垃圾焚烧炉燃烧优化及工程应用

第1章概述 1.1生活垃圾的性质 生活垃圾是城乡居民在日常生活中产生的固体废弃物。随着经济社会的发展和人民生活水平的提升，生活垃圾产量快速增长己经成为社会关注的焦点问题。在我国，经过*近20年的快速城市化发展，城市人口呈爆发式增长，对日益增长的城市生活垃圾实施减容、减量和无害化处理，是保证经济社会可持续发展的重大需求。 城市生活垃圾来源广泛，包括环卫清扫收集的垃圾、居民家庭日常废弃物、公共场所安置的垃圾箱收集的废弃物、各级各类政府和学校日常办公产生的废弃物，以及其他为城市生活服务的行业产生的固体废弃物。按国家“十三五”规划，到2020年，我国城市生活垃圾要实现全部无害化处理。表1.1列出了国家统计局报告的2010～2020年我国城市生活垃圾清运和处理情况。 我国不同城市的生活垃圾理化特性差异明显，生活垃圾的成分受当地的气候、生活习惯、经济发展水平等因素影响较大，组成成分的变化也导致生活垃圾热值发生显著变化。李晓东等在对中国城市生活垃圾热值进行分析时发现，上海浦东、深圳、香港等地区的纸类或塑料类含量与其他城市相比较高，且灰分含量较低，其生活垃圾热值也较其他城市高。比较上海、深圳[2]、北京等地历年垃圾组分后发现，生活垃圾的厨余比例逐年减少，但可燃成分如纸类、塑料类等逐渐增加，垃圾热值也相应提高。程炬和董晓丹[4]对2007～2016年上海市生活垃圾理化特性进行了跟踪调查和统计分析，结果列于表1.2中。2016年，上海平均垃圾堆密度为154kg/m3，含水率为58.10%，低位发热量为5700kJ/kg，可燃分元素总和28.56%。生活垃圾中的厨余类、纸类、橡塑类含量占近90%，其中厨余类60.40%，橡塑类17.56%，纸类11.88%。可回收物含量约占垃圾的38.90%。除堆密度、厨余类含量下降，可回收物占比逐年上升外，近十年来上海市生活垃圾的理化特性基本稳定。 垃圾作为一种燃料，工程上经常使用水分(moisture)、灰分(ash)和可燃分(combustiblecomponents)“三成分”表示燃料的品质。可借用固体燃料的工业分析和兀素分析表征垃圾的化学性质。采用《煤中碳和氢的测定方法》（GB/T476—2008)分析垃圾，得到垃圾可燃物中的碳、氢、氧、氮、挥发性氯、燃烧性硫的含量。采用《煤的工业分析方法》（GB/T212—2008)分析垃圾，得到垃圾的水分、挥发分(volatiles)、固定碳(fixedcarbon)和灰分的含量，其中挥发分和固定碳之和为可燃分。根据垃圾的元素分析，采用日本环境卫生中心的模型，计算垃圾的低位发热值： 式中，C、H、O、S为可燃分中的元素含量，％；W为水分含量，％。 也可以采用经验公式，通过垃圾的工业分析估算垃圾的低位发热值： 式中，B为可燃分，%。 还可以用量热计(弹筒式量热仪）直接测量垃圾的热值。弹筒热值需按下式转换为高位热值： 式中，0DT为弹筒热值，kJ/kg；Qg为高位热值，kJ/kg；S为硫元素的含量，%；a为含硫量小于4%时的修正系数，取值范围为0～0.0016，弹筒热值越高取值越大。如果硫含量不高，可以用弹筒热值代表垃圾的高位热值。 燃烧计算中，一般使用低位热值代表燃料的发热量，用下式将高位热值转换为低位热值： 式中，和分别为低位热值和高位热值，kJ/kg；H为可燃分中氢元素的含量，％。H和W均按收到基计算。 王延涛和曹阳在收集和整理大量炉排炉垃圾焚烧发电厂运营数据的基础上，对我国多个地区的生活垃圾焚烧厂垃圾热值进行了估算，并分析了不同地区、运营时间及工业发展水平等对焚烧厂生活垃圾热值的影响。