管式布风流化床垃圾焚烧炉试验研究

1、第41卷第12期JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)浙江大学学报(工学版)Vol.41No.12Dec.2007管式布风流化床垃圾焚烧炉试验研究金余其,陆王琳,池涌,马增益,严建华,岑可法(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:放特性.试验表明,该新型焚烧炉在处理原生垃圾时,该焚烧炉可保持较高的整体炉温,炉膛平均温度维持在900%,HCl、SO2、NOx、二噁英的原始排放体积分数分别为58×10-6-6207×6,0.223I2TEQng/m3,以上排放指标都达.,也适合于处理低.关键词:;

2、焚烧;排放特性TK229.6文献标识码:A文章编号:1008-973X(2007)12-2058-05Experimentalresearchofpipe2distributedMSWfluidizedbedincineratorJINYu2qi,LUWang2lin,CHIYong,MAZeng2yi,YANJian2hua,CENKe2fa(StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Alargepilot2scalepipe2distributedf

3、luidizedbedincineratorwasdesignedandexperimentedinor2dertoinvestigatethecombustionandemissioncharacteristicsofcrudemunicipalsolidwaste(MSW).Ex2perimentsindicatethatthisnovelMSWfluidizedbedincineratorhasgoodperformanceinslagdischarging)andstablecombustion.Underappropriateworkingconditions,highbedtemp

4、erature(higherthan900andhighcombustionefficiency(greaterthan96%)canbeobtained,andweanwhilethepollutantemis2sionscanreachorbebetterthanthenationalemissioncontrolstandardforMSWincineration.TheoriginalemissionsofHCl,SO2,NOx,dioxinswere58×10-7,27×10-7,207×10-8involumeconcentrationand0.223

5、I2TEQng/m3inmassconcentration.ThetechnologyofnovelMSWfluidizedbedincineratorisnoton2lyfitfordisposingMSWwithhighheatvalue,butalsofitfordisposingMSWwithlowheatvalue.Keywords:municipalsolidwaste(MSW);pipe2distributedfluidizedbed;incineration;emissioncharacteristics随着经济的迅速发展,我国愈来愈多的城市选择焚烧法处理城市生活垃圾(MSW)

6、.相对于其他焚烧处理方法,流化床焚烧法具有燃料适应性广、燃烧效率高、环境污染小等优点1,同时床内没有转动部件,结构简单,流化床焚烧炉体积及占地面积与炉排炉相比相对较小,投资较省,因此流化床焚烧方式对于我国垃圾来说是一种较好的处理方法.与国外发收稿日期:2006-07-11.达国家不同,我国目前垃圾是不分拣混合收集的,原生垃圾中建筑垃圾、玻璃及金属等无机物占了重量的20%,甚至更高.目前还缺乏较好的炉前分选设备将它们从垃圾中彻底分离出来,而这部分物质留在炉内势必影响流化质量,甚至会危及流化床锅炉的正常运行.所以采用流化床焚烧法必须解决的问题是在焚烧过程中及时将这些影响流化的不可燃物浙江大学学报(

7、工学版)网址:作者简介:金余其(1970-),男,浙江东阳人,副教授,主要从事废弃物资源综合利用的研究.E2mail:jinyuqi.第12期金余其,等:管式布风流化床垃圾焚烧炉试验研究1.2试验设备、方法及内容2059质排出炉外,以维持流化床安全连续稳定运行.正是出于上述考虑,浙江大学热能所在管式布风流化床大量冷态研究的基础上223,参考浙大热能所几年来垃圾焚烧技术研究成果及经验,设计了流化冷渣一体化的新型管式布风流化床试验焚烧炉系统,并在此试验台上进行多次焚烧原生垃圾试验,研究该焚烧炉的焚烧及排放性能,同时通过中试研究,为新型焚烧炉的大型化作准备.本焚烧试验炉对所有测点(如烟温、风量、风门

8、开度、氧量、烟风压力等)实行自动监视并保存,对运行中的重要参数(如氧量、床温、炉膛负压等)也实行自动控制.燃烧炉膛各温度测点相对位置(h/H)见表1,表中,H为燃烧炉膛净高,h为固体不完全燃烧损失.表1Tab.1infurnace1新型焚烧试验炉系统设计1.1试验炉设计简介出口0.0.430.88稀下稀上测点位置0.060.280.68:.1,主要分为5部分:焚烧炉本体、给料装置(包括垃圾给料和煤给料)、排渣装置、床料分离回送系统和烟气净化处理系统(包括半干法脱硫塔、活性碳吸附装置、布袋除尘器等).本试验炉设计垃圾处理量为250420kg/h.炉本体净高(包括冷渣段和燃烧炉膛)约11m,炉膛净

