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城市垃圾焚燒發電廠鍋爐爐型的選擇

  來源:安全管理網 
評論: 更新日期:2020年05月25日

摘要:介紹了四川某地級市新建城市垃圾焚燒廠焚燒爐爐型的確定方案,結合該城市生活垃圾特性和環境特點,通過工藝過程和技術經濟的分析與比較,為焚燒爐爐型的選擇提供參考。

關鍵詞:生活垃圾;熱值;焚燒;流化床;爐排爐

1 概述

四川某地級市(川西南)垃圾焚燒發電廠項目,廠址距市中心約30公里,緊鄰城市垃圾填埋場。設計規模800t/d,焚燒處理該市以及周邊區縣的城市生活垃圾,并利用余熱發電。

項目建設2條焚燒線,選用2臺額定處理量為400t/d,最大處理量500 t/d的垃圾焚燒爐,單臺余熱鍋爐額定產蒸汽量42t/h,最大產蒸汽量48t/h。

1.1 垃圾特點

重慶市環境衛生監測站于2010年12月對該市及周邊地區的生活垃圾就成分、含水率、熱值進行檢測。

從檢測結果看出該市及周邊地區的生活垃圾具有如下特點:

(1)含水率高。一般約在50%~60%,而發達國家約為25~45%;

(2)熱值較低。收到基垃圾平均低位發熱值為3200~4500 kJ/kg,發達國家為8300~12500kJ/kg;

(3)成分復雜。由于該市城市垃圾未實行分類收集和分檢,同時由于不同地域、不同季節、不同生活水平也使垃圾的成分相去甚遠,垃圾中的有機物和可燃物比例低于沿海等發達城市。

1.2 垃圾熱值確定

該城市生活垃圾化學特性見表1:

014.png

對該市生活垃圾的熱值情況分析如下:

(1)參考本地垃圾和周邊垃圾熱值狀況。成都市2004年一月至九月垃圾熱值在2219~9353kJ/kg之間波動,平均熱值為5557kJ/kg。重慶市2001年一月至2001年十二月垃圾熱值在3874~5204kJ/kg之間波動。

(2)垃圾熱值隨季節波動情況:一年內夏季熱值最低,冬季最高,相差1465~2930kJ/kg。

(3)常年垃圾熱值波動范圍:垃圾處理廠運行期30年,根據我國經濟增長水平,隨著市民生活水平逐步提高,垃圾熱值相應增大,沿海經濟發達地區的垃圾熱值明顯高于內地城市就是例證。

(4)垃圾收集運輸及垃圾貯存倒堆技術狀況會使垃圾的水分發生變化,進而影響其熱值。

(5)垃圾管理規范化程度,也一定程度影響垃圾有回收價值(例如橡膠、塑料及紙張等)的成份比率進而影響垃圾熱值。

(6)垃圾設計熱值和焚燒爐處理量的匹配。

(7)參考國內外垃圾熱值的變化記錄,如日本在上世紀六十年代的垃圾熱值為4186kJ/kg,到了八十年代的時候垃圾熱值已到達6700 kJ/kg,到了九十年代的時候已高達8270 kJ/kg;深圳市市政環衛綜合處理廠最初的設計熱值為4186kJ/kg,而現在已達到5440~6280kJ/kg。

根據垃圾焚燒廠一般工藝流程,垃圾進入焚燒廠后先卸入儲料坑,儲存幾天后再進入爐內焚燒,垃圾經儲存后物理化學性質將會發生較大變化。根據測定,生活垃圾儲存4~5天后,含水率降低10%左右,垃圾熱值能增加420~840kJ/kg。

參考我國已運行的垃圾焚燒廠生活垃圾實際采樣分析熱值與實際運行情況,根據對我國城市生活垃圾熱值的設計經驗及實際運行情況,本工程運行期內的垃圾設計值按6600kJ/kg(1577kcal/kg)考慮??紤]到垃圾熱值隨季節變化比較大,焚燒爐適用范圍最低4186kJ/kg(1000kcal/kg),最高為8778kJ/kg(2100kcal/kg),以保證焚燒爐在較寬的垃圾熱值范圍內都能穩定的運行。

2 焚燒爐爐型選擇

目前國內用于生活垃圾焚燒爐爐型主要有流化床焚燒爐、機械爐排爐、熱解焚燒爐、回轉窯焚燒爐等四類。由于熱解焚燒爐、回轉窯焚燒爐在生活垃圾焚燒中應用較少,循環流化床垃圾焚燒鍋爐和機械爐排爐在生活垃圾焚燒中應用較廣,對本工程均有一定的適應性。為便于提出切實可行、經濟合理的爐型選擇方案,重點對循環流化床垃圾焚燒鍋爐和機械爐排爐兩種方案進行了技術經濟比較,并提出推薦意見。

