隨著近年來我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,城市化率水平也逐年提高,城市生活垃圾的收集、消納及處理問題變得日益緊迫。相比于傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋方式,生活垃圾焚燒方式更加環(huán)保、高效,且經(jīng)濟效益顯著。根據(jù)發(fā)改委印發(fā)的《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中,垃圾焚燒在全國城鎮(zhèn)生活垃圾處理方式中所占比例將由2015年的31%提高至2020年的54%。目前,越來越多的傳統(tǒng)電力企業(yè)將目光投向了生活垃圾焚燒發(fā)電項目。與傳統(tǒng)火力發(fā)電項目類似,生活垃圾焚燒發(fā)電項目最關(guān)鍵的設(shè)備是垃圾焚燒爐(以下簡稱焚燒爐),本文針對現(xiàn)階段幾種主流焚燒爐技術(shù)路線進行對比,并對幾種爐型的優(yōu)缺點進行分析,提出了爐型選擇建議。
不同焚燒爐技術(shù)對比
生活垃圾焚燒技術(shù)在我國起步較晚,在西方發(fā)達(dá)國家已有幾十年甚至上百年的應(yīng)用和發(fā)展。受各個國家地理位置、工業(yè)技術(shù)特點及垃圾特性的影響,目前產(chǎn)生了幾十種不同的垃圾焚燒處理工藝。根據(jù)《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》(GJJ90—2009)的相關(guān)要求及合理的商業(yè)運行需要,焚燒爐選型考慮要滿足以下要求:
(1)焚燒線的數(shù)量及單條焚燒線的規(guī)模應(yīng)根據(jù)焚燒廠的處理規(guī)模、爐型的技術(shù)成熟程度等因素確定,宜設(shè)置2?4條焚燒線。
(2)所選鍋爐應(yīng)適合特大類、Ⅰ類、Ⅱ類垃圾焚燒廠。
特大類垃圾焚燒廠:全廠總焚燒能力2000t/d及以上。
Ⅰ類垃圾焚燒廠:全廠總焚燒能力1200?2000t/d(含1200t/d);
Ⅱ類垃圾焚燒廠:全廠總焚燒能力600?1200t/d(含600t/d)。
(3)垃圾在焚燒爐內(nèi)應(yīng)得到充分燃燒,燃燒后的爐渣熱灼減率≤5%,二次燃燒室內(nèi)煙氣溫度在≥850℃的條件下滯留時間不小于2s。(避免二噁英產(chǎn)生)
(4)在設(shè)計垃圾低位熱值與下限低位熱值范圍內(nèi),應(yīng)保證垃圾設(shè)計焚燒能力,并應(yīng)保證垃圾設(shè)計焚燒能力,并應(yīng)適應(yīng)全年內(nèi)垃圾特性變化的要求。
(5)焚燒爐有超負(fù)荷處理能力,垃圾進料應(yīng)可調(diào)節(jié)。
目前主流的焚燒爐的型式可分為機械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐、旋轉(zhuǎn)焚燒爐。
1 機械爐排焚燒爐
機械爐排屬于垃圾層燃焚燒爐,以爐排塊構(gòu)成爐床,靠爐排間的相對運動使垃圾不斷翻動、攪拌并推向前進。原生垃圾投入料斗后進入爐排,在自身重力及爐排推動力作用下,不斷被翻轉(zhuǎn)疏松,使之干燥,以充分燃燒。爐排分為干燥區(qū)、燃燒區(qū)、燃盡區(qū),垃圾依次通過爐排上的各個區(qū)域,直至完全燃盡排出。燃燒空氣從爐排下部或側(cè)面引入,并與垃圾充分混合,保證燃燒效率。正常運行時,爐溫維持在850℃?950℃,一般情況下,燃燒發(fā)出的熱量可以維持爐溫,垃圾熱值偏低的情況下,需要噴入燃料油作為輔助燃料。
