并流與逆流豎爐垃圾焚燒工藝計算及對比分析

趙 巍，汪 琦，劉海嘯，鄒宗樹

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽110819；2.遼寧科技大學 材料與冶金學院，鞍山114051）

為了減輕人類生存對環境帶來的壓力，城市生活垃圾處理技術應該最大限度地減容、減量，以使二英類、重金屬等二次污染物排放值降至最低，實現低成本化和高效綜合回收化.在各種垃圾處理技術中，城市生活垃圾氣化熔融焚燒工藝最具有這方面的優勢［1-4］，其中具有代表性的工藝是日本新日鐵公司及NKK 公 司 開 發 的 高 爐 型 熔 融 爐［1，3，5］（逆 流豎爐），如圖1所示［5］.

垃圾、石灰石及焦炭由爐頂投料口進入爐內，垃圾在豎爐內由上向下移動，通過與逆流上升的高溫氣體換熱，垃圾中的水分受熱蒸發，其余部分逐漸降至熱解段，有機物在控制的缺氧條件下發生熱解，生成可燃氣和灰渣.有機物熱解產生的可燃氣體導入二次燃燒室進一步燃燒并余熱利用.灰渣則進一步下移進入燃燒區，灰渣中殘存的熱解固相產物與從爐體下部通入的空氣發生燃燒反應，其產生的熱量不足以滿足灰渣熔融耗熱及所需溫度，需通過添加焦炭來提供熱源.

圖1 高爐型垃圾直接氣化熔融焚燒爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shaft furnace for direct gasification and melting of MSW

針對逆流式焚燒工藝需要添加輔助燃料的問題，筆者提出了城市生活垃圾并流豎爐氣化熔融焚燒新工藝［6］，如圖2所示.

生活垃圾和石灰石與高溫預熱空氣從焚燒爐頂部輸入，在并流下降過程中，生活垃圾先被高溫空氣預熱進行干燥，然后被加熱到熱解開始溫度進行熱解，析出的揮發分被加熱到著火溫度時開始燃燒，揮發分燃燒放出的熱量進一步提供熱解和垃圾升溫需要的熱量.熱解后的垃圾降到焚燒爐的下部，在焚燒爐下部吹入高溫空氣，二次完全燃燒熱解產生的、進入焚燒爐下部的高溫氣體和垃圾中的可燃殘留物提供灰渣熔融耗熱.產生的高溫煙氣一部分進入換熱器用來預熱空氣，另一部分進入余熱鍋爐進行余熱發電.高溫空氣一部分用于助燃，另一部分用于干燥垃圾以減少入爐垃圾的水分.熔渣從渣口排出并被水急速冷卻，冷卻后的熔渣和金屬經分選機選出金屬和無機殘渣，金屬被回收利用，無機殘渣則作為建筑材料.

圖2 生活垃圾并流豎爐焚燒的工藝流程圖Fig.2 Flow diagram of MSW incineration with co-current shaft furnace

與逆流式焚燒工藝相比，城市生活垃圾并流豎爐焚燒工藝具有節能和環保雙重優勢：

（1）煙氣與物料之間以并流方式流動，垃圾熱解氣化產生的可燃性氣體能夠在焚燒爐內直接燃燒，以提供灰渣熔融耗熱，從而可以少用或不用輔助燃料，達到自熱焚燒目的；除必須的余熱利用設備和煙氣凈化設備外，包括二次燃燒室在內的其他設備可以全部精簡.

（2）焦油是生活垃圾氣化過程中不可避免的產物，在氣化氣體的后續應用中，需要對焦油進行處理，因而不可避免地對環境產生二次污染.而在并流豎爐中，垃圾熱解氣化產生的揮發分和焦油等被帶到高溫區燃燒放熱，因此排出的煙氣中焦油含量較少［7］，并抑制了二英及多氯聯苯類物質的生成，既可簡化后續的處理設備，也能有效地減少對環境的二次污染.

