浙江大学城市生活垃圾流化床焚烧技术

浙江大学城市生活垃圾流化床焚烧技术

1．前言

到2005年底，全国城市生活垃圾的年产生量已超过1.5亿吨，相当于2000万吨标准煤。城市生活垃圾产生的环境与社会问题，已成为制约我国城市发展的瓶颈问题之一。如何有效地处理这些城市垃圾，使之资源化、减量化和无害化，成为在城市化发展过程中十分关注的问题。要从根本上解决城市生活垃圾对环境造成的严重破坏，从国民经济可持续发展的角度，对垃圾处理的目标是实现无害化、资源化和减量化。因此，利用垃圾焚烧发电（供热）是目前有发展前景的资源综合利用项目，特别针对国内严重缺电、缺乏能源资源的情况下，大力发展可再生能源利用，具有现实意义，一方面可改善我国能源供应结构的多样化，另一方面又为区域污染物治理，保持生态环境质量，提供一个可持续发展的新模式。推广城市生活垃圾的焚烧发电技术，也符合我国政府关于发展资源综合利用产业的鼓励政策。

浙江大学近年来在国家自然科学基金重点项目、国家重点基础研究发展规划项目、国家计委重大高新技术产业化项目和浙江省重大高新技术产业化项目等项目的支持下，根据我国城市生活垃圾所具有的垃圾混合收集、垃圾组成复杂、水分高、热值低等特点，深入研究了垃圾焚烧、预处理、给料、烟气处理等，并对相关技术进行综合集成。成功开发出异重度流化床城市生活垃圾焚烧技术。

2．浙江大学生活垃圾流化床焚烧发电集成技术

2.1流化床燃烧技术背景

焚烧是目前世界各国广泛采用的城市生活垃圾处理技术，国外工业发达国家，特别是日本和西欧，普遍致力于推进垃圾焚烧技术的应用。国外焚烧技术的广泛应用，主要得益于经济发达、投资力强、垃圾热值高及具有较为先进且成熟的焚烧工艺和设备。目前应用的焚烧炉型主要有机械炉排焚烧炉、热解焚烧炉、

回转窑焚烧炉和流化床焚烧炉等。常用的有马丁炉排、滚筒炉排焚烧炉及流化床焚烧炉等。在这些技术中流化床具有燃烧效率高，负荷调节范围宽，污染物排放低，炉内燃烧强度高，适合燃用低热值燃料等优点，因此被认为是一种综合环保性能优越的焚烧方式。

在我国虽然流化床燃烧技术的开发应用早在60年代即开始，但主要集中在燃煤领域。正式开始进行垃圾流化床焚烧处理方面的研究始于八十年代，以浙江大学、中国科学院及清华大学等单位为代表。由于我国城市生活垃圾具有组份复杂、高水份、低热值(国内原生城市生活垃圾热值目前在4000kJ/kg左右，相对国外发达国家为8374-12561kJ/kg)等特点，垃圾的流动混合、焚烧特性和二次污染特性相当复杂，给流化床焚烧技术的开发应用带来相当的难度。

2.2浙江大学异重流化床焚烧技术特点

浙江大学在长期的焚烧技术研究和技术开发应用中创新性发展了适合于中国国情的城市生活垃圾异重度循环流化床焚烧技术，并以异重度循环流化床焚烧技术为核心，形成了包含垃圾预处理、垃圾给料、冷渣分选、焚烧热工控制、尾气净化处理等垃圾焚烧处理系统集成技术。单台焚烧炉实际垃圾焚烧能力最大可达400吨以上，已形成了系列化，积累了丰富的研究和工程应用经验。基于垃圾燃烧特性的评价、概括和预测研究，建立了垃圾燃烧特性数据库，提出采用一定量的煤（不超过20%）和原生混合收集的生活垃圾在异重循环流化床中混烧的工艺路线，并探明垃圾在煤辅助燃烧情况下的燃烧特性和污染排放特性，特别是煤中硫对焚烧过程二恶英的抑制机理等方面取得一定成果；形成了完善的焚烧炉设计方法及思想，提出中等循环倍率流化床垃圾焚烧炉设计思想，强化炉内灰循环和受热面非常规布置，很好解决了焚烧炉高温腐蚀。过热蒸汽参数在国内于1998年首先达到450℃，首座垃圾焚烧炉过热器已安全可靠运行了近10年，在焚烧技术方面，已完成了单台日处理垃圾从150吨/天到500吨/天容量的垃圾焚烧炉的设计及工业应用工作。在特殊污染物二恶英控制方面，在长期机理研究基础上，在所开发的固体废物焚烧技术中运用了多种二恶英抑制和控制手段，并已建立起完整的二恶英排放检测系统和拥有先进仪器设备的实验室。

