摘 要：随着经济和生活水平的提高，生活垃圾越来越多日益影响着环境，城市垃圾的处理方式主要有填埋、焚烧和堆肥三种方式，其中垃圾焚烧方式节约土地资源，对垃圾处理彻底、自动化程度高，几乎不存在二次污染。垃圾焚烧的主要炉型有炉排焚烧炉、静态连续焚烧炉、旋转窑焚烧炉和流化床焚烧炉并分别进行介绍。最后根据山西和光电厂的垃圾特性合理选择流化床垃圾炉型作为本工程的炉型。
关键词：焚烧炉,循环流化床锅炉,生活垃圾,堆肥
1. 前言
随着社会经济的发展，人们的日常生活水平也在逐步提高。随之而产生的城市生活垃圾也越来越多。目前，全球垃圾历年存储总量已达60亿t。以北京市为例，2005年垃圾产量为14710t/d，并且垃圾的产生量呈高速增长趋势。垃圾中含有大量的细菌及有害物质，对人的身体健康产生极大的威胁。因此，垃圾处理问题已成为影响我国实现可持续发展战略目标的障碍之一。
目前,城市垃圾的处理方式主要有填埋、焚烧和堆肥三种方式，其中垃圾焚烧方式节约土地资源，对垃圾处理彻底、自动化程度高，几乎不存在二次污染，并可供热、发电回收能源，其特点是减量性好，无害化程度高，防污彻底，实现综合利用。
2. 工程概况
山西和光能源有限公司2×12MW垃圾焚烧发电机组工程，属生活垃圾无害化、减量化处理、资源综合利用、环境保护及节能减排工程。原生垃圾经筛选破碎、存放适量脱水和发酵后，垃圾热值会有所提高，同时考虑到随着城市的发展，垃圾的热值会相应提高，本项目按垃圾热值1500 kcal/kg(6279kJ/kg)进行设计垃圾成分分析见下表(湿基，%)
3. 垃圾焚烧炉炉型
下面分别选取已进入实用状态并且有特点的炉排焚烧炉、静态连续焚烧炉、旋转窑焚烧炉和流化床焚烧炉进行介绍。
3.1 炉排焚烧炉
3.1.1 马丁型炉
3.1.1.1 马丁型炉的基本结构与燃烧机理
垃圾由料斗进入料井,充满料斗与料井,使炉室封闭。根椐燃烧控制的指令使用液压式加料器按设定的速度将垃圾加入炉内。炉内设有由固定炉排块与运行炉排块组成的炉床,通过炉排的运行将垃圾不断搅动并将其推向前进,经过干燥、燃烧、燃烬3个过程,燃烬渣的炉渣由排灰滚筒推入推灰器。一次空气由炉床下的空气室通过炉排块穿过垃圾层,同时与垃圾发生反应,使垃圾燃烧生成尾气与灰渣。为减少尾气中的酸性气体,一次空气采用缺氧供应,炉温控制在850℃左右;尾气进入二次燃烧室,在二次风的帮助下继续燃烧,二次燃烧室温度为950~1 000℃,烟气在炉内停留时间1 s以上。在炉子的末端设有柴油助燃喷嘴,在启动升温时或燃烧不稳时助燃。
3.1.2 底特律(Detroit)炉排焚烧炉
底特律炉排是一家美国专业制造炉排的公司制造的,这种炉排是固定炉排片和移动炉排片交错排列的往复式炉排,各段之间都有一垂直方向高度差,
使垃圾经过时突然降落,达到搅拌和翻转的目的。炉排的3段分别是给料段、燃烧段、燃烬段,给料段上垃圾被干燥和挥发,通常不发生燃烧。垃圾翻滚到燃烧段,基本完成燃烧,再滚落到燃烬段得以燃烬。
3.1.3 倾斜式往复炉排焚烧炉
牡丹江市环境保护设备厂的示范工程于1996年12月29日通过黑龙江省科委组织的专家会议鉴定,成为我国第一台自行研制的应用往复炉排垃圾焚烧炉。低位发热量大于3360kJ/kg的垃圾,无需分选直接投入炉中能充分燃烧。倾斜式往复炉排的炉排与水面成25°夹角,炉排宽1·5 m,长6·5 m,每列有10排炉排片,固定炉排与活动炉排相同排列,活动炉排片由油缸驱动作往复运动,由于炉排片的特殊结构,使炉床上的垃圾移动均匀,并在移动过程中进行搅拌和翻滚,使垃圾得到足够的空气进行燃烧,在炉内快速燃烬。炉排下面配置4个独立的风室,将炉床分成不等的4个部分,经过预热的空气通过各个风室的风门从炉排下部吹入,各风门的设计使送风量能分别适合该部分燃烧的要求,使垃圾在炉床上面移动过程中依次经过干燥、燃烧和燃烬3个阶段而被彻底燃烬。由于该设备实现了全部国产化,价格为进口设备的1/5。但由于未经过长时间的运行考验,其可靠性还需进一步考察。
