國內外城市垃圾流化床焚燒技術的特點及分析

城市垃圾產(chǎn)生的環(huán)境污染及其妥善治理是我國面臨的亟待解決的問題之一。從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略角度看，垃圾處理的目標應該是實現(xiàn)無害化、資源化和減量化，特別是城市生活垃圾已被認為是一種可提供能源的資源。目前比較普遍的觀點認為，焚燒法處理垃圾是實現(xiàn)減量化最快捷和最有效的技術方法。流化床具有燃燒效率高、負荷調節(jié)范圍寬、污染物排放低、爐內燃燒強度高、適合燃用低熱值燃料等優(yōu)點，因此被認為是一種綜合性能優(yōu)越的焚燒方式，尤其適合我國垃圾熱值低的國情。

在過去20年中，流化床焚燒技術(fluidized bedincineration，F(xiàn)BI)逐漸在日本、北美、歐洲(特別是在斯堪的納維亞國家)等一些發(fā)達國家和地區(qū)得到應用。截止1995年，全世界己有164臺流化床焚燒爐建成投產(chǎn)，其中有151臺在日本，運行的規(guī)模在不斷擴大，單臺焚燒爐垃圾處理能力增加到25t/h。流化床主要形式為鼓泡流化床(BFB，bubbling fluidized bed)、循環(huán)流化(CFB，circulating fluidizedbed)和內旋流流化床(ICFB，inner circulating fluidized bed)等。鼓泡流化床和循環(huán)流化床焚燒爐的主要區(qū)別在于：鼓泡流化床傾向于小規(guī)模，循環(huán)流化床則傾向于廢料與煤混燒的大規(guī)模。這些技術在處理城市生活垃圾時，有利用復雜預處理系統(tǒng)預處理垃圾再焚燒[如制成廢物衍生燃料(RDF，refuse derived fuel)]，也有直接燃用原生垃圾。目前，日本一般采用鼓泡流化床焚燒技術，單機焚燒能力一般小于4t/h，而美國則傾向于建造大型循環(huán)流化床焚燒爐，單機處理能力在10-25t/h之間。

我國60年代即開展了燃煤流化床技術的研發(fā)與應用，80年代起陸續(xù)有一些科研單位如浙江大學、中國科學院工程熱物理所、中國科學院力學研究所等進行了流化床垃圾焚燒技術的研究。浙江大學的技術于1998年成功應用于150t/d城市生活垃圾焚燒爐中，中國科學院工程熱物理所的技術則應用于一臺100t/d處理陳腐垃圾焚燒爐。

1國外發(fā)達國家流化床焚燒技術的綜述分析

1.1美國的流化床焚燒技術及其應用

美國的垃圾處理以填埋為主，但目前已有約25%的垃圾是通過焚燒技術來處理的。在流化床技術應用的初期，主要是引進一些歐洲的先進鼓泡流化床焚燒技術，如位于北卡羅來納州的Fayetteville廢料回收垃圾發(fā)電廠，其鼓泡流化床焚燒爐便是由英國Kraerner Enviro Power AB公司制造的，焚燒爐熱功率為60MWt，100%焚燒城市固體廢棄物(MSW)，發(fā)電18MWe，用來供熱和發(fā)電。該技術的應用特點主要體現(xiàn)在它采用了由溫度來控制NOx的排放，爐膛內加石灰石來控制SO2，在煙道中噴ca(OH)2來脫除HCl，尾部采用活性炭吸附裝置控制重金屬和痕量有毒有機污染物[如二惡英(dioxins)及多環(huán)芳烴類物質(PAHs)]的排放。隨著流化床焚燒技術的發(fā)展，至1995年，美國已有3座鼓泡流化床焚燒設施混燒RDF與其它燃料。

循環(huán)流化床技術與鼓泡流化床技術相比，具有高效、低污染等優(yōu)點。美國一些大公司，如FW公司(Foster Wheeler Power Corporation)和B&W公司(Babcock&Wilcox Power Corporation)逐漸發(fā)展循環(huán)流化床焚燒技術。FW公司應用CFB焚燒技術在伊利諾斯州Robbins村建成了一座廢物綜合焚燒處理廠，該廠于1997年1月建成并投入運行，處理能力為1000tMSW/d，這是美國首次應用CFB技術燃用RDF。該廠擁有兩套RDF生產(chǎn)線和兩套RDF循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)、兩套現(xiàn)代化空氣污染控制系統(tǒng)和一臺汽輪機，發(fā)電功率為55MW，年處理能力為50萬t。單臺CFB焚燒爐參數(shù)如下：處理量為600tRDF/d，蒸汽流量為28.86kg/s，過熱蒸汽溫度為443℃，壓力為6.2MPa。該焚燒爐的特點為采用帶導向風嘴的水冷布風板和床料冷卻器來使床料返回爐內。燃燒效率>99%，鍋爐的效率>81%。床溫控制在829-913℃，SO2及HCl采用尾部干法脫除。