浙江大学通过相关技术的综合集成，形成了一套系统化的城市生活垃圾流化床焚烧新技术，首先提出了垃圾与煤流化床混烧发电集成技术工艺并成功实现垃圾电厂产业化示范应用。据此完成的科技成果“生活垃圾循环流化床清洁焚烧发电集成技术”，荣获2006年国家科技进步二等奖。浙江大学异重流化床垃圾焚烧技术特点主要体现在：

2.2.1焚烧技术完全针对中国低热值高水分多组分的生活垃圾开发

浙江大学针对城市生活垃圾中纸类、塑料、玻璃、金属、织物、厨余、果皮、竹木、渣石等组成在物理特性、焚烧特性、污染物生成迁移控制特性等方面进行了系统深入的研究，取得了一系列的成果。

2.2.2异重度流化床的稳定燃烧

与床料石英砂相比，原生城市生活垃圾可视为大颗粒低密度物料。与细颗粒床料相比，在常规条件下大颗粒物料倾向于沉积在流化床底部，从而破坏正常稳定运行。浙江大学热能工程研究所开发出的异重度流化床是由重度差异较大的不同颗粒(如石英砂与垃圾)组成的流化床系统，研究表明，异重流化床可以防止垃圾大块在床内的沉积和轻粒度垃圾成分的偏浮，从而保证稳定燃烧。

2.2.3特殊布风结合风帽布置方式，提高截面垃圾处理量

通过布风装置及燃烧设备的专门设计，可保证经简易破碎的原生垃圾在炉内充分焚烧。对燃煤流化床锅炉有一个单位布风板面积处理煤量的极限（即截面热负荷限值）。尽管垃圾与煤有较大性质上的区别，垃圾比较轻，有相当一部分在空间燃烧，但对某一特定的垃圾床截面处理垃圾仍有一个极限值，超过这一限值将会对燃烧产生不利的影响。浙江大学通过研究开发及完善，焚烧技术逐步得到发展和提高，自1998年第一台杭州余杭垃圾电厂150吨/天的每平方米布风板上处理的垃圾量为580kg/h.m2，发展到目前焚烧炉单位时间内每平方米布风板上处理的垃圾量可达1500 kg/h.m2（350吨/天至500吨/天）。

2.2.4分段燃烧方式及二次风旋涡切圆布置方式

分段燃烧方式及二次风旋涡切圆布置方式使炉膛悬浮段内燃烧空气充分混合，改善燃烧状况，降低CO排放浓度及控制NOx的排放；并且采用了国际上通行的二恶英抑制方法以有效地抑制二恶英的产生：(a)炉内温度保持均匀，在850~950℃范围内；(b)高温段烟气停留时间大于3秒；(c)燃烧室内充分混合；(d)加强受热面吹灰。

2.2.5中低循环倍率的焚烧方式

由于在流化床中燃烧速率较快，且垃圾焚烧时较燃煤时未燃烬颗粒量要少，因此无须采用太高的循环倍率，同时考虑到高倍率循环流化床单位截面处理原生垃圾的能力有限。浙江大学采用了中温下排气方型分离器或高温旋风分离器实现中低倍率循环燃烧，循环倍率一般不高于10。