通過建立物料平衡和熱平衡方程，對并流豎爐焚燒工藝的垃圾臨界熱值進行了計算，并與逆流豎爐工藝要求的垃圾臨界熱值進行了對比，進一步證明并流豎爐工藝的先進性，為工藝技術的開發提供理論依據.

1 計算方法

1.1 豎爐焚燒工藝的物料平衡

城市生活垃圾直接氣化熔融焚燒系統的物料平衡受生活垃圾特性、焚燒爐型、余熱利用方式和環境保護標準等因素影響.根據質量守恒定律，輸入系統的物料質量等于輸出系統的物料質量.

一般情況下，城市生活垃圾并流豎爐焚燒系統的物料輸入量可以簡化為生活垃圾量、供給的空氣量、輔助燃料量和造渣熔劑量4個主要項，而輸出量則可簡化為煙氣量和爐渣2個主要項，如圖3所示.

圖3 城市生活垃圾并流豎爐焚燒系統的物質平衡圖Fig.3 Mass balance of MSW incineration with cocurrent shaft furnace

1.2 豎爐焚燒工藝的熱平衡方程

為了保證城市生活垃圾的完全燃燒和灰渣的熔融，焚燒爐內必須保持一定的溫度和一定的燃燒時間，高溫煙氣經余熱回收和凈化處理后排向大氣中.垃圾和輔助燃料燃燒釋放的熱量、預熱空氣帶入的熱量以及成渣熱部分隨排煙帶走，部分隨灰渣帶走，部分從爐墻中向外散失掉，并且存在一些不完全燃燒熱損失.工藝過程的能量輸入與輸出方式如圖4所示.根據熱力學第一定律——能量守衡定律，城市生活垃圾直接氣化熔融焚燒系統的熱平衡方程為

式中：Q1入為生活垃圾焚燒時所放出的熱量，kJ；Q2入為輔助燃料燃燒時所放出的熱量，kJ；Q3入為預熱空氣帶入的物理熱量，kJ；Q4入為灰渣與熔劑反應放出的熱量，kJ；Q1出為煙氣帶走物理熱，kJ；Q2出為不完全燃燒熱損失，即煙氣化學熱，kJ；Q3出為熔融灰渣帶走的物理熱，kJ；Q4出為碳酸鹽熔劑分解熱，kJ；Q5出為焚燒爐熱損失，kJ.

圖4 城市生活垃圾并流豎爐焚燒系統的熱平衡示意圖Fig.4 Heat balance of MSW incineration with cocurrent shaft furnace

2 并流豎爐焚燒工藝的臨界熱值

2.1 臨界熱值的計算方法

采用并流豎爐氣化熔融焚燒法處理生活垃圾時，最關心的問題是生活垃圾能否在不添加輔助燃料的條件下單獨穩定燃燒，并在高溫下將灰渣熔融.臨界熱值就是指在無輔助燃料條件下垃圾穩定燃燒及熔融灰渣所需的最低低位發熱值.臨界熱值與生活垃圾焚燒采用的方式以及要達到的焚燒溫度有關，且與設計采用的過量空氣系數、空氣預熱溫度等參數密切相關［1］.

依據臨界熱值定義以及熱平衡方程式（1），由于并流豎爐工藝中垃圾及其熱解氣化氣體在爐內燃燒，因此求解臨界熱值的熱平衡方程可簡化為

式中：Q1入為垃圾的臨界低位發熱值.

預熱空氣帶入的物理熱為

式中：n為空氣系數，取1.2［8］；cair為空氣的比熱容；tair為空氣溫度，因有無預熱而不同；L0為1kg垃圾燃燒需要的理論空氣量，m3／kg.

在熱支出項中，煙氣帶走的熱損失為

式中：Vn為1kg垃圾燃燒產生的煙氣量，m3／kg；煙氣溫度tgas為1 350 ℃左右；cgas為煙氣的比熱容.

灰渣熔融帶走的物理熱為

式中：ωz為灰渣升溫及熔化吸熱量，若灰渣在1 300 ℃熔化，ωz取值1 800kJ／kg［9］；mz為1kg垃圾焚燒產生的灰渣量，包括垃圾自身的灰分以及加入的熔劑量，其中熔劑與灰分質量比為1∶1.

