流化床垃圾焚烧发电技术
摘 要:介绍了焚烧方式处理垃圾的有利性和流化床垃圾焚烧发电技术, 分析了基于流化床焚烧炉的垃圾、污泥、煤焚烧发电技术, 讨论了流化床垃圾焚烧发电技术的优缺点和发展前景。
关键词:流化床; 垃圾; 污泥; 焚烧
引言
城市生活垃圾泛指一切生活废弃物, 包括居民生活和公用行业(交通运输、道路清洁、公共场所等) 产生的各种废弃物。焚烧方式处理垃圾周期短, 减容、减量作用大, 无害性、稳定性好, 余热还可供热或发电, 达到垃圾处理的资源化效果, 它比填埋和堆肥方式处理垃圾在环境保护和资源利用方面具有明显的优势。目前焚烧方式处理垃圾主要有垃圾直接焚烧、垃圾衍生物RDF 焚烧、垃圾热解焚烧等, 本文主要讨论垃圾的直接焚烧发电技术。
1 流化床垃圾焚烧发电技术
一般而言, 当垃圾低位发热值在3 350 kJ/kg以上, 含水量比重小于50 %, 可燃物比重在35 %以上, 就可以采用直烧方式处理垃圾, 并可利用余热来供热或发电。垃圾具有非均匀性及多变性, 其组分、情况等会随着收集地点的不同和季节的变化有很大差异, 且含有重金属、砖瓦等不可燃物, 因此垃圾焚烧发电技术的核心是保证垃圾焚 烧过程的稳定性和彻底性。同时由于垃圾的发热值较低, 垃圾焚烧炉应设计成能使垃圾在炉膛内彻底的干燥、混和以及松散, 使垃圾充分燃烬, 此外, 应能适应垃圾成分在更大范围内的变化。流化床燃烧技
术是近30 多年来迅速发展起来的一种新型清洁高效燃烧技术。流化床焚烧炉炉膛下部布置有耐高温的布风板, 板上装有作载热媒体的惰性颗粒, 通过床下布风(一次风) 产生流态化。燃料从流化床上部或侧部送入炉内, 发生激烈翻腾和连续不断的循环流动, 通过干燥、搅拌、破碎、混合, 并被分解气化, 产生的气体在流化床炉膛上部与从炉侧壁沿切线方向高速吹入的二次风混合焚烧(也有不采用二次风的) 。流化床的运行床温一般不超过850 ℃, 流化床维持稳定燃烧的床温最低不能低于750 ℃, 在流化床中, 只要保证床温在680 ℃以上, 挥发分就能着火燃烧, 挥发分的燃烬率很高, 究其原因是流化床的主要燃烧反应实际上发生在炉床的上方, 床内的气化燃料释放出来的挥发性组分, 从床内流出进入无挡板的第二燃烧区, 从而使大部分残留燃料在床内燃烬。流化床焚烧炉燃料适应性广, 燃烧热效率高, 能有效控制SO2 和NOX 等有害气体的产生, 燃烧热强度高, 设备体积小, 单位投资少, 在低热值燃料(煤矸石、洗煤泥、垃圾、RDF 、污泥等) 焚烧方面有明显的优势。我国垃圾成分较复杂, 含水量较高, 发热值较低, 而流化床焚烧技术无疑是我国目前实现垃圾高效、稳燃、低污染的一项重要技术措施。流化床焚烧炉按其气体流化速度的大小和分布可分为鼓泡流化床、循环流化床和内循环流化床焚烧炉等。鼓泡流化床采用均匀布风, 在废弃物焚烧方面应用较多, 仅日本就有100 多台, 但鼓
泡流化床焚烧炉的横向扩散能力较差, 不利于废弃物在床内混合。内循环流化床ICFB 采用非均匀布风, 由低速移动床与高速流动床构成
复合结构, 除具有鼓泡床的技术特点如在较低的流化速度下实现了颗粒在流化床内的循环运动, 使燃料在床内很快的均匀扩散外, 还具有许多独特优点。加拿大、日本等国都已开发出了内循环流 化床焚烧炉, 中国科学院力学研究所也独立开发了有其特色的内循环流化床焚烧炉, 床内不设有各种隔板或提升管等, 床内可能通过非均匀布风形成大尺度回旋运动, 不但能促进燃料与床料的混合, 而且还有利于燃料在炉内的干燥、破碎等, 同时还可使大块不燃物逐渐下沉, 通过倾斜布风板排出; 试验也表明内循环流化床床内的埋管特性亦有利于控制燃烧和传热, 该炉型适合于垃圾的焚烧处理。 2 流化床垃圾、煤混烧发电技术
垃圾与煤的混烧是基于流化床燃烧技术的一种焚烧模式。浙江大学热能工程研究所利用其开发的异重流化床系统进行了垃圾、煤的中试试验, 收到了良好效果 。异重流化床床内由重度不同的颗粒组成, 床内颗粒沿炉膛高度的分布受颗粒重度的支配, 这样可以基本防止大块垃圾的沉积和垃圾碎屑的飘浮, 保证稳定燃烧, 同时能有效控制SO2 、NOX 、HCl 等二次污染物的生成, 对我国垃圾治理、环境保护由政府行为变为企业行为具有积极的意义。泰国在1996 年建成了该国首座垃圾焚烧发电厂[ 2] , 年处理垃圾16 万t , 发电20 MW , 采用循环流化床焚烧按3 :7 相配的垃圾和褐煤。锅炉出力为98.2 t/h , 垃圾与褐煤在入炉前分别从2 个独立的系统输入, 一次风从炉膛底部进入使炉内获得流化态, 二次风从炉膛上部引入来控制床温, 通过调整一、二次风比能够有效调节床内传热和
