低热值垃圾焚烧发电机组设计和选型研究

王云刚,于 飞

(1. 安徽皖能环保发电有限公司，合肥 230051；2. 上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)



设计与制造

低热值垃圾焚烧发电机组设计和选型研究

王云刚1,于 飞2

(1. 安徽皖能环保发电有限公司，合肥 230051；2. 上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

针对低热值垃圾在地域、季节和收集储运等差异所表现出的特性，分析应用个例遇到的燃烧问题，提出了四线城市及乡镇垃圾焚烧项目在主要系统工艺设计、设备选型方面的注意事项。

低热值垃圾焚烧; 系统工艺; 设备选型

近年来垃圾污染环境、危害群众的问题日益突出。垃圾焚烧发电技术能有效解决城乡生活垃圾的处置问题，其特点是无害化、资源化、减量化、稳定化。随着垃圾焚烧发电行业的发展，我国在四线城市及乡镇也开始建设垃圾焚烧发电厂；但是垃圾热值低、灰分大、水分大的特点制约了行业的发展。笔者针对低热值垃圾焚烧发电机组，阐述其主要系统工艺及设备选型。

1 生活垃圾特性

垃圾热值高低随季节波动，夏季雨水多，瓜果皮多热值最低，冬季相对干燥热值最高，以皖南某项目为例，经测算最多相差约1 460 kJ/kg[1]。垃圾热值受地区风俗习惯影响有时会出现较大波动。以皖北某项目为例，由于当地在春节期间大量焚烧塔香，造成无热值的香灰入库，导致炉温无法维持，甚至导致机组停运。

垃圾中转站有无压缩设备、垃圾收集运输车辆的形式以及垃圾贮存倒堆技术会使垃圾水分发生变化，进而影响其热值。由于原生垃圾中水分较高(40%～60%)，为了降低入炉垃圾的含水量，垃圾进厂后在垃圾坑内贮存发酵。垃圾在贮存期间将脱去部分水分，入炉垃圾的热值提高，垃圾发酵时间的长短直接影响了入炉的热值；相同发酵时间环境温度越高发酵效果越好。

四线城市及乡镇垃圾存在热值低、灰分大、建筑垃圾含量高等特点。

2 机组设计

2.1 垃圾库容量

行业标准《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》中规定：垃圾池有效容积宜按5～7天额定垃圾焚烧量确定[2]。工程实例中大部分垃圾库设计有效库存为6～7天，在大中城市的可以满足垃圾的分区堆放、发酵、倒堆以及稳定燃烧的要求；但是四线城市及乡镇垃圾发电厂垃圾库贮存量在7天时间很难保证垃圾焚烧炉长期稳定燃烧要求。

南方某省会城市的垃圾焚烧电厂采用2台600 t/d机械炉排炉，热值设计范围为4 187～8 374 kJ/kg，垃圾库的容积设计为23 373 m3，垃圾池可贮存焚烧厂7天的垃圾处理量；皖北某四线城市的垃圾焚烧电厂采用2台350 t/d机械炉排炉，热值设计范围为4 200～7 500 kJ/kg，垃圾池的容积设计为9 324 m3，垃圾池可贮存焚烧厂6天的垃圾处理量。

南方某省会城市的垃圾成分较好，平均气温高于北方城市，垃圾发酵3天左右满足稳定燃烧；但皖北某垃圾焚烧发电厂运行过程中遇到了如燃烧不稳定、燃尽段温度偏高、热灼减率大于3%、入炉吨垃圾发电量偏低等问题，主要是垃圾发酵时间不足导致燃烧速率太慢。

在发酵时间3天的情况下，对皖北某电厂的入炉吨垃圾发电量和入炉垃圾热值进行量化比较，截取2015年7～12月的数据见表1。

表1 入炉垃圾发电量和入炉垃圾热值

从表1可知：冬季入炉垃圾热值低于夏季，与原生垃圾特性相反，说明冬季垃圾发酵3天时间，原生垃圾的内水不易析出，直接进入炉膛，造成炉膛燃烧不稳定，炉温不能保证，时常还要投油助燃，对机组的经济稳定运行造成很大影响。

建议淮河以北垃圾焚烧电厂卸料平台高度以下部分的有效容积设计为满足全厂8～10天以上的垃圾处理量，这样才能保证垃圾的堆放、倒垛，同时保证垃圾有效发酵时间达到5天以上。根据测算，垃圾发酵5天，低位热值提高约40%以上。在同样的垃圾仓容量设计条件下尽量增大宽度或长度，减少深度，这样方便垃圾的分区、堆料、排水，使垃圾仓利用率提高，经济性增强。

2.2 给料能力的确定

以处理规模1 000 t/d为例，正常运行时垃圾焚烧日处理量为 2×500 t，小时平均投料量为2×20.8 t，垃圾抓斗起重机除正常的投料运行外，还应有一定的混料时间。正常状况下，1台垃圾吊车每小时累计用20 min给焚烧炉上料，其余时间对垃圾进行搬运、倒垛，按顺序堆放到预定区域，按每次上料流程约4～5 min，即1 h需要完成4～5次上料，考虑超量焚烧工况，每斗料要抓至少5 t以上。再综合考虑2台行车相互影响等因素进行选型。

