搜索
垃圾衍生燃料焚烧发电的燃烧效率研究四川理工学院化学与环境工程学院环境与安全工程系周斌E-mail:binnzhou@163.comTel:18980237165•本讲座主要是对垃圾衍生燃料(RDF)焚烧的燃烧效率进行介绍。通过热量及物料衡算建立物料数学模型，确立了制备工艺系统。由工业焚烧试验得到的燃烧技术指标对比和经济分析，得出垃圾衍生燃料焚烧的燃烧效率高于垃圾直接焚烧的效率。1.1研究的背景•当前，每年产生的数量巨大的城市生活垃圾对环境管理和污染控制形成了严重挑战，目前世界垃圾正以快于经济增长速度2.5～3.0倍的速度增长，年平均增长速度为8.24%。有的发展中国家，增速已达10%以上。中国已成为世界上垃圾包袱最重的国家，城市垃圾的无害化、减容化和资源化处理已迫在眉睫。目前,垃圾处置的主要方式有填埋法、堆肥法、焚烧法。填埋或露天堆弃都不能实现垃圾处理的减量化,仍需占用大量土地。由于焚烧处理可以实现城市垃圾热能回收、减容、减重和高温灭菌等目的,在环境保护和资源利用方面具有明显的优势,因而得到较快的发展。•然而，在垃圾焚烧处理过程中也暴露出一些问题:垃圾的成分和热值波动大,水分和灰分含量高等特点容易造成燃烧不稳定；焚烧产生的二噁英类、氯化氢、二氧化硫和重金属等有害成分重新进入环境,造成二次污染。原生垃圾直接焚烧存在垃圾易腐败、恶臭、运输和贮藏困难等城市生活垃圾问题。•如果不经处理直接作为固体燃料，还存在许多问题：•（1)垃圾中有机物极易腐烂,导致运输难和贮藏难；（2)垃圾中常含有塑料、食盐以及其它含氯化合物,高温受热时产生具有腐蚀性的氯化氢气体,氯化氢排放可形成酸雨,而且在炉内腐蚀金属设备；（3)由于含氯化合物的存在,还可能产生剧毒有害物质——二噁英，对人类健康形成很强的危害；（4)垃圾焚烧后排出的灰渣通常含有有害金属,如汞、铅等,若处理不善,也会造成环境的二次污染垃圾焚烧。受燃料性质影响，焚烧炉工作效率低下，运行费用，尾气治理成本较高。影响电能输出和经济效益发挥，制约了整项技术的推广应用。•随着环境科学技术的发展以及人们对环境质量要求的提高，我们需要积极寻找一种提高垃圾再生能源化的垃圾焚烧方式。•将城市生活垃圾制成垃圾衍生燃料RDF(RefuseDerivedFuel，简称RDF)是解决上述问题有效方法,在世界上已得到广泛的研究和应用。垃圾衍生燃料在经济和环境上具有相当可观的效益。应用衍生燃料改进型制备工艺加工制造的垃圾衍生燃料与相同质量的垃圾比较，用于垃圾焚烧发电可以增加一倍多的发电量。衍生燃料用途广泛，可在垃圾发电厂、一般热电厂(燃煤)及普通燃煤机械锅炉中使用。1.2垃圾衍生燃料的概述•垃圾衍生燃料(RefuseDerivedFuel,简称RDF)具有热值高、燃烧稳定、易于运输、易于储存、二次污染低和二噁英类物质排放量低等特点,广泛应用于干燥工程、水泥制造、供热工程和发电工程等领域。垃圾衍生燃料(RDF)的诞生,无疑为垃圾能源化带来了生机,成为垃圾利用领域新的生长点。•垃圾衍生燃料(RDF-5)具有热值高、燃烧稳定、易于运输、易于储存、二次污染低和二噁英类物质排放量低等特点,广泛应用于干燥工程、水泥制造、供热工程和发电工程等领域。•衍生燃料技术的应用，在欧洲、澳洲逐渐施行，日本最为积极。日本电源开发公司在上世纪九十年代就着手开发RDF─5燃料试验，得到日本政府通产省的资助，从1997年进行设备设计、制造和安装等，1998年实施燃烧试验，试验结果：发电效率达到35％，比焚烧原生垃圾提高了130％，并大幅度降低二次污染程度，在能源、资源回收及生态效益上具有绝对竞争优势。此举引起政府高度重视，并从国库资助，以推动RDF─5技术的应用，鼓励中小型焚化炉改建为联合处理方式的废弃衍生燃料的制造中心。•目前，日本已有40多座RDF─5燃料制造厂正在运转，将制成的RDF─5燃料运送到应用场所(如燃煤发电厂)燃用。日本的经验引起我国台湾科技界的兴趣，其工业研究院能源与资源研究所的研究员连连发表文章，催促当局应用RDF─5技术来改善诸多环境影响。