垃圾焚燒廠高參數熱能利用技術研究與運用

吳 寧 廖達秀. 徐正權 吳蔭津

（1.廣州環保投資集團有限公司 510330 2.廣東省垃圾焚燒技術與裝備工程實驗室 510330）

0 引言

本文從垃圾的處理方法出發，主要介紹了垃圾焚燒技術的特點和概況，重點討論了垃圾焚燒技術的優缺點以及燃燒后熱能的回收再利用。探討了我國目前在垃圾焚燒技術方面所存在的問題，并且提出了研究措施。

1 垃圾焚燒的特點

目前世界各國針對垃圾的處理方法主要有三種，即填埋、堆肥以及焚燒。其中垃圾焚燒處理的方法主要是將垃圾在焚燒爐中盡興燃燒，垃圾中的可燃物與氧氣發生化學反應進而釋放熱能。高溫燃燒后的熱能能夠進行回收再利用，應用在發電發熱方面。煙氣經過凈化之后也可以用作其他的用途。垃圾焚燒處理技術不僅能夠達到減量減容的作用還能夠有效減少垃圾的運輸。通過對垃圾的采用焚燒處理的方式，能夠有效回收可以利用的熱能，比起其他的垃圾處理方法，垃圾焚燒技術具有徹底消毒穩定性高的特點。城市垃圾在進行焚燒后能夠有效殺死垃圾中的病毒和細菌，通過高溫分解惡臭氨氣和有機質，焚燒后的殘渣能夠直接填埋。城市垃圾經過焚燒后，還能夠有效進行城市減容，節省處置用地。垃圾焚燒可以做到全天候處理垃圾，占地面積較小，具有較為長遠的發展前景。填埋費用逐年增加的情況下，燃燒處理的費用能夠與衛生填埋費達到平衡，垃圾焚燒所產生的熱能也能夠進行回收，即使是市區內也可以建設焚燒站，節省了垃圾運送的費用。垃圾可以分為可燃物與不可燃物兩種，可燃物包含布、紙、木、塑料、動植物殘骸以及皮革等。不可燃物包含沙石、玻璃、瓷片以及各類廢棄金屬等。可燃物中的化學成分主要包含碳氫氧氮等元素。這些可燃元素在燃燒的過程中與氧氣發生反應，生成氧化物或者氫化物。不可燃成分中包含水分過高和灰分過高兩種情況。因此在進行垃圾焚燒的時候采用什么樣的焚燒爐主要看垃圾的成分屬于哪一種。

2 垃圾焚燒技術分類

在垃圾焚燒的過程中為了保持生活垃圾能夠達到燃燒的溫度并且釋放出足夠的熱能，垃圾的最佳低位發熱值為5000kJ/kg，城市垃圾的低位發熱值則在3350-8374kJ/kg左右，含水量要小于等于50%。對垃圾焚燒設備的適應性有非常高的要求。在垃圾焚燒的時候要針對垃圾成分進行及時的調整，這樣才能夠保障垃圾能夠穩定的燃燒。助燃材料一般采用煤或者油。我國所采用的垃圾焚燒技術主要有三種。

2.1 旋轉燃燒技術

我國的垃圾焚燒技術起步較晚，一部分是借鑒國外的技術，另一部分則根據國內的具體情況采用自行開發的燃煤鍋爐燃燒技術。旋轉燃燒技術主要采用了回轉窯，內壁采用了耐火磚，傾斜筒體緩慢轉動，依靠垃圾自重落下在桶內翻滾與空氣接觸著火燃燒，主要應用在有害有毒的廢料垃圾。

2.2 流化床燃燒技術

流化床燃燒則對入爐垃圾有非常嚴格的尺寸要求，垃圾必須要進行篩選和粉碎處理，保障尺寸的統一。床層燃燒設計成錐體結構，垃圾顆粒可以在爐內懸浮燃燒，因此要求垃圾進料均勻，對運行和維護的要求也相對很高，流化床燃燒技術設備成本較高，但適應性非常廣泛。

2.3 爐排爐層狀燃燒技術

爐排爐層狀燃燒的技術目前是發展最為成熟的，這種焚燒爐對垃圾的處理要求并不高，適用范圍也比較廣，運行維護更加簡單，許多國家都采用這種方法。爐排的層狀設計能夠穩定地維持垃圾的燃燒。爐排垃圾層進行翻動和攪動增加透氣性，更加有助于垃圾的燃燒，爐的拱形狀設計能夠有利于燃燼區垃圾的燃燼。配風設計保持著空氣在爐排上的分布均勻，層燃爐對溫度和煙氣滯留時間要求較高。垃圾成分過于復雜就會造成爐溫過高進而產生結塊。

3 垃圾焚燒發熱量的計算

垃圾采用焚燒技術進行處理的主要影響因素是垃圾的發熱量，要維持穩定的燃燒，就必須要求垃圾燃燒釋放足夠的熱量來滿足燃燒溫度所需熱量。如果熱量并不到位就需要添加輔助燃料進行維持燃燒。發熱量可以分為兩種，即低位發熱量和高位發熱量。其中低位發熱量的最終產物是蒸汽，高位發熱量和低位發熱量的差值關系如下：

Qɑ=Qg-6(9?(H)+W)