其经分析发现：垃圾焚烧厂生活垃圾热值逐年增加；不同地区的生活垃圾热值差别明显，呈现南高北低、东高西低的变化趋势；工业增加值较高的城市其生活垃圾热值也相对较高。入厂垃圾如未经发酵，一般含水率较高，热值较低，不宜直接入炉焚烧，需在垃圾池中发酵5～7天，渗滤液析出率达到15%～30%，可大幅提高生活垃圾热值。 王延涛和曹阳[5]分析了中国大陆地区82座垃圾焚烧发电厂入厂/入炉垃圾热值，相关结果如图1.1和图1.2所示。图1.1为2018年南北地域的生活垃圾热值变化趋势。由图1.1中的数据可知，南北不同地区生活垃圾热值差异比较明显，从北到南各个省份的生活垃圾热值整体呈增长趋势，东北地区的生活垃圾热值较低，尤以黑龙江地区的生活垃圾热值*低。南方省市如江苏、浙江、广东等地生活垃圾热值较高，平均入厂生活垃圾热值基本在6000kJ/kg以上，入炉生活垃圾热值高于7500kJ/kg。 2018年东西地域的生活垃圾热值变化趋势如图1.2所示。东西区域无论气候、生活习惯还是经济发展水平都各有不同，其生活垃圾组分也存在差异。由图1.2可知，东部地区的入厂/入炉生活垃圾热值高于中部和西部地区。东部和西部渗滤液含量相差不大，基本在18%左右，但是东部地区经济发达，与中西部相比，入炉垃圾含水率降低，可燃分较多，因此入炉垃圾热值较高。中部省份湖北、安徽的渗滤液率稍高，其入炉垃圾的含水率可能较低，因此入炉垃圾热值稍高于四川地区。生活垃圾焚烧厂通常建于人口规模较大、经济发达的城市，如四川省数据来源于省会成都市的垃圾焚烧厂，湖北省数据来源于省会武汉市的垃圾焚烧厂，两个城市之间的发展水平相近，人口规模差距较小，因此垃圾热值虽有差异但是并不突出。除四川省外，湖北、安徽、江苏、浙江、上海5省市的入厂垃圾热值都达到了6000kJ/kg。江苏、浙江、上海3个东部省份经济发展水平处于全国前列，垃圾可燃分含量较高，入炉垃圾热值较高，处于7500kJ/kg以上。 垃圾组成成分复杂，而且随着工业的快速发展，垃圾焚烧发电厂中的垃圾中可能包含一定工业垃圾，如废布、废棉、废皮革、废橡胶等，这些工业垃圾的热值较高，在一定程度上提高了垃圾热值。世界各国代表性城市的生活垃圾理化特性列于表1.3中。 以往我国城市生活垃圾可燃成分较低，厨余和煤渣灰土等不可燃物含量较高，远高于欧美发达国家厨余垃圾的含量，故生活垃圾热值较低。但近年来我国经济快速发展，居民生活水平显著提高，各成分发生较大变化，生活垃圾中厨余类垃圾逐年降低，橡胶、纸类等成分呈上升趋势，灰渣类逐年下降，生活垃圾热值因此升高。但是，不同城市间由于发展水平不同，因此垃圾成分差别较大。 1.2生活垃圾处理技术 由垃圾的成分看，城市生活垃圾主要处理技术有堆肥、焚烧、填埋和资源化回收利用。堆肥法早在我国古代就有应用，主要用于处理有机成分含量高的垃圾。利用细菌等微生物将垃圾中的有机质降解为无机质，生物质降解后可作为肥料返回生态系统中。堆肥法又分为厌氧堆肥和好氧堆肥两种方法。其中，厌氧堆肥是一种较为普遍的方式，具有工艺简单和费用低的优点；但缺点是处理周期长，污染相对高，有机物降解不够充分。好氧堆肥使用现代化技术进行堆肥，其优点是工艺先进、效率高、大分子有机物降解更加彻底、对环境污染低，其缺点是费用高、能耗大。但是，由于城市生活垃圾中含有较多的不可降解成分，因此必须增加分选环节，将有机质分离出来才能进行堆肥处理。此外，堆肥产品相比于化肥肥效低，缺乏竞争力，而且堆肥的季节依赖性高、成本高。