焚烧城市生活垃圾的循环流化床锅炉[1][1].PDF___sy19810923200772115141884032

焚烧城市生活垃圾的循环流化床锅炉
朱秋平
(无锡华光锅炉股份有限公司,江苏无锡214028)
摘　要:介绍了400t/d ～500t/d 垃圾焚烧锅炉的总体布置及技术特性。

重点分析了外置式换热器结构的设计、工作原理。

关键词:循环流化床锅炉;垃圾焚烧;外置式换热器
中图分类号:T K229.66,X701.2 文献标识码:A 文章编号:16712086X (2004)0520255204
A Circulating Fluidized bed Boiler for the
Combustion of Municipal Living W astes
ZHU Qiu 2ping
(Wuxi Huaguang Boiler Co.Ltd.,Wuxi 214028,China )
Abstract :An introduction is presented of the overall layout of a 400t/d ～500t/d waste burning boiler ,together with its technical features.S pecial attention is paid to the analysis of the structural design and working principle of the extraneously arranged heat exchanger.
K eyw ords :circulating fluidized bed boiler ;waste incineration ;extraneous heat exchan ger
收稿日期:2004207207
作者简介:朱秋平(19612),男,高级工程师,华光锅炉股份有限公司副总工程师,主要负责垃圾焚烧循环流化床锅炉的设计与试验。

随着经济的发展,我国的城市数量大幅度增加,城市规模不断扩大,正面临垃圾围城的困扰。

在过去十多年中,城市生活垃圾每年以8%～10%的速度增长,2001年全国660多座城市生活
垃圾清运量已经超过1.4亿t 。

长期以来,我国城市垃圾的处理最主要方式是填埋,约占全部处理量的80%以上;其次是堆肥,约占10%左右;焚烧量甚微,约占1%～2%。

发达国家的城市生活垃圾焚烧处理比重很大,其中日本90%以上焚烧处理,其它工业化国家达50%以上。

总体来说,目前我国在城市垃圾无害化处理方面还处于起步阶段。

我国日趋严峻的城市生活垃圾污染环境形势为焚烧技术产业提供了发展机遇和广阔的市场需求。

1　垃圾焚烧处理方法
目前世界上应用于处理固体废物的焚烧炉按
燃烧反应过程可分为直接焚烧和热解气化焚烧;按燃料运动和气固混合方式可分为机械炉排炉、回转窑炉和流化床炉等。

目前处理生活垃圾应用最广的为直接焚烧的机械炉排炉,其次为直接焚烧的流化床炉,热解气化焚烧所占比例较小,主要用于处理工业垃圾。

发达国家焚烧垃圾采用机械炉排炉较多,而垃圾经过初分选破碎处理后采用流化床焚烧炉具有较大优点。

垃圾热值对焚烧技术的选择有很大的影响。

垃圾热值低时采用炉排炉焚烧残渣不易烧透,且炉温较低,易产生二恶英等二次污染,助燃用油消耗大,运行成本高。

对流化床炉,即使低热值的垃圾也能彻底燃尽。

而且可以采用煤助燃,降低助燃燃料成本。

因此,对于低热值生活垃圾,采用流化床焚烧具有较好的经济效益。

发达国家生活垃圾热值较高,发热值一般在8000kJ /kg ～12000kJ /kg 范围。

我国大部分城市
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552・
生活垃圾热值在3300kJ/kg～5500kJ/kg范围,平均热值在4180kJ/kg左右。

随着生活水平的提高,生活垃圾的发热值会逐步提高,但仍远比发达国家和地区低。

目前从国外引进的炉排炉大多数都采用加长原设计炉排方式提高垃圾干燥和燃烧时间,但从焚烧厂实际运行情况看,将炉排简单加长焚烧现阶段低热值生活垃圾仍存在一些问题:焚烧炉大多燃烧不彻底,热效率低,运行经济性差等。

2　国产循环流化床垃圾焚烧锅炉介绍
中国科学院工程热物理研究所中联环保技术工程有限公司、无锡华光锅炉股份有限公司结合绍兴生活垃圾焚烧项目联合开发研制了400t/d ～500t/d垃圾焚烧锅炉,在循环流化床垃圾焚烧炉技术研究领域取得了重大突破。

锅炉设计参数:
锅炉额定蒸发量　75t/h
锅炉额定蒸汽压力　5.3MPa
锅炉额定蒸汽温度　485℃
给水温度　150℃
锅炉每天处理400t～500t生活垃圾,热量不够部分掺烧煤补充。

针对生活垃圾中含有砖头、碎石和金属等不可燃物及焚烧过程产生的HCl气体会对高温金属受热面产生强烈腐蚀等特性,本产品在流化床布风系统、排渣系统和锅炉受热面布置等方面都采用了不同于常规燃煤循环流化床锅炉的结构设计,可将进入流化床内的大块不可燃物顺利排出,并防止HCl气体对高温受热面产生腐蚀。

