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流化床垃圾焚烧技术
1. 概述
目前普遍认为，用流化床焚烧垃圾对燃料的适应性好，能完全燃烧各类城市垃圾或有机的工业垃圾等；而且对于垃圾预处理的要求比较小，适合我国的国情。 对于流化床的研究，国内外在很早的时候就开始了，将流化床技术应用到垃圾焚烧上，也不是最近的事：多年前 ，欧洲在燃用煤、积淤物等均质燃料时已采用沙床流化床技术。而25年前 ，日本因垃圾的发热量低、水份高及资源有限等原因已应用循环流化床技术焚烧垃圾这类非均质燃料 ，克服了固定流化床燃用非均质燃料时燃料分布不匀 ，局部过热和局部微燃的缺陷 ，且具备了灰渣深度惰性化、污染释放物少及易于自动控制等优越性能。截止98年底的数据表明 ，日本已有60多套焚烧各种垃圾的循环流化床 ，欧洲也已开始起步 ，今后10年欧洲将大量建设这种小型化的垃圾焚烧设备。1994年在柏林市郊的一座已停运的垃圾焚烧场安装了一套ROWITEC式循环流化床生活垃圾焚烧设备 ，每小时焚烧垃圾8.5t，热功率为20MW，产生 470℃、74MPa的蒸汽19-25t，用来供热和发电。在国内，有关学者也早就开始关注流化床用于垃圾焚烧方面的研究。并且通过多年的积累，已经开发出用于实际工程中的流化床垃圾焚烧炉，并有成功的应用先例。 2. 我国的垃圾概况
我国经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾的产量逐年增加，年均增长率接近9%。虽然我国城市居民人均日产垃圾不足1kg，低于大多数发达国家，但其总产量却相当高，预计到2000年我国城市垃圾的产量将达到19000万吨左右。但我国的垃圾和国外的相比较也有很大区别：无机物含量高于有机物含量，不可燃成分高于可燃成分。中小城市垃圾的有机质含量多为20%左右，一些大城市如北京市的垃圾有机质含量可高达40%以上。有机成分中，以生物质所占比例为大，纸张较少，而国外垃圾中纸张所占比例较大。无机成分中，以灰土砖石为主，玻璃、金属等含量很低。下表为我国的垃圾和国外垃圾发热量及成分的比较。
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我国的研究人员对垃圾中的一些主要成分的热解过程做过很多的研究，其中就包括在垃圾有机物中含量较大的废橡胶、废皮革、废塑料、废纸张、瓜皮、化纤、杂草、植物类厨余和落叶的一些燃料特性做了分析，见下表：
另外还对它们的热解反应做了研究，得出了有关活化能和反应速率方面的一些数据：
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利用先进的分析手段，对我国一些地区的垃圾热值也做了测定：
垃圾组成成分不同，决定了我国垃圾处理应走自己的路，而且不同城市也应采取不同的处理方法，不能简单地仿效国外。 3. 流化床垃圾焚烧在我国的研究与应用
在固体废弃物的焚烧处理方面，我国科研工作者做过大量的工作，主要采用鼓泡流化床或循环流化床燃烧方式。对于热值及成分多变的垃圾，流化床燃烧具有其独特的优势，这已为国内外学者所公认。尤其是在污染物控制方面，流化床同时解决了燃烧与污染控制问题，有效地降低了设备的初投资，减少了系统的复杂性。因此采用流化床焚烧方式，开发研制符合中国国情的国产化垃圾焚烧炉，是目前垃圾焚烧技术在我国发展的一大趋势。我国大中城市垃圾中无机物平均含量较大，有机可燃物含量较小。除局部地区热值可达到6500kJ/kg外，大部分垃圾的热值仅有2000-4000kJ/kg，甚至更低，而国外的垃圾焚烧设备主要适用于处
