文_高波 楊開(kāi)宇 張磊

1 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 2 中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司

生活垃圾焚燒系統(tǒng)主體工藝包括垃圾接收儲(chǔ)存及輸送系統(tǒng)、垃圾焚燒系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)等。其中，焚燒爐、余熱鍋爐、煙氣凈化系統(tǒng)是保證焚燒線連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行最為核心的三部分。

焚燒爐是垃圾焚燒處理工藝中的核心設(shè)備，其對(duì)垃圾處理的整體工藝路線、焚燒效果、工程造價(jià)、運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)效益等起著至關(guān)重要的作用，是實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒無(wú)害化處理的關(guān)鍵。我國(guó)垃圾焚燒行業(yè)近20年的發(fā)展已證明機(jī)械爐排爐為比較成熟的技術(shù)，運(yùn)行可靠度較高，燃燼度好，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額約為80%。

“SNCR脫硝+旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫酸+干法噴射+活性炭吸附+袋式除塵”的組合工藝是目前國(guó)內(nèi)垃圾焚燒煙氣凈化最典型、最常用且成熟的工藝技術(shù)，其中旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫酸工藝被評(píng)為國(guó)家重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)實(shí)用技術(shù)。

本文以重慶市某生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例，介紹該工程中焚燒鍋爐和煙氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型過(guò)程，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行分析，以期為同行業(yè)設(shè)計(jì)者提供參考。該項(xiàng)目建設(shè)總規(guī)模1500t/d，配置3×500t/d垃圾焚燒處理生產(chǎn)線。其中一期設(shè)計(jì)建設(shè)規(guī)模為1000t/d，預(yù)留二期規(guī)模為500t/d的焚燒線位置。焚燒采用往復(fù)式機(jī)械爐排工藝，余熱鍋爐選用中溫中壓鍋爐系統(tǒng)，配備1臺(tái)18MW汽輪發(fā)電機(jī)組（一期建設(shè)）和1臺(tái)12MW汽輪發(fā)電機(jī)組（預(yù)留場(chǎng)地）。

2 垃圾焚燒設(shè)計(jì)熱值的確定

合理確定垃圾熱值最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)是焚燒鍋爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。余熱鍋爐受熱面的布置按一定的燃燒強(qiáng)度考慮，留有裕度，但如果垃圾熱值上下偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)過(guò)大，則會(huì)要求焚燒爐適應(yīng)過(guò)寬的處理范圍，從而對(duì)垃圾處理廠的正常運(yùn)行及運(yùn)行成本造成較大的影響。

重慶市市政環(huán)衛(wèi)監(jiān)測(cè)中心在2013年對(duì)重慶市城鎮(zhèn)生活垃圾組成成分進(jìn)行了檢測(cè)，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)之時(shí)以此作為基礎(chǔ)資料，垃圾組成成分見(jiàn)表1。

表1 重慶市城鎮(zhèn)生活垃圾組分表

根據(jù)表1檢測(cè)結(jié)果及抽樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，原生垃圾濕基低位熱值為4466kJ/kg，考慮到垃圾經(jīng)儲(chǔ)存脫除滲濾液后，熱值將增加約9%～12%，結(jié)合重慶當(dāng)?shù)匾淹哆\(yùn)項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)情況，該項(xiàng)目入爐垃圾熱值擬取5360kJ/kg。此外，設(shè)計(jì)熱值的確定還需考慮運(yùn)行期間不同季節(jié)和不同年份垃圾特性的差異。重慶市垃圾熱值隨季節(jié)波動(dòng)情況為夏季最低，冬季最高，相差350～700kcal/kg。同時(shí)，隨著城市生活水平的提高，垃圾可燃成份逐年增高，垃圾熱值增長(zhǎng)率為1.5%～2.5%，但增長(zhǎng)率隨年份增加呈遞減趨勢(shì)并逐漸趨于穩(wěn)定水平。該項(xiàng)目特許經(jīng)營(yíng)期為27a（含建設(shè)期2a），取運(yùn)行期中間年的垃圾特性作為焚燒廠處理的設(shè)計(jì)點(diǎn)（MCR）是較為合理的。因此，按當(dāng)時(shí)入爐垃圾熱值不低于MCR點(diǎn)熱值80%并取整，確定垃圾焚燒爐的設(shè)計(jì)低位熱值為6700 kJ/kg（1600kcal/kg），垃圾熱值適用范圍為：最低4190kJ/kg(1000kcal/kg)，最高為8390kJ/kg（2000kcal/kg）。由此繪制燃燒特性圖如圖1所示。