其中Qɑ代表低位發熱量；Qg代表高位發熱量；?(H)代表垃圾中的氫質量分數；W代表垃圾含水率。

垃圾發熱量的計算最常用的方法就是先測定出垃圾中的成分比例，在通過測定組成物質發熱量，按照比例垃圾的發熱量，公式如下：

其中?(C)代表碳，?(H)代表氫，?(O)代表氧，?(Cl)代表氯，?(S)代表硫等質量分數。

垃圾的組成形式不同，發熱量也不同。廢棄所料所組成的垃圾低位發熱量可以達到32527kJ/kg，而全部由廢木料所組成的垃圾低位發熱量則達到18610kJ/kg，有碎玻璃所組成的垃圾低位發熱量則只有140kJ/kg。垃圾的構成由人們的生活水平來決定，因此每個城市的垃圾發熱量也不同。

4 垃圾焚燒熱能利用技術研究

4.1 研究目的

高溫燃燒的垃圾不僅能夠達到除菌的目的還能避免普通燃燒的方式所產生的煙塵和有害氣體。無法再回收利用的可燃廢棄物燃燒后減少了占地面積，同時也降低了處理垃圾的成本。垃圾在燃燒的過程中也會存在一些可利用資源，可以有效回收再利用。垃圾焚燒所產生的煙氣熱能能夠直接轉化為蒸汽、熱水以及熱空氣，能夠直接進入利用模式。通過垃圾焚燒爐周圍所設置的熱能交換器，將煙氣熱量直接轉化為熱能壓力和熱水，通過蒸汽和助燃空氣的方式直接供給熱電廠。助燃空氣能夠直接應用于焚燒爐，有效促進垃圾快速焚燒，另外也可以提高焚燒爐產生可利用有效熱量。熱水和蒸汽則可以作為工廠副產品進行供應。

4.2 技術的改進

傳統的垃圾焚燒設備由于無法對垃圾進行有效分類，從而導致垃圾的水分和灰分過多，發熱量低的同時也造成垃圾難以焚燒的情況。后期使用垃圾與煤混燒的方式進行改善，效果并不理想的同時還造成了環境的污染。后期經過專家們的研究，提升了焚燒的溫度，大大減少了刺激性煙氣的產生。通過加高煙囪和使用送風機和引風機的方式來減少刺激性有害物質的擴散。通過增設垃圾干燥區和空氣預熱燃燒的方式來解決垃圾的季節性和地域性的問題。另外，熱能轉化為電力，能夠有效克服余熱直接利用所產生的建廠限制。熱能轉化為電力之后可以有效減少長途運輸的限制，同時也可以整合一些分散的小型焚燒廠，達到規模的效應。但熱能轉化為電力需要增加一定的固定資產，在費用方面會有成本增加的情況。余熱轉化電力能夠帶來穩定的經濟收入，增加企業經濟效益。我國目前年焚燒發電量能夠達到70億kW·h，開發了垃圾成為新能源的發展道路。以北京上海等一線城市為主近幾年開展建設垃圾焚燒發電廠。按照國家法律規定，垃圾焚燒廠建成后，廠家需要回收垃圾焚燒所產生的能源。電力公司則由義務購買垃圾焚燒廠全年的屯力，因此，研究開發高效的垃圾發電技術勢在必行。垃圾焚燒大型發電廠能夠有效推動公益性垃圾處理設施轉型為盈利設施。

5 我國垃圾焚燒熱能利用的運用

5.1 熱能的直接利用

垃圾焚燒所產生的熱能，以熱水和蒸汽的形式進行直接利用，也可以稱為余熱的直接利用。注意在直接利用余熱的時候需要考慮到環境的限制，對焚燒廠的位置要提前進行篩選，盡量減少余熱的浪費，最大限度提升余熱利用率。垃圾焚燒廠的選址通常要遠離居民區，在利用形式方面也較為單一。

5.2 熱能發電

垃圾焚燒的過程中產生的余熱可以用來進行發電。這樣的發電模式是目前我國較為常見的一種熱能利用形式。垃圾焚燒廠可以同時使用發電機，將余熱直接轉化成電能。一些大中型的垃圾焚燒廠不僅能夠滿足自身的電力需求，還能將余熱轉化成電力供應周邊地區使用。我國熱能發電方面的技術正在不斷地完善，市面上的主流發電機轉化率能夠達到80%，但垃圾焚燒的余熱溫度存在著一定的波動，轉化的電能并不穩定，因此需要安裝電能穩壓裝置，這樣才能夠保障余熱發電的用電安全，提升熱能發電的效率。

5.3 熱能電能的聯供

垃圾焚燒的發熱量以及余熱鍋爐的熱效率能夠直接影響到熱能損失的多少。我國采用的熱電連供發電方式能夠有效地將熱能和發電融合在一起。在提高熱能的同時也可以穩定發電的功率。傳統焚燒廠產生的熱能有效利用率超過30%，進行熱電聯供的焚燒廠熱能利用率可以達到40%-60%左右。不僅如此，還能夠將發電和區域供熱結合在一起。區域供熱也可以分為工業供熱、居民供熱和農業供熱三種。

6 結語

我國在垃圾焚燒和熱能利用方面的研究起步較晚，專家正在積極投入符合我國國情的垃圾焚燒技術研究中。其中流化床焚燒技術和爐排焚燒技術正在逐漸完善和成熟，各個城市正在大力推進垃圾分類工作，能夠更加發揮垃圾焚燒的優點。真正達到能源的有效再利用，達到節約資源的最終目的。