(一)機械爐排爐的優(yōu)點
(1)單臺爐的處理量大,國內(nèi)目前已有800t/d的焚燒爐運行業(yè)績,最大可達(dá)1200t/d。
(2)垃圾在焚燒爐內(nèi)分布均勻,燃燒充分。運行時可根據(jù)爐內(nèi)垃圾焚燒狀況調(diào)整給料情況。
(3)—般情況下,無需添加輔助燃料即可使?fàn)t內(nèi)煙氣溫度在850C的條件下滯留時間不小于2s。煙氣中粉塵含量低,減輕了后續(xù)煙氣凈化系統(tǒng)的負(fù)荷,降低了運行成本。
(4)技術(shù)成熟,設(shè)備運行時間達(dá)8000h/a以上。
(二)機械爐排爐的的缺點
(1)因爐排活動和固定等關(guān)鍵部件需高溫合金鋼制造,所以設(shè)備造價較高。
(2)焚燒爐體積相對較大,相應(yīng)的占地面積增加。
(3)垃圾需要連續(xù)焚燒,不宜經(jīng)常起爐和停爐。
2 流化床焚燒爐
不同于機械爐排爐的層燃方式,流化床焚燒爐采用流態(tài)化技術(shù)進行垃圾焚燒。通常在爐內(nèi)設(shè)置石英砂作為熱載體,亦稱之為床料。在焚燒垃圾前,先將爐內(nèi)的熱載體加熱至600℃以上,使之呈沸騰狀流動,垃圾經(jīng)破碎后投入爐內(nèi),流態(tài)化的垃圾與熱載體充分混合,垃圾水分蒸發(fā),溫度升高后開始燃燒。
流化床焚燒爐由于有熱載體的存在,燃燒穩(wěn)定、對垃圾變化適應(yīng)性好、燃燒熱效率高。其缺點是對進爐垃圾粒度有要求,由于流化床焚燒爐采用流態(tài)化燃燒方式,因此垃圾中比重較大或直徑較大的成分難以實現(xiàn)流態(tài)化,進行影響燃燒效率。因此要求垃圾在入爐前需將比重較大或直徑較大的成分篩除,故需要增設(shè)大功率的垃圾破碎裝置。此外,因垃圾入爐后直接燃燒,為提高燃燒效率,需要對入爐垃圾的含水量進行控制,在入爐前對垃圾進行預(yù)處理,降低含水率。此外,流化床鍋爐檢修相對較多,年運行時間相對較短,通常只有6000?8000h。
3 回轉(zhuǎn)窯焚燒爐
回轉(zhuǎn)窯焚燒爐是在鋼制圓筒內(nèi)部襯設(shè)耐火涂料的可旋轉(zhuǎn)鍋爐,其沿軸線方向略有傾斜。垃圾由鍋爐上部投入,爐體緩慢旋轉(zhuǎn),使垃圾不斷翻轉(zhuǎn),并向爐尾移動。垃圾在爐內(nèi)逐漸干燥、燃燒,燃燼后排至除渣裝置。有時除旋轉(zhuǎn)筒體外還配有前置推動爐排或后置推動爐排,前置爐排起干燥,后置爐排起燃燼作用。但其燃燒不易控制,垃圾熱值低時燃燒困難?;剞D(zhuǎn)焚燒爐較多使用在熱值較高的工業(yè)固體廢棄物的焚燒上,在生活垃圾的焚燒中應(yīng)用較少。
幾種典型焚燒爐型特點見表1。
目前我國生活垃圾焚燒發(fā)電項目的垃圾來源主要依靠市政衛(wèi)生系統(tǒng)對城鎮(zhèn)垃圾的集中回收,垃圾來源渠道單一且分類收集規(guī)范化程度低,這導(dǎo)致入爐垃圾成分復(fù)雜、含水率較高且熱值不穩(wěn)定?;诖耍瑱C械爐排爐最適合我國垃圾特點。其不僅進料口寬,無需對垃圾分選和破碎,垃圾焚燒充分,運行穩(wěn)定。煙氣凈化系統(tǒng)進口粉塵濃度低,降低了煙氣凈化系統(tǒng)$飛灰處理費用,是最適合我國城市生活垃圾焚燒發(fā)電項目的焚燒爐型。流化床焚燒爐與傳統(tǒng)的燃煤流化床鍋爐類似,燃燒效率高、投資成本低。但需對入爐垃圾進行分選及處理。如結(jié)合項目特征,在燃煤儲量資源豐富的的地區(qū)可考慮采用流化床焚燒爐,在煤價較低的區(qū)間適當(dāng)摻煤燃燒,可提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。
