350～500td+生活垃圾焚烧循环流化床锅炉技术

350〜500t/d生活垃圾焚烧循环流化床锅炉技术中科院工程热物理研究所、中联环保技术工程公司绍兴市新民热电有限公司、无锡华光锅炉股份有限公司350〜500t/d生活垃圾焚烧循环流化床锅炉是我国首次采用外置换热器技术并投入实际运行的大型生活垃圾焚烧循环流化床锅炉。该锅炉将高温过热器布置在和流化床一体化的外置换热器内，可有效防止HCl气体对过热器产生的高温腐蚀，同时利用流化风速调节床层和过热器之间的传热系数，能较好地实现过热蒸汽温度控制。本文介绍了该焚烧炉技术特点和建在绍兴市垃圾焚烧发电厂设计垃圾处理量400t/d,锅炉蒸发量75t/h,压力5.3Mpa，温度485°C的垃圾和煤混烧循环流化床锅炉系统组成和运行特性。运行结果表明，焚烧炉实际最大处理量可超过500t/d，所有排放指标均达到我国生活垃圾焚烧污染物排放控制标准，其中二恶英排放比欧盟标准限值0.1TEQng/m3还要小一个数量级。关键词：循环流化床锅炉；垃圾；焚烧；二恶英刖言垃圾焚烧作为实现城市生活垃圾减量化、无害化和资源化处理的有效手段在我国得到越来越广泛的应用，特别是在大中城市和沿海地区，由于垃圾填埋用地越来越难以寻觅，填埋场渗沥液处理困难;用于堆肥有效肥料成分含量低，垃圾中含有的重金属和有毒化学物质等对堆肥的品质会产生影响，对固体废物的减量化程度不高等问题，垃圾焚烧处理技术应用得到快速发展。目前，全国已经有二十余座大中型垃圾焚烧发电厂投入运行，还有一批焚烧厂正在建设或筹建。可以预计，随着我国城市经济的不断发展，焚烧在我国城市垃圾处理中的比例将会逐渐提高。随着城市居民生活燃气率的提高，生活垃圾中的灰渣成分不断减小，但由于受饮食习惯影响，我国生活垃圾中的厨余含量高，垃圾热值提升并不快，原生生活垃圾低位热值大多在372kJ/kg，1、流化床燃烧室；2、外置换热器；3、高温过热器；4、对流管束；5、低温过热器；6、省煤器；7、空气预热器。图1带紧凑式外置换热器循环流化床锅炉结构示意图3300〜5500kJ/kg范围，远比西方发达国家垃圾热值7500〜10450kJ/kg要低，因此，开发适合我国低热值生活垃圾的焚烧技术和设备具有非常重要的现实意义。从已经建成投入运行的焚烧厂运行情况看，采用煤助燃的流化床焚烧技术是一条有效途径。本文介绍了由中联环保技术工程有限公司、无锡华光锅炉股份有限公司和绍兴市新民热电有限公司共同开发研制的350〜500t/d带外置换热器的生活垃圾焚烧循环流化床锅炉技术和运行特性。1垃圾焚烧锅炉基本结构和工作原理针对生活垃圾中含有砖头、碎石和金属等不可燃物及焚烧过程产生的HCl气体会对高温金属受热面产生强烈腐蚀等特性，垃圾焚烧循环流化床锅炉在流化床布风系统、排渣系统和锅炉受热面布置等方面都采用了不同于常规燃煤循环流化床锅炉的结构设计，可将进入流化床内的大块不可燃物顺利排出，并防止HCl气体对高温受热面产生腐蚀。图1为带外置换热器结构的垃圾焚烧循环流化床锅炉，燃烧系统由流化床、悬浮段、高温旋风分离器、返料器和外置换热器等部分所组成。在高温旋风分离器的烟气出口布置了对流管束蒸发受热面，其后面的尾部烟道内依次布置低温过热器、省煤器和空气预热器，高温过热器布置在外置换热器内。流化床燃烧室的布风板采用倾斜布风板，由给料口一侧向排渣口侧倾斜，超大的排渣口可将进入流化床内的大块不可燃物排出。外置换热器和流化床燃烧室设计成一体结构，其工作原理、动力特性和传热特性见文献［1］。外置换热器采用空气流化、高温循环物料为热载体，布置在其内的过热器和HCl气体隔绝，有效地解决垃圾焚烧高温腐蚀问题。2绍兴市垃圾焚烧厂主要技术参数与系统组成2.1焚烧厂主要技术参数垃圾处理量：400t/d373焚烧炉型：循环流化床锅炉焚烧炉配置:400t/dx1能源回收：热电联产，15MW汽轮发电机组锅炉参数：额定蒸发量75t/h，压力5.3MPa，温度485°C烟气净化：循环流化床半干法和布袋除尘渗沥液处理：垃圾贮坑渗沥液抽送喷入焚烧炉内高温氧化处理2.2焚烧厂系统组成与工艺流程垃圾焚烧厂由以下系统组成：垃圾贮存与给料系统；焚烧与热能回收系统；烟气处理系统；垃圾渗沥液处理系统；灰渣收集与处理系统；仪表及控制系统；给水处理系统；发电系统。