2.2.6浙江大学异重流化技术采用的防腐蚀措施

为防止在焚烧城市生活垃圾时，氯化氢排放导致的高温腐蚀可能会影响到焚烧炉部件的寿命，浙江大学采取的具体的防腐蚀措施：

（a）异重流化床垃圾焚烧技术是中温循环流化床焚烧技术，采用床内焚烧温度在850-900℃，较炉排焚烧炉焚烧温度要低，使炉内HCl转化率得到有效地抑制。

（b）采用非常规的过热器布置方式，将低温过热器布置在高温过热器的前面，以降低过热器的壁面温度，根据计算，能有效降低高温腐蚀。

（c）烟气中高浓度的飞灰吹扫效果，使得受热面灰结垢程度大大减轻,同时有助于减轻HCl气体对管壁的高温腐蚀程度

采取以上措施后，自1998年以来，所有应用浙江大学垃圾焚烧技术的垃圾焚烧炉均未出现因高温腐蚀而导致过热器更换或 废。通过多年实际机组的运行情况，以及对HCL腐蚀机理的理论试验研究，结合现场挂件试验结果来看，采用浙江大学异重流化床焚烧技术的垃圾处理工程基本没有出现高温腐蚀导致的过热器破裂现象（最长的过热器运行时间已经达到八年）。

3浙江大学异重流化床垃圾焚烧发电技术成果

3.1基础研究项目及国际影响

研究所承担的相关国家和省部级项目主要有：国家自然科学基金重点项目（垃圾洁净燃烧关键基础研究，1999年）、国家自然科学基金面上项目（垃圾焚烧过程二恶英（Dioxins）类有机污染物生成及控制机理研究，1999年、异重流化床污泥洁净焚烧的机理研究，1995年、危险废物在回转窑内的焚烧机理研究，2003年、二恶英与不完全燃烧产物的关联机理及其实时检测新方法，2006年）、国家环保高技术产业化重大专项（国家计委，800吨/日大规模清洁焚烧处理城市生活垃圾，1999年）、浙江省重大高新技术产业化项目（大规模处理城市生活垃圾清洁焚烧技术，2001年）、浙江省科委重点项目（城市生活垃圾内循环异重流化床焚烧新技术及发电示范工程，1998年）、中国工程院咨询项目（中国城市生活垃圾处理技术评价及相应政策建议，2000年）

浙江大学热能工程研究所已成为总部设在美国哥伦比亚大学的国际废弃物能源化理事会（Waste To Energy Research and Technology Council）成员，二恶英实验室被联合国环境保护署列入其全球持久性有机污染物监测和分析实验室目录（联合国环境保护署 站
http://www.chem.unep.ch/GMNLabs/Cnt-Reg.asp），主办了第三届国际燃烧、焚烧/热解和污染控制会议，它是该领域首次在国内举办的大型系列国际学术会议，参会专家来自17个国家和地区，国外代表150余人（2004年）。2004年与国家环保总局、美国环保署、加拿大环境部和日本环境省联合举办第一届燃烧过程二恶英控制国际学术会议。在长期的基础研究和应用实践中，研究所在垃圾焚烧研究方向发表相关论文260余篇，其中SCI/EI收录90余篇。已累计培养了16名博士生和50名硕士生。研究组成员在国际学术会议上应邀作大会特邀 告10次。浙江大学热能工程研究所历年来申请了废弃物流化床焚烧的六项国家发明专利和七实用新型专利，并被列为2000年国家建设部科技成果推广转化指南项目，国家经济贸易委员会、国家发展计划委员会、科学技术部公布为“九五”期间重点节能科技成果。

浙江大学热能工程研究所目前在流化床垃圾焚烧技术方向已获多项国家级和省部级奖励。主要有：国家科技进步二等奖（生活垃圾循环流化床清洁焚烧发电集成技术，2006年）、浙江省科技进步一等奖（大规模处理城市生活垃圾清洁焚烧发电集成技术，2005年）、中国高校科技进步二等奖（城市生活垃圾清洁焚烧的研究，2001年）、中国专利优秀奖（城市生活垃圾异重流化床焚烧集成处理装置，2006年）。浙江大学热能工程研究所目前在流化床垃圾焚烧技术方向已获两项省级科技成果鉴定。

