并流与逆流竖炉垃圾焚烧工艺计算及对比分析

赵 巍，汪 琦，刘海啸，邹宗树

（1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳110819；2.辽宁科技大学 材料与冶金学院，鞍山114051）

为了减轻人类生存对环境带来的压力，城市生活垃圾处理技术应该最大限度地减容、减量，以使二英类、重金属等二次污染物排放值降至最低，实现低成本化和高效综合回收化.在各种垃圾处理技术中，城市生活垃圾气化熔融焚烧工艺最具有这方面的优势［1-4］，其中具有代表性的工艺是日本新日铁公司及NKK 公 司 开 发 的 高 炉 型 熔 融 炉［1，3，5］（逆 流竖炉），如图1所示［5］.

垃圾、石灰石及焦炭由炉顶投料口进入炉内，垃圾在竖炉内由上向下移动，通过与逆流上升的高温气体换热，垃圾中的水分受热蒸发，其余部分逐渐降至热解段，有机物在控制的缺氧条件下发生热解，生成可燃气和灰渣.有机物热解产生的可燃气体导入二次燃烧室进一步燃烧并余热利用.灰渣则进一步下移进入燃烧区，灰渣中残存的热解固相产物与从炉体下部通入的空气发生燃烧反应，其产生的热量不足以满足灰渣熔融耗热及所需温度，需通过添加焦炭来提供热源.

图1 高炉型垃圾直接气化熔融焚烧炉示意图Fig.1 Schematic diagram of the shaft furnace for direct gasification and melting of MSW

针对逆流式焚烧工艺需要添加辅助燃料的问题，笔者提出了城市生活垃圾并流竖炉气化熔融焚烧新工艺［6］，如图2所示.

生活垃圾和石灰石与高温预热空气从焚烧炉顶部输入，在并流下降过程中，生活垃圾先被高温空气预热进行干燥，然后被加热到热解开始温度进行热解，析出的挥发分被加热到着火温度时开始燃烧，挥发分燃烧放出的热量进一步提供热解和垃圾升温需要的热量.热解后的垃圾降到焚烧炉的下部，在焚烧炉下部吹入高温空气，二次完全燃烧热解产生的、进入焚烧炉下部的高温气体和垃圾中的可燃残留物提供灰渣熔融耗热.产生的高温烟气一部分进入换热器用来预热空气，另一部分进入余热锅炉进行余热发电.高温空气一部分用于助燃，另一部分用于干燥垃圾以减少入炉垃圾的水分.熔渣从渣口排出并被水急速冷却，冷却后的熔渣和金属经分选机选出金属和无机残渣，金属被回收利用，无机残渣则作为建筑材料.

图2 生活垃圾并流竖炉焚烧的工艺流程图Fig.2 Flow diagram of MSW incineration with co-current shaft furnace

与逆流式焚烧工艺相比，城市生活垃圾并流竖炉焚烧工艺具有节能和环保双重优势：

（1）烟气与物料之间以并流方式流动，垃圾热解气化产生的可燃性气体能够在焚烧炉内直接燃烧，以提供灰渣熔融耗热，从而可以少用或不用辅助燃料，达到自热焚烧目的；除必须的余热利用设备和烟气净化设备外，包括二次燃烧室在内的其他设备可以全部精简.

（2）焦油是生活垃圾气化过程中不可避免的产物，在气化气体的后续应用中，需要对焦油进行处理，因而不可避免地对环境产生二次污染.而在并流竖炉中，垃圾热解气化产生的挥发分和焦油等被带到高温区燃烧放热，因此排出的烟气中焦油含量较少［7］，并抑制了二英及多氯联苯类物质的生成，既可简化后续的处理设备，也能有效地减少对环境的二次污染.

通过建立物料平衡和热平衡方程，对并流竖炉焚烧工艺的垃圾临界热值进行了计算，并与逆流竖炉工艺要求的垃圾临界热值进行了对比，进一步证明并流竖炉工艺的先进性，为工艺技术的开发提供理论依据.

1 计算方法

1.1 竖炉焚烧工艺的物料平衡

城市生活垃圾直接气化熔融焚烧系统的物料平衡受生活垃圾特性、焚烧炉型、余热利用方式和环境保护标准等因素影响.根据质量守恒定律，输入系统的物料质量等于输出系统的物料质量.

一般情况下，城市生活垃圾并流竖炉焚烧系统的物料输入量可以简化为生活垃圾量、供给的空气量、辅助燃料量和造渣熔剂量4个主要项，而输出量则可简化为烟气量和炉渣2个主要项，如图3所示.