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理较高热值的垃圾（一般热值应大于6500kj/kg）。我国垃圾没有分拣，成分远比国外的生活垃圾复杂。由于不同热值、不同成分燃料的燃烧特性差异很大，因此，从技术上说，照搬国外的技术、设备是不能很好地解决我国的垃圾焚烧问题的。从经济上说，国外的垃圾发电机组的初投资比国内同等规模的初投资大4倍多，运行费用高30%－50 %以上，因此，大规模引进国外垃圾焚烧设备在技术上和经济上均有一定问题。
我国的科研工作者和工程技术人员在结合实际国情的条件下，对我国的垃圾焚烧工作做了很多的研究，其中有属于实验研究性质的，也有属于工程应用性质的。按照他们各自技术特点可分为以下几类： (1)异重流化床垃圾焚烧
该项技术的主要特点是：在传统流化床的基础上加入了如石英沙一类的“重物”和少量的辅助燃料（煤），使得原来由于垃圾热值低和比重轻而不容易维持流态化正常焚烧的垃圾流化床能维持正常的燃烧。
由于垃圾的比重相对较轻，其尺寸极不均匀，在垃圾投入常规的流化床中进行焚烧，有可能影响流化床燃烧的稳定性，投入的垃圾会在流化床中发生偏析，从而导致流化床流化状态的恶化和燃烧的不完全。而在不同颗粒组成的流化床系统中，床内颗粒沿高度的分布将主要受床内颗粒重度的支配，重度较大的颗粒将趋于床层的下部，重度小的颗粒则在上部。利用这个特点可以防止垃圾大块在床内的沉积和轻粒度垃圾的偏浮，从而保证稳定的燃烧。
下图为异重流化床垃圾焚烧实验装置。最大垃圾处理量约为：300kg/h。装置的截面为500mm×500mm，冷空气由风机送至等压风室，通过布风板进入床层，布风板采用风帽式。床内有固定蛇形埋管及6根可动埋管。炉膛出口布置鳍片式撞击分离器，分离灰送至床层，尾部布置省煤器。实验床料为河沙，燃烧采用称重法计量。垃圾及辅助煤由皮带输送至负压给料口(少量大尺寸垃圾由人工干预)，给入炉内。装置的示意图如下所示。
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整个运行期间，不放底渣，偶尔为取分离灰样，在回送机构上放下分离灰，燃烧后的含尘烟气经省煤器冷却后再经尾部布袋除尘器，由引风机送入烟囱。运行流化风速经过标准毕托管标定后的翼形风速测定管测定。流化床密相床底部，上部以及悬浮段各点均装有测温热电偶。布风板以上沿床高方向尚布置若干其它测孔和观察孔，以作为烟气取样，颗粒取样等用途。燃烧中烟气分析采用奥氏气体分析仪、色谱分析仪、多功能分析仪联合测定。Cl2、HCl采取烟气取样分析，并分别用碘量法，AgNO3容量法测定。试验采用的垃圾成份及热值见在下表所示：
由于此种垃圾热值尚不能维持流化正常焚烧，故在焚烧时添加少量辅助燃料煤以维持正常焚烧，试验中煤样的成份分析见下表。
焚烧试验中主要进行了NOx、SO2、HCl、Cl2等污染物的测定。各种工况下污染物的排放浓度汇总于下表，所有烟气中污染物的浓度全部折算到统一的氧量
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下。
上表可以看出，NOx的排放浓度在211～292mg kg之间(O2=7%)。NOx的排放即便与西方工业国家的排放限值相比较，也基本满足环保要求，故不必采取特殊的脱硝措施，这同时也说明流化床低温燃烧在脱除和抑制NOx生成方面的优越性。
所测量的工况结果表明，SO2排放大约有89mg kg(O2=11%)，远远低于国标GB13271 91SO2排放标准420mg kg。这主要因为从垃圾成份分析，可知垃圾中的硫份较少，仅大约0.03%，而煤中也不过0.48%，因而烟气中SO2排放浓度较低。
在此基础上还进行了关于异重流化床用于燃烧稻壳和造纸污泥方面的研究。 A. 对焚烧稻壳的研究 稻壳的物性参数如下表：
下面是稻壳焚烧后的实验结果：
稻壳的流化飞出特性曲线
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稻壳与石英砂混合的流化特性曲线