主要機械爐排爐型機械爐排爐根據(jù)其設(shè)計結(jié)構(gòu)及運行方向不同,可大體分為傾斜逆向推動型(以下簡稱逆推型)和傾斜順向推動型(以下簡稱順推型)兩大類,逆推型爐排主要特點是爐排的前進方向與垃圾的輸送方向相反,爐排在運行中對垃圾有較好的攪拌和疏松作用,確保原生垃圾在爐排上持續(xù)得到翻轉(zhuǎn),有利于垃圾的干燥,提高燃燒效率;順推型爐排則通常配合不同運動方式如往復(fù)運動、滑動、翻倒、階梯跌落等,以達(dá)到充分燃燒垃圾,提高燃燒效率的目的。目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的幾種主要機械爐排爐特性對比見表2。
表2 幾種主要機械爐排爐特性對比
1 MARTIN式逆推爐排爐
MARTIN(馬丁)焚燒爐由德國MARTIN公司研發(fā),在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,目前國內(nèi)多個項目采用的是日本三菱公司生產(chǎn)的馬丁焚燒爐,見圖1。爐排為一體式傾斜逆推往復(fù)式爐排,固定爐排與活動爐排按一定的傾角(一般為26°)依次排列,由于傾斜和爐排逆推作用,底層垃圾上行,上層下行,形成不斷地翻轉(zhuǎn)、攪拌,疏松后垃圾快速干燥,并與空氣充分接觸,以達(dá)到高效的燃燒效率。燃燒空氣從爐底部送入并從爐排塊的縫隙中吹出,對爐排有良好的冷卻作用。
圖1 MARTIN(馬丁)焚燒爐
爐排的特點:
(1)逆推式設(shè)計,燃燒效率較高。垃圾沿爐排表面向上滑動,使新入爐的垃圾的干燥燃燒可在很短時間內(nèi)完成。
(2)垃圾在爐內(nèi)停留時間較長,燃盡區(qū)殘留可燃物可通過逆推方式送回燃燒區(qū),使燃燒更充分。
(3)垃圾層充分?jǐn)嚢?,燃燒狀態(tài)穩(wěn)定。
2 SITY-2000式逆推爐排爐
SITY—2000型焚燒爐由法國Alstom公司開發(fā),爐排整體結(jié)構(gòu)與MARTIN爐排相近,其在燃燼段又增加了一段爐排,使整個爐排分成二段,分別采用二套液壓傳動裝置驅(qū)動,見圖2。爐排與爐排片均向下傾斜,爐排的下傾角為24°?;顒訝t排片與固定爐排片呈階梯式縱向交互配置。垃圾在爐排上靠重力向下滑落,底層垃圾受可動爐排片逆向運動的推力而涌向上層,達(dá)到翻攪作用。目前,重慶三峰卡萬塔環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司引進該技術(shù)爐型并進行自主生產(chǎn)。
圖2 SITY-2000型焚燒爐
爐排的特點:
(1)改進型的馬丁爐,燃燒效率更高,適合中國垃圾高水分、低熱值的特點;
(2)焚燒性能良好,灰渣未燃燼率0.7%?2%,煙氣中飛灰含量<3g/m3;
(3)運行過程燃燒狀態(tài)穩(wěn)定,爐排空氣冷卻高效;
(4)投資、維護成本低。
3 SEGHERS式多級爐排爐