3.2.异重流化床技术应用现状

近年来，已投运垃圾焚烧发电厂10座，焚烧锅炉23台，垃圾处理量达6750吨/天，发电机组192兆瓦。昆明、武汉、南通、绍兴、萧山、乐清、平湖、长兴、宿迁、阜阳等十多座城市的垃圾发电厂处于施工建设中或工程前期。通过产学研结合，开发的具有自主知识产权的循环流化床垃圾焚烧技术得到了很好地推广应用，市场占有率高，推动了垃圾焚烧技术国产化，成为促进我国垃圾焚烧产业发展的重要力量

已经投运的垃圾焚烧发电厂应用业绩表

4.浙江大学流化床垃圾焚烧技术中的二恶英控制

浙江大学在长期的焚烧技术研究和技术开发应用中创新性发展了适合于中国国情的异重介质循环流化床技术大规模焚烧处理城市生活垃圾的技术路线，形成了包含垃圾预处理、垃圾给料、冷渣分选、焚烧热工自动控制、尾气净化处理等垃圾焚烧处理系统集成技术。大量的工程应用业绩表明，采用浙江大学城市生活垃圾流化床焚烧技术的垃圾焚烧炉，在掺煤比低于20%（重量比）的情况下，烟气中二恶英排放较大幅度的低于欧盟相关标准（0.1ng I-TEQ/Nm3），如浙江省环境监测站对杭州乔司城市生活垃圾焚烧发电厂二恶英排放监测结果：200吨/天焚烧炉的三次监测结果分别为0.06 ng I-TEQ/Nm3，0.012 ng I-TEQ/Nm3，0.0068 ng I-TEQ/Nm3；300吨/天焚烧炉的二次监测结果为0.0082 ng I-TEQ/Nm3，0.0025 ng I-TEQ/Nm3。上述二恶英排放监测结果表明，采用浙江大学城市生活垃圾流化床焚烧技术的焚烧炉，其二恶英排放远远低于目前世界上最严格的欧盟生活垃圾焚烧炉二恶英排放标准。

浙江大学热能工程研究所自1998年开始进行燃烧过程中痕量剧毒有机污染物二恶英的生成、排放和控制机理的研究，浙江大学于2004年10月建成了基于高分辨率色谱/高分辨率质谱联用的二恶英研究专业实验室，拥有基于高分辨率色谱-高分辨率质谱联用系统的二恶英专业实验室，并被列入联合国环境保护署全球持久性有机污染物分析与监测实验室目录，实验室于2005年12月通过了二恶英、多氯联苯、多溴联苯醚等检测项目的国家计量认证（证书号：2006001014K）。

近年来在废弃物无害化能源化利用方面完成或正承担着国家自然科学基金、国际合作项目、部委省级重点科研项目以及企业委托项目有40多项，积累了丰富的关于废弃物能源化利用过程中微量、痕量和超痕量有机污染物的生成、排放和控制的研究经验和研究结果。近年来根据课题组完成的焚烧过程二恶英方面的研究成果，已累计在国内外核心期刊和国际会议上发表了20余篇高水平的科技论文，热能所还承担了“中意合作医疗垃圾焚烧炉二恶英减排国家示范工程”项目，进行了大量的二恶英生成和控制方面的研究工作，积累了丰富的二恶英相关的基础研究和工程应用研究，极大的锻炼和培养了一支较强的科研队伍。

垃圾焚烧过程中二恶英的生成主要有三种机理：1）原生垃圾本身含有的二恶英在燃烧过程中未被破坏；2）垃圾不完全燃烧产生的前驱物，通过分子的解构或重组生成二恶英，即所谓的气相（均相）反应生成二恶英；3）固体飞灰表面发生异相催化反应合成二恶英。上述三种机理中，后两种机理是主要的，在燃烧中和燃烧后两个过程中都会发生。其中燃烧过程中主要发生机理2）反应，燃烧后则以机理3）为主。目前，我国垃圾焚烧过程中对二恶英的控制，主要通过燃烧中、燃烧后控制二恶英的生成实现。

