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垃圾热值及成分变化对焚烧炉的影响 马长永 北京中科通用能源环保有限责任公司, 北京 100080 摘要 通过慈溪中科众茂环保热电有限公司, 处理量为500 t d循环流化床垃圾焚烧炉热量平衡方程和原始热力计算程 序, 探讨了垃圾热值变化对焚烧炉运行的影响。 结果表明 焚烧炉运行过程中垃圾热值变化对锅炉运行产生明显的影 响, 当垃圾热值减少 10. 7时, 需要的入炉垃圾量和生成的炉膛烟气量均增加 12, 这样不但增加风机负荷, 而且垃 圾水分的增加会降低入炉热量的有效利用率。 关键词 环境工程学; 热值及成分变化; 垃圾焚烧炉; 影响 INFLUENCE OF WASTE HEAT VALUE AND COMPONENT CHANGE ON INCINERATOR Ma Changyong Beijing China SciencesGeneral Energy heat value and change in component; waste incinerator; influence 0 引言 目前我国大部分地区仍在采用堆肥 、 露天堆放和 卫生填埋为主的垃圾处理方式 ,但近几年随着人们对 垃圾焚烧处理认识的逐渐提高 ,开始逐步以炉排炉和 循环流化床为主的焚烧发电技术应用于垃圾处理 [ 1] 。 生活垃圾焚烧处理比填埋处理具有节约土地 ,消 除填埋容易造成的二次污染, 而且最大程度的垃圾容 积减量化、无害化, 焚烧后得到的热量可以供热或并 网发电等综合优势, 现已开始得到更多地方政府和环 保部门的重视。 垃圾焚烧处理, 尤其循环流化床垃圾焚烧处理方 式,对垃圾热值有较高的要求, 过低的低热值垃圾将 很难保证循环流化床垃圾焚烧炉850 ℃左右的炉膛 燃烧温度 ,为了使垃圾焚烧炉在不同燃料工况下能够 稳定燃烧, 一般循环流化床焚烧炉设计时 ,把部分炉 膛受热面用浇注料浇筑减少炉膛吸热量 ,另外焚烧炉 运行时加一定比例的辅助燃料 煤 来维持正常的炉 膛燃烧温度 。 由于生活垃圾成分复杂 、不稳定 , 受地域、季节、 天气 、 人们生活水平和经济发展状况等因素影响其热 值变化比较大, 尤其垃圾水分对热值的影响非常明 显,因此当垃圾成分有较大波动 特别是水分和热值 变化 时焚烧炉必须具备有较强的适应性 。 1 焚烧炉主要参数及燃料特性 慈溪中科众茂环保热电有限公司选用北京中科 通用能源环保有限责任公司的循环流化床垃圾焚烧 发电专利技术, 其焚烧炉主要技术参数见表 1。 表 1 CFB垃圾焚烧炉主要技术参数 额定垃圾处理 量 td- 1 额定蒸发 量 th- 1 额定蒸汽 压力 MPa 额定蒸汽 温度 ℃ 焚烧炉热 效率 500455. 348581. 4 焚烧炉采用单锅筒横置式自然循环, Π型布置, 炉膛由膜式水冷壁构成, 炉膛下部后墙水冷壁向前弯 曲延伸与两侧水冷壁构成水冷布风板和水冷风室。 102 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 立柱 Z1、 Z2 之间左右侧对称布置 2 个高温绝热旋风 筒分离器 ,分离器下面布置有外置式换热器。 焚烧炉的高温过热器蛇形管布置在旋风分离器 下面的固体物料返料器内 ,通过分离器分离下来的高 温热灰与高温过热器管束之间的汽固换热,使蒸汽参 数达到额定温度和压力 。焚烧炉主要燃料为城市生 活垃圾 ,另外运行过程中需要添加少量煤 ,其两种燃 料的成分和热值见表 2。 表 2 生活垃圾和辅助燃煤元素分析和热值 元素分析生活垃圾辅助燃料 应用基碳 Cy 16. 0055. 78 应用基氢Hy 2. 783. 34 应用基氧Oy 11. 308. 11 应用基氮Ny 0. 441. 14 应用基硫 Sy 0. 220. 