9、高(上层布风管小孔中心到炉顶)约10m,以保证垃圾在炉内的停留时间和充分燃烧.设计中以煤为辅助燃料,焚烧炉膛内部不布置受热面.密相区炉膛截面为500mm×500mm,稀相区截面为700mm×700mm.二次风率可以调节,范围为050%.炉内布风管分3层布置共6根(120mm×10mm),上一层3根用于床料的流化;下两层共3根用于渣料(床料和垃圾中不易流化的沉积物如金属、玻璃等)的冷却,为进一步提高冷却的效果,炉体外加水冷夹套.12垃圾给料;22给煤补砂;32回转筛;42出料机;52出渣机;62分离器;72高温空预器;82喷淋器;92省煤器;102活性碳吸附;112

10、烟气脱硫;122布袋除尘;132引风机;142点火室;152鼓风机图1新型流化床垃圾焚烧试验台装置系统简图Fig.1NovelMSWfluidizedbedboilersystem烟气中CO、NO、SO2、CO2等排放质量浓度使用德国产的烟气分析仪(testot350XL)测试,烟气中HCl利用DIKMA公司生产的“检知管式气体测定器”(IMO4GV100SJ1)直接测定,试验中每10min测试一组数据,整个工况取其平均值.试验中飞灰采样利用崂山应用研究所的烟尘采样仪进行烟气采样,在工况相对稳定的情形下,每隔15min采样一次,体积流量为25L/min.飞灰采样有两个作用:一是用于飞灰中w(碳

11、)的分析,以求取固体不完全燃烧热损失q4;二是用于飞灰中w(重金属)的分析,分析方法可参照文献4.烟气和飞灰中二噁英的测定需要有一套专门的设备和方法,目前国内尚无二噁英测试的标准.浙江大学热能工程研究所在美国EPA1613分析方法的基础上建立了焚烧炉二噁英采集分析的基本方法.具体烟气采样方法可参照文献5,采样装置为上海市宏伟仪器厂出品的烟尘采样仪.二噁英的分析采用色质(HRGC/LRMS)联用技术,最低检测限为10-11g.试验中采用了两种垃圾:一种为中转站直接来的垃圾(下称为垃圾A),一种是校园来垃圾(下称为垃圾B),由于垃圾B塑胶及废纸类份额较高,热值较高.焚烧垃圾A时使用了少量辅助用煤,

12、而焚烧垃圾B时,当预热空气达到一定温度后就停止用煤,单独焚烧,垃圾成分分析结果见表2,辅助煤和垃圾的分析分别见表3和4.试验前对垃圾的预处理工作仅把垃圾中尺寸比管间距大的物质分拣出来.辅助煤来自某热电厂循环流化床锅炉用煤,尺寸为010mm.试验用床料为石英砂,平均粒径约为0.9mm,物质密度为2650kg/m3,堆积密度为1560kg/m3.流化床静止料层高度约为350mm.试验分5个主工况,工况安排见表5.2060浙江大学学报(工学版)第41卷表2试验垃圾成分分析结果Tab.2AnalyticresultsofexperimentalMSW%垃圾组分厨余布类玻璃垃圾A69.11.81.8垃圾

13、B30.33.61.4垃圾组分塑胶木竹金属垃圾A10.00.00.9垃圾B26.53.22.4垃圾组分纸类灰渣垃圾A12.73.7垃圾B25.86.8%表3试验辅助煤元素及工业分析Tab.3ElementandIndustryanalysisforcoalw(Cad)w(Had)w(Oad)w(Nad)w(Sad)w(Aad)w(Madw(wad)低位热值/kJkg-1)25615.268.724.412.761.010.461.028.表44ElementMSW%60.2551.83名称垃圾A垃圾Bw(Car)w()arNar)w(Sar)w(Aar)w(Mar)199.620.440.32

14、0.070.0613.1912.20低位热值/(kJkg-1)27466466表试验工况安排Tab.5Experimentalworkingconditionsarrangement2试验结果和分析各实验工况的主要结果见汇总表6.表中工况4的两组数据是当二次风比例分别为0和15%时的试验结果.下面对表6的结果进行分析.工况1234燃料组织垃圾B全烧煤m(垃圾A)/m(煤)=5.11m(垃圾A)/m(煤)=41表6各试验工况结果汇总Tab.6Summaryofallworkingconditionresults工况1234垃圾处理量/m(垃圾A)/低位净热值/二次风率/(kg(kJm(煤)%h-