根据研究发现，流化床垃圾焚烧炉由于燃烧过程高效、均匀，炉内燃烧过程中不完全燃烧产物少，二恶英的生成主要发生在燃后区的烟气冷却过程中，即以飞灰表面发生的异相催化反应为主。浙江大学热能所研发的煤与垃圾流化床焚烧技术，主要从以下三方面实现垃圾焚烧过程中二恶英排放的有效控制：

1）燃料组成

对于低热值的城市生活垃圾，作为辅助燃料掺烧一定量的煤则可以达到生活垃圾稳定高效燃烧目的，研究发现对于二恶英的污染控制也具有相当明显的效果。由于辅助煤的作用可以实现焚烧炉内温度场充分均匀和可控，对于挥发份和固定碳的燃烬是非常有效的，不会产生大量的未燃烬物质，如碳黑、CO及PAHs等有机污染物，更为有效的是垃圾中掺烧一定的煤可大幅度抑制二恶英的生成。简单的说，煤中硫对二恶英的的抑制作用主要体现在以下三个方面：抑制二恶英反应中氯基的生成、使二恶英合成反应中的催化剂中毒、硫化二恶英生成的前驱反应物。目前关于煤中硫在燃烧中及燃烧后过程对二恶英排放的抑制机理尚在进一步研究中，浙江大学与美国EPA针对上述三个作用的重要程度进行了合作研究，研究成果已发表于国际环境科学高水平期刊《Environmental Science and Technology，2006, 40(22), 7040-7047》。

2）燃烧中

采用由重度差异较大的不同颗粒（如石英砂与垃圾）组成异重度流化床系统。可以防止垃圾大块在床内的沉积和轻粒度垃圾成分的偏浮，从而保证稳定燃烧；通过布风装置及燃烧设备的专门设计，可保证经简易破碎的原生垃圾在炉内充分焚烧。分段燃烧方式及二次风旋涡切圆布置方式使炉膛悬浮段内燃烧空气充分混合，改善燃烧状况，降低CO排放浓度及控制NOx的排放；并且采用了国际上通行的二恶英抑制方法以有效地抑制二恶英的产生：(a)炉内温度保持均匀，在850～950℃范围内；(b)高温段烟气停留时间大于3秒；(c)燃烧室内充分混合；(d)加强受热面吹灰。另外，采用炉内喷钙方法，有效降低烟气中酸性气体特别是HCl气体的排放，减少二恶英生成所必须的氯源。

流化床焚烧时，燃料和高温床料的纵向和横向混合强烈，床温均匀，通过配风布置，使得床内整个燃烧气氛以及氧量分布比较均匀，燃料的燃烧条件较好，从而燃料燃烧充分，比较好的抑制了炉膛中二恶英的生成。

流化床系统中还设置了中、高温分离器，大量飞灰返回炉膛循环燃烧，灰的循环次数较多，烟气中大量飞灰颗粒的冲刷作用及人为加强受热面吹灰，使过热器和烟道壁上的积灰减少，使飞灰在二恶英生成的敏感区间的停留时间缩短，飞灰低温从头合成二恶英的可能性降低了。

3）燃烧后

采用半干法烟气净化结合活性炭粉末喷射和布袋除尘的方式，实现燃烧后烟气中的二恶英排放控制。由于在燃料和燃烧中实现了对二恶英生成的有效控制和抑制，实际上烟气中的二恶英排放量已经不是很大，通过半干法和布袋除尘相结合的方法，已能实现烟囱烟气二恶英的达标排放，且大大低于国内垃圾焚烧炉排放标准，接近或低于欧盟标准。研究和计算表明，流化床垃圾焚烧炉尾部系统中，飞灰是烟气中二恶英的主要吸附剂，通过布袋除尘，即可实现烟囱烟气二恶英的达标排放。

5．结语

综上所述，目前中国国情条件下，焚烧法处理我国城市生活垃圾越来越成为不同规模城市倾向选择的生活垃圾处置方法。采用适合我国城市生活垃圾特性的具有自主知识产权的先进焚烧技术和焚烧系统设备，不仅可解决各城市生活垃圾处置的棘手问题，同时能实现焚烧炉污染物排放达到和超过国家相关法规要求，特别是某些特殊污染物如二恶英的排放，可达到甚至超过目前世界上最为严格的欧盟标准。