇动式炉排

国内二段往复式炉排技术
(部分资料来源:各公司网站及维普文献)
        技术来源:杭州新世纪能源环保工程股份有限公司,伟明HMW二段往复式炉
        应用案例:福建南安,泉州,浙江海宁等
        特点:
        该炉排是在引进国外技术的基础上,针对我国垃圾特性而改进开发的,该产品特别适合焚烧高水份、低热值、不分拣的混合生活垃圾,对南北不同质量的生活垃圾有良好的适应性。


二段往复炉排

流化床焚烧技术
        流化床焚烧方式,首先由日本在20 世纪70 年代中期将其应用于城市生活垃圾处理;此后,城市生活垃圾流化床焚烧炉,在日本、欧美等国家和地区迅速发展;在日本,绝大多数流化床垃圾焚烧炉为鼓泡流化床,主要用于焚烧原生城市垃圾;在欧美,流化床焚烧炉主要是循环流化床,而且多数是与RDF 技术结合使用的。
        采用该技术的焚烧炉的基本特征在于在炉膛下部布置有耐高温的布风板,板上装有载热的惰性颗粒,通过床下布风,使惰性颗粒呈沸腾状,形成流化床段,在流化床段上方设有足够高的燃烬段(即悬浮段)。
        流化床的特点是颗粒与气体之间传热和传质速率高,物料投入流化床后,在床层内几乎呈完全混合状态,投向床层的废弃物能迅速分散均匀。由于载热体贮蓄大量的热量,可以避免投料时炉温急剧变化,床层的温度保持均一,避免了局部过热,因此床层温度易于控制。同时它具有燃烧效率高,负荷调节范围宽,污染物排放低,炉内燃烧热强度高,适合燃用低热值燃料等优点。
        流化床焚烧炉的主要特点是床层温度均匀,垃圾颗粒与流体接触好;反应快,焚烧完全,热强度较高,它的热效率一般可达到80~82%,垃圾燃烬率也非常高,焚烧后排出炉渣的未燃成份可达到1%左右;设备尺寸相对较小。
        但由于悬浮态燃烧方式的限制,其对进炉垃圾的颗粒度有一定的要求。
 
国外流化床焚烧技术发展历史 (部分资料来源:各公司网站及维普文献)
 
美国的流化床焚烧技术及其应用
        美国在流化床技术应用的初期,主要是引进一些欧洲的先进鼓泡流化床焚烧技术,如位于北卡罗来纳州的Fayetteville废料回收垃圾发电厂,其鼓泡流化床焚烧炉便是由英国Kraerner Enviro Power AB公司制造的,焚烧炉热功率为60MWt,100%焚烧城市固体废弃物(MSW),发电18MWe,用来供热和发电。该技术的应用特点主要体现在它采用了由温度来控制NOx的排放,炉膛内加石灰石来控制SO2,在烟道中喷ca(OH)2来脱除HCl,尾部采用活性炭吸附装置控制重金属和痕量有毒有机污染物[如二恶英(dioxins)及多环芳烃类物质(PAHs)]的排放。
        循环流化床技术与鼓泡流化床技术相比,具有高效、低污染等优点。美国一些大公司,如FW公司(Foster Wheeler Power Corporation)和B&W公司(Babcock&Wilcox Power Corporation)逐渐发展循环流化床焚烧技术。FW公司应用CFB焚烧技术在伊利诺斯州Robbins村建成了一座废物综合焚烧处理厂,该厂于1997年1月建成并投入运行,处理能力为1000tMSW/d,这是美国首次应用CFB技术燃用RDF。该厂拥有两套RDF生产线和两套RDF循环流化床燃烧系统、两套现代化空气污染控制系统和一台汽轮机,发电功率为55MW,年处理能力为50万t。单台CFB焚烧炉参数如下:处理量为600tRDF/d,蒸汽流量为28.86kg/s,过热蒸汽温度为443℃,压力为6.2MPa。该焚烧炉>99%,锅炉的效率>81%。床温控制在829-913℃,SO2及HCl采用尾部干法脱除。
 
欧洲流化床焚烧技术及其应用
 
        在欧洲,流化床技术的代表是由英国Kraerner Enviro Power AB公司开发成功的焚烧技术。该公司设计的第一台鼓泡流化床MSW焚烧炉1979年在瑞典建成,1984年建成第一台循环流化床MSW焚烧炉。Kraerner Enviro Power AB公司推出第一及第三代鼓泡流化床焚烧炉。第三代焚烧炉采用脉动空气给料喷射口,保证燃料在床内均匀分布。运用导向风帽和炉膛底部合理的几何结构使得排灰和排出不可燃物极为方便。灰渣空气分选机构使得床料返回炉膛,并将灰渣潜热带回炉膛内。在炉膛的双拱结构上布置对称二次风系统,保证悬浮段空气均衡稳定,湍流度大,有利于完全燃烧。同时在炉膛燃烧区域与炉膛顶部设置三次风,使得顶部气流呈塞状流型。尾气处理系统方面,利用炉膛底部区域保持的氧化性气氛和均匀的烟气组分,不仅可以使燃烧更完全,而且可以避免水冷壁遭受腐蚀。
        为进一步增大床内流动湍流度,降低NOx排放,第三代焚烧炉采用了烟气再循环进入床内和双拱结构内。在炉膛尾部设置辐射冷却烟道,在烟气进入尾部对流受热面之前设置一辐射冷却烟道,可以避免过热器腐蚀、局部高温和结垢,确保烟气处于一定氧化性气氛下,使其组分均匀。
 
