一种适合中小县城的垃圾焚烧处理技术

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　　一种适合中小县城的立式垃圾热解焚烧炉焚烧工艺技术 一种适合中小县城的立式垃圾热解焚烧炉焚烧工艺技术 立式垃圾热解焚烧 工艺 北京龙腾华创环境能源技术有限公司 电话： 电话 随着经济的快速发展，我国城市生活垃圾中可燃组分大量增 加，热值明显提高。生活垃圾焚烧技术已经成为垃圾无害化、减 量化和资源化处理的主流技术。近年来，在我国生活垃圾焚烧技 术领域， 热解气控焚烧炉技术以其先进的燃烧机理和技术特点以 及较低的投资与运行成本等方面的优势， 正在得到较多的推广应 用，行业领域也在关注这种技术的发展和运行效果。 武汉经济技术开发区采用热解气控焚烧炉技术建成了处理 量为 100t/d 的生活垃圾处理厂。 该厂主要设备是 1 台立式旋转炉 排热解气控焚烧炉，入炉垃圾的低位热值为 6280kJ/kg，指导运 行的焚烧工艺是针对垃圾的品质特征和对应设备的技术特点而 组织起来的高温快速热解焚烧工艺。 不同品质的生活垃圾需要配 置不同适用性能的焚烧工艺， 有效的燃烧组织和合理的优化控制 是取得好的运行效果的关键。两年的运行实践证明，运用这种焚 烧工艺建立起来的焚烧炉整体燃烧工况能够满足国家标准规定 的“3T”要素和焚烧稳定、高效、低污染排放的最基本要求，并 且对垃圾品质的季节性波动也有较好的适应性。 1． 热解气控焚烧炉的运行 ． 1.1 燃烧机理 燃烧机理 传统的垃圾直接焚烧是在助燃空气充足的条件下加热有机 1 可燃物，强制可燃物质充分氧化燃烧。为满足充分燃烧的需要， 其过量空气系数一般按 1.6～2.2 设置。而热解气控焚烧炉技术 的燃烧机理是垃圾先在一燃室供氧不足的条件下部分燃烧， 利用 其燃烧热使其余垃圾的挥发成分被热解气化生成可燃气体。 制备 出来的可燃气体在二燃室富氧条件下充分燃烧， 热解后的含碳残 留物在一燃室继续燃尽。 这种技术通过控制两个燃烧室的供风量 和温度来实现垃圾的热解气化和完全燃烧， 其过量空气系数一般 按 1.3～1.5 设置。这种控制空气氧化技术的特点，决定了其燃 烧组织方法的独特性。 燃烧工况 1.2 燃烧工况 生活垃圾热解气控焚烧炉设圆柱型结构的第一燃烧室和第 二燃烧室，采用先热解后燃烧的两级燃烧方式，两个燃烧室均未 布置任何受热面（二燃室后面设置导热油换热锅炉） 。一燃室从 上到下由给料系统、旋转布料器、炉膛、旋转炉排和出渣系统等 部分组成。 在正常运行时炉膛内部按燃料层降运动顺序从上到下 分为三个垃圾燃烧区带； 上层为干燥热解带， 中层为高温燃烧带， 下层为燃尽冷却带（见图 1 焚烧工艺示意图） 。 上层的干燥热解带实际上是一个垃圾料层厚度在 400 ㎜～ 500 ㎜、 燃烧温度在 750℃～800℃的具有巨大热库效应的高温熔 池。 入炉垃圾呈单颗粒状态落入熔池马上被大量高温床料和高温 热解烟气流吞融混合， 在缺氧条件下迅速升温、 干燥、 热解气化， 甚至与燃烧重叠进行。旋转布料器将新鲜垃圾连续、均匀地布撒 2 在燃烧面上，将不断生成的燃烧火焰覆盖保证有机物热解的进 3 图 焚烧工艺示意图 行。干燥热解带的运行是一个保持炉膛相对静态燃烧、维持有机 物热解气化反应持续稳定进行的过程。 这个过程释放出来的大量 富含碳氢化合物的可燃性气体（热值 2500～3000 kJ/ m3）与高温 烟气流混合在炉膛负压作用下被送往二燃室。 在干燥热解带的下 方是料层厚度在 1500 ㎜、燃烧温度在 800℃～850℃的高温燃烧 带。下移到这一层面的高温物料与输入的一次风（底风）和二次 风（腰风）充分混合反应发生剧烈的氧化燃烧，放出热量造成炉 内高温，而垃圾燃料本身质量也随着剧烈的燃烧过程逐步减少。 