回转窑式纯氧熔融焚烧垃圾技术研究_何雪鸿

窑尾（ 低端） 方向运动。垃圾在前端被干燥，达到着 材加以回收。
火温度后开始高温燃烧，在窑尾基本燃尽，剩余的无
纯氧熔融焚烧垃圾技术与其他垃圾焚烧技术相
机灰渣则在高达 1 500℃ 的高温下进行熔融焚烧，经 比，具有压倒性优势：
过干燥、燃烧和熔融完成垃圾在回转窑内的彻底无
（ 1） 纯氧燃烧可以使得垃圾在不添加任何辅助
目前国内外普遍采用的垃圾处理方式是生物处 理法、焚烧 处 理 法 和 卫 生 填 埋 法［2］，城 市 生 活 垃 圾 焚烧处理法由于具有占地少、场地选择易，处理时间 短、减量化显著、无害化较彻底以及可回收垃圾焚烧 余热等优点已经成为不少城市解决垃圾问题的重要 方案。但是传统的垃圾焚烧发电站的发展却阻力重 重，多个城市出现民众的抵制运动。垃圾焚烧带来 的二次污染和重金属污染问题正是制约垃圾焚烧发
该技术可分为 4 个系统，即空分制氧系统、垃圾 害化处理。燃烧生成的高温烟气从回转窑尾部排
焚烧熔融系统、余热利用发电系统和烟气处理系统。 出，进入垂直的二次燃烧室进一步完全燃烧并保持
技术流程为： 城市垃圾和石灰石经加料斗送入回转 烟气停留 2 s 以上，再进入余热锅炉进行余热回收
窑内，并在同一端鼓入充足的经预热后纯氧。由于 利用后进入后续的烟气压缩净化处理装置，而熔融
渣的致密网格中，重金属毒性浸出特性大大降低［9］。
为了保证城市生活垃圾的完全燃烧和灰渣的熔
（ 3） 采用纯氧燃烧后 可 以 大 幅 减 少 烟 气 排 放 融，焚烧炉必须在一定的高温下维持炉内的能量平
量，降低排烟损失。其他各项损失相比传统的垃圾 衡。以二燃室出口为界，对整个回转熔融焚烧炉系
焚烧技术也有所降低。
第8卷 第5期 2014 年5 月
环境工程学报
Chinese Journal of Environmental Engineering
Vol ． 8 ，No ． 5 May 2 0 1 4
回转窑式纯氧熔融焚烧垃圾技术研究
何雪鸿 阎维平
（ 华北电力大学能源与动力机械工程学院，教育部电站设备状态监测与控制重点实验室，保定 071003）
笔者对具有烟气再循环系统的富氧焚烧垃圾电站进
行了经济性分析，表明即使增加了空分制氧及 CO2
利用回转窑处理焚烧垃圾技术已得到广泛的运
压缩净化设备，并考虑各辅机功耗后，电站仍有余电 用，回转窑式的气化熔融焚烧炉已在日本建成并投
可供电力输出，无需电网购电［7］。因此，采用富氧 入运行，而回转窑式纯氧熔融焚烧垃圾技术即是在
形式焚烧垃圾，可以实现一定经济效益和突出社会 回转窑直接气化熔融焚烧技术上加以改造，其系统
效益的双赢。
图见图 1。
图 1 回转窑式纯氧熔融焚烧垃圾垃圾流程图 Fig. 1 Systematic diagram of pure oxygen melting incineration MSW technology in rotory kiln
术，即将纯氧代替空气送入炉内，与垃圾直接混合进 术应用在该回转炉窑进行了热力计算及参数设计，
行高温燃烧的富氧燃烧技术，与常规气化熔融技术 为该技术后续实验研究及工程应用提供了一定的理
相比该技术基本实现焚烧产生所有二次污染物的零 论基础。
排放，可以更好解决垃圾给各城市带来巨大压力。 1 回转窑纯氧熔融焚烧垃圾系统
耗电设备，而且炉膛温度提高更快更高。
2. 60% ，则锅炉效率为 90. 56% 。纯氧燃烧的比传
（ 2） 纯氧燃烧可以大幅的提高炉内的温度，遏 统垃圾焚烧的排烟热损失要小很多； 由于高温灰渣
制二恶英前驱物的生成，使二恶英的分解率可以达 熔融，垃圾焚烧较彻底，该技术设计有飞灰回融系
到 99. 99% 以上。熔融技术的应用，可使飞灰的生 统，气体及固体不完全燃烧损失均很小； 由于排渣温
成量大大减少，该技术还设计将含二恶英较高的飞 度较高，灰渣热损失会有所增大，因此可以将熔渣热
灰回炉熔融处理，并结合后面对烟气的处理装置，几 量加以回收利用，一部分来预热纯氧从而使排渣损
乎达到二恶英等二次污染物的零排放。灰渣的熔融 失有所降低。