基于上述原因，堆肥法在国内的应用并不广泛。 卫生填埋*早于20世纪30年代提出，相比于普通的填埋技术，它对垃圾成分、填埋场地选择和设计及污染物控制都提出了严格的要求。卫生填埋由于操作简单、技术成熟、处理量大且对垃圾成分没有要求，曾经是我国处理量*大的生活垃圾处理方式。但是，垃圾填埋场附近渗液污染土壤、水源，气体泄漏等二次污染事件时有发生。有毒有害液体渗入土壤，污染地下水和农作物，危及人畜的生命健康；垃圾堆放过程中有机物分解，同时产生可燃气体，存在燃烧和爆炸的风险；卫生填埋对土地资源需求非常大，城市周边土地填埋垃圾后难以有效利用。因此，卫生填埋这一传统的城市生活垃圾处理方式正在逐渐被先进的垃圾焚烧技术替代。 与垃圾填埋相比，垃圾焚烧可以实现减重、减容，焚烧产生的热量可以回收和发电，是我国处理城市生活垃圾的主流技术，近年来得到快速发展。2011年国家发布的《关于进一步加强城市生活垃圾处理工作的意见》提出，对土地资源紧缺、人口密度高的城市，要优先采用焚烧处理技术。根据国家“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划，到2020年底，要求城市生活垃圾焚烧处理能力占无害化处理总能力的比例高于50%，焚烧处理设施规模要达到59.14万t/d。“十三五”期间，垃圾焚烧处理由2010年占比的20%提高到近50%，经济较发达地区更高。2022年10月，住房和城乡建设部发布《2021年中国城市建设状况公报》，公报提到，到2021年底，生活垃圾无害化处理能力105.7万t/d，同比增长9.7%，其中，焚烧处理能力占比为68.1%。 垃圾焚烧既可实现减重量70%～85%、减容量90%以上，焚烧过程产生的热量又可用来供暖或是发电。此外，垃圾焚烧可以消灭多种病原体和腐蚀性有机物，利用高温将有毒有害物质转化为无害物。因此，垃圾焚烧发电符合我国“资源节约、环境友好”的和谐发展战略，实现能源的可持续发展，减少发电碳排放，为电力、新能源的发展做出了贡献，创造性地走上了垃圾清洁利用的道路。 图1.3所示为2010～2018年我国不同垃圾处理方式对应的处理量变化情况。从统计数据可知，焚烧与垃圾处理总量的增长速度一致，垃圾卫生填埋处理近十年变化不大，堆肥增长缓慢。近十年我国城市垃圾产量年增长率约6%，生活垃圾无害化处理能力逐年增加，2010年城市生活垃圾无害化处理量仅占77.9%，到2018年即增加至99%。3种垃圾处理方式中，卫生填埋处理量*大，2010～2018期间，卫生填埋处理量超过其他方式的处理量之和，至2018年仍是处理量*大的垃圾无害化方式，但其占比不断减小。另外，垃圾焚烧处理量逐年升高，从2011年开始焚烧处理量得到稳步提高，至2018年，焚烧处理量己经接近卫生填埋处理量。堆肥及其他方式的处理量每年略有增加，但与卫生填埋和焚烧处理相比仍有较大差距。根据不同处理方式的优缺点和适应性，未来在人口稠密的发达地区，垃圾焚烧的比例将进一步提高。虽然近年来各大城市大力推广垃圾分类，以期提高厨余垃圾的堆肥和生物处理量，但垃圾焚烧处理己经成为城市生活垃圾无害化处理的重要手段。 在国际上，发达国家的工业化和城市化发展较早，垃圾处理技术更加成熟和多元。这里以德国为例，介绍国际上城市生活垃圾处理情况[7]。图1.4是欧盟各国(截至1995年的加盟国)城市生活垃圾处理方式比较。部分国家50%以上的废物采用填埋处理，这些废物含有大量有机物(如食品垃圾等），要保证30年后达到稳定的标准，则必须改变废物处理方式。