焚烧厂燃烧系统工艺流程如图2所示，燃烧系统和设备组成介绍如下：垃圾贮存与给料系统垃圾贮存与给料系统由垃圾贮坑、抓吊和给料设备等组成。垃圾贮坑容积可储存5〜6天垃圾。垃圾抓吊一台，将垃圾从贮坑抓到给料机料槽，和对垃圾进行翻动。一台焚烧炉配两条垃圾给料线，每条线由螺旋给料机、板链输送机和拨轮机等组成。每条给料系统给料能力最大可达到焚烧炉垃圾额定处理量，当一条给料线出现故障检修时，另一条给料系统也能使焚烧炉正常运行。该组合设备给料系统对大尺寸垃圾具有一定破碎作用，并能保持给料较为均匀。焚烧与热能回收系统焚烧与热能回收系统由循环流化床锅炉和鼓引风机等设备组成。烟气处理系统烟气处理系统采用循环流化床半干法和布袋除尘工艺，该系统主要由循环流化床反应塔、布袋除尘器、给粉系统、增湿器、飞灰回送循环系统和排灰系统等组成。该工艺系统简单、设备占地面积小、投资省、水耗量少、吸收剂利用率高，反应产物呈干粉状态易于处理。垃圾渗沥液处理系统图2燃烧系统工艺流程374垃圾渗沥水为高浓度废水，本厂将垃圾贮坑收集的渗沥液喷入焚烧炉内，采用高温热解方法对渗沥液进行处理。（5）灰渣收集与处理系统垃圾焚烧厂产生的固体废弃物主要是焚烧过程产生的飞灰和炉渣。飞灰及炉渣分开收集。流化床焚烧炉排出的炉渣有机物含量几乎为零，可用于建筑或路基材料。由除尘器所收集的飞灰单独进行安全处理。（6）控制系统垃圾给料系统、焚烧系统、热能利用系统和烟气净化系统等采用先进的DCS控制系统，总线式结构和分布式I/O接口。3焚烧厂运行结果与分析3.1运行结果垃圾焚烧厂于2001年8月28日点火，经过一个月左右时间的运行调试，锅炉各项指标均达到了设计要求，典型的锅炉性能检测、环保监测结果和灰渣制成建材检测结果见表1〜表5。表1垃圾焚烧锅炉性能检测结果数据项目单位NO.1*NO.2**过热蒸汽流量t/h73.773.46过热蒸汽温度°C480.2483.3过热蒸汽压力（绝对）MPa5.45.33给水温度C140.8138.14给水流量t/h76.9277.2连续排污量t/h3.223.74换算到设计给水温度下的蒸发量t/h74.4074.28燃煤量kg/h6150.86737.5垃圾量kg/h2085518876.1入炉燃料量kg/h27005.825613.6排烟温度°C151.9148.5O2浓度%9.629.1CO浓度mg/m3117.993.7飞灰含碳量%16.4315.62炉渣含碳量%0.790.52375锅炉热效率%82.7482.48表2烟气排放监测结果运行参数项目单位参数值垃圾处理量（t/h）t/h16~22（平均18.8）燃煤耗量（t/h）t/h4.2~5.3（平均4.56）锅炉负荷（t/h）t/h68~75.3（负荷〉90%）燃煤硫份（分析基）Sd（%）Sd（%）0.58~0.90（平均0.73）流化床温度（笆）C911~947烟气氧含量（%）%9.4~10.9石灰耗量（t/h）t/h0.2~0.28（平均0.24）污染物排放监测结果项目单位运行排放测定值排放限值*烟尘mg/m330〜4580烟气黑度林格曼黑度，级<11一氧化碳mg/m365〜119150氮氧化物mg/m3200〜355400二氧化硫mg/m343〜86260氯化氢mg/m313〜1675汞mg/m30.007〜0.0420.2镉mg/m3<0.0070.1铅mg/m3<0.151.6二恶英类TEQng/m3<0.011.0*我国生活垃圾焚烧污染控制标准(GB18485—2001)表3烟气净化系统前后二恶英浓度测定结果测试日期2002年1月9日测试断面位置烟气净化装置进口烟气净化装置出口德国MPU试验室德国MPU试验室二恶英浓度I(TEQng/Nm3)0.270.24<0.01<0.01二恶英浓度II(TEQng/Nm3)0.300.25<0.01<0.01中科院水生生物研究所中科院水生生物研究所二恶英浓度III*(TEQng/Nm3)//未检出未检出*该二恶英浓度为中科院水生生物研究所二恶英检测实验室2001年11月检测结果。