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处理还可以将焚烧时析出的重金属固定在玻璃质熔 2. 2 回转窑熔融系统热平衡
第5 期
何雪鸿等： 回转窑式纯氧熔融焚烧垃圾技术研究
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燃料的情况下就可以达到焚烧后灰渣的熔融温度 体辐射性更强，使垃圾在窑内接收到窑体高温辐射
（ ＞ 1 500℃ ） 。燃烧所需的纯氧浓度高达 99. 6% ， 换热，改善炉内的燃烧环境，迅速提高窑内燃烧温
当前空分制氧技术的成熟发展完全可以实现电站纯 度，不仅可以使垃圾燃烧充分，还有利于烟气中二恶
Abstract The harmless and safe disposal of municipal solid waste（ MSW） calls for urgent solution currently． The direct gasification and melting incineration technology attracts widespread concern with its great advantage of lowering dioxin emission． The technology of pure oxygen molten waste incinerating is put forward thereby on this basis，which could realize almost zero emission of all secondary pollutants． Taking a 350 t / d rotary kiln waste incinerator as an instance，detailed thermal calculation and analysis of pure oxygen，instead of air，used in the melting incineration system of a rotary kiln are carried out． Ｒesults show that the boiler efficiency of pure oxygen melting incineration system can be up to 90. 56% ． In addition，the rotary kiln melting incineration system can maintain the system’s heat balance and stable combustion under the condition that the MSW ash reaches the melting temperature． At the same time，the parameters of this pure oxygen melting incineration MSW rotary kiln are determined，referring to the design criteria of rotary kiln．
回转窑焚烧 处 理 垃 圾 技 术 已 经 比 较 成 熟，可 以
等作为辅助燃料，必要时还需在一次风中鼓入富氧 允许窑内温度高达 2 000℃ 以上，在处理垃圾方面有 空气来提高炉内温度［6］，这不可避免地增加了电厂 得天独厚的优势［8］，本实验即以某 350 t / d 的回转
的成本。本文作者提出一种新型的垃圾熔融焚烧技 窑垃圾焚烧炉为例，将纯氧焚烧垃圾熔融灰渣的技
电厂发展的关键因素，针对一系列的环境问题，垃圾 气化熔融处理技术应运而生，其将垃圾有机成分气 化和无机灰分与焦炭熔融固化技术结合在一起，基 本可以实现世纪之毒二恶英的近零排放，与常规燃 烧相比减容效果更佳显著，对所处理垃圾没有特殊 要求，并可实现高效能源与物资回收［3-5］。
由于气化熔融技术需要垃圾在较高的反应温度 （ ＞ 1 300℃ ） 下进行，对入炉垃圾热值具有较大限 制，而我国垃圾含水分和灰分较多，热值很低，因此