2.3 焚烧炉处理能力

以日处理1 200 t生活垃圾、设计点热值6 800 kJ/kg为例，根据《城市生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准》的规定和国内外城市生活垃圾焚烧发电厂建设的经验，对于II类处理规模的垃圾焚烧发电厂，焚烧生产线数量应为2～4条。现拟定2种最符合实际的焚烧线配置方式见表2。

表2 焚烧炉数量配置比较表

本文推荐选用2台600 t/d的炉排焚烧炉，每条线处理能力为600 t/d，单条线年运行时间8 000 h，其热负荷变化范围为60%～110%。因为：

(1) 国内设备制造企业逐步增加了对600 t/d及以上焚烧炉的研发投入，使该类型焚烧炉的技术日趋成熟。

(2) 技术上，600 t/d的焚烧炉锅炉热效率更高，对于燃烧控制更灵敏，燃烧稳定性更好，有利于后期燃烧的自动化操作。600 t/d炉排的热容量基数较大，可以应对由于垃圾热值的变化、燃烧调整等因素，导致垃圾焚烧炉的负荷波动。

(3) 经济上，在总处理规模确定、技术可行的情况下，全厂采用的焚烧线数量越少，单台焚烧炉规模越大，投资也就越少。因此，采用大规模的焚烧炉能够有效地减少单位投资成本和一次性投资；从土建方面考虑，2台焚烧炉配置能够有效减少占地面积和土建投资费用；焚烧线数量越少，则维修、操作、管理更为方便。

2.4 焚烧炉

垃圾热值的设计点往往远大于实际处理的垃圾热值，大部分发电企业选择了超负荷能力强的炉排式焚烧炉。

2.4.1 翻动+滑动式往复式机械炉排

焚烧炉排由5个单元组成，在焚烧炉内形成干燥区、燃烧区和燃尽区，每个单元的焚烧炉排由固定炉排、滑动炉排和翻动炉排组成，其独特的翻动炉排设计，使炉排不仅具有通常的往复运动功能，而且还具有翻动功能(图1)，加强了对垃圾的搅动、松动、通风作用，适应我国垃圾的低热值、高水分的垃圾焚烧特点。

图1 翻动+滑动式往复式机械炉排结构图

每个单元焚烧炉排组都有各自的液压调节机构，滑动炉排推动垃圾向前运动，并决定了垃圾层厚度及停留时间，摆动炉排则起到搅动垃圾层的作用。每组炉排的速度和频率可单独控制，提高了焚烧炉对热值波动范围很大的生活垃圾的适应性。对每个单元的炉排组的单独控制，使垃圾在焚烧炉排上完成干燥、加热、分解、燃烧、燃尽的每个反应过程能得到较好地控制。

此炉排的控制系统以及液压系统相对其他炉排复杂得多，相对燃烧调整来说运行人员调节、控制燃烧的调整手段要多，但成本造价和维护费用高。

2.4.2 倾斜多级往复式炉排

倾斜多级往复式垃圾焚烧装置，其炉排长度较长，整个炉排的面积比同等规模的其他种类炉排要大；适合焚烧处理我国城市低热值、高水分生活垃圾，具有适应热值范围广、负荷调节能力大、可操纵性好和自动化程度高等特点。

倾斜多级往复式垃圾焚烧装置分为干燥、加热、分解、燃烧和燃尽五个区域，沿长度方向，炉排分为若干段，段与段之间设置一定的落差(图2)。其主要流程为：抓斗将垃圾送入落料槽，在给料推杆的推送下进入炉膛落在倾斜的多级往复式炉排上，垃圾在床面上翻滚、搅拌，完成干燥、加热、分解、燃烧和燃尽过程。由于垃圾热值、垃圾成分繁杂等因素，在燃烧过程中料层必须要有足够厚度，炉排落差的预期效果在四线城市使用效果稍差。

图2 倾斜多级往复式炉排结构图

2.4.3 日立造船炉排

炉排分活动列和固定列，通过活动列的动作，炉排反复进行前进和后退动作。通过炉排运动和炉排之间的落差，对垃圾进行松散和搅动，使垃圾充分燃烧，保证热灼减率；为了增加可调节的手段，搅动垃圾，降低热灼减量，在燃烧炉排上设置剪切刀装置(图3)。

图3 日立造船炉排结构图

在国内的使用情况来看，此炉排在一、二线城市使用效果很好，但在四线城市，由于建筑垃圾相对较多，运行中剪切刀存在磨损相对严重、卡涩、故障率较高的情况；剪切刀的剪切半径(350 mm)相对于垃圾焚烧料层(控制在600～800 mm)，只能在料层下部运动，碰到垃圾起包、料层厚的情况时作用较小，使用效果较差，垃圾热灼减率偏高。