在很大程序上控制床温。炉内良好的燃烧条件降低了NOX 和CO 的排放, 炉内相对低的燃烧温度(850 ℃～ 870 ℃) 和强烈的搅拌混合, 提高了石灰、氨等抑制NOX 、SO2 排放填加剂的作用, 同时还能有效减少HCl 、dioxins 等的排放。采用流化床燃烧技术实施煤和垃圾的混烧, 需比常规燃煤电厂增加垃圾预处理系统和灰渣处置系统, 总投资无疑是很大的, 但与单机容量相同的常规燃煤机组相比, 具有显著的经济优势。垃圾、煤混烧机组应保证连续满发, 可比常规燃煤机组多发电, 还能节约燃煤, 延长垃圾填埋场使用年限, 减少环境 污染, 达到经济效益与社会效益的双丰收。
3 流化床垃圾、污泥混烧发电技术
污泥主要来自工业和城市废水处理后的终端产物, 我国每年产生的污泥量相当可观, 污泥处理总的目标也是应实现无害化、减容(量) 化和资源化。近期引起世人广泛关注的二恶英主要来自于废水处理(包括生活污水和工业污水) 形成的污泥, 并且污泥中dioxins 含量较高。焚烧过程构成了环境中二恶英的本底来源, 焚烧时以烟尘形式进入大气, 而发生较长距离的迁移, 最后沉降于地表, 焚烧不完全或较低温度时容易产生。污泥中有机物含量高, 则热值高; 但含水率高, 又会使热值降低。目前国内活性污泥的机械脱水效率一般是50 % ～ 75 %, 一般干活性污泥的热值为10MJ/kg 多, 则其热值只有15 ×(1 -0.75)=3.75MJ/kg =3 750 kJ/kg(含水率按75 %计, 热值按15MJ/kg 计), 因此, 选择一种合适的焚烧炉来进行污泥高效焚烧处理就显得十分重要。特别是造纸污泥在焚烧前要经过二次脱水, 脱水
污泥的含水率与所选用的脱水设备及其运行状况有关, 对造纸污泥进行冷态流化床试验后发现, 造纸污泥无法单独流化, 必须掺入度适中的惰性物料, 构成异比重床料, 才能获得良好的流化。造纸污泥在异重流化床焚烧炉内可以形成一定强度的结团, 能实现良好着火,NOX 、SO2 、氟、氯、重金属等排放均能满足环保要求, 不致引起二次污染[ 7] 。目前美国污泥的25 %、日本污泥的55 %、欧共体污泥的11 %进行焚烧处理并发电; 美国公司采用循环流化床焚烧包括造纸污泥、废木材、煤等多种燃料, 蒸发量为181 t/h ; 日本的Oji 纸业公司于1985 年投运了据称是世界上第一台以造纸污泥为主燃料的流化床锅炉, 其最大连续蒸发量为42 t/h , 采用污泥与树皮混烧, 如两者不能够维持床温, 则自动加入重油助燃。发达国家还将垃圾与污泥进行流化床混合焚烧 , 即利用垃圾焚烧排出的气体在粉碎干燥机内把污泥粉碎、干燥, 然后再使之在流化床焚烧炉内进行混烧脱臭处理, 流化床垃圾、污泥混烧发电技术比垃圾、污泥单独焚烧具有一些明显的优势。①系统本身具有较高的干燥效率, 即使含水率较高的污泥也基本不需填加辅助燃料; ②污泥在炉内悬浮燃烧, 几乎不需再增加炉床面积; ③易于实现持续、稳定、安全发电, 并能不增加CO2 排放; ④流化床焚烧炉能有效控制二次污染和实现高效稳燃。 4 结论
流化床焚烧炉对燃料颗粒物质的粒径、尺寸及馈入的燃料量要求较严, 预处理过程比较复杂, 垃圾、污泥等固体废弃物在炉内悬浮燃烧时消耗动力比较大, 磨损也较严重, 烟气在排入大气之前, 还需
用高效除尘系统除去烟气中携带的颗粒物质, 同时流化床焚烧炉的大型化过程中的某些技术也制约其广泛应用。我们认为应着重加强以 下几方面的研究。①流化床焚烧炉的大型化和新型式流化床的开发; ②异重流化床、内循环流化床中垃圾、污泥等固体废弃物的焚烧及污染物排放特性的研究; ③建立流化床焚烧炉内煤、煤矸石、洗煤泥、垃圾、RDF 、污泥等燃料特性及不同配比数据库, 并通过不断试验加以充实; ④倡导实行垃圾分类收集和努力简化流化床焚烧炉入炉前的燃料预处理措施; ⑤尽量减小流化床焚烧炉粉尘排放量及载热媒体飞出量; ⑥降低流化床焚烧炉的投资、运行费用, 使其适应医院等特殊有毒有害液体垃圾的焚烧处理。
参考文献
毛玉如《刘晓峰. 城市生活垃圾焚烧发电》
毛玉如, 武全平, 夏同棠. 《城市生活垃圾焚烧发电的现状、分析与展望》
李爱民. 《城市垃圾焚烧技术探讨》
余化良. 《我国城市生活垃圾焚烧发电模式研究》