窑体倾斜安装，并缓慢转动，垃圾由窑体下部在回转 后的灰渣和金属从渣口排出由冷渣器回收熔渣热量
窑滚动时带到窑的上部，然后靠垃圾自重落下。垃 并将熔渣冷却至 150℃ ，回收的热量可用于预热氧
圾在窑内翻转同时并沿着窑的轴线方向向前运动， 气等。被冷却的熔融灰渣和金属经分选机分选出金
窑内物料在窑的倾斜旋转作用下，由窑头（ 高端） 向 属和无机残渣，金属回收利用，而无机残渣可作为建
摘 要 生活垃圾安全无害化处理是目前迫切需要解决的问题，直接气化熔融焚烧垃圾技术以降低二恶英排放方面 巨大优势得到广泛关注，在此基础上提出纯氧熔融焚烧垃圾技术，几乎可以实现所有二次污染物近零排放。以 350 t / d 回 转窑垃圾焚烧炉为例，对纯氧代替空气应用在回转窑上熔融焚烧垃圾系统进行了详细热力计算及分析。结果表明，纯氧熔 融焚烧垃圾系统的锅炉效率可达 90. 56% ，回转窑熔融焚烧系统还可以在垃圾焚烧后灰渣达到熔融温度的条件下，保持该 系统热量平衡，稳定燃烧。并参考回转窑设计标准对该纯氧熔融焚烧城市生活垃圾的回转窑参数进行确定。
氧供应，与已有应用富氧燃烧的垃圾焚烧炉相比，该 英的高温分解。
技术比 O2 / CO2 式的富氧燃烧技术省去了再循环烟
对整个垃圾熔融焚烧系进行分析，计算所得该
气装置等设备，与单纯的在一二次风中鼓入纯氧的 回转窑系统的热效率分别为： 排烟热损失 4. 74% ，
富氧助燃技术相比，不但可以省去送风机等大功率 不完全燃烧热损失 1. 1% ，散热损失 1% ，灰渣损失
统进行热平衡分析。生活垃圾在窑内的燃烧过程
（ 4） 相较于传统的垃圾焚烧发电站，纯氧熔融 中，垃圾及纯氧带入的热量为热收入； 有效利用的热
焚烧垃圾技术的烟气净化处理参考富氧燃煤电站的 量、排烟带走的热量，固体及气体不完全燃烧热、灰
CO2 捕集与封存，垃圾燃烧产生的烟气中的 NOx （ 认 为加入石灰石已经将产生的 SOx 和 HCl 完全脱除） 可以在 CO2 压缩净化设备中一并除去并加以回收 产生的酸溶液［10］。因 为 该 技 术 基 本 实 现 焚 烧 污 染
Key words melting incineration technology； rotary kiln； thermal calculation； parameters
近年来，随着我国城市的发展，城市生活垃圾的 产量逐年增加，据统计 2011 年我国城市生活垃圾总 产量超过 2. 9 亿 t，并仍以 8% ～ 15% 的速度逐年递 增［1］，城市生活垃圾产量持续上升带来严重的环境 压力，各国各地均面临垃圾围城的问题。
He Xuehong Yan Weiping
（ Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，Ministry of Education， School of Energy and Power Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）
收稿日期： 2013 － 04 － 22； 修订日期： 2013 － 05 － 05 作者简介： 何雪鸿（ 1986 ～ ） ，女，硕士研究生，主要从事洁净燃烧方
面的研究工作。E-mail： hexuehonghyd@ 163. com
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环境工程学报
第8 卷
多数垃圾气化熔融技术需要添加昂贵的焦炭或煤粉
渣熔融热损失、以及炉体散热为系统的支出热。根 据能量守恒定律，回转炉系统的热收入应该等于热 支出，其原理示意图见图 2。
关键词 熔融焚烧技术 回转窑 热力计算 参数
中图分类号 X705 文献标识码 A 文章编号 1673-9108（ 2014） 05-2085-06
Pure oxygen melting incineration technology of municipal solid waste in rotory kiln