59 应用基氯Cly 0. 210. 00 水分 My 47. 199. 10 灰分Ay 21. 8621. 94 总计 ΢ 100100 低位发热量 Qdw kJkg- 15 78021 320 表 2 可知, 如焚烧炉按辅助燃料占 20的热量 比例来设计 , 当煤和垃圾热值分别为21 320 kJ kg和 5 780 kJ kg时混合燃料热值为6 766 kJ kg , 焚烧炉设 计热效率 为 81. 4, 此时 焚烧 炉垃圾 处理 量为 507 t d,炉膛烟气量为324 850 m 3 h 。为了掌握不同 垃圾组分及热值工况下的焚烧炉燃烧特性,通过焚烧 炉原始设计热力平衡计算来分析。 2 焚烧炉燃烧影响因素 2. 1 焚烧炉热量平衡 焚烧炉运行时输入热量来自生活垃圾和辅助燃 料,按设计混合燃料比例 ,每小时焚烧炉输入热量为 式 1 Qin[ β 100LHVc 1 -β 100 LHVw] B 1 式中 Qin 焚烧炉每小时输入热量 ,kJ h; LH Vc 煤的低位发热量,kJ kg ; LHVw 垃圾的低位发热量 ,kJ kg ; β 辅助燃料在混合燃料中的质量分 数, ; B 燃料消耗量,kg h 。 焚烧炉每小时将产生 D kg h 的过热蒸汽提供给 汽轮发电机组, 因此焚烧炉每小时输出热量为式 2 QoutD[ Igr-Igsρ 100 Ibh-Igs ] 2 式中 Qout 焚烧炉每小时输出热量,kJ h; D 焚烧炉额定蒸发量,kg h; Igr 过热蒸汽焓值,kJ kg ; Igs 焚烧炉给水焓值 ,kJ kg ; Ibh 焚烧炉饱和水焓值,kJ kg ; ρ 焚烧炉排污率, 。 假如热效率为 η ,则焚烧炉输入输出热量之间 将成立以下的热量平衡方程, 见式 3 η Qout Qin100 3 从热量平衡方程 3 可以推导出下面的焚烧炉运 行时的燃料消耗量 B 的计算方程式 4 B D[ Igr-Igsρ 100 Ibh-Igs ] [ β 100LHVc 1 -β 100 LHVw] η 4 2. 2 垃圾热值变化影响因素 从燃料消耗量计算方程式 4 可知, 当煤的热值 及掺混比例不变的前提下, 如垃圾热值有变化, 为了 保证焚烧炉负荷 ,则必须调整 增加或减少 入炉垃圾 量,但是入炉垃圾量的变化调整受以下几个主要因素 的影响和限制 1 焚烧炉本体结构尺寸 ,尤其炉膛截面及布风板 尺寸影响。 2 焚烧炉一 、 二次风量的限制。 3 炉膛出口烟气量 烟气流速 变化限制。 循环流化床垃圾焚烧炉从锅炉本体结构上与普 通燃煤循环流化床锅炉基本相同,只是多了垃圾给料 装置和除渣筛分返灰装置等, 所以具有普通燃煤循环 流化床锅炉的特性 。由于焚烧炉炉膛截面尺寸、布风 板面积及布风板风帽数量已定 ,因此随着入炉垃圾量 的增加布风板料层阻力增加,一次风机压头和输出功 率也随之增加 ,同时为了保证使入炉垃圾充分燃烧,必 须增加锅炉一 、 二次风量,这样焚烧炉整个炉膛烟气量 也随之增加,但入炉垃圾量不允许无限的增加, 因为受 锅炉一、 二次风机输出特性的限制。另外入炉垃圾量 的增加受循环流化床焚烧炉灰循环系统及尾部烟道烟 气量、 烟气流速的限制 。因此当水分或其他成分变化 引起垃圾热值的变化, 如果短期的波动则对焚烧炉运 行没有明显的影响,但如果垃圾热值的变化比较大而 且持续时间较长,则对焚烧炉的影响比较明显。 3 热值变化对焚烧炉的影响特性 以慈溪中科 CFB 焚烧炉为例, 在辅助燃料热量 比和锅炉额定蒸发量不变的前提下, 当垃圾热值从 5 852 kJ kg变到4 182 kJ kg , 几个不同的计算点上用 103 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 燃料消耗量计算方程式 4 ,分别计算出所需的入炉 垃圾量 ,同时用原始设计热力计算程序 , 计算出各不 同工况点下焚烧炉燃烧产生的炉膛出口烟气量的值, 并以入炉垃圾量 B 为横坐标, 以垃圾热值和炉膛烟 气量为两个纵坐标, 绘制在不同工况点下的变化特性 曲线 ,见图 1。 