垃圾的化學組成決定了空氣量、煙氣產物量和灰渣的成分，但是垃圾的組成和熱值變化非常大.國外學者對垃圾的物理和化學組成進行了統計研究，認為盡管垃圾成分復雜，但主要可分為水分、灰分和可燃成分三大部分.生活垃圾有機成分中元素C、H、O、N 和S的分布完全符合統計學均值規律，即設計中完全可以考慮垃圾可燃成分中元素分布近似［8］.因而垃圾熱值的變化從根本上來說應該是受垃圾中灰分和水分的影響，而非可燃基中元素分布.

參考國內一些城市生活垃圾的成分，給出了具有代表性的垃圾可燃成分元素組成［8，10-11］，如表1所示.

一旦水分和灰分的初始質量分數（收到基）已知，則可燃成分中C 元素的收到基質量分數可以表示成

其他H、O、N 和S元素以及揮發分和殘碳收到基質量分數的計算依次類推.此時，垃圾完全燃燒熱Q1入即低位發熱值Q低可以表示成

表1 國內代表性垃圾的工業分析和可燃成分Tab.1 Proximate and combustible analysis of typical domestic MSW

垃圾燃燒需要的理論空氣量和產生的煙氣量為

聯合式（2）～式（9）進行反復迭代，可以得出不同灰分和不同空氣預熱溫度條件下，垃圾進行并流豎爐氣化熔融焚燒處理所必須的臨界熱值以及允許的水分含量.

2.2 臨界熱值的計算結果及分析

2.2.1 灰分及空氣預熱溫度對水分臨界值的影響 對于國內具有代表性成分的生活垃圾，當煙氣溫度為1 350 ℃、灰渣熔融溫度為1 300 ℃時，灰分及空氣預熱溫度對臨界水分含量的影響如圖5所示.當垃圾中的灰分增加時，滿足氣化熔融工藝要求的垃圾臨界水分線性減少，灰分每提高5%，臨界水分需減少4.4%左右；當預熱溫度為100 ℃時，灰分從5%提高到50%，臨界水分從56.7%減少到17.0%，說明熔融較高灰分的垃圾，對水分限制更為嚴格.

圖5 不同灰分及空氣預熱溫度下垃圾的臨界水分Fig.5 Critical moisture content vs.ash content and airpreheat temperature

空氣預熱溫度對臨界水分的影響也很大.當空氣預熱溫度升高時，滿足氣化熔融工藝要求的垃圾臨界水分值增大，預熱溫度每提高100K，臨界水分值可增加1.6%左右；當灰分為30%時，預熱溫度從20 ℃提高到1 000 ℃，臨界水分從32.3%增加到49.0%，說明空氣預熱有助于高水分垃圾的氣化熔融焚燒.

2.2.2 灰分及空氣預熱溫度對臨界熱值的影響

對于國內具有代表性成分的生活垃圾，當煙氣溫度為1 350 ℃、灰渣熔融溫度為1 300 ℃時，灰分及空氣預熱溫度對臨界熱值的影響如圖6所示.當垃圾中的灰分增加時，滿足氣化熔融工藝要求的垃圾臨界熱值基本呈線性變化，但變化的趨勢受空氣預熱溫度影響.總體來看，灰分變化對臨界熱值的影響較小.

圖6 不同灰分及空氣預熱溫度下垃圾的臨界熱值Fig.6 Critical heat value vs.ash content and airpreheat temperature

當空氣預熱溫度低于200 ℃時，隨著灰分的增加，垃圾的臨界熱值呈下降趨勢，灰分每提高5%，臨界熱值降低20kJ／kg.這是因為當灰分增加時，垃圾燃燒產生的煙氣量Vn明顯減少，導致煙氣帶走的熱損失減少，使得垃圾氣化熔融所需的臨界熱值有所降低.當預熱溫度為100 ℃時，灰分從5%提高到50%，臨界熱值從7 918kJ／kg降低到7 613kJ／kg，說明灰分變化對臨界熱值的影響較小.