稻壳、石英砂和煤混合的流化特性曲线
床料粒径对稻壳质量份额分布影响
稻壳、石英砂和不同粒径的煤混合流化后的稻壳质量份额分布
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稻壳、石英砂和不同粒径的煤混合流化后的煤质量份额分布
稻壳与煤混合流化后的质量份额分布
流化风速对稻壳质量份额分布的影响
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稻壳初始质量份额的影响
通过以上研究工作，取得以下成果和认识：
纯稻壳不易流化，临界流化速度约为0.60m/s。稻壳在速度1.1m/s左右开始飞出，在速度约为2. 1m/s，基本上全部飞出。采用石英砂作床料，可实现良好流化。砂的粒径分布对稻壳流化床的流化状况影响显著，平均粒径为0.52mm的砂作床料，可以实现良好的流化和混合，且比较经济。煤的粒径对稻壳、砂与煤多组份混合物料系统的流化、混合影响不大，但对稻壳与煤双组份混合物料系统的流化、混合有较大影响。 B. 对于造纸污泥的研究 污泥的成分分析如下：
理论燃烧温度与水分间的关系
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以下为此类研究工作的两个实验台架。
前者为ф60mm小型电加热流化床，结构示意图如下：
后者为0.5MW大型流化床实验台，如图所示：
在大型实验台上所取得的结果如下：
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研究认为：采用流化床焚烧法处理造纸污泥是一种能实现最大程度减容，而且可有效控制二次污染，NOx和HCl的排放量均低于国家标准，若加入一定的石灰石进行脱硫，则可以在一定程度上实现低污染清洁燃烧。 (2) 内循环流化床（通常也称为内旋流流化床）用于垃圾焚烧
内循环流化床的特点是：通过加热区、主燃烧区与换热区的分别布风，利用各区间较大的流化倍率差造成固相颗粒大尺度内循环，改善燃料横向扩散、离析等特性，减少气泡与沟流对燃烧的影响，使燃料在床内迅速干燥、碰撞、破碎并着火燃烧; 通过改变加热段流化速度控制高温砂床对燃料的加热速率及挥发分析出与燃烧速率，当燃料成份与尺寸形状突然变化时能够防止排烟中氧含量过低及CO与碳烟超标，特别适合于燃烧各种废弃物; 在换热区，布置有独立布风的埋管受热面，改变该区的流化倍率可使总换热系数从100%降到20%，可在保持最佳燃温的前提下大幅度改变换热量。负荷调节比远大于传统锅炉。而且如果当燃料的含水量和热值等发生较大变化时，也可通过控制埋管的换热量来调节燃烧状况，如果将埋管设计为过热器，还可简单地控制锅炉的过热蒸汽参数，实现瞬时负荷调节。
燃烧城市废弃物和燃煤的内循环流化床锅炉，可以保证高效燃烧和低NOx、SOx排放，并能实现负荷的较大范围控制。该型锅炉既吸收了循环流化床颗粒循环的优点又保留了鼓泡床采用埋管换热的优势。下图是内循环流化床的结构简图。
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床内采用倾斜隔板将主燃烧区和换热区隔开，用砂子作为床料，不仅在主燃烧区形成床料的内旋流流动，而且在主燃烧区和换热区之间也有床料的交换。颗粒的循环流动是由非均匀布风造成的。在主燃烧区包含高速风和低速风，在换热区有换热调节风，这样在主燃烧区形成流动床(高风区)和移动床(低风区)，在换热区形成移动床。主燃烧区的流速主要控制挥发分的析出及燃烧速度。换热区内的流速主要控制埋管的传热速率。换热区内颗粒的下降和循环速度可以由送入的调节风进行控制，当调节风速由0开始增加时，换热区床料的下降速度几乎呈线形增加。锅炉系统包括炉体、旋风分离器、空气预热器和除尘器等，共有3个床料的循环(主燃烧区内的颗粒循环，换热区的颗粒循环，回燃系统中未燃尽碳的循环)