3.2 静态连续焚烧炉———CAO技术
CAO技术是加拿大瑞威环保公司根据空气控制理论研制的。它是根据“模块化”燃烧技术设计，适用于热值高的垃圾。整个燃烧过程分为热分解和燃烧两个过程,分别在两个燃烧室中进行。通过控制两个燃烧室的供氧以控制温度,使垃圾中的有害物质充分分解。尾气经过CCS排气处理系统得到进一步处理,然后经过烟囱排入大气。从理论上讲,静态焚烧可以适用各种垃圾或不含特殊有害物质的工业垃圾。
3.3 流化床焚烧炉
流化床焚烧炉的特征在于其特设的垃圾供给装置、不燃物排出装置、床料循环装置和分捡装置。流化床焚烧炉是利用流态化技术进行焚烧垃圾,在炉内有大量的石英砂作为热载体。流化床在焚烧垃圾前， 通过喷油燃烧将炉内的石英砂加热至600℃以上， 垃圾经破碎至5cm以下的粒度投入炉内,流态化的垃圾与媒体强烈混合,垃圾水分很快蒸发,使垃圾变脆而燃烧。流化床焚烧炉由于有热载体的存在， 燃烧稳定、对垃圾变化适应性好、燃烧热效率高。 由于炉内燃烧温度可控制在850℃左右， 因而可降低NOX的产生, 同时可在炉内直接喷入石灰, 与SOX、HCL 等酸性气体反应, 达到去除酸性气体的目的。
3.4 旋转窑焚烧炉
旋转窑焚烧炉是在钢制圆筒内部装设耐火涂料或由冷却水管与钻孔钢板焊接成圆筒状, 筒体沿轴线方向呈小角度倾斜。在焚烧垃圾时，垃圾由上部供应，筒体缓慢旋转，使垃圾不断翻转并向后移动，垃圾逐渐干燥、燃烧、燃烬，然后排至排渣装置。 有时除旋转筒体外还配有前置推动炉排或后置推动炉排，前置炉排起干燥作用，后置炉排起燃烬作用，配冷却水管的旋转炉对垃圾适应性强、设备利用率高、燃烧较完全、过量空气系数低，但其燃烧不易控制，垃圾热值低时燃烧困难。
4 垃圾焚烧炉的选型
根据目前垃圾焚烧发电运行的经验，国内垃圾焚烧发电技术正逐步成熟，但各种技术水平参差不齐。主要应用的技术有炉排炉和流化床炉。炉排炉有直接引进国外设备;有引进国外技术国内制造;也有国内自行研制的炉排炉。 国内研制的流化床焚烧炉采用垃圾与煤混烧的方式。
以下针对国内主流的炉排炉和流化床炉进行比较选型，影响垃圾焚烧炉选型的因素主要有以下几点：
4.1 垃圾水分
垃圾焚烧炉在处理垃圾水分时有两个要求：⑴可以快速的除去垃圾水分，将垃圾烘干;⑵对不同水分的垃圾均能保持稳定的燃烧。炉排炉在烘干垃圾这个方面有其突出的优势，沿炉排长度，依次分为干燥段、燃烧段和燃烬段。在给料装置与炉膛连接部分，该处的温度要比炉内略低一些，约400℃～500℃。垃圾在此处不能正常燃烧，但是对于垃圾的干燥非常有利。400℃～500℃的高温、30%～50%的送风量，都使得垃圾中的水分可以迅速蒸发，在1m～2m的距离内完成垃圾的干燥阶段。垃圾进入循环流化床锅炉后直接参与燃烧，没有干燥阶段，因此，循环流化床锅炉对入炉垃圾的水分有严格的要求，含水量不超过30%。大量的水分进入炉膛，严重影响炉内的燃烧工况，甚至造成灭火、床面结焦等严重的问题。综合以上分析，高水分垃圾适合在炉排炉中进行燃烧。
4.2 垃圾的热值
垃圾热值是决定各种焚烧炉能否正常燃烧的关键因素，同时也影响着辅助燃料的使用情况。炉排炉对垃圾热值较为敏感，低热值垃圾在炉内燃烧时需要使用大量燃油作为辅助燃料。循环流化床锅炉在燃用低热值垃圾方面具有独特的优势，其炉膛内储有大量的高温床料，蓄热量大。新加入的垃圾量仅占床料仅占床料量的5%左右。垃圾发热量对炉内总热量的影响不大。只要垃圾热值达到焚烧炉要求的基本热量，循环流化床锅炉就可以实现其稳定燃烧。因此，低热值垃圾适宜在循环流化床锅炉中进行燃烧。
4.3 停留时间