2.4.4 三驱动逆推式炉排炉

三驱动逆推式炉排采用了自行开发的驱动机构，对应干燥区、燃烧区和燃尽区有三组独立驱动装置(称之为“三驱动”)，可根据垃圾焚烧过程中各区垃圾移送的实际需要进行单独调整、控制炉排片的移动速度，互不干扰，使炉排面积的有效利用率得到提高，从而提高了炉排焚烧处理垃圾的能力，并通过适当延长炉渣在燃尽区的停留时间降低热灼减率(图4)。

图4 三驱动逆推式炉排炉示意图

三驱动逆推式炉排各功能区以及二次风均采用变频调速独立送风的配风方式，各区的风量和风温都可以根据垃圾燃烧的状况进行调整和控制，合理的配风是垃圾完全充分燃烧的保证。

各种类型炉排都很成熟，在炉排选型的时候要考虑地域、气候等方面差异。

2.5 吹灰器

垃圾焚烧炉的吹灰设计要区别于传统煤粉炉，主要原因在于垃圾成分复杂、腐蚀性、粘结性强。如果吹灰不理想，容易造成受热面积灰和结焦，从而导致排烟温度升高，排烟损失增加，缩短机组运行周期。机械振打清灰装置以进口设备为主，用压缩空气带动锤头，敲击振打锤，从而振动受热面集箱，进而振落受热面上的积灰，辅助清灰效果良好，但是要求的安装精度较高。激波吹灰以正面冲击为主，作用范围较小，需布置较多数量的吹灰器，适用于松散型积灰和粘结性积灰。蒸汽吹灰器吹灰效果显著，但是汽源来自新蒸汽，运行成本高，经测算，锅炉蒸汽吹灰每天的耗汽量约占产汽量的1%。布置单一一种形式的吹灰方式效果往往欠佳，很多在建项目采用以下一些组合清灰方式：机械振打+激波吹灰、蒸汽吹灰+激波吹灰、蒸汽吹灰+机械振打。

2.6 空气预热器

以往在额定工况下设计一次风温在180～220 ℃。由于垃圾焚烧时热力学参数波动幅度较大，负荷波动范围也很大，容易形成负荷下降导致的风温下降，由此引起垃圾干燥不充分、垃圾燃不尽、大渣热灼减率高等恶性循环；垃圾水分含量较大、冬季垃圾发酵不是很理想。传统设计风温自动调节装置往往在现场是很难实现的，因为调门全开风温只能达到200 ℃多一点，可调节空间很小。综上所述，建议一次风温设计在200～250 ℃。

2.7 一次风机

不同形式的焚烧炉排所配置的一次风机数量不相同，有1台风机母管制配风，3台一次风机(干燥、燃烧、燃尽)以及5台或10台小一次风机单元单段送风的形式。从运行情况来看，各有优缺点，使用多台风机对整个燃烧风量的控制、风力的穿透、压头控制上要高于单台母管的控制效果(母管制靠调节风门来控制)；从故障影响来考量，单台小风机故障对整个锅炉燃烧的影响很小，有充足的时间来消除故障，而单台母管制风机一旦故障，只有压火处理，所以从调节控制手段、燃烧稳定性来说，可以考虑多台小风机，但成本高。

2.8 烟气再循环技术

该技术将系统尾部的部分烟气(250～350 ℃)抽出，通过循环风机送入炉内，这样做的优点是有效控制炉膛温度，降低了区域氧气浓度，有效抑制NOx的生成。由于该系统的有效性，在MCR工况下，不需要进一步喷入尿素溶液(氨水)，NOx排放量也能满足小时均值250 mg/m3和日均值200 mg/m3的水平。

烟气再循环系统可减少SNCR装置投用时间和还原剂的使用量，甚至取消SNCR装置，减少运营成本和维修成本，同时消除SNCR装置投运对烟气温度的影响(特别低热值垃圾地区，机组低负荷运行时SNCR装置无法投用，导致NOx排放超标)。

3 结语

针对燃用热值低、灰分大、总处理量少的垃圾，在设计阶段针对性地进行方案优化，综合考虑长期稳定运行、投资回报率等因素，做到两项兼顾。只有这样，垃圾焚烧发电行业才能取得长远的发展。

[1] 白良成. 生活垃圾焚烧处理工程技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2009.

[2]五洲工程设计研究院. CJJ 90—2009 生活垃圾焚烧处理工程技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2009.

Design and Type Selection of Low Calorific Value Waste Incineration Power Units

Wang Yungang1,Yu Fei2

(1. Anhui Wenergy Environmental Protection Power Co.,Ltd.,Hefei 230051,China; 2. Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

To solve the combustion problem occurring in a specific example of low calorific value waste incineration power unit,an analysis was conducted according to the differences in storage and transportation of low calorific value wastes collected in different regions and seasons,after which matters needing attention were proposed for the process design and equipment selection of main systems for waste incineration power units to be constructed in fourth-tier cities and small towns.

low calorific value waste incineration; process design; equipment selection

2016-06-23；

2016-09-26

王云刚(1979—)，男，助理工程师，从事垃圾焚烧、生物质焚烧发电工作。

E-mail: 8285405@qq.com

X705

A

1671-086X(2017)04-0250-04