當空氣預熱溫度在300～700℃時，隨著灰分的增加，垃圾的臨界熱值基本保持不變.這是因為當灰分增加時，燃燒需要的空氣量L0明顯減少，導致預熱空氣帶入的熱量也明顯減少，但煙氣量Vn明顯減少導致煙氣帶走的熱損失減少量更多，彌補了灰渣熔融增加的耗熱量，從而使得垃圾氣化熔融所需的臨界熱值基本不變.

當空氣預熱溫度高于700 ℃時，隨著灰分的增加，垃圾的臨界熱值呈增加趨勢，灰分每提高5%，臨界熱值需增加28kJ／kg.這是因為預熱溫度較高時，垃圾燃燒需要的空氣量L0明顯減少，導致預熱空氣帶入的熱量大幅度減少，使得垃圾氣化熔融所需的臨界熱值相應提高.當預熱溫度為1 000 ℃時，灰分從5%提高到50%，則臨界熱值從3 728kJ／kg增加到4 018kJ／kg.

從圖6可以看出，空氣預熱溫度對臨界熱值的影響很大.當空氣預熱溫度升高時，保證垃圾氣化熔融的臨界熱值明顯減小，當灰分為30%時，預熱溫度從100 ℃提高到1 000 ℃，臨界熱值從7 760kJ／kg急劇降低到3 889kJ／kg，說明空氣預熱有助于低熱值垃圾的焚燒，特別是對于氣化熔融焚燒工藝，更加需要較高的空氣預熱溫度.

3 逆流豎爐工藝的臨界熱值

3.1 臨界熱值的計算方法

在確定逆流豎爐工藝的臨界熱值時，假定垃圾熱解氣化產生的揮發分氣體全部排出爐外，在爐內燃燒的只是垃圾熱解后的殘碳，依據臨界熱值定義以及熱平衡方程式（1），求解臨界熱值的熱平衡方程仍采用式（2），但此時的Q1入只是1kg垃圾中殘碳燃燒放熱量，即

預熱空氣帶入的物理熱Q3入仍采用式（3）計算.

在熱支出項中，灰渣熔融帶走的物理熱Q3出采用式（5）計算；煙氣帶走的熱損失Q1出仍采用式（4）計算，但是逆流工藝的出爐煙氣溫度為200 ℃左右［1］，并且煙氣來源包括三部分：殘碳燃燒產生的CO2氣體、過剩空氣量和揮發分氣體，因此

式中：n為空氣系數，取1.2；ρ為揮發分氣體的密度.殘碳燃燒的理論空氣需要量

已知垃圾的揮發分和殘碳成分時，垃圾的低位發熱值可以表示成［10］

式中：P為垃圾中塑膠的份額，取11.58［10］.

聯合式（3）～式（5）和式（10）～式（13）進行反復迭代，可以得出不同灰分和不同空氣預熱溫度條件下，垃圾進行逆流豎爐氣化熔融焚燒處理所需的臨界熱值以及允許的水分含量.

3.2 兩種工藝的對比分析

3.2.1 灰分及空氣預熱溫度對水分臨界值的影響

對于國內具有代表性成分的生活垃圾，當煙氣溫度為200 ℃、灰渣熔融溫度為1 300 ℃時，逆流工藝中灰分及空氣預熱溫度對臨界水分含量的影響如圖7和圖8所示.當垃圾中的灰分增加時，滿足逆流豎爐氣化熔融工藝要求的垃圾臨界水分呈線性減少，與并流工藝呈平行趨勢.

圖7 不同灰分及空氣預熱溫度下垃圾臨界水分的對比Fig.7 Comparison of critical moisture content between two processes with different ash contents

圖8 不同空氣預熱溫度下垃圾臨界水分的對比（灰分為30%）Fig.8 Comparison of critical moisture content between two processes at different air-preheat temperatures （ash content is 30%）

在逆流工藝中，空氣預熱溫度對臨界水分值的影響同樣也很大.當空氣預熱溫度升高時，氣化熔融工藝允許的垃圾臨界水分值增大，但增大的幅度稍小于并流工藝.