图1为锅炉总体布置图。

锅炉燃烧系统采用循环流化床,它由炉膛、高温旋风分离器和返料器三部分组成。

在高温旋风分离器的烟气出口布置了对流管束蒸发受热面,其后面的尾部烟道内依次布置低温过热器、省煤器和空气预热器,高温过热器布置在外置换热器内。

本设备的核心技术是采用了外置式换热器、特殊的流化床布风板和超大的垃圾排渣口,使锅炉能充分焚烧垃圾,并顺利地将不可燃物排出;同时可以避免因采用较高的蒸汽温度而发生高温腐蚀。

外置换热器布置在流化床燃烧室的后墙侧,和流化床燃烧室设计成一体,采用炉膛后墙下部向内收缩的水冷壁作为分隔墙,分隔墙在外置换热器的床面上部空间和下部与流化床燃烧室相通。

外置换热器内布置高温过热器。

由分离器分离下的高温固体物料通过返料器送入外置换热器,将携带的部分热量传给布置在其内的过热器后,再从外置换热器和流化床燃烧室分隔墙下部的连通口返回流化床燃烧室。

图1　循环流化床垃圾焚烧锅炉
1—流化床燃烧室;2—紧凑式外置换热器;3—高
温过热器;4—对流管束;5—低温过热器;6—省
煤器;7—
空气预热器
图2　金属腐蚀速率与金属表面温度的关系
垃圾焚烧炉的燃烧温度一般在850℃～950℃之间,其产生的烟气中主要成分为二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、水份(H2O)、氧气(O2)及有害气体如硫氧化物(SO x)、氯化氢(HCl)、氟化氢(HF)、氮氧化物(NO x)、重金属、二恶英和呋喃(PCDDs/PCDFs)及一氧化碳(CO)等。

其中HCl 的浓度在600mg/m3～1900mg/m3之间,SO x的浓度在200mg/m3～1000mg/m3范围。

HCl对布置在烟道内的金属受热面会产生腐蚀作用,金属的腐蚀速率与金属表面温度关系见图2。

金属温
・
6
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2
・
度在320℃～480℃范围,会形成氯化铁和硫酸硷铁盐,温度进一步提高(480℃～800℃),氯化铁和硫酸硷铁盐产生分解,使得金属材料失去氧化保护层而腐蚀,这种现象称为高温腐蚀。

烟气温度在硫酸露点温度(约150℃)以下时,会发生电化学腐蚀,亦称为低温腐蚀,低温腐蚀通常在酸性气体露点温度以下20℃～50℃时最为严重。

由图2可以看到,金属的腐蚀速率随着金属温度的提高加快,当金属温度为430℃～450℃时,腐蚀情况尚属轻微,若温度继续升高,则腐蚀随之加剧。

一般过热器的管壁温度约比管内蒸汽温度高40℃～50℃,因此,一般的垃圾焚烧锅炉过热蒸汽温度控制在400℃以下,并将过热器布置在烟气温度600℃～650℃的烟道中,以降低过热器管壁温度,减小腐蚀速率。

如要提高蒸汽参数,过热器必须采用抗高温腐蚀的合金材料,这样锅炉的造价将大幅度提高。

我们设计的垃圾焚烧锅炉蒸汽压力为 5.3MPa,过热蒸汽温度为485℃。

锅炉工作压力下的饱和蒸汽温度为274. 4℃,因此,金属高温腐蚀主要发生在过热器。

为防止高温腐蚀,在高温旋风分离器的烟气出口首先布置了对流管束蒸发受热面,将烟气温度由900℃降到650℃以下,再在尾部烟道内布置过热器。

由于本锅炉额定过热蒸汽温度为485℃,即使过热器布置在600℃～650℃的烟道中,过热器最高管壁温度也超过500℃,高温腐蚀严重。

为此,本锅炉设计中增加了外置换热器,将过热器分为两级,低温过热器布置在烟道中,高温过热器布置在外置换热器内。

低温过热器出口蒸汽温度控制在380℃以下。

由于进入锅炉的燃料主要在流化床燃烧室内燃烧,产生的HCl气体随烟气进入燃烧室上部的悬浮空间,在外置换热器内靠旋风分离器分离下来的灰对高温过热器进行加热,灰中的HCl气体浓度非常低,因此可有效防止高温过热器腐蚀。

外置换热器内的床料主要为高温分离器分离下的固体颗粒,粒径为0.1mm～0.35mm,临界流化风速小于0.1m/s,因此,外置换热器的运行风速一般都小于1m/s,远比循环流化床燃烧室运行风速(5m/s～8m/s)低。