表4飞灰检测结果(德国MPU试验室检测)监测指标二恶英PbCd3762002年1月9日检测结果51.02TEQng/kgV1.0mg/LV0.05mg/L2002年4月5日检测结果53.87TEQng/kg//标准限制/3mg/L0.3mg/L表5炉渣和飞灰制成建材检测结果检测项目检测单位执行标准检测结果建材样品Y核素分析国家环境保护总局辐射环境监测技术中心浙江省辐射环境监测站GB11743-89《土壤中放射性核素的Y能谱分析方法》GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》测试样品属A类建筑主体材料，其产销与使用范围不受限制灰渣和飞灰制成的砖物理性能监测浙江省建筑科学设计研究院JC/T409-2001、JC239-91样品经检验，符合JC/T409-2001II级品要求；抗压强度13.3Mpa，抗折强度3.1MPa、强度等级达到10级。砖样中汞、铅、镉含量测定浙江省环境监测中心站按GB5086-85制备浸出液后测试结果评价按GB5085.3-1996铅：＜1.0x10-3（标准限值＜1.0）mg/L镉：＜5.0x10-4（标准限值＜0.5）mg/L汞：＜5.0x10-5（标准限值＜0.05）mg/L二恶英浸出毒性试验德国MPU试验室二恶英含量为30TEQpg/L，与美国直饮用水标准相当（二恶英限值0.03TEQng/L）3.2结果分析（1）锅炉负荷性能锅炉设计燃料为垃圾和煤混烧，额定垃圾处理量为400t/d，额定蒸发量为75t/d。焚烧厂主要处理绍兴市城区的生活垃圾，每天运送到焚烧厂的垃圾为350〜400吨。锅炉正常运行期间送至焚烧厂的生活垃圾和焚烧量平衡，锅炉负荷通过给煤调节。由于目前只有一条处理线，在锅炉短时间停炉检修期间，垃圾运到贮存坑暂存，锅炉检修结束启动运行后，为了保持处理量平衡，在随后的几天锅炉需要提高垃圾处理量，以减少垃圾在贮存坑的贮存量。运行结果表明，通过调整掺煤比例，锅炉可以在纯烧煤和最大垃圾处理量550t/d范围运行，锅炉蒸汽负荷在55%〜115%范围保持稳定参数。典型的垃圾处理量、煤掺烧量和锅炉蒸汽负荷见表1和表2,燃煤占入炉燃料重量比为16〜25%。（2）烟气排放特性垃圾焚烧产生的烟气中含有粉尘、二氧化硫、氯化氢、氟化氢、氮氧化物、重金属、及二恶英和呋喃(PCDDs/PCDFs)等有害物质，必须通过充分燃烧和烟气净化去除。本循环流化床锅炉烟气在850°C以上炉内充分燃烧区停留时间大于3秒，加之强烈的高浓度物料循环和强烈的气固掺混，能很好地满足燃烧“三T”(Temperature,Turbulence,Time)原则，可以获得很高的有害物质破坏率。监测结果表明，在烟气净化系统仅采用Ca(OH)2作为吸收剂不加活性碳的情况下，烟气排放能完全达到我国生活垃圾焚烧污染控制标准(GB18485-2001)(见表2)，其中二恶英排放浓度远远低于欧盟污染控制标准排放限值0.1TEQng/m3。掺煤混烧对二恶英的影响作用在城市垃圾焚烧炉排放的烟气中，已证实有很多种因燃烧不完全而产生的有机物质。这些产物包括多氯代二苯并一对一二恶英(PCDDs)、多氯代二苯并呋喃(PCDFs)、及多环芳377香烃化合物(PAHs)。PCDDs和PCDFs通常总称为二恶英(dioxins)，根据氯原子的取代数目和位置不同，构成75种PCDD和135种PCDF。二恶英的其某些特定的同分异构体对人体具有高毒性，尤其异构物为含4个氯基构造占位第2,3,7和8的四氯代二苯并一对一二恶英(TCDD)毒性最强。在二恶英的多种来源途径中，废物焚烧是主要产生源［2］。因此，减小二恶英的生成是垃圾焚烧污染防治的重点。根据德国和奥地利一些大型现代化机械炉排生活垃圾焚烧炉运行检测结果［3,4］，每吨垃圾焚烧产生的二恶英在8〜180四I-TEQ范围，平均为40〜50ugI-TEQ。产生的二恶英随烟气排入大气和进入灰渣中。绍兴市垃圾焚烧厂垃圾焚烧产生的二恶英，根据烟气净化装置进口的二恶英浓度、垃圾焚烧量和烟气量计算，吨垃圾二恶英的产生量在1.69—2.33ugI-TEQ范围，平均为1.98ugI-TEQ。