國內(nèi)外城市垃圾流化床焚燒技術(shù)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(biāo)應(yīng)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(shù)方法。流化床具有燃燒效率高、負荷調(diào)節(jié)范圍寬、污染物排放低、爐內(nèi)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(shù)(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(yīng)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(nèi)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(shù)在處理城市生活垃圾時，有利用復(fù)雜預(yù)處理系統(tǒng)預(yù)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(shù)，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(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，80年代起陸續(xù)有一些科研單位如浙江大學(xué)、中國科學(xué)院工程熱物理所、中國科學(xué)院力學(xué)研究所等進行了流化床垃圾焚燒技術(shù)的研究。浙江大學(xué)的技術(shù)于1998年成功應(yīng)用于150t/d城市生活垃圾焚燒爐中，中國科學(xué)院工程熱物理所的技術(shù)則應(yīng)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(shù)的綜述分析

1.1美國的流化床焚燒技術(shù)及其應(yīng)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(shù)來處理的。在流化床技術(shù)應(yīng)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(shù)，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(shù)的應(yīng)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(nèi)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(zhì)(PAHs)]的排放。隨著流化床焚燒技術(shù)的發(fā)展，至1995年，美國已有3座鼓泡流化床焚燒設(shè)施混燒RDF與其它燃料。

循環(huán)流化床技術(shù)與鼓泡流化床技術(shù)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(shù)。FW公司應(yīng)用CFB焚燒技術(shù)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(yīng)用CFB技術(shù)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(dǎo)向風(fēng)嘴的水冷布風(fēng)板和床料冷卻器來使床料返回爐內(nèi)。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(shù)及其應(yīng)用

在歐洲，流化床技術(shù)的代表是由英國Kraerner Enviro Power AB公司開發(fā)成功的焚燒技術(shù)。該公司設(shè)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(nèi)均勻分布。運用導(dǎo)向風(fēng)帽和爐膛底部合理的幾何結(jié)構(gòu)使得排灰和排出不可燃物極為方便�；以�空氣分選機構(gòu)使得床料返回爐膛，并將灰渣潛熱帶回爐膛內(nèi)。在爐膛的雙拱結(jié)構(gòu)上布置對稱二次風(fēng)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(shè)置三次風(fēng)，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(nèi)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(nèi)和雙拱結(jié)構(gòu)內(nèi)。在爐膛尾部設(shè)置輻射冷卻煙道，在煙氣進入尾部對流受熱面之前設(shè)置一輻射冷卻煙道，可以避免過熱器腐蝕、局部高溫和結(jié)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(shù)及其應(yīng)用

日本在垃圾流化床焚燒技術(shù)方面處于世界領(lǐng)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(nèi)流化床焚燒技術(shù)及其特點

國內(nèi)流化床燃燒技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用早在60年代即開始，但主要集中在燃煤領(lǐng)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(fù)雜、高水分、低熱值(國內(nèi)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(dāng)復(fù)雜，國外的一些成熟流化床技術(shù)并不很適合處理我國城市垃圾。因此，有必要開發(fā)應(yīng)用適合我國國情的垃圾焚燒流化床技術(shù)，但我國城市垃圾的上述特點給技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用帶來相當(dāng)?shù)碾y度。

浙江大學(xué)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(shù)，并通過相關(guān)技術(shù)如垃圾預(yù)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(nèi)循環(huán)流化床焚燒新技術(shù)。這一技術(shù)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(xué)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(nèi)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(fēng)結(jié)構(gòu)上采用傾斜布風(fēng)結(jié)合定風(fēng)風(fēng)帽構(gòu)成物料床內(nèi)循環(huán)。通過布風(fēng)裝置及燃燒設(shè)備的專門設(shè)計，可保證經(jīng)簡易破碎的原生垃圾在爐內(nèi)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(fēng)切圓布置方式，使?fàn)t內(nèi)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(nèi)溫度均勻保持在850-950℃范圍內(nèi);高溫段煙氣停留時間大于3s;燃燒室內(nèi)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(xué)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(xué)應(yīng)用這一流化床焚燒新技術(shù)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(shè)計要求(按設(shè)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(yīng)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(xué)院工程熱物理研究所方建華等人介紹，中國科學(xué)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(shù)指標(biāo)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(shù)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(xué)院力學(xué)所盛宏至等人對非均質(zhì)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(nèi)旋流流化床燃燒技術(shù)，并基于研究結(jié)果進行了10t/d熱態(tài)試驗爐的方案設(shè)計。其特點體現(xiàn)在采用偏斜布風(fēng)方式，實現(xiàn)內(nèi)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(shù)尚未進行商業(yè)化運行。

綜合分析國內(nèi)流化床技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用可見，這些技術(shù)還停留在中小容量的基礎(chǔ)上，尚未推廣(有些技術(shù)尚未進入應(yīng)用階段)，有待進一步提高。由于流化床技術(shù)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(xué)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(guān)部門對流化床技術(shù)給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，并配套一些經(jīng)費，鼓勵發(fā)展這些技術(shù)。

3結(jié)語

綜觀國內(nèi)外流化床垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，國外流化床焚燒技術(shù)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(shù)，并成功應(yīng)用于城市生活垃圾的處理。

不過，對于國內(nèi)研發(fā)應(yīng)用者來說，尚需做許多工作：

①考慮到目前國內(nèi)城市垃圾組成復(fù)雜和熱值偏低，國內(nèi)開發(fā)垃圾處理利用新技術(shù)時應(yīng)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(shù)和設(shè)備。另外，由于我國目前的技術(shù)開發(fā)能力大多集中在高等院校和研究院所，為使技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合應(yīng)是一座很好的橋梁。

②城市垃圾處理利用事關(guān)長遠，事關(guān)全民，因此國家在制訂政策時應(yīng)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(dān)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。