图3 城市生活垃圾并流竖炉焚烧系统的物质平衡图Fig.3 Mass balance of MSW incineration with cocurrent shaft furnace

1.2 竖炉焚烧工艺的热平衡方程

为了保证城市生活垃圾的完全燃烧和灰渣的熔融，焚烧炉内必须保持一定的温度和一定的燃烧时间，高温烟气经余热回收和净化处理后排向大气中.垃圾和辅助燃料燃烧释放的热量、预热空气带入的热量以及成渣热部分随排烟带走，部分随灰渣带走，部分从炉墙中向外散失掉，并且存在一些不完全燃烧热损失.工艺过程的能量输入与输出方式如图4所示.根据热力学第一定律——能量守衡定律，城市生活垃圾直接气化熔融焚烧系统的热平衡方程为

式中：Q1入为生活垃圾焚烧时所放出的热量，kJ；Q2入为辅助燃料燃烧时所放出的热量，kJ；Q3入为预热空气带入的物理热量，kJ；Q4入为灰渣与熔剂反应放出的热量，kJ；Q1出为烟气带走物理热，kJ；Q2出为不完全燃烧热损失，即烟气化学热，kJ；Q3出为熔融灰渣带走的物理热，kJ；Q4出为碳酸盐熔剂分解热，kJ；Q5出为焚烧炉热损失，kJ.

图4 城市生活垃圾并流竖炉焚烧系统的热平衡示意图Fig.4 Heat balance of MSW incineration with cocurrent shaft furnace

2 并流竖炉焚烧工艺的临界热值

2.1 临界热值的计算方法

采用并流竖炉气化熔融焚烧法处理生活垃圾时，最关心的问题是生活垃圾能否在不添加辅助燃料的条件下单独稳定燃烧，并在高温下将灰渣熔融.临界热值就是指在无辅助燃料条件下垃圾稳定燃烧及熔融灰渣所需的最低低位发热值.临界热值与生活垃圾焚烧采用的方式以及要达到的焚烧温度有关，且与设计采用的过量空气系数、空气预热温度等参数密切相关［1］.

依据临界热值定义以及热平衡方程式（1），由于并流竖炉工艺中垃圾及其热解气化气体在炉内燃烧，因此求解临界热值的热平衡方程可简化为

式中：Q1入为垃圾的临界低位发热值.

预热空气带入的物理热为

式中：n为空气系数，取1.2［8］；cair为空气的比热容；tair为空气温度，因有无预热而不同；L0为1kg垃圾燃烧需要的理论空气量，m3／kg.

在热支出项中，烟气带走的热损失为

式中：Vn为1kg垃圾燃烧产生的烟气量，m3／kg；烟气温度tgas为1 350 ℃左右；cgas为烟气的比热容.

灰渣熔融带走的物理热为

式中：ωz为灰渣升温及熔化吸热量，若灰渣在1 300 ℃熔化，ωz取值1 800kJ／kg［9］；mz为1kg垃圾焚烧产生的灰渣量，包括垃圾自身的灰分以及加入的熔剂量，其中熔剂与灰分质量比为1∶1.

垃圾的化学组成决定了空气量、烟气产物量和灰渣的成分，但是垃圾的组成和热值变化非常大.国外学者对垃圾的物理和化学组成进行了统计研究，认为尽管垃圾成分复杂，但主要可分为水分、灰分和可燃成分三大部分.生活垃圾有机成分中元素C、H、O、N 和S的分布完全符合统计学均值规律，即设计中完全可以考虑垃圾可燃成分中元素分布近似［8］.因而垃圾热值的变化从根本上来说应该是受垃圾中灰分和水分的影响，而非可燃基中元素分布.

参考国内一些城市生活垃圾的成分，给出了具有代表性的垃圾可燃成分元素组成［8，10-11］，如表1所示.

一旦水分和灰分的初始质量分数（收到基）已知，则可燃成分中C 元素的收到基质量分数可以表示成

其他H、O、N 和S元素以及挥发分和残碳收到基质量分数的计算依次类推.此时，垃圾完全燃烧热Q1入即低位发热值Q低可以表示成

表1 国内代表性垃圾的工业分析和可燃成分Tab.1 Proximate and combustible analysis of typical domestic MSW

垃圾燃烧需要的理论空气量和产生的烟气量为

联合式（2）～式（9）进行反复迭代，可以得出不同灰分和不同空气预热温度条件下，垃圾进行并流竖炉气化熔融焚烧处理所必须的临界热值以及允许的水分含量.

