摘 要：通过建模理论分析，得到了低位热值为3238.9kJ/kg的生活垃圾在循环流化床锅炉焚烧的理论数据。采用公司发明专利技术及其他相关技术工艺，实现了循环流化床纯烧城市生活垃圾，并在垃圾焚烧处理厂得到成功应用。
关键词：循环流化床；纯烧；城市生活垃圾；工程
中图分类号：TK09 文献标识码：A
城市生活垃圾的妥善处理是当今世界各国的重要环保课题。随着我国经济的发展、城镇人口的增长和居民生活水平的不断提高，城镇生活垃圾产生量迅速增加，生活垃圾的处理已成为影响我国经济发展和环境治理的重要因素，也是我国城镇化进程中必须面对的问题。
垃圾焚烧处理是目前城市生活垃圾进行无害化、减量化和资源化处理最彻底最有效的技术方法。循环流化床垃圾焚烧技术具有燃烧剧烈、分解彻底、对垃圾种类适应性好及燃烧污染物排放低等优势，比较适合我国城市生活垃圾高水分低热值的特性。
1 技术背景
城市生活垃圾焚烧处理技术，国内外广泛应用的技术主要有二种：层状燃烧技术和流化床燃烧技术。
层状燃烧技术主要采用炉排形式实现焚烧，是应用较早、较为成熟的焚烧技术，主要包括固定炉排、链条炉排、往复炉排等。其中往复炉排炉焚烧技术在垃圾分类收集系统完善的欧美等发达国家得到广泛使用。采用层燃技术的炉排焚烧炉适合焚烧低水份高热值的垃圾，具有烟气含尘量低、动力消耗相对少等优点。但炉排炉因层状燃烧的特性所致，床层中下部温度较低整体燃烧速度缓慢，容易产生热解不彻底现象，炉渣中常夹带有未燃烬有机物，不适合燃烧高水份、高灰分、低热值的生活垃圾，更难以实现单独焚烧或掺烧市政污泥。
自上世纪八十年代以来循环流化床燃烧技术迅速发展成熟，由于其具有热强度均匀稳定、燃料适应广泛、环境排放特性优良等优点，在燃煤发电行业中正在全面取代其它燃烧技术。上世纪末国内垃圾焚烧开始起步，垃圾分类收集又尚未实施，中国科学院、浙江大学、清华大学等科研机构根据国内当时的垃圾特性相继开发出循环流化床垃圾焚烧技术，通过掺烧一定量燃煤来保证垃圾安全稳定焚烧。随着经济社会发展，我国对环境保护和节约土地资源逐步重视，本世纪以来国家资源综合利用和环境保护政策逐步完善，各地政府强化了垃圾源头管理，进行垃圾分类收集运输，进焚烧厂的垃圾水分得到了控制热值有较大提高。特别是东部经济发达的城市环卫收集运输的生活垃圾进厂的平均热值从650kcal/kg（2721 kJ/kg）左右提升至750kcal/kg（3140 kJ/kg）以上，为我们进行循环流化床纯烧城市生活垃圾的技术研究提供了基础。
2 建模与分析
2008年，杭州市共处置213.90万吨，日均清运生活垃圾5844.19吨，全年生活垃圾热值在3238.9kJ/kg左右，全年平均含水率57.4%，杭州主城区垃圾热值已达3952kJ/kg。我们就低位热值3238.9kJ/kg的原生生活垃圾，进行建模计算与理论分析。
根据杭州一垃圾焚烧处理厂提供的垃圾燃料数据分析表（见表1），采用伯勒（Bole）锅炉性能设计计算软件V1.03，先进行炉膛完全绝热焚烧时建立计算模型，来获得焚烧的有关理论数据。
计算模型以1t/h垃圾在完全绝热炉膛焚烧为基础，入炉垃圾低位热值3238.9kJ/kg，过剩空气系数取1.5，入炉垃圾及进口空气的温度均取25℃。
样本垃圾绝热燃烧工况模拟的数据见图1，图中三个画面依次为烟气侧（炉膛输出烟气参数）、燃料侧（入炉垃圾元素、热值参数）、空气侧（炉膛输入空气参数）。
从模拟计算中看出，燃烧1t/h的样本城市生活垃圾，助燃空气1439Nm3/h，燃烧产生约2263Nm3/h烟气量，绝热炉膛出口烟温879℃。烟气温度已高于城市生活垃圾安全焚烧的国家规范要求温度850℃，具备设计纯烧方案的基础条件。
