技术 | 城市垃圾焚烧发电厂锅炉炉型的选择

摘要：介绍了四川某地级市新建城市垃圾焚烧厂焚烧炉炉型的确定方案，结合该城市生活垃圾特性和环境特点，通过工艺过程和技术经济的分析与比较，为焚烧炉炉型的选择提供参考。

关键词：生活垃圾；热值；焚烧；流化床；炉排炉

1 概述

四川某地级市（川西南）垃圾焚烧发电厂项目，厂址距市中心约30公里，紧邻城市垃圾填埋场。设计规模800t/d，焚烧处理该市以及周边区县的城市生活垃圾，并利用余热发电。

项目建设2条焚烧线，选用2台额定处理量为400t/d，最大处理量500 t/d的垃圾焚烧炉，单台余热锅炉额定产蒸汽量42t/h，最大产蒸汽量48t/h。

1.1 垃圾特点

重庆市环境卫生监测站于2010年12月对该市及周边地区的生活垃圾就成分、含水率、热值进行检测。

从检测结果看出该市及周边地区的生活垃圾具有如下特点：

（1）含水率高。一般约在50%～60%，而发达国家约为25～45%；

（2）热值较低。收到基垃圾平均低位发热值为3200～4500 kJ/kg，发达国家为8300～12500kJ/kg；

（3）成分复杂。由于该市城市垃圾未实行分类收集和分检，同时由于不同地域、不同季节、不同生活水平也使垃圾的成分相去甚远，垃圾中的有机物和可燃物比例低于沿海等发达城市。

1.2 垃圾热值确定

该城市生活垃圾化学特性见表1：

对该市生活垃圾的热值情况分析如下：

（1）参考本地垃圾和周边垃圾热值状况。成都市2004年一月至九月垃圾热值在2219～9353kJ/kg之间波动，平均热值为5557kJ/kg。重庆市2001年一月至2001年十二月垃圾热值在3874～5204kJ/kg之间波动。

（2）垃圾热值随季节波动情况：一年内夏季热值最低，冬季最高，相差1465～2930kJ/kg。

（3）常年垃圾热值波动范围：垃圾处理厂运行期30年，根据我国经济增长水平，随着市民生活水平逐步提高，垃圾热值相应增大，沿海经济发达地区的垃圾热值明显高于内地城市就是例证。

（4）垃圾收集运输及垃圾贮存倒堆技术状况会使垃圾的水分发生变化，进而影响其热值。

（5）垃圾管理规范化程度，也一定程度影响垃圾有回收价值（例如橡胶、塑料及纸张等）的成份比率进而影响垃圾热值。

（6）垃圾设计热值和焚烧炉处理量的匹配。

（7）参考国内外垃圾热值的变化记录，如日本在上世纪六十年代的垃圾热值为4186kJ/kg，到了八十年代的时候垃圾热值已到达6700 kJ/kg，到了九十年代的时候已高达8270 kJ/kg；深圳市市政环卫综合处理厂最初的设计热值为4186kJ/kg，而现在已达到5440～6280kJ/kg。

根据垃圾焚烧厂一般工艺流程，垃圾进入焚烧厂后先卸入储料坑，储存几天后再进入炉内焚烧，垃圾经储存后物理化学性质将会发生较大变化。根据测定，生活垃圾储存4～5天后，含水率降低10%左右，垃圾热值能增加420~840kJ/kg。

参考我国已运行的垃圾焚烧厂生活垃圾实际采样分析热值与实际运行情况，根据对我国城市生活垃圾热值的设计经验及实际运行情况，本工程运行期内的垃圾设计值按6600kJ/kg(1577kcal/kg)考虑。考虑到垃圾热值随季节变化比较大，焚烧炉适用范围最低4186kJ/kg(1000kcal/kg)，最高为8778kJ/kg（2100kcal/kg），以保证焚烧炉在较宽的垃圾热值范围内都能稳定的运行。

2 焚烧炉炉型选择

目前国内用于生活垃圾焚烧炉炉型主要有流化床焚烧炉、机械炉排炉、热解焚烧炉、回转窑焚烧炉等四类。由于热解焚烧炉、回转窑焚烧炉在生活垃圾焚烧中应用较少，循环流化床垃圾焚烧锅炉和机械炉排炉在生活垃圾焚烧中应用较广，对本工程均有一定的适应性。为便于提出切实可行、经济合理的炉型选择方案，重点对循环流化床垃圾焚烧锅炉和机械炉排炉两种方案进行了技术经济比较，并提出推荐意见。