2.2 临界热值的计算结果及分析

2.2.1 灰分及空气预热温度对水分临界值的影响 对于国内具有代表性成分的生活垃圾，当烟气温度为1 350 ℃、灰渣熔融温度为1 300 ℃时，灰分及空气预热温度对临界水分含量的影响如图5所示.当垃圾中的灰分增加时，满足气化熔融工艺要求的垃圾临界水分线性减少，灰分每提高5%，临界水分需减少4.4%左右；当预热温度为100 ℃时，灰分从5%提高到50%，临界水分从56.7%减少到17.0%，说明熔融较高灰分的垃圾，对水分限制更为严格.

图5 不同灰分及空气预热温度下垃圾的临界水分Fig.5 Critical moisture content vs.ash content and airpreheat temperature

空气预热温度对临界水分的影响也很大.当空气预热温度升高时，满足气化熔融工艺要求的垃圾临界水分值增大，预热温度每提高100K，临界水分值可增加1.6%左右；当灰分为30%时，预热温度从20 ℃提高到1 000 ℃，临界水分从32.3%增加到49.0%，说明空气预热有助于高水分垃圾的气化熔融焚烧.

2.2.2 灰分及空气预热温度对临界热值的影响

对于国内具有代表性成分的生活垃圾，当烟气温度为1 350 ℃、灰渣熔融温度为1 300 ℃时，灰分及空气预热温度对临界热值的影响如图6所示.当垃圾中的灰分增加时，满足气化熔融工艺要求的垃圾临界热值基本呈线性变化，但变化的趋势受空气预热温度影响.总体来看，灰分变化对临界热值的影响较小.

图6 不同灰分及空气预热温度下垃圾的临界热值Fig.6 Critical heat value vs.ash content and airpreheat temperature

当空气预热温度低于200 ℃时，随着灰分的增加，垃圾的临界热值呈下降趋势，灰分每提高5%，临界热值降低20kJ／kg.这是因为当灰分增加时，垃圾燃烧产生的烟气量Vn明显减少，导致烟气带走的热损失减少，使得垃圾气化熔融所需的临界热值有所降低.当预热温度为100 ℃时，灰分从5%提高到50%，临界热值从7 918kJ／kg降低到7 613kJ／kg，说明灰分变化对临界热值的影响较小.

当空气预热温度在300～700℃时，随着灰分的增加，垃圾的临界热值基本保持不变.这是因为当灰分增加时，燃烧需要的空气量L0明显减少，导致预热空气带入的热量也明显减少，但烟气量Vn明显减少导致烟气带走的热损失减少量更多，弥补了灰渣熔融增加的耗热量，从而使得垃圾气化熔融所需的临界热值基本不变.

当空气预热温度高于700 ℃时，随着灰分的增加，垃圾的临界热值呈增加趋势，灰分每提高5%，临界热值需增加28kJ／kg.这是因为预热温度较高时，垃圾燃烧需要的空气量L0明显减少，导致预热空气带入的热量大幅度减少，使得垃圾气化熔融所需的临界热值相应提高.当预热温度为1 000 ℃时，灰分从5%提高到50%，则临界热值从3 728kJ／kg增加到4 018kJ／kg.

从图6可以看出，空气预热温度对临界热值的影响很大.当空气预热温度升高时，保证垃圾气化熔融的临界热值明显减小，当灰分为30%时，预热温度从100 ℃提高到1 000 ℃，临界热值从7 760kJ／kg急剧降低到3 889kJ／kg，说明空气预热有助于低热值垃圾的焚烧，特别是对于气化熔融焚烧工艺，更加需要较高的空气预热温度.

3 逆流竖炉工艺的临界热值

3.1 临界热值的计算方法

在确定逆流竖炉工艺的临界热值时，假定垃圾热解气化产生的挥发分气体全部排出炉外，在炉内燃烧的只是垃圾热解后的残碳，依据临界热值定义以及热平衡方程式（1），求解临界热值的热平衡方程仍采用式（2），但此时的Q1入只是1kg垃圾中残碳燃烧放热量，即

预热空气带入的物理热Q3入仍采用式（3）计算.

在热支出项中，灰渣熔融带走的物理热Q3出采用式（5）计算；烟气带走的热损失Q1出仍采用式（4）计算，但是逆流工艺的出炉烟气温度为200 ℃左右［1］，并且烟气来源包括三部分：残碳燃烧产生的CO2气体、过剩空气量和挥发分气体，因此

式中：n为空气系数，取1.2；ρ为挥发分气体的密度.残碳燃烧的理论空气需要量

已知垃圾的挥发分和残碳成分时，垃圾的低位发热值可以表示成［10］

式中：P为垃圾中塑胶的份额，取11.58［10］.