在相同的空氣預熱溫度和灰分下，并流工藝允許的臨界水分值遠遠大于逆流工藝.當灰分為30%時，兩種工藝允許的臨界水分含量平均相差23.5%左右，如圖8所示，說明逆流工藝對垃圾水分限制更嚴格.

3.2.2 灰分及空氣預熱溫度對臨界熱值的影響

對于國內具有代表性成分的生活垃圾，當煙氣溫度為200 ℃、灰渣熔融溫度為1 300 ℃時，灰分及空氣預熱溫度對逆流工藝臨界熱值的影響如圖9和圖10所示，可見灰分和空氣預熱溫度變化對逆流工藝臨界熱值的影響都較大.

圖9 不同灰分下垃圾臨界熱值的對比Fig.9 Comparison of critical heat value between two processes with different ash contents

圖10 不同空氣預熱溫度下垃圾臨界熱值的對比（灰分30%）Fig.10 Comparison of critical heat value between two processes at different air-preheat temperatures（ash content is 30%）

隨著灰分的增加，逆流工藝要求的垃圾臨界熱值明顯增加.這是因為當灰分增加時，煙氣量Vn明顯減少，導致煙氣帶走的熱損失減少的同時，燃燒所需的空氣量L0明顯減少，預熱空氣帶入的熱量也明顯減少，但灰渣熔融消耗的熱量明顯增加，從而垃圾氣化熔融需要的臨界熱值增加.

從圖10可以看出，空氣預熱溫度對逆流工藝臨界熱值的影響同樣很大.當空氣預熱溫度升高時，垃圾氣化熔融所需的臨界熱值明顯降低，當灰分為30%時，預熱溫度從100 ℃提高到1 000 ℃，則臨界熱值從11 737kJ／kg降低到8 746kJ／kg，說明空氣預熱同樣有助于逆流垃圾焚燒工藝的進行.

在相同空氣預熱溫度和灰分下，并流工藝要求的臨界熱值遠遠低于逆流工藝.當灰分為30%時，兩種工藝要求的臨界熱值平均相差4 500kJ／kg左右，如圖10所示.這主要是因為在逆流工藝中，垃圾熱解氣化產生的揮發分沒有在爐內燃燒，只靠殘碳燃燒放熱作為熱量的主要來源，必然要求垃圾具有很高的熱值.

通過上述對比可知，并流工藝更適合熔融低熱值的垃圾，是一種適合國內城市生活垃圾的處理方法.

4 結 論

（1）對于并流豎爐氣化熔融工藝，當垃圾中的灰分增加時，氣化熔融工藝所需的垃圾臨界水分呈線性減少，表明熔融較高灰分的垃圾，對水分限制更嚴格.空氣預熱溫度對臨界水分值的影響很大：當空氣預熱溫度升高時，氣化熔融工藝所需的垃圾臨界水分值增加，表明空氣預熱有助于高水分垃圾的氣化熔融焚燒.

（2）對于并流豎爐氣化熔融工藝，垃圾中灰分變化對臨界熱值的影響較小，而空氣預熱溫度變化對臨界熱值的影響很大，當空氣預熱溫度升高時，垃圾氣化熔融所需的臨界熱值明顯降低，表明空氣預熱有助于低熱值垃圾的焚燒.

（3）如果逆流豎爐工藝中垃圾熱解氣化產生的揮發分氣體全部排出爐外，那么在相同的空氣預熱溫度和灰分下，并流工藝允許的臨界水分值遠遠高于逆流工藝，兩種工藝允許的臨界水分含量平均相差約23.5%，說明逆流工藝對垃圾水分限制更嚴格.同時，并流工藝要求的垃圾臨界熱值遠遠低于逆流工藝，兩種工藝要求的臨界熱值平均相差約4 500 kJ／kg，說明并流工藝更適合熔融低熱值的垃圾.

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