2.1 技术比较

2.1.1 炉型工作原理及特点

（1）流化床焚烧炉

工作原理：炉体是由多孔分布板组成，燃烧系统由炉膛、高温旋风分离器、返料器三部分组成，采用外置式换热器、布风板和超大垃圾排渣口，床料为炉渣或石英沙，蓄热量大，在焚烧垃圾时，采用几十倍于垃圾量的石英砂（或炉灰）作为床料（热载体）加热垃圾燃料，垃圾和床料都处于流化状态，它们之间的接触、掺混和热交换都十分强烈，瞬时即可干燥高水份含量的垃圾，并在几秒之内把它引燃，使其稳定燃烧直到完全燃烬。

特点：循环流化床锅炉操作方便，运行稳定，燃料效率高，负荷调节范围宽，污染物排放低，热强度高，适合燃用低热值燃料等优点。流化床燃烧充分，炉内燃烧控制较好，因而适合焚烧低热值、高水份的生活垃圾，其残渣中的未燃份额（即炉渣热灼减率）＜2%。因而避免了床的急冷急热现象，燃烧稳定。垃圾的干燥、着火、燃烧几乎同时进行，无需复杂的调整，可通过改变燃料量、风量、一二次风比和外置换热器吸热量来实现负荷调节，燃烧控制容易，易于实现自动化和连续燃烧。但烟气中灰尘量较大，对燃料粒度均匀性要求较高，需要设垃圾预处理线，石英砂对设备有一定磨损。

流化床炉燃烧技术是本世纪六十年代初得到迅速发展起来的一种新型清洁燃烧技术。该工艺燃烧比较复杂、水分比较多的垃圾也能够把垃圾燃烧彻底，温度也比较高，投资也比较低。

（2）机械炉排焚烧炉

工作原理：采用层状燃烧技术，垃圾通过进料斗进入倾斜向下的炉排（炉排分为干燥区、燃烧区、燃尽区），由于炉排之间的交错运动，将垃圾向下方推动，使垃圾依次通过炉排上的各个区域（垃圾由一个区进入到另一区时，起到一个大翻身的作用），垃圾在炉排上着火，热量来自上方的辐射和烟气的对流，以及垃圾层的内部。炉排上已着火的垃圾通过炉排的特殊作用，使垃圾层强烈的翻动和搅动，引起垃圾底部的燃烧。连续的翻动和搅动，也使垃圾层松动，透气性加强，有利于垃圾的燃烧和燃烬。

特点：炉排的材质要求和加工精度要求高，要求炉排与炉排之间的接触面相当光滑、排与排之间的间隙相当小。不需要对垃圾进行预处理。技术比较成熟，国内外应用较广泛。但该炉型机械结构复杂，损坏率高，维护量大。炉排炉造价及维护费用高。我国垃圾没有严格分类，垃圾中含水率较高、成分复杂，热值低，很难把垃圾焚烧透彻，炉内温度难以提高，因此造成二次污染的可能性大。

2.1.2 应用情况

机械炉排炉采用层状燃烧技术，具有对垃圾的预处理要求不高，对垃圾热值适应范围广，其单台最大处理能力可达1200t/d，技术成熟可靠，但在炉排等关键设备上故障率较高。因其造价、操作及维护费用高、低负荷下需投加助燃燃料，同时，制造复杂，体积大，占地面积大，因而不适合于中小城镇垃圾处理量小的场合，使其在内地及中、小城市应用受到限制。

循环流化床垃圾焚烧锅炉，由于其具有投资省、热能利用率高、垃圾减量化好、公害低、对垃圾及负荷适应好等优点，在近几年得到了日益广泛的应用。

2.1.3 垃圾适应性

炉排炉不需要对垃圾进行预处理，只需将大尺寸的垃圾挑出即可；流化床对入炉垃圾的粒度一般要求为（150~200）mm，因此需要设置垃圾预处理系统，选用破碎机再加人工分选。

我国垃圾没有严格分类，垃圾中含水率较高、成分复杂，热值低，垃圾维持在整个炉排内均匀移动，均匀完全地燃烧是困难的，很难把垃圾焚烧透彻，炉内温度难以提高，造成二次污染的可能性就大。此外，炉排难以适应水份变动范围较宽的垃圾焚烧，因为水份较高的垃圾需较宽的干燥区，这给水份高的垃圾完全燃烧带来困难。