15、1)kg-1)2209624028210015.114.016466256156495732030015015密下温度/624.9955.6717.7733.9837.0密中温度/617.6928.8816.2821.7888.3密上温度/617918.4893.3906.1921.8稀下温度/724.5804.31011.6963.3951.7稀中温度/832.6777.71031.9986.1954.9工况1234稀上温度/837715.51003.2954.7921.5出口温度/82657.9920.8893.4867.8出渣温度/320365358366热风温度/52032357454

16、9.8562.9尾部(O2)%14.217.614.615.715.8可燃气体不可燃气体不飞灰中燃烧效率/完全燃烧热完全燃烧热w(碳)/%损失q3/%损失q4/%19.1723.3011.9213.5214.031.80.10.40.60.44.44.22.93.13.293.895.796.796.396.4工况1234(CO)1)/10-62183181440721551(NO)1)/10-686297207184163(SO2)1)/10-6ND2)291275669(HCl)1)/10-667584752(Hg)/(mgm-3)0.6880.159(Pb)/(mgm-3)1.1470.

17、9762(Cd)/(mgm-3)0.00870.00621烟气二噁英(TEQ)/(10-9gm23)0.6420.223注:1)(O2)=11%时的体积分数;2)ND:未测到.第12期金余其,等:管式布风流化床垃圾焚烧炉试验研究20612.1燃烧特性从工况4二次风比例分别为0和15%的两组试验比较可知,增加二次风对完全燃烧是有利的,但由于漏风的存在效果不甚明显,因此要提高给料装置的密封性;3)改善给料的均匀性,这对燃烧效率的进一步提高至关重要,但由于垃圾的复杂性,目前要保证给料的均匀性仍有一定的难度.2.2排放特性2.2.1HCl和SO2从各工况的温度分布比较(见图2)可以得知,垃圾和煤的燃烧

18、特性有较大的差异.煤的燃烧主要发生在密相区,本试验煤w(FCad)高达68.7%,而w(Vad)只有8.7%,所以,煤的热量主要贡献在密相区,从全煤的燃烧工况2可以明显看出这一点.当然从工况2和5也可知,燃烧时存在一定的漏风量,这对试验炉的影响颇大.低,2,5SO2排放相对较,180mg/m3(考虑),所以仍低于生活垃圾200焚烧污染控制标准GB184856的260mg/m3.在单独焚烧垃圾B的工况1中,甚至未能检测到SO2,这说明在流化床焚烧温度范围内,垃圾中的灰渣中碱性氧化物对SO2有较好的脱除功能,这也是流化床在焚烧处理垃圾方面的显著优点之一.从试验结果看,m(垃圾)/m(煤)的比例越高

19、,其自脱硫能力越强,这可能是由于在混煤比例较低时其m(Ca)/m(S)的数值更高.同样,从垃圾焚烧的各个工况分析,(HCl)也低于标准规定的75mg/m3,因此,流化床焚烧处理垃圾,不必采取额外的措施就可使HCl的排放达标.当然,对于有些城市,垃圾含Cl可能会特别高,那要考虑采取另外的脱除措施.无论是脱硫或脱氯,对于流化床锅炉而言,通过炉内加石灰石的方法可达到较好的脱除效率,据1988年Kortsa流化床焚烧炉的试验研究7,加石灰石后,SO2和HCl的脱除效率可分别达到94%、93%.2.2.2氮氧化物NOx试验中发现(NO2)要远低于(NO),所以本文汇总表中只列出(NO).从(NOx)都低

20、于标准垃圾焚烧的各个测试结果分析,的400mg/m3,同时从试验结果也可看出这一趋势:随着燃烧效率的提高(CO)降低),燃料N2NO的转化率也随着上升.从燃烧角度,在设计中可通过分级送风、分级燃烧的方法加以解决,如工况4提高二次风率后,(CO)和(NO)都有所降低.2.2.3重金属从测试的两个工况看,全烧垃圾B2Fig.2Temperaturedistributionsunderdifferentwork2ingconditions垃圾则不同,它的燃烧以挥发分为主,热量主要贡献在稀相区,同时由于垃圾含水率较高,干燥需在床层吸收一定的热量,垃圾焚烧时对密相区贡献相对较小,从工况1、3、4的温度分

21、布可明显看出这一点,这也是一般焚烧炉垃圾燃烧时较难维持单独焚烧的主要原因.根据垃圾的这一特点,垃圾给料口的位置可考虑加以改进,使垃圾在进入床层前已经过一定的干燥.本试验台采用了高温空预器,使一次风预热到较高的温度,提高和改善了试验炉焚烧低热值垃圾的稳燃性能.空气预热器的预热效果与烟气炉膛出口温度有密切的关系.当烟气出口温度较高时,空气预热温度可高达570以上,达到了设计的预想目的.从各工况的试验结果比较看,焚烧过程中保持较高的整体炉温是必要的.与其他工况相比,工况1由于整体炉温较低,致使飞灰中w(碳)及CO排放较高,焚烧炉的燃烧效率较低.工况2和5也存在类似的问题,燃煤工况2由于稀相区温度过低