停留时间有两重含义：①烟气在炉内的停留时间。国家标准中关于烟气在炉内的停留时间由明确的规定：“垃圾焚烧炉的烟气在不低于860℃的环境中的停留时间不小于2s”。炉排炉设置有燃烧室和再燃室，保证烟气在炉内高温部分有足够的停留时间，最高温度可以达到1000℃，保证烟气中的有毒成分可以充分分解。综上所述，垃圾自入炉至灰渣排出炉外的总时间。各炉型在保证稳定燃烧的情况下，均可以达到焚烧要求中关于垃圾在炉内停留时间的规定。
4.4 炉内气流的湍流度
炉内气流的湍流度对垃圾的充分燃烧有决定性作用。炉内气流的湍流度越大，气固接触就越充分，可燃物与氧气接触几率增加，燃烧更为充分。炉排炉中，增大气流的湍流度，可以对成团垃圾进行翻动，使层内垃圾得到更多的燃烧空气，以提高燃烬度。炉排炉内气流的湍流度在三种炉型中式最差的。循环流化床锅炉中，炉内呈流态化沸腾燃烧，是所有炉型中湍流度最大的。垃圾入炉后，即随同气流一起形成沸腾状流动，在强湍流中迅速完成换热、传质、燃烧。因此，循环流化床锅炉在气体湍流度方面有其独特的优势。
4.5 炉内过量空气系数
炉内过量空气系数关系到炉内燃烧、有害物质分解、排烟温度、锅炉效率等，是焚烧炉选型中的重要因素。炉排炉因其层状燃烧，为使气体可扩散至垃圾层内，炉内过量空气系数极大，导致锅炉排烟温度升高，最高可达280℃，锅炉效率下降，一般炉排炉的热效率仅为50%～60%，能量浪费严重。加装余热锅炉后，热效率仅为70%～75%。在循环流化床锅炉中，垃圾在炉内呈流态化燃烧，气固接触充分，可以在较小的过量空气系数条件下实现高燃烬率，且炉膛严密，漏风系数小于0.05，排烟温度可以控制在140℃～160℃之间，锅炉效率可以达到90%左右。循环流化床锅炉在控制炉内过量空气系数方面有独特的优势。
4.6 气体污染物的脱除条件
垃圾燃烧后产生的气体污染物主要有：酸性污染物HCL、SOx，氮氧化物NOx，有毒物质二噁英、呋喃等。三种炉型均能有效的控制二噁英、呋喃等有毒物质的排放，同时，采用碱中和、活性炭吸附、布袋除尘等手段进行烟气净化。在燃烧的同时，除去部分污染物。因此，循环流化床锅炉在气体污染物的治理方面有独特的优势。
5 结论
我国生活垃圾中具有热值构成的垃圾数量较小，热值太低，因此垃圾焚烧时必须补充大量辅助燃料(燃油和煤)才能运行，使我国垃圾焚烧长时间以来难以大量推广。
东方的饮食文化生活习性与西方饮食文化生活性的巨大差异。使两种生活垃圾构成具有质和量上的不同。我国生活垃圾构成具有三高一低的特点：一高是厨房垃圾比例高，达到42~51%最高达67%;二高是灰渣、泥砂、砖石、陶瓷、玻璃比例高，占厨房垃圾的50~60%;三高是水份高(45~60%最高达83.2%),一低是具有热值的垃圾比例少低位发热量低(800~1500KCal/kg);西方发达国家生活垃圾构成具有三低一高的特点：一低是厨房垃圾数量低(6~26%)，二低是灰渣泥砂比例低5%，三低是水份含量低(10~25%);一高是具有热值的垃圾低位发热量2500~4000KCal/kg。
循环流化床锅炉在燃用低热值垃圾方面具有独特的优势，其炉膛内储有大量的高温床料，蓄热量大。新加入的垃圾量仅占床料仅占床料量的5%左右。垃圾发热量对炉内总热量的影响不大。只要垃圾热值达到焚烧炉要求的基本热量，循环流化床锅炉就可以实现其稳定燃烧。低热值垃圾适宜在循环流化床锅炉中进行燃烧。
循环流化床锅炉在气体污染物的治理和在控制炉内过量空气系数方面有独特的优势。
综上几点，针对本工程的垃圾低热值、过量空气系数、尾部烟气处理及从造价考虑，本工程推荐采用循环流化床锅炉。
参考文献：
1、张晓杰 国内现有垃圾焚烧炉简介 《东北电力技术》2000年第4期
2、李晓民 垃圾焚烧发电厂焚烧炉的选型 《新能源》2010年6月 第3期
3、石发聚 城市生活垃圾焚烧发电技术及焚烧炉的选型 《福建农机》2005 年第 3 期