高温燃烧带的运行是一个持续释放的挥发分燃烧与固定碳燃烧 4 并存并且相互促进的燃烧过程。在高温燃烧带下方是有 1650 ㎜ 燃尽行程的燃尽冷却带， 下移到这一层面的残渣中仍有少量未充 分燃烧的可燃质将在一次风的作用下继续燃尽， 炉渣被一次风冷 却后由旋转炉排破碎排出。 第二燃烧室是独立设置的气相高温燃烧区域， 同时也是烟气 颗粒物沉降室。 来自一燃室的高温可燃烟气流进入二燃室马上与 射入的三次风充分搅拌混合形成理想的漩涡湍流，在 850℃～ 1100℃温度域充分燃烧并保持停留时间≥2s，使在一燃室燃烧过 程中可能产生的二恶英等有害物质在二燃室的高温条件下被分 解摧毁。二燃室的燃烧工况体现了“3T ( Temperature Time and Turbulence） ”要素的全部内容：足够高的温度（≥850℃） 、停留 时间（≥2s）和较高的湍流度，从而有效地减轻了烟气净化处理 负荷。据此，在系统下游烟气净化处理单元配置了经济实用的 Ca（OH）2 反应＋活性炭吸附+袋式除尘的干法烟气净化工艺。 1．3 运行目标 ． 运行目标 生活垃圾焚烧追求的是一个稳定高温和高效率的焚烧状态， 但是在实际燃烧过程中， 由于各种因素的影响总会造成燃烧的不 充分、 不稳定。 影响垃圾焚烧过程的主要因素有生活垃圾的性质、 温度、停留时间、湍流度以及过量空气系数等，这些影响因素也 是焚烧系统运行过程中的主要技术着眼点和控制参数。因此，在 合理配置焚烧工艺、组织生产运行的过程中，应充分认识到这些 影响因素之间的相互依赖又相互制约的关系， 在可能的条件下合 5 理运用一切控制手段及时有效的控制各种影响因素， 使其向着有 利于垃圾充分稳定燃烧的方向发展 〖1〗 。 组织生活垃圾热解气控焚烧系统正常运行需要达到的几项 主要整体控制项目和目标是： （1） 垃圾入炉前的质量控制目标： 混合均匀， 含水率降低 10% 以上。 （2） （3） （4） （5） （6） 二燃室温度不低于 850℃，烟气停留时间≥2s。 一燃室炉膛温度 750±50℃，高温燃烧带温度 800±50℃。 保证预定的最大垃圾焚烧量。 炉渣热灼减率不大于 5%。 焚烧炉设备在安全的条件下经济运行。 2．焚烧工艺的把握与控制 ．焚烧工艺的把握与控制 工艺的把握 2．1 垃圾入炉前的质量控制 ． 垃圾入炉前的质量控制 生活垃圾的发热量和含水率是影响其燃烧效率的主要因素。 因此，从垃圾入厂开始就要采取可能的措施来降低含水率，改善 均匀度，提高发热量，为垃圾入炉稳定燃烧创造有利条件。经济 技术开发区是制造业密集区域，其特有的集团垃圾（企业机关工 作生活中产生的废弃物）组分杂、热值高，与高水分、低热值的 居民生活垃圾相比差异很大， 不同类型垃圾混杂进厂给燃烧控制 带来困难。因此，需要采取措施对不同类型垃圾的粒度、水分、 热值和燃烧性能进行连续的调整操作： （1） 6 可靠的渗沥液收集系统保证沥出水分能迅速进入渗沥液 池，尤其要避免季节性的“泡水垃圾”产生。 （2） 垃圾抓斗进行搅拌翻倒作业，使垃圾组分混合均匀并脱 除部分泥沙。 （3） （4） 垃圾在储池内分区堆存，保证 3～4d 的堆酵脱水期。 进料系统设置上、下两级液压推料器，上层推料平台分 批供料，下层簸箕式推料器和旋转式布料器连续给料、 单颗粒布料，使入炉垃圾的匀质和脱水效果更好。 通过以上操作过程，垃圾的物理性质和反应特性普遍得到改 善。经对比化验测算，入炉垃圾品质指标大大优于入厂垃圾品质 指标，垃圾低位热值有时甚至相差 15%以上。这对提高燃烧效率 和实现焚烧稳定大有助益，也有利于热解气控焚烧过程的控制。 2．