1.2歐洲流化床焚燒技術及其應用

在歐洲，流化床技術的代表是由英國Kraerner Enviro Power AB公司開發(fā)成功的焚燒技術。該公司設計的第一臺鼓泡流化床MSW焚燒爐1979年在瑞典建成，1984年建成第一臺循環(huán)流化床MSW焚燒爐。截止1995年，該公司已推出13臺流化床MSW焚燒爐。

Kraerner Enviro Power AB公司推出第一及第三代鼓泡流化床焚燒爐。第三代焚燒爐采用脈動空氣給料噴射口，保證燃料在床內均勻分布。運用導向風帽和爐膛底部合理的幾何結構使得排灰和排出不可燃物極為方便。灰渣空氣分選機構使得床料返回爐膛，并將灰渣潛熱帶回爐膛內。在爐膛的雙拱結構上布置對稱二次風系統(tǒng)，保證懸浮段空氣均衡穩(wěn)定，湍流度大，有利于完全燃燒。同時在爐膛燃燒區(qū)域與爐膛頂部設置三次風，使得頂部氣流呈塞狀流型。尾氣處理系統(tǒng)方面，利用爐膛底部區(qū)域保持的氧化性氣氛和均勻的煙氣組分，不僅可以使燃燒更完全，而且可以避免水冷壁遭受腐蝕。

為進一步增大床內流動湍流度，降低NOx排放，第三代焚燒爐采用了煙氣再循環(huán)進入床內和雙拱結構內。在爐膛尾部設置輻射冷卻煙道，在煙氣進入尾部對流受熱面之前設置一輻射冷卻煙道，可以避免過熱器腐蝕、局部高溫和結垢，確保煙氣處于一定氧化性氣氛下，使其組分均勻。

1.3日本流化床焚燒技術及其應用

日本在垃圾流化床焚燒技術方面處于世界領先水平，其半數(shù)以上垃圾廢料都用流化床焚燒法處理。1991年，日本有113座城市垃圾流化床焚燒爐，到1995年增至131座。日本有多家垃圾流化床焚燒爐制造廠商，其中主要的有：石川島播、三井造船、栗本、荏原制作所、日本制鋼、神戶制鋼公司等。

2國內流化床焚燒技術及其特點

國內流化床燃燒技術的開發(fā)應用早在60年代即開始，但主要集中在燃煤領域。正式開始進行垃圾流化床焚燒處理方面的研究始于80年代。由于我國城市生活垃圾具有組分復雜、高水分、低熱值(國內原生城市生活垃圾熱值目前在1000kcal/kg左右，而國外發(fā)達國家為2000-3000kca1/kg)等特點，垃圾的流動混合、焚燒特性和二次污染特性相當復雜，國外的一些成熟流化床技術并不很適合處理我國城市垃圾。因此，有必要開發(fā)應用適合我國國情的垃圾焚燒流化床技術，但我國城市垃圾的上述特點給技術的開發(fā)應用帶來相當?shù)碾y度。

浙江大學自80年代以來致力于開發(fā)適合國情的城市生活垃圾焚燒技術，并通過相關技術如垃圾預處理、煙氣處理、渣分選回收、床下點火啟動、焚燒爐熱工自動控制等的綜合集成，形成了系統(tǒng)化的城市生活垃圾內循環(huán)流化床焚燒新技術。這一技術的特點主要體現(xiàn)在：①異重度流化床的穩(wěn)定燃燒。對于焚燒垃圾，浙江大學熱能工程研究所開發(fā)出的異重度流化床是采用由重度差異較大的不同顆粒(在石英砂與垃圾)組成流化床系統(tǒng)，可以防止大塊垃圾在床內的沉積和輕粒度垃圾成分的偏浮，從而保證穩(wěn)定燃燒。②在流化布風結構上采用傾斜布風結合定風風帽構成物料床內循環(huán)。通過布風裝置及燃燒設備的專門設計，可保證經(jīng)簡易破碎的原生垃圾在爐內充分焚燒。③為達到高效清潔焚燒的目的，采用了分段燃燒方式及二次風切圓布置方式，使爐內燃燒空氣充分混合，改善燃燒狀況，降低CO排放濃度及控制NOx的排放;并且采用了國際上通行的二惡英抑制方法，以有效地抑制二惡英的產(chǎn)生，即爐內溫度均勻保持在850-950℃范圍內;高溫段煙氣停留時間大于3s;燃燒室內充分混合;加強受熱面吹灰。為控制尾部煙氣中SO2、HCl、HF、Cl2及重金屬的排放，采用了浙江大學開發(fā)的濕法煙氣洗滌裝置，對尾氣進行洗滌處理。