紧凑式外置换热器由于其底部和燃烧室相连通,通入很小的松动风,床料就在密度差产生的压力推动下从底部返回燃烧室内。

因此,紧凑式外置换热器可以在移动床和流化床不同状态下运行。

流态实验研究结果表面,当流化床燃烧室运行风速为4m/s～6m/s时,外置换热器在移动床和流化床状态下都能在一定的高度下形成稳定的物料循环。

在小于临界流化风速的情况下,外置换热器处于移动床状态,且靠近主床侧床料移动较另一侧快。

随着流化风速的提高,外置换热器内床料由移动逐渐转变成流化状态,床料混合变均匀。

高温旋风分离器分离下来的灰粒温度为850℃～950℃,通过非机械返料器返回到外置式换热器,并对高温过热器内的蒸汽加热至485℃。

由于灰粒以极低的速度流过过热器表面,并不对过热器产生磨损。

灰粒返回到燃烧室后,在燃烧室内流化、循环。

3　国产循环流化床垃圾焚烧锅炉运行情况
循环流化床锅炉的负荷调节灵敏度较好,本锅炉带有外置换热器,可通过改变燃料量、风量、一二次风比和外置换热器吸热量来实现负荷调节。

表1为锅炉在额定负荷、70%负荷和110%负荷情况下主要性能数据。

计算结果表明,锅炉可以在过量空气系数基本不变的情况下,通过调节其它参数使其在70%～110%负荷范围稳定运行。

经机械工业火电设备产品质量监督检测中心检测,测量结果如下:
锅炉蒸汽流量、压力和温度达到设计值;
锅炉热效率达到82.61%;
锅炉在额定工况下,NO x排放浓度为177. 6mg/m3(标准状态下);
灰渣的热灼减率为0.66%;
锅炉日处理垃圾达到500t。

经浙江省环境监测中心站、中科院水生生物研究所和德国MPU实验室检测,烟气排放污染物测量结果如下:
烟尘排放浓度为42.1mg/m3(标准状态下);
SO x排放浓度为64.6mg/m3(标准状态下);
HCl排放浓度为14.7mg/m3(标准状态下);
CO排放浓度为93mg/m3(标准状态下);
Hg排放浓度为<0.007mg/m3(标准状态
・
7
5
2
・
下);
Cd排放浓度为<0.007mg/m3(标准状态下);
表1　锅炉在不同负荷下主要性能数据
名称
锅炉负荷%
70100110
高温过热器出口蒸汽
流量/t・h-1
52.57582.5
高温过热器出口蒸汽
压力/MPa
5.3 5.3 5.3
高温过热器进口蒸汽温度/℃357.48366.78370.37高温过热器出口蒸汽温度/℃485.00485.00485.00低温过热器进口蒸汽温度/℃274.57274.54274.54低温过热器出口蒸汽温度/℃394.29400.77403.61减温水焓/kJ・kg-121.0224.5923.85减温水量/t・h-10.540.900.96
锅炉效率/%84.0083.1882.87燃料消耗量
(按设计燃料收到基算)/t・h-1
15.4622.3024.63烟气温度:
炉膛出口/℃865.38872.03879.36 EHE/℃777.93808.80834.05对流管束出口/℃590.29622.82634.11低温过热器出口/℃411.19439.59448.75低温省煤器出口/℃226.48247.94254.59排烟温度/℃157.51170.84175.29
空气预热器出口温度(一次/二次风)/℃177.29/
170.49
189.47/
179.21
194.08/
182.10
Pb排放浓度为<0.14mg/m3(标准状态下);
二恶英排放浓度为<0.01TEQ ng/m3(标准状态下)。

上述测试结果表明国产循环流化床垃圾焚烧锅炉及其烟气处理设备已达到垃圾处理、利用余热发电、供热的要求,污染物排放已符合国家有关环保标准,真正做到了垃圾处理减量化、无害化和资源化的要求。

4　技术经济比较
采用炉排炉焚烧处理垃圾的成本较高,法国每处理1t垃圾的政府补贴约为670元(人民币,下同),日本约为800元,香港约为780元。

我国政府投资兴建的垃圾焚烧处理厂采用炉排炉处理技术,运行费用补贴每吨需要200元左右。

而采用循环流化床,需要的运行补贴费用每吨不超过100元。

国内各类垃圾焚烧炉的经济性见表2。

表2　循环流化床垃圾焚烧炉和炉排垃圾焚烧炉的经济比较
城市绍兴上海浦东珠海焚烧炉型式循环流化床炉排层燃炉排层燃垃圾焚烧炉数量/台133
日处理垃圾量/t・d-14501000600
投资总额/亿元 1.35 6.98 2.05
每处理1t垃圾总投资/
万元・t-1
307034
锅炉蒸发量/t・h-1753×15.23×10.5主蒸汽压力/MPa 5.3 3.82 2.57
主蒸汽温度/℃485400370
辅助燃料煤轻柴油轻柴油发电量/MW15100.6
从表2可看出,采用国产循环流化床垃圾焚烧炉,具有明显的经济效益,符合中国国情,易于实现垃圾焚烧处理产业化。

在国家政策的支持下,在国内各科研院校和设备制造企业的共同努力下,循环流化床垃圾焚烧处理技术将会受到越来越多的关注,垃圾焚烧处理的比重也会越来越大,城市环境卫生质量将会得到明显的改善。

节约能源 保护环境・
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5
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