2 一燃室温度的控制 ． 在生活垃圾焚烧处理过程中，温度是显著的影响因素。生活 垃圾的燃烧温度越高，燃烧速度越快，垃圾燃烧的越完全，有毒 污染物分解的越彻底。 本高温热解气控焚烧工艺要求一燃室高温 燃烧带的温度控制在 800℃～850℃，目的是使垃圾可燃挥发分 能够最大量的快速析出，固定碳成分得到有效彻底燃尽。这个温 度范围比一般采用的不高于 700℃的低温热解工艺温度提高了 100℃～150℃。其理由在于； （1） 在垃圾焚烧过程中大多数有机物在该温度下可达到良好 的分解和无害化破坏， 有利于消解二恶英类等有害成分。 （2） 这个温度能够维持一燃室上部的炉膛温度和干燥热解带 7 温度保持在 750℃～800℃的相对高温热解气化环境，有 利于热分解速率加快、气体产率增加，保证垃圾高温热 解气化反应的稳定进行。而这一过程的稳定运行又为在 二燃室进行的烟气二次燃烧提供了最基本的物质条件和 温度保障。 （3） 该温度范围的燃烧反应较快，有利于生活垃圾的充分稳 定燃烧。同时在该温度区域灰不会熔化，燃烧空气中的 氮也不会大量转化成 NOX。 一燃室温度的调节控制主要是通过助燃空气的合理分布、 调 整送风量和调整给料量来实现的。 2．2．1 助燃空气的立体分布 一燃室的助燃空气由一次风和二次风组成。一次风（底风） 为环境温度，从炉排底部输入炉内，逆垃圾层降方向从下向上运 动， 在通过燃尽冷却带时被高温残渣加热后到达高温燃烧带参与 燃烧。二次风（腰风）的温度为 260℃，二次风由环绕炉膛腰部 的高温燃烧带位置分 4 层均匀布置的 16 个送风孔水平射入炉内 燃料层参与燃烧，各层风量调节通过操作风门开度加以控制。一 次风与二次风在高温燃烧带共同组成了一个纵横交叉的高温助 燃空气网。 这种立体的且相互切割的助燃空气流结合旋转炉排对 垃圾翻动功能的共同作用，使助燃空气与垃圾物料的挥发分、固 定碳充分混合接触，为垃圾提供了很好的双面着火条件，使燃烧 温度分布均匀，局部过热结焦现象减少，克服了通常垃圾焚烧过 8 程中经常出现的因氧传递障碍造成的焚烧短路和 “烧不透” 问题。 优越的传热传质条件维持垃圾在 800℃～850℃温度域稳定燃烧。 2．2．2 送风量的控制 入炉生活垃圾作为一种最复杂、最不稳定的“燃料”随时会 引起一燃室温度的波动， 而送风量的每一次调整也都会带动一燃 室温度的变化。 送风量偏大炉温偏高会造成热解析出的可燃气体 在干燥热解带或炉膛空间的过量燃烧， 由此导致进入二燃室的可 燃气体总量减少而迫使二燃室的温度降低 ， 甚至使二燃室的气 相燃烧难以维持。而送风量偏小又会带来温度降低、垃圾燃烧不 充分和污染物增加等一系列恶果。这种控制空气氧化的特点，使 对燃烧工况的控制变得比较复杂。 一次风和二次风由两台送风机分别独立送风。 二次风送风量 约占助燃空气总量的 50%～65%，一次风送风量一般按二次风送 风量的 1/3 配置，但一次风风压要高于二次风风压 1 倍。在正常 燃烧工况建立之后，主要通过以下操作对一燃室温度实施控制。 （1） 送风机的变频调速控制以微量调节为主，避免送风量的 大范围变化引起温度剧烈波动。 （2） 在送风量调节的同时应配合给料量的调整，以共同应对 抵消垃圾成分变化给温度带来的冲击和影响。 （3） 送风量的调节应与引风机引风量的调节交互配合，保持 炉膛内合适的负压环境。 （4） 对炉膛温度偏高或偏低的控制；在掌握合理的干燥热解 9 〖2〗 带料层厚度的同时，调整二次风最高一层水平送风管的 风门开度来调节这一层面的风量，达到强化或减弱这一 层面燃烧状况的目的。 （5） 当炉渣热灼减率偏高时 （＞5%） 说明垃圾燃烧不完全或 ， 垃圾在炉内停留时间不够。