下图为又一种类型的内循环流化床焚烧炉。
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该焚烧炉风室分为3部分，中间风室风速较大，两侧风室风速较小，在床中心区域形成激烈运动的流动床，床料被几倍于颗粒初始流化速度的气流携带向上，在反射板的作用下进入两侧区域。由于两侧气流速度较小，床料在自重作用下缓慢下沉，并补充了床料被携带走之后留下的空隙，形成运动床，随后床料又被高速气流携带向上。这样在床区形成一个由中心流动床和两侧移动床构成的复合床。内旋流流化床的名称正是来自于这种大尺度的床料内循环运动。内旋流流化床不但可以增进燃料在床层内的扩散，而且还可以使重质不燃物下沉至布风板，并沿倾斜布风板逐渐移动至出渣口。下图为内旋流流化床传热试验装置图。
该炉体从下到上包括风室段、出渣段、浓相床区段、过渡段、二次风段和烟气出口段(包括空气预热器)。炉体内部衬有隔热材料和耐火水泥。炉内浓相床区横截面积为500mm(L)×240mm(W)，外形尺寸为1200mm(L)×800mm(W)×3000mm(H)。辅助设备包括2台流量为20m3/min、压头为12kPa的风机、空气预热器、除尘器、引风机等。
内旋流流化床废弃物焚烧炉试验台结构简图
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试验结果如下：
流化倍率对传热系数的影响
焚烧垃圾时浓相床区的温度曲线
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焚烧垃圾时二次风区的温度曲线
从上述研究结果可以看出：内循环流化床吸收了鼓泡床和循环流化床的优点，在较低的流化速度下实现了颗粒在流化床内的循环运动，使燃料在床内很快地均匀扩散，具有许多独特的优点。而内旋流流化床床内不设有各种隔板或提升管等，可通过非均匀布风形成大尺度回旋运动，不但能促进燃料与床料的混合，而且还有利于燃料在炉内的干燥、破碎等，同时还可使大块不燃物逐渐下沉，通过倾斜布风板排出。试验表明内旋流流化床内的埋管传热特性更有利于控制燃烧和传热。通过焚烧城市生活垃圾，表明这种炉型适合于废弃物的焚烧处置。 (3) 涡旋循环流化床
该流化床与内循环流化床的原理基本类似，也是通过布风板的倾斜布置来实现物料的横向均匀分布，而在此基础上又在燃烧室里分级布置上了切向配风（二次风），这样可以使得悬浮段形成强烈的气固涡旋流动，以提高燃烧湍流强度，从而延长了可燃物及有害气体在高温区的停留时间，这样有利于有害物质的破坏和除去。燃烧室后布置高温旋风分离器，即起到了反料的作用又起到了燃烬室的作用，它的使用延长了有害物在高温区的停留时间，又降低了烟气中的有害物和可燃物的含量。对排渣口也做了些改进：将排渣口布置在布风板底端外侧，是一个非常有效的既能方便排渣又不降低流化质量的措施。 以下为该装置切向配风部分的实验室简图：
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我国漳州建立了一座处理量为100t/d的涡旋流化床垃圾焚烧炉。燃烧系统包括：差速流化床、涡旋燃烧室、高温旋风分离器和反料器。差速流化床底部的倾斜布风板从给料管一侧向排渣管方向倾斜，上面布置12排高度逐渐降低的定风帽。倾斜部风板下接两个分开的风室。一次风约为总量的60%。差速流化床前、后墙各有一个向燃烧室内折转的炉拱，配合使用前、后炉拱，有助于在流化床内形成物料内循环，加强物料横向的掺混和运动。排渣口布置在布风板的底端外侧，这样可使得渣口开得很大而不会影响流化质量，实际上排渣口比给料口大，从而保证进入焚烧炉的不可燃物都能顺利地从排渣口排出。为了防止不可燃物在流化床内堆积造成流化状况恶化，涡旋循环流化床采用连续排渣方式。 下表为该炉的设计数据：
设计规范