22、,飞灰中w(碳)较高,而使燃烧效率下降.由于煤挥发分低,CO排放并不高;工况5上部炉膛温度也过低,飞灰中w(碳)及CO排放都较高,燃烧效率明显偏低,这有可能是垃圾给料量过大的缘故.而工况3、4由于整体炉温较高,飞灰w(碳)及CO排放相对较低,燃烧效率在96%以上.但飞灰w(碳)及CO排放仍偏高,需进一步采取降低措施,可通过下列3个方面优化:1)垃圾给料量,从各个工况的比较分析,垃圾的处理量对CO排放也有一定的影响;2)二次风比例,工况1的汞排放高达0.688mg/m3,明显超过标准的0.2mg/m3,铅、镉排放都远低于标准排放限制(分别为1.6、0.1mg/m3);而工况4的重金属汞排放也能达

23、标,这主要是由于垃圾的w(汞)远比居民区垃圾高的缘故,据葛俊8的测试,浙大校园实验室庭院灰土、杂草、树叶等组分的w(汞)分别约为居民小区垃圾中相应组分的300、190、7000倍.2062浙江大学学报(工学版)第41卷2.2.4二噁英工况1烟气及飞灰中二噁英类(dioxins)的排放分析结果如表7所示,表中I2TEF参考文献(References):1WHEELERPA,PATELNM.Fluidisedbedcombus2tionofmunicipalsolidwasteCFluidizedBedCom2bustionVolume1ASME.S.l.:ASME,1995.2潘国清.流化床垃圾

24、焚烧炉新型布风装置的试验研究D.杭州:浙江大学,2000.PANGuo2qing.Experimentalonnew2styledis2tributorD.Hangzhou:3.为国际毒性当量指数.可以看到烟气中二噁英以2,3,7,82TCDF为主,总当量质量浓度低于国家环保标准(GB18485)规定的排放质量浓度(TEQ)=10-9g/m3;飞灰中二噁英则以2,3,7,82TCDD为最多,2,3,7,82TCDF次之,总当量质量浓度也约为10-9g/m3.从汇总表中还可以发现,与煤混烧时的烟气二噁英排放(工况3)可以大幅度下降.因此从控制二噁英排放的角度,掺烧少量的煤是有利的.同时,根据Ki

25、lgroe9211等人的研究,二噁英产率(CO)密切相关9211,由此可知烧,表7Tab.7ofmassconcentrationinfumeflyash样品名称2,3,7,82TCDD2,3,7,82TCDF1,2,3,4,7,82HxCDF1,2,3,6,7,82HxCDF.,2002.2qi.StudyonMSWcombustioncharacteristicsandanewCFBincinerationtechnologyD.Hangzhou:ZhejiangUniversity,2002.4张若冰.垃圾焚烧过程中典型重金属污染物的分布特性研究D.杭州:浙江大学,2002:24-27.

26、(二噁英)/I2TEF(TEQ)/-9-300.451800.032900.090200.047400.015900.001300.002600.642100.788700.042970.009300.133900.046040.017200.001800.003400.001000.000041.04460ZHANGRuo2bing.Researchonheavymetaldistribu2tionfrommunicipalsolidwasteincinerationD.Hang2zhou:ZhejiangUniversity,2002:24-27.5徐旭.燃烧过程中二噁英的生成及排放特性的

27、研究D.-9-301.0004.518190.328590.902440.474220.158590.134432.593049.109500.788710.429720.185560.267700.463800.172070.179520.337361.020680.044983.890100.1000.1000.1000.1000.1000.0100.001杭州:浙江大学,2001:51-63.XUXu.Studyonformationmechanismandemissioncharacteristicsofpoly2chlorinateddibenzo2p2dioxinsandpolyc

28、hlorinateddibenzofransincombustionprocessD.Hangzhou:ZhejiangUniversity,2001:51-63.6国家环境保护总局.GB18485生活垃圾焚烧污染控制标烟气1,2,3,7,8,92HxCDF2,3,4,6,7,82HxCDF1,2,3,4,6,7,82HpCDDOCDDTotal2,3,7,82TCDD2,3,7,82TCDF21.0000.1000.0500.5000.1000.1000.0100.0100.0010.001准S.北京:中国环境科学出版社,2002.7WHEELERPA,PATELNM,PAINTERA.Fluid2izedbedcombustionofmunici