2.1 技術比較

2.1.1 爐型工作原理及特點

(1)流化床焚燒爐

工作原理:爐體是由多孔分布板組成,燃燒系統由爐膛、高溫旋風分離器、返料器三部分組成,采用外置式換熱器、布風板和超大垃圾排渣口,床料為爐渣或石英沙,蓄熱量大,在焚燒垃圾時,采用幾十倍于垃圾量的石英砂(或爐灰)作為床料(熱載體)加熱垃圾燃料,垃圾和床料都處于流化狀態,它們之間的接觸、摻混和熱交換都十分強烈,瞬時即可干燥高水份含量的垃圾,并在幾秒之內把它引燃,使其穩定燃燒直到完全燃燼。

特點:循環流化床鍋爐操作方便,運行穩定,燃料效率高,負荷調節范圍寬,污染物排放低,熱強度高,適合燃用低熱值燃料等優點。流化床燃燒充分,爐內燃燒控制較好,因而適合焚燒低熱值、高水份的生活垃圾,其殘渣中的未燃份額(即爐渣熱灼減率)<2%。因而避免了床的急冷急熱現象,燃燒穩定。垃圾的干燥、著火、燃燒幾乎同時進行,無需復雜的調整,可通過改變燃料量、風量、一二次風比和外置換熱器吸熱量來實現負荷調節,燃燒控制容易,易于實現自動化和連續燃燒。但煙氣中灰塵量較大,對燃料粒度均勻性要求較高,需要設垃圾預處理線,石英砂對設備有一定磨損。

流化床爐燃燒技術是本世紀六十年代初得到迅速發展起來的一種新型清潔燃燒技術。該工藝燃燒比較復雜、水分比較多的垃圾也能夠把垃圾燃燒徹底,溫度也比較高,投資也比較低。

(2)機械爐排焚燒爐

工作原理:采用層狀燃燒技術,垃圾通過進料斗進入傾斜向下的爐排(爐排分為干燥區、燃燒區、燃盡區),由于爐排之間的交錯運動,將垃圾向下方推動,使垃圾依次通過爐排上的各個區域(垃圾由一個區進入到另一區時,起到一個大翻身的作用),垃圾在爐排上著火,熱量來自上方的輻射和煙氣的對流,以及垃圾層的內部。爐排上已著火的垃圾通過爐排的特殊作用,使垃圾層強烈的翻動和攪動,引起垃圾底部的燃燒。連續的翻動和攪動,也使垃圾層松動,透氣性加強,有利于垃圾的燃燒和燃燼。

特點:爐排的材質要求和加工精度要求高,要求爐排與爐排之間的接觸面相當光滑、排與排之間的間隙相當小。不需要對垃圾進行預處理。技術比較成熟,國內外應用較廣泛。但該爐型機械結構復雜,損壞率高,維護量大。爐排爐造價及維護費用高。我國垃圾沒有嚴格分類,垃圾中含水率較高、成分復雜,熱值低,很難把垃圾焚燒透徹,爐內溫度難以提高,因此造成二次污染的可能性大。

2.1.2 應用情況

機械爐排爐采用層狀燃燒技術,具有對垃圾的預處理要求不高,對垃圾熱值適應范圍廣,其單臺最大處理能力可達1200t/d,技術成熟可靠,但在爐排等關鍵設備上故障率較高。因其造價、操作及維護費用高、低負荷下需投加助燃燃料,同時,制造復雜,體積大,占地面積大,因而不適合于中小城鎮垃圾處理量小的場合,使其在內地及中、小城市應用受到限制。

循環流化床垃圾焚燒鍋爐,由于其具有投資省、熱能利用率高、垃圾減量化好、公害低、對垃圾及負荷適應好等優點,在近幾年得到了日益廣泛的應用。

2.1.3 垃圾適應性

爐排爐不需要對垃圾進行預處理,只需將大尺寸的垃圾挑出即可;流化床對入爐垃圾的粒度一般要求為(150~200)mm,因此需要設置垃圾預處理系統,選用破碎機再加人工分選。

我國垃圾沒有嚴格分類,垃圾中含水率較高、成分復雜,熱值低,垃圾維持在整個爐排內均勻移動,均勻完全地燃燒是困難的,很難把垃圾焚燒透徹,爐內溫度難以提高,造成二次污染的可能性就大。此外,爐排難以適應水份變動范圍較寬的垃圾焚燒,因為水份較高的垃圾需較寬的干燥區,這給水份高的垃圾完全燃燒帶來困難。