应适当加大一次风和二次风 风量强化燃烧或降低炉排转速延长残渣燃尽时间。 （6） 当燃尽冷却带的温度偏高时（＞300℃） ，说明高温燃烧 带层面下移并且燃烧延时，需要加大二次风送风量强化 燃烧并且给料量跟随调整适度减少。 （7） 保证足够高的二次风入炉风温，这对于提高热解效率、 加剧燃烧和保持炉温稳定至关重要。 二燃室的运行控制 2．3 二燃室的运行控制 二燃室进行的烟气燃烧是气态的空间燃烧，燃物是一燃室 燃烧过程中产生的高温可燃性气体和烟气流挟带的颗粒碳素等 产物。因此，一燃室良好的燃烧组织状况是实现二燃室气相高温 燃烧的前提。二燃室的温度一般在 850℃～1100℃之间运行。对 二燃室温度的控制首先是通过对三次风送风量的调节来完成， 三 次风的流量约占整个助燃空气量的 10%～15%，主要作用是加强 对高温烟气流扰动混合的同时及时补充加剧燃烧的氧气需要。 三 次风送风量的增减一般由出口烟气中氧含量和二燃室温度来具 体确定，当炉温超过 1100℃时，可加大风量降低炉温。其次是 要保证三次风的温度不低于 260℃，足够高温度的助燃热空气可 10 以有效的促进可燃气体着火，提高绝热火焰温度，强化燃烧。 焚烧烟气在二燃室停留时间的长短直接影响烟气中有害物 质分解的彻底程度，并且与温度密切相关。国家标准要求烟气温 度≥850℃时停留时间≥2s，烟气温度≥1000℃时停留时间≥1s。 对于烟气停留时间的控制， 一方面是通过调节引风机的速度来确定一 个合适的负压值范围，使二燃室的烟气流速维持在 7m/ s 以下（烟气 流程按二燃室烟气入口至换热锅炉入口为起止点总长度为 14m） 。另 一方面， 沿炉体圆周切向进入的烟气流在三次风的推动下形成了环内 炉壁运动的漩涡，延长了烟气行程也就延长了停留时间，可以保证烟 气中的气态可燃物和悬浮颗粒物充分燃烧， 使污染物的排放量降到最 低程度。 垃圾停留时间 2．4 垃圾停留时间 垃圾焚烧的停留时间有两层含义； 一个就是焚烧烟气在二燃 室的停留时间。 另一个是指生活垃圾从进入一燃室开始至燃烧结 束炉渣排出，在炉排上的停留时间。生活垃圾在焚烧炉中的停留 时间必须大于理论上干燥、热解、燃烧和燃尽的总时间。在实际 运行中，垃圾在一燃室的停留时间一般需要 105min 左右。合理 把握停留时间是重要的控制元素。 控制垃圾在一燃室停留时间的目的是在保证充分燃烧的同 时谋求高效率的处理垃圾。这种控制是建立在对垃圾成分的变 化、干燥热解带料层厚度的把握、燃烧温度的波动和炉渣燃尽效 果的实时观察和综合判断基础上的，对垃圾焚烧量、热解气化产 11 率、温度和炉渣热灼减率几项指标都产生着影响。因此，控制就 要求对这些环节的变化应尽快作出反应。 控制手段包括给料速度 和排渣速度的调节以及旋转布料器速度的调整， 这些控制经常是 DCS 自动控制和就地手动控制相互转换配合进行的。 焚烧温度和垃圾停留时间是一对相互影响的因素。 在较高的 焚烧温度下， 通过加快进料速度和排渣速度适当缩短停留时间可 以维持较好的焚烧效果； 同样也可以在焚烧温度较低的情况下适 当延长停留时间，以满足充分燃烧的需要。但是，垃圾在炉内停 留时间过短会引起因不完全燃烧而产生的一系列不良后果， 而停 留时间过长也会造成焚烧处理量减少，效率降低不经济。因此， 垃圾在一燃室停留时间的长短应由掌握的具体情况确定， 把握的 原则是；勤观察，多微调，保证工艺要求的燃烧温度、热灼减率 和预定的焚烧量 2．5 负压值和氧含量 2．5．1 负压的控制 一燃室正常运行时炉膛负压值应控制在－80pa 左右，控制 方法是调节引风机的转速使炉膛负压维持在合适的范围内。 在实 际操作中，炉膛负压值过高会使过多空气渗入炉内，导致燃烧温 度下降，排烟量增加。