序号 1 项目名称 符号 垃圾额定处理B 量 2 3 4 5 6
单位 t/d 数据 100 额定热功率 Q MW Mpa 2.6 0.7 95 70 102 锅炉设计出力 P 出水温度 给水温度 循环水量 27
tcs tgs G ℃ ℃ t/h
清华同方股份有限公司能源环境公司 θ’’ py7 排烟温度 ℃ 257 8 9 热利用率 排污率 η ρ % % 59.2 5 设计燃料特性
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 收到基碳 收到基氢 收到基氧 收到基氮 收到基硫 收到基水分 收到基灰分 无灰干燥基挥发分 9 底位发热量 Qar，net 项目名称 符号 单位 数据 13.08 2.33 9.49 0.37 0.19 53.39 21.15 18.62 Car Har Oar Nar Sar Mar Aar Var % % % % % % % % kj/kg 4128 热力计算汇总表
序号 1 2 3 4 出口烟温 出口烟焓 烟气体积 烟气流速 名称 符号 θ‘’ 单位 炉膛 余热锅炉 空预器 256.8 1209.0 3.176 5.8 ℃ kj/kg Nm3/kg m/s 984.2 4681.0 2.952 3.3 416.8 1921.0 3.027 6.7 I’’ Vy Wy 28
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70.0 20.0 5 工质进口温度 t’ ℃ 6 7 工质进口焓 工质出口温度 H’ t’’ kj/kg ℃ 293.2 95.0 38.8 284.9 8 9 10 11 12 13 工质出口焓 烟气放热量 受热面积 温压 传热系数 计算传热量 i’’ Qy H ΔT K Qc kj/kg kj/kg m2 ℃ ℃ kj/kg 0 0 397.9 2635.8 106.3 576.1 48.4 2635.8 560.6 704.1 196.5 160.7 25.1 704.1 (4) 清华大学研究概况
清华大学在垃圾处理量为每天5t的热态试验系统上试验研究，包括机理性或基础性研究，同时研究工艺系统的设置，已得到可指导工业设计的准则及基础数据，包括原始垃圾不进行分选、破碎直接送入燃烧设备的方法、特殊的排渣技术、还原区的高温腐蚀和尾部受热面的HCl低温腐蚀、炉内脱硫、脱除HCl并有效地降低氮的氧化物的生成等，为国产垃圾焚烧设备的开发设计提供了可靠的保证，并申请了有关专利。目前正在进行大型垃圾焚烧炉的概念设计。下图给出了一台蒸发量为20t/h、垃圾处理量为300t/d的焚烧锅炉的总图。
综上所述，利用生活垃圾直接入流化床锅炉焚烧发电供热，技术上是成熟可行的。符合国家的环保政策、能源政策，具有突出的环境效益和社会效益，经济效益亦十分明显，建议有关部门尽快抓住机遇，为促使我国垃圾发电供热事业的发展，做出应有的贡献。
清华同方能源环境公司，依托清华同方股份有限公司雄厚资金和良好信誉、凭借自身雄厚的技术实力，将清华大学多年积累的研究成果进行二次开发，实现其产业化。在与清华热能系的紧密协作中，同方能源环境公司获得了处于国际前沿的技术支持，这样就得以在不断的工程实践中继续完善和创新，进而为
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中国的废弃物处理事业做出更大的贡献。 清华大学垃圾焚烧技术技术主要特点如下：
1、采用等压组合式循环流化床焚烧技术。 2、良好的燃烧组织，充分的炉内扰动。 3、燃烧充分完全，二次污染易于控制。
4、有效实现炉内脱氯，抑制二恶英的生成和防止锅炉腐蚀。 5. 垃圾与煤共燃烧，实现稳燃和降低污染。
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