流化床由于摻混和熱交換效率高,可以同時燃燒形態各異(氣、液、固等)、熱值懸殊的燃料和廢棄物,故被譽為“多種燃料爐”。這種爐型只要加入的總熱量控制得當,就能取得滿意的燃燼效果。燃燒所需的過量空氣系數可以控制得較低(1.3~1.5),熱能利用率高,能焚燒熱值范圍很寬的高水份垃圾,也可混燃污泥,也可以焚燒塑料、橡膠、纖維、廢油等各種工業垃圾,對混有相當數量工業垃圾的城市垃圾也十分合適。

2.1.4 污染物排放控制

垃圾焚燒所產生的二次污染主要指重金屬和二噁英,流化床焚燒垃圾有助于控制重金屬的排放,因實現了均勻的燃燒溫度,并采用了分級供風等措施,能徹底分解有毒有害物質,有效控制NOx、SOx的生成,除含塵量較高外,其余的煙氣污染物含量較低。此外,流化床焚燒爐摻一定比例的煤焚燒垃圾能有效控制二噁英的產生。

從燃燒機理上看,爐排爐產生二噁英和氮氧化物的水平要遠遠高于循環流化床鍋爐。循環流化床鍋爐可以通過攙煤、爐內噴鈣等多種手段控制二噁英的數量,目前運行的循環流化床鍋爐的二噁英排量都低于歐盟標準。爐排爐去除二噁英的方法只有通過燃燒溫度控制和煙氣噴射活性炭,操作不當或者鍋爐本體、爐后設備泄漏,二噁英很容易超標,這在當地政府或者百姓看來,是絕對不允許的。

2.1.5 煙氣凈化

機械爐排爐焚燒灰渣大部分作為主灰由爐排底部排出,煙氣凈化較容易;流化床爐煙氣中飛灰含量略高于機械爐排爐,煙氣凈化較復雜。因此,使用流化床焚燒垃圾,要十分重視布袋除塵器的布袋質量,消除漏灰現象,以免造成環境污染。

2.1.6灰渣綜合利用

機械爐排爐焚燒飛灰中含有大量重金屬及有機類污染物,這些污染廢棄物需進行進一步的穩定化處理;流化床爐飛灰量大,但單位重量飛灰中重金屬及有機類污染物量低,便于飛灰的綜合利用。

2.1.7垃圾滲濾液處理

循環流化床爐可考慮將滲濾液由滲濾液泵送回鍋爐參與燃燒,而爐排爐產生滲濾液需設置專門污水處理設施,投資費用龐大且難以維護,給廠區生產、生活環境帶來極大的負面影響。

2.1.8運行業績

爐排爐由于在國外有成熟的長期運行經驗,因此在我國沿海發達城市使用數量最多。已建成投運有深圳龍崗、重慶同興、天津雙港、福州紅廟嶺、成都洛帶等項目。

隨著垃圾焚燒技術的發展,循環流化床垃圾焚燒處理技術日趨完善,在國家政策支持下及國內各科研院校和設備制造企業的共同努力下,采用循環流化床處理比重越來越大。已建成投運有山東菏澤、杭州錦江、嘉興、蕪湖、無錫、鹽城鹽度、長春鑫祥等項目。

2.2 經濟分析比較

不論是機械爐排爐還是流化床爐,由于發電成本構成中,投資成本折舊均占了較大的權重,因此在建設垃圾焚燒發電廠時,在保證系統安全、可靠、環保的前提下,應設法控制投資,以使項目能確定較好的回報。

2.2.1投資

我國早期垃圾發電廠采用爐排爐大多為成套引進設備,設備投資費用高,近幾年雖然采用引進技術在國內生產,關鍵部件進口等措施使造價大幅度降低,但仍比采用國產設備的流化床垃圾焚燒爐高。

2.2.2運行成本

機械爐排爐有成熟運行經驗,適用于焚燒熱值較高的垃圾。而對于垃圾熱值較低的中小城市,采用爐排爐焚燒,當垃圾水分高,熱值不夠時,殘渣不易燒透,且爐溫較低,易產生二噁英等二次污染。需要噴入一定數量的燃油或燃氣作為輔助燃料。

循環流化床鍋爐為我國自主研發的垃圾焚燒設備,通過摻燒部分煤炭,使垃圾在流化床爐內燃燒充分,及時入爐垃圾成分復雜、水分較高,也能夠燃燒徹底,爐內溫度均勻,并能保持在850度以上,且開停車迅速。因此,可以有效避免二噁英的產生。