流化床由于掺混和热交换效率高，可以同时燃烧形态各异（气、液、固等）、热值悬殊的燃料和废弃物，故被誉为“多种燃料炉”。这种炉型只要加入的总热量控制得当，就能取得满意的燃烬效果。燃烧所需的过量空气系数可以控制得较低（1.3~1.5），热能利用率高，能焚烧热值范围很宽的高水份垃圾，也可混燃污泥，也可以焚烧塑料、橡胶、纤维、废油等各种工业垃圾，对混有相当数量工业垃圾的城市垃圾也十分合适。

2.1.4 污染物排放控制

垃圾焚烧所产生的二次污染主要指重金属和二噁英，流化床焚烧垃圾有助于控制重金属的排放，因实现了均匀的燃烧温度，并采用了分级供风等措施，能彻底分解有毒有害物质，有效控制NOx、SOx的生成，除含尘量较高外，其余的烟气污染物含量较低。此外，流化床焚烧炉掺一定比例的煤焚烧垃圾能有效控制二噁英的产生。

从燃烧机理上看，炉排炉产生二噁英和氮氧化物的水平要远远高于循环流化床锅炉。循环流化床锅炉可以通过搀煤、炉内喷钙等多种手段控制二噁英的数量，目前运行的循环流化床锅炉的二噁英排量都低于欧盟标准。炉排炉去除二噁英的方法只有通过燃烧温度控制和烟气喷射活性炭，操作不当或者锅炉本体、炉后设备泄漏，二噁英很容易超标，这在当地政府或者百姓看来，是绝对不允许的。

2.1.5 烟气净化

机械炉排炉焚烧灰渣大部分作为主灰由炉排底部排出，烟气净化较容易；流化床炉烟气中飞灰含量略高于机械炉排炉，烟气净化较复杂。因此，使用流化床焚烧垃圾，要十分重视布袋除尘器的布袋质量，消除漏灰现象，以免造成环境污染。

2.1.6灰渣综合利用

机械炉排炉焚烧飞灰中含有大量重金属及有机类污染物，这些污染废弃物需进行进一步的稳定化处理；流化床炉飞灰量大，但单位重量飞灰中重金属及有机类污染物量低，便于飞灰的综合利用。

2.1.7垃圾渗滤液处理

循环流化床炉可考虑将渗滤液由渗滤液泵送回锅炉参与燃烧，而炉排炉产生渗滤液需设置专门污水处理设施，投资费用庞大且难以维护，给厂区生产、生活环境带来极大的负面影响。

2.1.8运行业绩

炉排炉由于在国外有成熟的长期运行经验，因此在我国沿海发达城市使用数量最多。已建成投运有深圳龙岗、重庆同兴、天津双港、福州红庙岭、成都洛带等项目。

随着垃圾焚烧技术的发展，循环流化床垃圾焚烧处理技术日趋完善，在国家政策支持下及国内各科研院校和设备制造企业的共同努力下，采用循环流化床处理比重越来越大。已建成投运有山东菏泽、杭州锦江、嘉兴、芜湖、无锡、盐城盐度、长春鑫祥等项目。

2.2 经济分析比较

不论是机械炉排炉还是流化床炉，由于发电成本构成中，投资成本折旧均占了较大的权重，因此在建设垃圾焚烧发电厂时，在保证系统安全、可靠、环保的前提下，应设法控制投资，以使项目能确定较好的回报。

2.2.1投资

我国早期垃圾发电厂采用炉排炉大多为成套引进设备，设备投资费用高，近几年虽然采用引进技术在国内生产，关键部件进口等措施使造价大幅度降低，但仍比采用国产设备的流化床垃圾焚烧炉高。

2.2.2运行成本

机械炉排炉有成熟运行经验，适用于焚烧热值较高的垃圾。而对于垃圾热值较低的中小城市，采用炉排炉焚烧，当垃圾水分高，热值不够时，残渣不易烧透，且炉温较低，易产生二噁英等二次污染。需要喷入一定数量的燃油或燃气作为辅助燃料。

循环流化床锅炉为我国自主研发的垃圾焚烧设备，通过掺烧部分煤炭，使垃圾在流化床炉内燃烧充分，及时入炉垃圾成分复杂、水分较高，也能够燃烧彻底，炉内温度均匀，并能保持在850度以上，且开停车迅速。因此，可以有效避免二噁英的产生。