SEGHERS(西格斯)爐排爐是由比利時SEGHERS公司開發(fā)的由不同爐排單元組成的順推往復(fù)階梯式多級爐排爐。每個標(biāo)準(zhǔn)爐排單元都有3種形式:滑動、翻動和固定,見圖3、圖4。爐排共分5段,由4個標(biāo)準(zhǔn)爐排單元和1個較長的未端燃燼爐排單元構(gòu)成,每段都有各自的液壓調(diào)節(jié)機構(gòu),且助燃空氣也可根據(jù)垃圾在爐排上的燃燒情況進行多段分別調(diào)節(jié)。垃圾在爐排上的運動方向與爐排運動方向相同,靠多段跌落實現(xiàn)垃圾的充分翻倒和攪拌,以提高鍋爐燃燒效率。
圖3SEGHERS(西格斯)焚燒爐(1)
SEGHERS爐排爐的每一段爐排不僅具有往復(fù)運動的功能,而且具有翻動的功能。滑動爐排推動垃圾向前運動并決定了垃圾層厚度及停留時間,擺動爐排則起到攪動垃圾層的作用。目前,深圳市能源環(huán)保有限公司引進該技術(shù)爐型并進行自主生產(chǎn)。
爐排特點:
(1)燃燒效率高,適應(yīng)于寬范圍熱值變化的垃圾的燃燒,負(fù)荷變化范圍為70%?110%;
(2)水平的垃圾輸送與垂直的攪動、鼓風(fēng)相互獨立運動,各部位獨立控制,使系統(tǒng)燃燒狀況易于控制調(diào)整。特別適應(yīng)于我國低熱值、高含水率的垃圾;
(3)各燃燒段由不同的送風(fēng)機單獨供風(fēng),調(diào)節(jié)性強。采用水平供風(fēng)而非垂直供風(fēng),降低爐排縫隙的漏風(fēng)率。
4 TAKUMA-SN型爐排爐
TAKUMA—SN型爐排是由日本田熊株式會社開發(fā)的順推階梯式往復(fù)搖動爐排,其組成為給料裝置、干燥段、燃燒段、燃燼段爐排,見圖5。其中干燥爐排設(shè)計成傾斜的,燃燒及燃燼爐排均為水平布置.既可有效輸送垃圾,同時又降低了焚燒爐的整體高度。沿垃圾前進方向交替設(shè)置固定段和可動段,垃圾邊攪拌邊被推動向前。為有效進行垃圾的翻轉(zhuǎn)攪拌,各爐排間設(shè)計有落差,使垃圾中的可燃成分與燃燒空氣充分接觸,完全燃燒。
干燥爐排設(shè)計成8°的傾斜角,干燥爐排與燃燒爐排間有650mm的落差,燃燒爐排與燃燼爐排間有500mm的落差。采用四個驅(qū)動單位:一個在干燥階段,二個在燃燒階段,一個在燃盡階段,通過調(diào)整各獨立驅(qū)動單位的速度,能控制垃圾和灰層的厚度。垃圾每前進一段即沿25°傾角被向上抬起,反復(fù)翻轉(zhuǎn)攪拌,使垃圾高效燃燒。
因日本的垃圾分類系統(tǒng)成熟,垃圾熱值較高,此種焚燒爐的特點能夠得以充分發(fā)揮。根據(jù)國內(nèi)已建成的項目實際使用情況,其對中國熱值低、含水率高的垃圾適應(yīng)性不十分滿意,冬季爐膛溫度有時達(dá)不到設(shè)計值。
結(jié) 論
生活垃圾焚燒發(fā)電符合國家實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,是今后我國大中型城市固體廢棄物處理的發(fā)展方向。其中機械爐排焚燒爐技術(shù)完善可靠、焚燒容量大、對垃圾適應(yīng)性強、運行維護方便,更適合我國垃圾熱值低、含水率高的特點,是大中城市生活垃圾焚燒發(fā)電項目的首選。SEGHERS爐排、SITY—2000型爐排技術(shù),可實現(xiàn)垃圾良好的攪動,配合良好的爐排出風(fēng)方式,和較高的一次風(fēng)壓,可保證垃圾在爐排上的充分燃燒,最大程度提高燃燒效率。且二者均已由國內(nèi)公司引進生產(chǎn),有多個成功投運案例,無論是初期投資還是后期運行維護成本均有明顯優(yōu)勢。
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