可以看到，和国外纯烧垃圾的大型机械炉排炉相比，垃圾和煤混烧循环流化床锅炉的二恶英产生量要小的多。这除了和垃圾特性，燃烧控制条件有关外，和掺煤焚烧对抑制二恶英在烟气冷却过程再合成有关［5,6］。BrianK.等［7］在日处理500吨垃圾衍生燃料（RDF）的焚烧炉上采用含硫量分别为3.4%和0.7%的两种煤进行试验，当掺煤量达到一定比例（＜7%重量比）时，二恶英的生成浓度可减小80%。浙江大学在150t/d垃圾与煤混烧流化床锅炉［8］和中科院工程热物理研究所在0.15MW的CFBC试验台上的试验结果［9］也都证明了垃圾和煤混烧可显著减小二恶英生成。掺煤焚烧对二恶英的生成抑制作用可以从垃圾焚烧过程二恶英的生成机理加以解释。一般来说焚烧过程中二恶英生成和以下因素相关〔10,11,12〕：1）有机物燃烧不完全；2）氯（Cl）的含量可形成一定氯化物浓度水平；3）在600°C以下温度区停留时间超过几秒；4）有微量金属作为催化剂，其中金属铜（Cu）为主要催化剂，铁（Fe）、锰（Mn）和锌（Zn）对二恶英的生成也有一定的催化作用。Griffin［13］认为C12+SO2+H2O--2HC1+SO3反应能抑制Cl2转化为芳香族结构，提高SO2浓度可减少Cl2的含量。这一反应可在400C发生〔14〕。在小型实验中〔14,15〕对飞灰检测结果证明，SO2减小了二恶英的产生量。Gullett[16]等人研究结果显示，SO2和Cu反应形成CuSO4,和CuCl2相比导致催化剂活性降低，抑制了C12产生以及氯芳香族化合物的联芳基合成。实验研究和平衡计算分析〔17〕发现，硫化物可以抑制挥发性金属氯化物的形成，产生更多的金属氧化物。由于金属氯化物浓度的降低，从而减小了二恶英生成反应的金属催化剂活性。Verhu1st[18]等人的研究结果也表明，S存在可以使许多金属在800r以下形成硫酸盐。这些金属硫酸盐能够置换金属氯化物。例如Cu金属在500°C以下形成CuSO4的反应和形成CuCl2反应相比完全占主导反应。在没有S存在的情况下，气态的CuxClx类物质在300〜500C仍存在。上述几种研究结果都表明，煤中存在的硫对降低烟气冷却过程二恶英的合成有多种作用。PaulM.[19]报道了美国EPA的研究结果，认为垃圾和煤混烧是减少二恶英产生的有效方法。残渣和飞灰特性焚烧炉产生的固体废物可分为两类，一类是从焚烧炉底部排出残渣，一类是从烟气净化378装置排出的飞灰和固体反应产物。从焚烧炉底部排出的残渣一般燃烧较为彻底，有机物和重金属含量很低，可进行灰渣利用。欧盟国家允许焚烧炉残渣作为建筑用料，如德国、丹麦和荷兰等国家60〜90%的焚烧炉残渣作为路基填料(Bozkurtetal,1999)[20]。焚烧炉残渣热灼减率要求小于5%,纯烧垃圾的流化床焚烧炉残渣热灼减率几乎为零，掺煤混烧时，由于增加了煤燃烧产生的灰渣，残渣热灼减率略有提高。检测结果表明，垃圾和煤混烧的循环流化床炉残渣热灼减率为0.52%〜0.79%，远比垃圾焚烧标准中的限值5%低，可进行灰渣综合利用。烟气净化装置排出的飞灰和固体反应产物因重金属和二恶英含量较高，通常被定义为危险废物。奥地利维也纳Spittelau焚烧厂二恶英检测结果［4］表明，飞灰二恶英浓度在600ng/kg~6000ng/kg范围，平均浓度为2160ng/kg，飞灰中二恶英量占总量的97.2%。瑞典Savenas焚烧厂［21］和西班牙的焚烧炉［22］检测数据也得出了类似的结果。绍兴垃圾焚烧厂飞灰二恶英和重金属含量检测结果见表4。二恶英浓度为51.02-53.87ngI-TEQ/kg，远比炉排炉产生的飞灰二恶英浓度低。这除了循环流化床焚烧炉飞灰产生量较大造成飞灰中二恶英浓度略有降低外，主要是循环流化床焚烧炉本身产生的二恶英少。从检测结果还可以看到，无论是烟气中还是飞灰中，重金属含量浓度都较低。由于循环流化床垃圾焚烧炉产生的飞灰中二恶英和重金属含量较低，使飞灰的处理相对较为容易，可以考虑灰渣综合利用。绍兴垃圾焚烧发电厂已经在灰渣综合利用方面做了大量的试验工作，用灰渣制成砖后的检测结果（表5）表明，各项指标均不超过相关标准限值，是值得探索的一条道路。