1.2.1垃圾衍生燃料的分类•美国试验材料协会(ASTM，AmericanSocietyforTestingandMaterials)按城市生活垃圾衍生燃料的加工程度、形状和用途等将RDF分成7类(见表1)。分类内容备注RDF1仅仅是将普通城市生活垃圾中的大件垃圾除去而得到的可燃固体废弃物RDF2将城市生活垃圾中去除金属和玻璃,粗碎通Coarse(粗)RDFC-RDF过152mm的筛后得到的可燃固体废弃物RDF3将城市生活垃圾中去除金属和玻璃,粗碎通过Fluff(绒状)RDFF-RDF50mm的筛后得到的可燃固体废弃物RDF4将城市生活垃圾中去除金属和玻璃,粗碎通过Powder(粉)RDFP-RDF1.83mm的筛后得到的可燃固体废弃物RDF5将城市生活垃圾分捡出金属和玻璃等不燃物、Density(细密)RDFD-RDF粉碎、干燥、加工成型后得到的可燃固体废弃物RDF6将城市生活垃圾加工成液体燃料LiquidFuel(液体燃料)RDF7将城市生活垃圾加工成气体燃料GaseousFuel(气体燃料)表1美国ASTM的RDF分类分类内容备注RDF1仅仅是将普通城市生活垃圾中的大件垃圾除去而得到的可燃固体废弃物RDF2将城市生活垃圾中去除金属和玻璃,粗碎通Coarse(粗)RDFC-RDF过152mm的筛后得到的可燃固体废弃物RDF3将城市生活垃圾中去除金属和玻璃,粗碎通过Fluff(绒状)RDFF-RDF50mm的筛后得到的可燃固体废弃物RDF4将城市生活垃圾中去除金属和玻璃,粗碎通过Powder(粉)RDFP-RDF1.83mm的筛后得到的可燃固体废弃物RDF5将城市生活垃圾分捡出金属和玻璃等不燃物、Density(细密)RDFD-RDF粉碎、干燥、加工成型后得到的可燃固体废弃物RDF6将城市生活垃圾加工成液体燃料LiquidFuel(液体燃料)RDF7将城市生活垃圾加工成气体燃料GaseousFuel(气体燃料)1.2.2垃圾衍生燃料的组成垃圾衍生燃料的性质随着地区、生活习惯、经济发展水平的不同而不同。RDF的物质组成一般[16]为:纸68.0%、塑料胶片15.0%、硬塑料2.0%、非铁类金属0.8%、玻璃0.1%、木材和橡胶4.0%、其它物质10.0%。垃圾颗粒燃料RDF的化学成分•根据北京市环境卫生设计科学研究所统计，全国平均可燃垃圾的化学元素组成如表2：表2RDF元素组成表Table2CompositionofRDFelementary水分（%）C（%）H（%）O（%）S（%）N（%）Cl（%）灰分（%）5816.9392.44411.2640.0050.6820.32610.345020.1652.9113.4100.1260.8120.38812.1894024.1983.49216.0920.1510.9740.46614.627根据上表推算，RDF的元素组成如下：水分：20%；C：32.264%；H：4.356%；O：21.756%；S：0.201%；N：1.279%；Cl：0.621%；灰分：19.50%•《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2001）强制要求焚烧炉出口处烟气温度达到850℃以上和烟气中含氧量≥6%。当焚烧炉出口处烟气温度达不到850℃时，二噁英类物质的排放就达不到标准，从而限制垃圾焚烧发电。通过对垃圾颗粒燃料进行热平衡计算，测试它在不添加辅助燃料的情况下，焚烧后的产物能否达到GB18485-2001标准，从而验证垃圾颗粒燃料在热值、经济和环保方面的可行性。•经计算，RDF燃烧释放热量可加热烟气，使烟气热焓hr=1328.4kJ/h，大于烟气850℃，含湿15.4%时的热焓为1320kJ/m3。所以，RDF低位发热值为7700kJ/kg时，不需要添加辅助燃料，能保证燃烧炉出口处烟气温度达到850℃，从而节约了垃圾焚烧添加辅助燃料的成本，在经济上具有可行性；RDF在850℃燃烧有效抑制了二噁英类剧毒物质的生成，在环保效益上同样具有可行性。