對于循環流化床摻煤的問題,由于在以往的項目中,循環流化床均設計有摻煤給料系統,而在目前的煤價是造成循環流化床運行經濟性差的一個主要原因。對于摻煤問題,一般認為循環流化床鍋爐必須攙煤,而且比例大約為垃圾熱值比的20%,實際這是誤區。據筆者了解,目前國內運行的比較好的循環流化床垃圾焚燒爐,現在很多都不摻煤或者摻燒很少的煤,像國內的能達華威垃圾電廠已實現不摻煤運行(該工況為垃圾熱值在900Kcal/kg左右),而寧波眾茂姚北則是摻燒很少部分煤。

2.2.3 檢修維護成本

機械爐排爐由于爐排需要往復移動,可靠性低及能耗高,檢修維護量大。

循環流化床鍋爐爐內沒有機械運動部件,故使用壽命長,且燃燒均勻,不會產生局部過熱現象,檢修維護量較小。

015.png

3 焚燒爐型的確定

目前世界上應用于生活垃圾焚燒的各種類型焚燒爐達幾十種,新技術和新產品還在不斷發展,要選擇技術先進可靠的產品,必須結合項目建設區城市生活垃圾特性進行全面的分析比較。

1、焚燒爐型的選擇和垃圾圾處理工藝密切相關,一般來說不經分撿的原生垃圾多采用機械爐排焚燒爐,垃圾分選破碎后則采用流化床焚燒爐具有較大的優點。

2、垃圾熱值對焚燒技術的選擇有很大的影響。垃圾熱值低,采用爐排爐焚燒殘渣不易燒透,助燃油消耗大,運行成本高。流化床爐適合低熱值垃圾焚燒,流化床爐用煤助燃,助燃燃料成本低,該市的垃圾熱值總體較低,采用煤助燃的流化床焚燒爐經濟性較好。

3、以本項目為例,采用循環流化床焚燒爐比爐排爐設備價格低約1500萬,可降低投資,減少運行費用,減少垃圾補貼費,減輕市政負擔。

4、循環流化床焚燒爐溫度始終控制在850度以上,避開了二噁英產生的溫度區間,因此減少了污染物排放量。

5、由于本市垃圾特點為熱值低,水分多,成分復雜,且隨季節變化,垃圾特點波動較大,屬于典型的中小城市垃圾特點,而循環流化床對于具有此類城市垃圾特別適用。

6、對于本垃圾項目,符合國家產業政策,符合節能減排和循環經濟的要求,有利于改善環境質量,發展前景看好。同時,通過垃圾焚燒發電示范工程,有利于推到該市鍋爐產業鏈的發展壯大。

近年來我國發展垃圾發電技術上有了很大的突破,特別是循環流化床燃燒技術發展迅速,為垃圾焚燒技術的發展創造了有利的條件。目前,我國各地熱電廠循環流化床鍋爐的數量正在大幅度上升,并向大型化發展,運行操作和管理水平在不斷提高,并趨于成熟,對垃圾流化床焚燒爐的推廣應用又創造了較好的環境。

可以說我國目前在中小城鎮最有發展前景的垃圾焚燒爐為流化床爐。尤其是我國的垃圾熱值相對偏低,要實現其高效穩定燃燒,流化床焚燒技術無疑是最佳選擇。

綜合考慮焚燒爐對垃圾熱值適應性、輔助燃料要求、技術經濟性、國內運行業績與項目具體情況,本城市垃圾焚燒發電工程推薦采用循環流化床焚燒爐。

4 結論

對于垃圾處理量需求不大,垃圾熱值低、成分復雜、經濟條件一般,同時,當地燃煤價格低、煤質好的中小城市,采用循環流化床鍋爐進行垃圾處理要優于爐排爐。但必須控制好垃圾入爐前的預處理,同時,鑒于目前燃煤價格上漲,導致循環流化床鍋爐運行成本高,如果能夠采用天然氣等氣體進行補燃,循環流化床的技術應用將有更強的優勢。

而對于垃圾處理量大,垃圾熱值高,助燃燃料(燃油或天然氣)價格低、經濟發達的大中型城市,采用爐排爐來處理生活垃圾較循環流化床有一定的優勢。但必須嚴格控制燃燒過程和溫度,控制二噁英的產生。否則,在二噁英排放嚴格監控的條件下,爐排爐在沒有進一步技術突破的條件下有可能被其它爐型替代。

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