1997年，浙江大學應用這一流化床焚燒新技術將杭州錦江集團余杭熱電廠一臺35t/h鏈條爐改造為城市垃圾流化床焚燒爐。燃用杭州部分地區(qū)的城市生活垃圾，改造后每臺焚燒爐日處理垃圾150t。改造工程于1998年8月中旬完成，目前已累計運行1年多，平均每小時焚燒垃圾6.98t，達到和超過了設計要求(按設計每天處理150t，即每小時焚燒6.25t垃圾)，最大垃圾焚燒量可超過11t/h(相應于超過每天焚燒處理垃圾250t)。每噸垃圾處理成本約為25元。

據(jù)中國科學院工程熱物理研究所方建華等人介紹，中國科學院工程熱物理所研發(fā)的100t/d循環(huán)流化床垃圾焚燒爐焚燒系統(tǒng)，其主要技術指標為日處理城市生活垃圾80-100t/d。在焚燒熱值大于4000kJ/kg、含水量低于50%垃圾時，運行不需輔助燃料，煙塵和有害氣體符合國家環(huán)保規(guī)定。

該技術特點體現(xiàn)在垃圾入爐前只需對特大塊不可燃物(如混凝土塊)進行簡單分揀，其余垃圾均可入爐燃燒。據(jù)作者介紹，目前焚燒爐尚未具備連續(xù)長時間運行條件，該爐于1997年6月投入試運行。

中國科學院力學所盛宏至等人對非均質燃料擴散與偏析特性、傳熱特性進行了冷熱態(tài)試驗研究，開發(fā)出了高水分、低熱值燃料的內旋流流化床燃燒技術，并基于研究結果進行了10t/d熱態(tài)試驗爐的方案設計。其特點體現(xiàn)在采用偏斜布風方式，實現(xiàn)內部旋流流化，以達到提高焚燒效率及降低污染的目的。但該技術尚未進行商業(yè)化運行。

綜合分析國內流化床技術的開發(fā)及應用可見，這些技術還停留在中小容量的基礎上，尚未推廣(有些技術尚未進入應用階段)，有待進一步提高。由于流化床技術具有發(fā)展的前景，一些研究者已著手開展大型化、產(chǎn)業(yè)化的工作，如浙江大學己開始進行日處理垃圾300t量級的流化床焚燒爐的開發(fā)。同時，國家有關部門對流化床技術給予了相當?shù)年P注，并配套一些經(jīng)費，鼓勵發(fā)展這些技術。

3結語

綜觀國內外流化床垃圾焚燒技術的發(fā)展及應用，國外流化床焚燒技術已實現(xiàn)商業(yè)化、大型化，并且有較好的發(fā)展前景。我國城市垃圾焚燒處理則剛剛起步，但已有一些研究者開發(fā)出適合我國國情的流化床焚燒技術，并成功應用于城市生活垃圾的處理。

不過，對于國內研發(fā)應用者來說，尚需做許多工作：

①考慮到目前國內城市垃圾組成復雜和熱值偏低，國內開發(fā)垃圾處理利用新技術時應針對國情，不要盲目引進一些初投資及運行成本昂貴且不適合國情的技術和設備。另外，由于我國目前的技術開發(fā)能力大多集中在高等院校和研究院所，為使技術盡快轉化為生產(chǎn)力，產(chǎn)學研相結合應是一座很好的橋梁。

②城市垃圾處理利用事關長遠，事關全民，因此國家在制訂政策時應予以充分重視。我國現(xiàn)行的垃圾處理利用總體上仍是計劃經(jīng)濟時代的產(chǎn)物，屬于公用事業(yè)。目前可探索由企業(yè)來參與和承擔垃圾處理利用，國家在稅收、信貸、財政補貼政策等方面予以政策支持。