同时也造成高温烟气流过快地通过二燃室 到达换热锅炉， 不利于烟气中可燃成分的充分燃烧和有害成分的 分解。而炉膛负压值过低也容易形成正压燃烧，造成炉内废气外 泄污染环境，导致一燃室、二燃室无法正常运行。 12 助燃空气送风量的变化是影响炉膛负压波动的主要因素， 当 送风机控制系统调节的同时则引风机会跟随动作， 使炉膛负压稳 定。值得注意的是有时操作人员虽然作出了调整，但仍显示负压 值偏低并且不稳定。 这时应检查从一燃室至引风机全程排烟气通 道的压力分布是否异常， 通常是换热部位因颗粒物和积灰堵塞造 成烟气流通不畅，故障排除后即可恢复正常。 影响炉膛负压波动的另一个因素是一燃室气密性是否良好， 气密性不好将影响炉膛负压稳定和降低可燃气体质量， 而且造成 不应有的热损失。这就要求在设计构造阶段处理好进料口、出渣 口和动静结合部等开口部位的密封问题，在运行过程中保证料 封、渣封、水封等各个环节工作可靠。避免冷风漏入， 热气外泄， 减少热损失，保证炉膛负压稳定。 试运行期间对一燃室、 二燃室炉体外壁实施了厚度为 100 ㎜ 的岩棉保温，大大减少了散热损失，这对保持炉温很有必要。也 是降低能耗、安全生产和改善工作环境的需要。 2．5．2 氧含量的控制 国家标准规定焚烧炉出口烟气中氧含量为 6～12%。烟气氧 含量可以正确反映过量空气系数， 是进行反馈控制焚烧炉燃烧工 况的重要参数， 也是检查垃圾给料量与送风量配合是否恰当和衡 量垃圾燃烧工况好坏的一个指标。 氧含量与烟气出口温度成反比 关系，当燃烧工况较好温度较高时，燃烧消耗氧量增加，使烟气 中氧含量降低。但氧含量过低则表明助燃空气供给不足，燃烧不 13 完全。如果氧含量大于基本值，则意味着燃料量不够，燃烧效率 不高，需要适当加大给料量强化燃烧并适度减少停留时间。需要 引起注意的是；正常情况下适当加大给料量意味着升温，但也不 排除有时由于垃圾成分的变化，加大给料量反而导致炉温降低。 2．6 热灼减率 热灼减率是指垃圾焚烧后的炉渣中残存的未燃尽成分的比 例指标，是判定焚烧炉运行正常与否、燃烧是否充分的最有力的 数据。试运行期间连续 5 个月炉渣热灼减率检测结果见表： 检测序号 热热灼减率（%） 1 3.91 2 4.05 3 2.83 4 3.87 5 4.03 平均 3.73 可以看出，5 次检测的结果均未超过 5%，符合国家《生活垃 圾焚烧污染控制标准》规定。 3． 结语 （1） 通过优化二次风配置提高炉温和合理控制干燥热解 带料层厚度， 是高温快速热解气控焚烧工艺能够实现 快速热解与充分燃烧的要点。 （2） 垃圾热解气控焚烧运行过程存在大惯性、 大滞后和干 扰多等不确定因素， 因此， 对运行过程控制有较高要 求。 有经验的操作员的准确判断、 综合分析和恰当的 操控是维持良好运行状态的关键。 （3） 有时由于受垃圾成分多变的影响和单炉焚烧处理规 模较小的限制，为保持焚烧稳定，DCS 控制系统和人 工调节相互配合对运行过程进行控制是必要的。 14 （4） 运行实践证明； 立式垃圾热解气控焚烧炉技术具有入 炉垃圾不用破碎预处理、 不需要辅助燃料助燃、 烟气 污染控制较容易和启炉停炉较方便等诸多优点， 但也 存在垃圾热值太低时正常的燃烧工况难以建立和保 持的问题。 参考文献： 1． 张益,赵由才.生活垃圾焚烧技术.化学工业出版社,2000. 2． 王海瑞,王华.城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程控制. 北京冶金工业出版社,2008. 15

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