图 1 垃圾热值与炉膛烟气量变化特性曲线 由图 1 可知 ,由于垃圾热值降低引起的入炉垃圾 量的增加, 必将使焚烧炉炉膛烟气量增加 ,从而使整 个尾部烟道的烟气流速提高。一方面烟气流速的增 加有利于减少尾部烟道受热面管束的积灰现象,强化 各受热面管束与热烟气之间的换热强度 ,但同时也会 增加热烟气中的灰尘颗粒对受热面管束的磨损,所以 烟气流速的提升过大会引起尾部烟道过热器 、 对流管 束及省煤器等对流受热面管束的磨损 ,而且增加一、 二次风机和引风机负荷, 增加了厂用电率。另外垃圾 焚烧炉尾部烟道积灰特性按积灰强度可分松散性积 灰和黏结性积灰两种 [ 3] ,对于松散性积灰提高烟气流 速可以降低受热面管束的积灰现象 ,而对于尾部烟道 高温区的黏结性积灰提高烟气流速也不会有明显的 效果 。 4 结论 根据计算结果和分析得知 ,循环流化床垃圾焚烧 炉运行过程中的垃圾成分和水分引起的热值变化对 焚烧炉运行产生明显的影响, 将直接影响焚烧炉入炉 热量和炉膛烟气量。当垃圾热值减少10. 71 时对应 的炉膛烟气量和尾部烟气流速都将提高 12左右。 而且垃圾水分变化引起的热值降低 ,不但增加风机负 荷外, 由于蒸发过多的水分而消耗的汽化潜热, 还影 响到入炉热量的有效利用率。 研究结果对于新建的循环流化床垃圾焚烧炉设 计和实际焚烧炉运行控制有一定的指导意义 。 参考文献 [ 1] 汪玉林. 垃圾发电技术及工程实例[ M] . 北京 化学工业出版 社, 2003. [ 2] 冯俊凯, 沈幼庭, 杨瑞昌. 锅炉原理及计算. 三版[ M] . 北京 科 学技术出版社, 2003. [ 3] 许明磊, 严建华, 马增益, 等. CFB 垃圾焚烧炉烟道沿程烧结积 灰的特性[ J] . 动力工程, 2006 4 550 -553. 作者通信处 马长永 100080 北京市海淀区苏州街 3号大恒科技大 厦南座 9 层 北京中科通用能源环保有限责任公司 电话 010 82569666 -509 E -mail magetellytom. com 2008- 09-08 收稿 上接第 111 页 种结果的差异并不大, 但是在数学计算上 ,由于出水 TP 值很小 ,很小的差别就会导致很大的相对误差 ,因 此可以得出结论 ,出水TP 值相对误差较大 ,部分数据 有显著性差异与在线监测系统仪器本身并没有直接 关系 ,是出水TP 值过小造成的。 出水 COD 的实验数据相对误差为 22. 13, 且有 显著性差异 ,相关性也较低 ,对此结果产生的原因进 行分析。观察发现实验室检测方法为重铬酸钾法 ,而 仪器的分析原理是紫外吸光度法, 两种方法从原理上 差别很大 ,因此造成了检测结果较大的差异。 因此可以得出结论, 污水处理厂水质在线监测系 统测得的数据真实可靠, 可以用于对污水厂的监督和 运行指导。 参考文献 [ 1] 孟庆强, 吴大为, 林毅, 等. 探讨城市污水在线监测系统的应用 [ J] . 中国给水排水, 2004 7 23 -24. [ 2] 杨晓红. 北江水质自动检测监测站的建立和可靠性研究[ D] . 广 州 华南理工大学, 2002. [ 3] 杨军, 王欣. 紫外吸光度 UV 法 在水环境监测中的应用[ J] . 新 技术应用, 2005 4 37 -38. 作者通信处 李洁 510060 广州市环市东路 348 号东座9楼 广州市 市政工程设计研究院五所 E -mail lijie2005hy yahoo. com. cn 2009- 02-20 收稿 104 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期