4结论350〜500t/d生活垃圾焚烧循环流化床锅炉是目前我国投入实际运行的单台容量最大的循环流化床焚烧炉，通过调整掺煤比例，可以在纯烧煤和最大垃圾处理量550t/d范围运行。采用外置换热器技术，将锅炉高温过热器布置在和流化床一体化的外置换热器内，有效地解决了HCl气体对过热器产生的高温腐蚀问题。蒸汽最高温度为485r的过热器管，运行一年半多时间经检测未发现明显的高温腐蚀现象。利用流化风速调节高温过热器传热系数，能较好地实现过热蒸汽温度控制，锅炉蒸汽负荷在55%〜115%范围可保持稳定参数。垃圾和煤在循环流化床锅炉混烧，有机污染物破坏和去除率高，在烟气净化系统仅采用Ca(OH)2作为吸收剂不加活性碳的情况下，各项排放指标全部达到我国生活垃圾焚烧污染控制标准，二恶英等主要指标达到欧盟污染控制标准。灰渣重金属和二恶英含量低，用灰渣制砖各项检测指标均不超过相关标准限值。参考文献379方建华，王丽，杨振良，等.“带紧凑式外置换热器循环流化床技术及其应用”，中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文集，北京，2000年，pp245—250.。郑丹星，常元勋.“为了您和孩子一一阻击二恶英”，化学工业出版社，p41，1999年7月，北京.GHEduljee,ERMPDyke,ETSU,PWCains,PCDD/PCDFreleasesfromvariouswastemanagementstrategies,ExtractfromWarmerBulletinNo46,August,1995.Schuster,H.,Greenpeace,WasteincineratinginAustria,1999.Lindbauer,R.L.;Wurst,F.;Piey,T.Chemosphere1992,25,1409-1414.Ogawa,H.;Orita,N.;Horaguchi,M.;Suzuki,T.;Okada,M.;Yasuda,S.Chemosphere1996,32(1),151-157.BrianK.Gullett,JamesE.Dunn,K.Raghunathan,Effectofcofiringcoalonformationofpolychlorinateddibenzo-p-dioxinsanddibenzofuransduringwastecombustion.Environ.Sci.Technol.2000,34,282-290.李晓东，杨忠灿，陆胜勇，等.“氯源对焚烧炉HCl和二恶英排放的影响”，中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文集，南京，2002年，pp269—275.吕清刚，那永洁，包绍麟，等，“城市垃圾与煤在CFBC试验台上的混烧试验”，工程热物理学报，第24卷第2期，2003年3月，pp347—350.郑明辉，刘鹏岩，包志成，徐晓白.“二恶英的生成及降解研究进展”，科学通报，第44卷第5期，1999年3月，455〜463页.HagenmaierH,KraftM,BrunnerHandHaagR(1987).CatalyticeffectsofflyashfromwasteincinerationfacilitiesontheformationanddecompositionofPCDDsandPCDFs.EnvironSciTechnol,21:1080-1084.AddinkR,GoversHAJandOlieK(1998).Isomerdistributionofpolychlorinateddibenzo-p-dioxins/dibenzofuransformedduringdenovosynthesisonincineratorflyash.EnvironSciTechnol,32:1888-1893.Griffin,R.D.Chemosphere1986,15,1987-1990.Raghunathan,K.;Gullett,B.K.Environ.Sci.Te