对于循环流化床掺煤的问题，由于在以往的项目中，循环流化床均设计有掺煤给料系统，而在目前的煤价是造成循环流化床运行经济性差的一个主要原因。对于掺煤问题，一般认为循环流化床锅炉必须搀煤，而且比例大约为垃圾热值比的20%，实际这是误区。据笔者了解，目前国内运行的比较好的循环流化床垃圾焚烧炉，现在很多都不掺煤或者掺烧很少的煤，像国内的能达华威垃圾电厂已实现不掺煤运行（该工况为垃圾热值在900Kcal/kg左右），而宁波众茂姚北则是掺烧很少部分煤。

2.2.3 检修维护成本

机械炉排炉由于炉排需要往复移动，可靠性低及能耗高，检修维护量大。

循环流化床锅炉炉内没有机械运动部件，故使用寿命长，且燃烧均匀，不会产生局部过热现象，检修维护量较小。

3 焚烧炉型的确定

目前世界上应用于生活垃圾焚烧的各种类型焚烧炉达几十种，新技术和新产品还在不断发展，要选择技术先进可靠的产品，必须结合项目建设区城市生活垃圾特性进行全面的分析比较。

1、焚烧炉型的选择和垃圾圾处理工艺密切相关，一般来说不经分捡的原生垃圾多采用机械炉排焚烧炉，垃圾分选破碎后则采用流化床焚烧炉具有较大的优点。

2、垃圾热值对焚烧技术的选择有很大的影响。垃圾热值低，采用炉排炉焚烧残渣不易烧透，助燃油消耗大，运行成本高。流化床炉适合低热值垃圾焚烧，流化床炉用煤助燃，助燃燃料成本低，该市的垃圾热值总体较低，采用煤助燃的流化床焚烧炉经济性较好。

3、以本项目为例，采用循环流化床焚烧炉比炉排炉设备价格低约1500万，可降低投资，减少运行费用，减少垃圾补贴费，减轻市政负担。

4、循环流化床焚烧炉温度始终控制在850度以上，避开了二噁英产生的温度区间，因此减少了污染物排放量。

5、由于本市垃圾特点为热值低，水分多，成分复杂，且随季节变化，垃圾特点波动较大，属于典型的中小城市垃圾特点，而循环流化床对于具有此类城市垃圾特别适用。

6、对于本垃圾项目，符合国家产业政策，符合节能减排和循环经济的要求，有利于改善环境质量，发展前景看好。同时，通过垃圾焚烧发电示范工程，有利于推到该市锅炉产业链的发展壮大。

近年来我国发展垃圾发电技术上有了很大的突破，特别是循环流化床燃烧技术发展迅速，为垃圾焚烧技术的发展创造了有利的条件。目前，我国各地热电厂循环流化床锅炉的数量正在大幅度上升，并向大型化发展，运行操作和管理水平在不断提高，并趋于成熟，对垃圾流化床焚烧炉的推广应用又创造了较好的环境。

可以说我国目前在中小城镇最有发展前景的垃圾焚烧炉为流化床炉。尤其是我国的垃圾热值相对偏低，要实现其高效稳定燃烧，流化床焚烧技术无疑是最佳选择。

综合考虑焚烧炉对垃圾热值适应性、辅助燃料要求、技术经济性、国内运行业绩与项目具体情况，本城市垃圾焚烧发电工程推荐采用循环流化床焚烧炉。

4 结论

对于垃圾处理量需求不大，垃圾热值低、成分复杂、经济条件一般，同时，当地燃煤价格低、煤质好的中小城市，采用循环流化床锅炉进行垃圾处理要优于炉排炉。但必须控制好垃圾入炉前的预处理，同时，鉴于目前燃煤价格上涨，导致循环流化床锅炉运行成本高，如果能够采用天然气等气体进行补燃，循环流化床的技术应用将有更强的优势。

而对于垃圾处理量大，垃圾热值高，助燃燃料（燃油或天然气）价格低、经济发达的大中型城市，采用炉排炉来处理生活垃圾较循环流化床有一定的优势。但必须严格控制燃烧过程和温度，控制二噁英的产生。否则，在二噁英排放严格监控的条件下，炉排炉在没有进一步技术突破的条件下有可能被其它炉型替代。