2.2物料衡算数学模型的建立•对各过程进行物料衡算可得湿基含水量及单位时间内绝干物料的流量并得出物料衡算数学模型。对运用物料衡算数学模型加工制造的垃圾衍生燃料进行性能测定可得出下表3。表3垃圾衍生燃料RDF性能表Table3PerformanceofGranularfuel项目发热值kcal/kg成品水份%颗粒形状mm颗粒强度N颗粒堆比重kg/m3性能参数Qydw=250014（柱状）φ20×756．9r=820通过工业性实验由表3可以看出，制造出的垃圾衍生燃料完全符合《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2001），通过验证，该数学模型可将低热值800（kcal/kg）的垃圾加工到1500（kcal/kg）左右的热值，从而有效的解决的我国垃圾普遍含水率高，发热值低的缺点，故通过该数学模型确定的制备工艺流程是可行的。2.3垃圾衍生燃料的制备工艺系统•工艺系统流程图•整套工艺由垃圾接收破碎单元、垃圾含水率降低及热值提高单元、造粒烘干单元，配套工程单元组成(见图1)。图1工艺系统流程框图成品颗粒燃料输出垃圾接收贮存分选破碎半湿粉碎烘干处理二次利用烘干处理图2工艺流程图•1、垃圾接收槽2、行车抓斗3、除臭系统4、格筛5、板式给料机6、垃圾分拣破碎机7、11、12、17、19、皮带输送机8、人工分拣机9、人工分拣平台10、大件垃圾复合式粉碎机13、磁选机14、15、封闭式皮带输送机16、半湿粉碎机18、搅拌预脱水干机20、生活垃圾切片熟化挤出机21、23、25、大倾角皮带机22、24、流化床26、料仓27、气动闸门28、人工分拣平台29、自动电控系统30、33、35、37、39、41、43、旋风除尘器31、32、34、36、38、40、42、风机44、尾气处理系统45、空气过滤器表4系统焚烧炉颗粒燃料性能表项目发热值成品水份颗粒形状颗粒强度颗粒堆比重性能参数Qydw2300～4000kcal/kg≤20%（柱状）φ20×40～100mm6～8Nr=700-800kg/m3•3.3.2产品的燃烧性能及排放指标•本系统所生产焚烧颗粒燃料与不预处理垃圾直接燃烧垃圾燃料使用性能比较(见表-5)。表5生活垃圾直接燃烧与RDF颗粒焚烧性能对照表直接焚烧颗粒焚烧1对原生垃圾要求Qydw≥1000kcal/kgQydw≥600kcal/kg2堆比重r=250～350kg/m3r≥600kg/m33燃烧温度724～1050℃1050℃～1300℃4垃圾在焚烧炉停留时间1.5h～2.5h1h～1.5h5垃圾料层厚度500～1000mm500～1500mm6燃烧尾热负荷8×104～15×104kcal/m3h1.5×104～25×104kcal/m3h7焚烧炉负荷范围90%～100%100%～140%8高热值物料添加15%～30%\9焚烧炉渣热灼减率5%～10%1%以下10焚烧炉渣有机质含量0.1%～3%\11出口烟气粉尘浓度80～120mg/m330～40mg/m312林格曼黑度I级\13炉膛空气过剩系数1.5～22-4垃圾直接焚烧和衍生燃料燃烧性能比较得出如下结果：•（1）有效提高发热值：试验证明[21]，低位发热值800Kcal/kg的垃圾，经颗粒燃料加工后热值可达到1500～1600Kcal/kg，从而解决了我国生活垃圾垃圾含水量高、普遍低热值的缺点；•（2）水份含量降低，着火点减小，可以不加任何热能补充物质（生炉发火除外），实现垃圾的焚烧作业；•（3）热值稳定：经垃圾加工后的颗粒燃料，热值基本一致，改善焚烧炉运行稳定性；•（4）孔隙率高与空气混合均匀度高，燃烧充分，通过造粒对细粉状物料的固定，尾气粉尘排放减少近80%；•（5）减量明显，试验证明，垃圾经加工成颗粒燃料后，垃圾减量60%，有效提高焚烧炉，处理能力近1倍；•（6）由于燃烧条件改善，焚烧炉输出有效利用热能提高40%左右，扣除原料加工成本，总系统能量回收利用率提高近