假定纯烧此类垃圾，按800t/d规模设计循环流化床焚烧炉方案：炉膛烟气流速控制在4m/s左右，燃烧温度≮900℃，烟气有效停留时间≮4.5s，确定焚烧炉膜式水冷壁炉膛结构主要尺寸。炉膛截面5070mm×4630mm，炉膛有效高度24m，炉膛内侧衬30mm厚硅酸铝耐火纤维板加80mm厚耐火耐磨可塑料，炉膛有效截面约4.8m×4.4m，炉墙面积F=461.2m2，炉膛容积V=440.2m3，炉内有效辐射层厚度为：s=3.6V/F=3.436m=3436mm。硅酸铝耐火纤维板导热系数约为0.156W/（m·k），耐火耐磨可塑料（Al2O3/Fe2O3），导热系数约为3.7W/（m·k），炉膛水冷壁内壁温及炉膛内烟温分别以256℃和900℃计，则1小时内炉膛水冷壁吸收能量约为1384kWh（合4982400kJ）。根据炉膛水冷壁吸收的功率，计算出炉膛水冷壁在通常火焰高度系数0.45时的壁面热有效系数为0.0112。
将数据输入计算模型：样本垃圾在800t/d焚烧炉方案中常温空气（25℃）助燃工况数据见图2，图中三个画面依次为烟气侧（炉膛输出烟气参数）、燃料侧（入炉垃圾元素、热值参数）、空气侧（炉膛输入空气参数）。
从模拟计算中看出，样本垃圾在800t/d焚烧炉方案中燃烧，垃圾焚烧量33.34t/h，助燃空气47974Nm3/h，燃烧产生约76218Nm3/h烟气量，绝热炉膛出口烟温843℃，炉膛烟气流速4.1m/s，炉膛烟气停留时间5.09s。烟气流速与停留时间满足设计参数，但关键参数燃烧温度不满足规范要求，须对设计方案进行优化。
经分析，确定不作其它结构参数修改，通过提高助燃空气温度来保证安全燃烧温度。拟将空气温度预热至180℃。将数据输入计算模型：样本垃圾在800t/d焚烧炉方案中预热空气（180℃）助燃工况数据见图3，图中三个画面依次为烟气侧（炉膛输出烟气参数）、燃料侧（入炉垃圾元素、热值参数）、空气侧（炉膛输入空气参数）。
从模拟计算中看出，样本垃圾在800t/d焚烧炉方案中以180℃预热空气助燃，垃圾焚烧量33.34t/h，助燃空气47974Nm3/h，燃烧产生约76218Nm3/h烟气量，炉膛出口烟温906℃，炉膛烟气流速4.33m/s，炉膛烟气停留时间4.8s。燃烧温度、烟气流速、停留时间均满足规范或设计参数。具备开发纯烧炉型的技术条件。
若热风温度提高至180℃，则炉膛出口烟温可达906℃，见图3所示。入炉焚烧的垃圾进行短暂堆酵以适当降低水分，如果城市生活垃圾经中转站压缩转运，且在入炉焚烧时再进行短暂堆酵，则入炉焚烧处理的垃圾水分可降低5%以上，炉膛出口温度还将提高。当然，如果当地的生活垃圾热值明显较高，采用循环流化床垃圾焚烧炉来焚烧处理垃圾时，则不再建议在垃圾库内堆酵，甚至在进行锅炉热力计算时适当降低锅炉炉膛的绝热程度，否则容易导致炉膛出口烟温超温。在保证垃圾焚烧炉炉膛出口温度的前提下，再对垃圾进行“均质化”破碎处理，使得入炉垃圾燃烧更加连续，并充分发挥循环流化床焚烧特性，则能实现循环流化床纯烧生活垃圾的工程应用。
3 纯烧垃圾的技术工艺
我们通过对天津、山东、浙江、福建等省份的一二线城市生活垃圾取样分析、建模计算提出当入炉垃圾水分不高于50%时，低位热值达到800kcal/kg（3349kJ/kg），水分不高于60%时低位热值达到950kcal/kg（3977kJ/kg），可实现循环流化床纯烧垃圾。
3.1 湍沸复合循环流化床垃圾焚烧技术
湍沸复合循环流化床垃圾焚烧技术是实现纯烧城市生活垃圾的新型流化床技术，其基本原理是入炉高水分垃圾在湍流床内部分水分气化，进入沸腾床时热量负贡献大幅降低，使沸腾床面、密相区、燃烧室中上部的温度能保持稳定均衡，在高温循环灰作用下经高温一二次热风助燃气固可燃成分充分燃烧。
湍沸复合循环流化床垃圾焚烧炉结构示意图见图4，该技术先后获得国家知识产权局的发明专利证书和实用新型专利证书，并在杭州乔司和嘉兴步云垃圾焚烧炉技术改造项目中获得成功。
3.2 绝热炉膛结构