联合式（3）～式（5）和式（10）～式（13）进行反复迭代，可以得出不同灰分和不同空气预热温度条件下，垃圾进行逆流竖炉气化熔融焚烧处理所需的临界热值以及允许的水分含量.

3.2 两种工艺的对比分析

3.2.1 灰分及空气预热温度对水分临界值的影响

对于国内具有代表性成分的生活垃圾，当烟气温度为200 ℃、灰渣熔融温度为1 300 ℃时，逆流工艺中灰分及空气预热温度对临界水分含量的影响如图7和图8所示.当垃圾中的灰分增加时，满足逆流竖炉气化熔融工艺要求的垃圾临界水分呈线性减少，与并流工艺呈平行趋势.

图7 不同灰分及空气预热温度下垃圾临界水分的对比Fig.7 Comparison of critical moisture content between two processes with different ash contents

图8 不同空气预热温度下垃圾临界水分的对比（灰分为30%）Fig.8 Comparison of critical moisture content between two processes at different air-preheat temperatures （ash content is 30%）

在逆流工艺中，空气预热温度对临界水分值的影响同样也很大.当空气预热温度升高时，气化熔融工艺允许的垃圾临界水分值增大，但增大的幅度稍小于并流工艺.

在相同的空气预热温度和灰分下，并流工艺允许的临界水分值远远大于逆流工艺.当灰分为30%时，两种工艺允许的临界水分含量平均相差23.5%左右，如图8所示，说明逆流工艺对垃圾水分限制更严格.

3.2.2 灰分及空气预热温度对临界热值的影响

对于国内具有代表性成分的生活垃圾，当烟气温度为200 ℃、灰渣熔融温度为1 300 ℃时，灰分及空气预热温度对逆流工艺临界热值的影响如图9和图10所示，可见灰分和空气预热温度变化对逆流工艺临界热值的影响都较大.

图9 不同灰分下垃圾临界热值的对比Fig.9 Comparison of critical heat value between two processes with different ash contents

图10 不同空气预热温度下垃圾临界热值的对比（灰分30%）Fig.10 Comparison of critical heat value between two processes at different air-preheat temperatures（ash content is 30%）

随着灰分的增加，逆流工艺要求的垃圾临界热值明显增加.这是因为当灰分增加时，烟气量Vn明显减少，导致烟气带走的热损失减少的同时，燃烧所需的空气量L0明显减少，预热空气带入的热量也明显减少，但灰渣熔融消耗的热量明显增加，从而垃圾气化熔融需要的临界热值增加.

从图10可以看出，空气预热温度对逆流工艺临界热值的影响同样很大.当空气预热温度升高时，垃圾气化熔融所需的临界热值明显降低，当灰分为30%时，预热温度从100 ℃提高到1 000 ℃，则临界热值从11 737kJ／kg降低到8 746kJ／kg，说明空气预热同样有助于逆流垃圾焚烧工艺的进行.

在相同空气预热温度和灰分下，并流工艺要求的临界热值远远低于逆流工艺.当灰分为30%时，两种工艺要求的临界热值平均相差4 500kJ／kg左右，如图10所示.这主要是因为在逆流工艺中，垃圾热解气化产生的挥发分没有在炉内燃烧，只靠残碳燃烧放热作为热量的主要来源，必然要求垃圾具有很高的热值.

通过上述对比可知，并流工艺更适合熔融低热值的垃圾，是一种适合国内城市生活垃圾的处理方法.

4 结 论

（1）对于并流竖炉气化熔融工艺，当垃圾中的灰分增加时，气化熔融工艺所需的垃圾临界水分呈线性减少，表明熔融较高灰分的垃圾，对水分限制更严格.空气预热温度对临界水分值的影响很大：当空气预热温度升高时，气化熔融工艺所需的垃圾临界水分值增加，表明空气预热有助于高水分垃圾的气化熔融焚烧.

（2）对于并流竖炉气化熔融工艺，垃圾中灰分变化对临界热值的影响较小，而空气预热温度变化对临界热值的影响很大，当空气预热温度升高时，垃圾气化熔融所需的临界热值明显降低，表明空气预热有助于低热值垃圾的焚烧.

（3）如果逆流竖炉工艺中垃圾热解气化产生的挥发分气体全部排出炉外，那么在相同的空气预热温度和灰分下，并流工艺允许的临界水分值远远高于逆流工艺，两种工艺允许的临界水分含量平均相差约23.5%，说明逆流工艺对垃圾水分限制更严格.同时，并流工艺要求的垃圾临界热值远远低于逆流工艺，两种工艺要求的临界热值平均相差约4 500 kJ／kg，说明并流工艺更适合熔融低热值的垃圾.

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