日本流化床焚烧技术及其应用
 
        日本在垃圾流化床焚烧技术方面处于世界领先水平,其半数以上垃圾废料都用流化床焚烧法处理。日本有多家垃圾流化床焚烧炉制造厂商,其中主要的有:石川岛播、三井造船、栗本、荏原制作所、日本制钢、神户制钢公司等。
 
国内流化床焚烧技术及其特点
        国内流化床燃烧技术的开发应用早在60年代即开始,但主要集中在燃煤领域。正式开始进行垃圾流化床焚烧处理方面的研究始于80年代。由于我国城市生活垃圾具有组分复杂、高水分、低热值(国内原生城市生活垃圾热值目前在1000kcal/kg左右,而国外发达国家为2000-3000kca1/kg)等特点,垃圾的流动混合、焚烧特性和二次污染特性相当复杂,国外的一些成熟流化床技术并不很适合处理我国城市垃圾。因此,有必要开发应用适合我国国情的垃圾焚烧流化床技术,但我国城市垃圾的上述特点给技术的开发应用带来相当的难度。
        浙江大学自80年代以来致力于开发适合国情的城市生活垃圾焚烧技术,并通过相关技术如垃圾预处理、烟气处理、渣分选回收、床下点火启动、焚烧炉热工自动控制等的综合集成,形成了系统化的城市生活垃圾内循环流化床焚烧新技术。这一技术的特点主要体现在:①异重度流化床的稳定燃烧。对于焚烧垃圾,浙江大学热能工程研究所开发出的异重度流化床是采用由重度差异较大的不同颗粒(在石英砂与垃圾)组成流化床系统,可以防止大块垃圾在床内的沉积和轻粒度垃圾成分的偏浮,从而保证稳定燃烧。②在流化布风结构上采用倾斜布风结合定风风帽构成物料床内循环。通过布风装置及燃烧设备的专门设计,可保证经简易破碎的原生垃圾在炉内充分焚烧。③为达到高效清洁焚烧的目的,采用了分段燃烧方式及二次风切圆布置方式,使炉内燃烧空气充分混合,改善燃烧状况,降低CO排放浓度及控制NOx的排放;并且采用了国际上通行的二恶英抑制方法,以有效地抑制二恶英的产生,即炉内温度均匀保持在850-950℃范围内;高温段烟气停留时间大于3s;燃烧室内充分混合;加强受热面吹灰。为控制尾部烟气中SO2、HCl、HF、Cl2及重金属的排放,采用了浙江大学开发的湿法烟气洗涤装置,对尾气进行洗涤处理。


浙江大学循环流化床垃圾焚烧技术
        目前,浙江大学开发生活垃圾循环流化床焚烧发电集成技术已完全实现了产业化推广。该技术于2000年被列为国家建设部科技成果推广转化指南项目,国家经济贸易委员会、国家发展与改革委员会、科学技术部公布为“九五”期间重点节能科技成果。该项技术成果获得2006年国家科技进步二等奖和中国优秀专利奖,并被国际废弃物能源化理事会赞誉为国际五大主流垃圾焚烧新技术之一。迄今该技术已应用在全国范围的24座大中城市生活垃圾焚烧发电厂,焚烧锅炉61台,实现了日处理垃圾22050吨,发电机组477兆瓦,占全国焚烧量的近50%,成为促进我国垃圾焚烧产业发展的重要力量。
        国内除了浙江大学外,从事循环流化床垃圾焚烧技术研究的还有中国科学院工程热物理研究所。其开发的循环流化床技术最大的特点是采用外置式高温换热器,其目的是减少高温去烟气中含氯组分对金属换热器管壁的腐蚀作用,延长设备的使用寿命,同时提高过热蒸汽参数。
回转窑焚烧技术
        回转窑焚烧系统系衍生于己广泛用于水泥工业中耐火砖衬里回转锻烧窑设计。垃圾由倾斜且缓慢旋转的旋转窑上方前端送入,藉由旋转速度控制垃圾前进速度, 使垃圾在窑内往前输送过程中完成干燥、焚烧及灰冷却之过程, 而冷却后之灰渣由炉窑下方末端排出。 回转窑整个炉体可由冷却水管及有孔钢板焊接形成桶形,也可由钢制圆桶内部加装防火衬组成, 炉体向下方倾斜, 分成干燥混合、燃烧及后燃烧三区段, 并由前后两端滚轮支持, 由链轮驱动装转动轮子而旋转炉体, 垃圾在炉体上, 因旋转而获得良好的翻搅及向前输送, 预热空气由底部穿过有孔钢板至窑内, 使垃圾能完全燃烧。
        回转窑的特点是燃料适应性广, 可焚烧不同性能的废弃物,此种炉型机械零件比较少,故障少, 可以长时间连续运行。但回转窑的热效率低,如需辅助燃料时消耗较多,排出气体的温度低,有恶臭,需要脱臭装置或导入高温后燃室焚烧,由于窑身较长,占地面积大,且后燃室的炉排结构要求较为严格,因此其成本高,价格较昂贵。
        目前回转窑焚烧炉主要用于工业特殊和危险废弃物的焚烧处置。下图是浙江大学开发的两段式危废废弃物焚烧系统工艺流程图。


 
 
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