循环流化床垃圾焚烧锅炉的主要目标是焚烧处理垃圾，在保证“3T+E”的燃烧原则中，Time是高温烟气的停留时间，Turbulance是进料垃圾与空气的充分混合，还有的Temperature就是要求保证炉膛的燃烧温度应在850℃以上。
我们认为常规燃煤循环流化床锅炉炉膛沸腾床及密相区为了防止磨损，一般敷设100mm左右的耐火耐磨浇注料，而在密相区上部直到炉膛出口下部约1米处的水冷壁部分，则基本裸露不打浇注料以吸收炉内辐射热，控制炉膛上部温度，循环灰除了达到充分燃烧的目的外起到将密相区的可燃物与燃烧热向炉膛上部输送的作用，使整个炉膛温度稳定均衡。而循环流化床垃圾焚烧炉的循环灰热能输送作用恰恰相反。
通过分析我们提出，针对国内多数城市的生活垃圾设计循环流化床焚烧炉纯烧生活垃圾时炉膛应采用基本绝热炉膛。筑炉工艺大致为在炉膛内侧，在水冷壁管内先衬一30mm厚绝热层，可采用硅酸铝耐火纤维板，再浇注一层厚80mm耐火耐磨浇注料，以维持炉膛合理的燃烧温度确保垃圾在炉内稳定燃烧。要考虑到绝热层长期运行逐渐失效的因素，在热力计算时炉膛壁面热有效系数取较高值0.08。生活垃圾平均低位热值较高的地区，通过可靠的计算可在炉膛上部适当降低绝热程度甚至部分水冷壁完全裸露。
3.3 提高一二次热风温度
从本文前述的垃圾绝热焚烧的锅炉软件模拟与理论分析可知，如其他条件不变，当进炉风温为25℃时其理论燃烧绝热炉膛温度达879℃，当炉膛采用膜式水冷壁并存在一定传热系数的状况下，炉膛温度下降为843℃。此时将入炉热风温度提高至180℃时，炉膛温度上升至906℃。考虑到装备材料造价工程项目设计中推荐入炉热风温度控制在200—250℃。
4 工程应用
杭州锦江绿色能源有限公司（杭州乔司垃圾焚烧电厂）于2008年底启动整体升级技改工程，垃圾焚烧炉采用杭州能达华威公司的湍沸复合流化床垃圾焚烧专利技术，因垃圾平均低位热值接近980kcal/kg（4100kJ/kg），设计前充分计算分析，保留了部分水冷壁裸露，焚烧原生垃圾时无需堆酵、无需掺烧辅助燃料，平均日焚烧处理垃圾达到800吨。2009年10月经浙江省经信委组织专家认证，垃圾焚烧发电机组已达到可再生能源发电标准。
2009年5月，嘉兴市绿色有源有限公司2#垃圾焚烧炉进行技术改造，因当地垃圾热值稍低，设计时炉膛全敷设耐火绝热层，日焚烧处理800吨，运行中不掺烧燃煤。
5 运行管理
循环流化床纯烧城市生活垃圾的技术成功应用于杭州、嘉兴二个垃圾焚烧电厂，并专门针对垃圾给料系统与底渣排出系统进行了技术改进。技改后焚烧电厂注重日常生产管理，保证焚烧炉密封均匀进料，炉膛温度压力稳定，排渣均匀顺畅烧蚀率低于1%。
6 技术展望
针对循环流化床焚烧炉存在电能消耗和飞灰比例偏高的不足尚有进一步研究提高的空间：
①采用机械挤压脱水、堆酵脱水、物理干化等手段减少水分气化与排烟热损失。
②减少沸腾床水气化负荷以缩减布风板面积，减小一次风量与循环倍率，降低电耗。
③通过自动分选、机械破碎等方式减小物料几何尺寸，使入炉物料均质化以减小流化风量、小孔风速与空板阻力，减小一次风量、风压，降低电耗。
④采用高温二次分离减小飞灰比例，减少危险废弃物产生量。
结语
循环流化床作为一种新兴的洁净燃烧技术通过短短的十几年发展，已实现纯烧原生生活垃圾，这是行业政策与市场引导的结果，也是负责任的科技工作者与企业经营者努力的结果。城市生活垃圾的无害化、减量化、资源化处理的全面实现，需要政府、企业、大众的参与支持，自源头至末端共同控制，才能使我们有一个可持续发展的环境。
参考文献
[1]陈旭东，湍沸复合循环流化床垃圾焚烧炉[P].中国专利：ZL 2009 1 0097419.2.
[2]洪国才，陈增丰，杭州市生活垃圾物化特性分析与处置对策[J].杭州研究，2010.
[3]严建华，沈祥智，李晓东，马增益，温俊明，池涌，岑可法.流化床焚烧垃圾的关键问题及预处理措施[J].中国动力工程学报，2005.