圖 1 燃燒特性圖

由圖1可知焚燒爐熱值適應(yīng)范圍為4190～8390kJ/kg；熱負(fù)荷適應(yīng)范圍為60%～110%，機(jī)械負(fù)荷適應(yīng)范圍為60%～110%。圖1中，LP1-LP2-LP3-LP4-LP5-LP6-LP1所圍成的區(qū)域是無(wú)助燃條件下連續(xù)穩(wěn)定燃燒區(qū)域；LP3-LP2-LP2'-LP3"-LP3'-LP3所圍成的區(qū)域是需要添加輔助燃料的區(qū)域；LP1-LP1"-LP2″-LP2-LP1所圍成的區(qū)域是機(jī)械超負(fù)荷區(qū)域，垃圾焚燒爐可以連續(xù)超10%的機(jī)械負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行；LP1-LP6-LP6'-LP1'-LP1"-LP1所圍成的區(qū)域是超熱負(fù)荷區(qū)域，不能連續(xù)運(yùn)行，垃圾焚燒爐只能臨時(shí)超10%熱負(fù)荷運(yùn)行。

2 焚燒鍋爐的設(shè)計(jì)選型

2.1 焚燒爐

項(xiàng)目選用SITY2000型逆推往復(fù)式機(jī)械爐排爐。垃圾由起重機(jī)送至給料斗，經(jīng)給料溜槽和給料器，被推到機(jī)械爐排上進(jìn)行干燥、燃燒、燃燼及冷卻。爐排面下部設(shè)計(jì)一次風(fēng)室供應(yīng)垃圾燃燒所需的空氣并對(duì)爐排片進(jìn)行冷卻；爐膛設(shè)計(jì)前后拱，以加強(qiáng)對(duì)爐排上垃圾的熱輻射，二次風(fēng)通過(guò)爐膛前后拱的噴嘴射入爐內(nèi)，加強(qiáng)煙氣的擾動(dòng)，延長(zhǎng)煙氣的燃燒行程。焚燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行余熱利用，垃圾燃燒后的爐渣經(jīng)除渣機(jī)收集；焚燒爐上部預(yù)留滲濾液回噴口。

SITY2000型逆推式機(jī)械爐排向下與水平面成24°傾角，爐排面由一排固定爐排和一排活動(dòng)爐排交替安裝而成，爐排運(yùn)動(dòng)方向與垃圾運(yùn)動(dòng)方向相反，其運(yùn)動(dòng)速度可以任意調(diào)節(jié)，以便根據(jù)垃圾性質(zhì)及燃燒工況調(diào)整垃圾在爐排上的停留時(shí)間?；顒?dòng)爐排和固定爐排與側(cè)墻之間設(shè)計(jì)合理的膨脹間隙，保證運(yùn)行期間爐排不會(huì)與側(cè)墻摩擦?；顒?dòng)爐排由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，并由DCS進(jìn)行集中控制，運(yùn)動(dòng)周期可根據(jù)垃圾的燃燒狀況進(jìn)行調(diào)整，爐排的運(yùn)行穩(wěn)定可靠。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

項(xiàng)目選用的爐排主要技術(shù)參數(shù)為爐排列數(shù)4列/爐；爐排行數(shù)19行/爐；爐排尺寸9.162m×10.60m；爐排面積97.12m2；爐排機(jī)械負(fù)荷214.5kg/（m2·h）；爐排片材質(zhì)合金耐火鑄件。焚燒爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 焚燒爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 余熱鍋爐

選用不同的鍋爐布置方式對(duì)鍋爐的燃燒效率、投資成本等均有較大影響。通常情況下，對(duì)于垃圾日處理量小于500t/d的焚燒爐，推薦采用立式余熱鍋爐；對(duì)于垃圾日處理量為500t/d及以上的大型焚燒爐，推薦采用臥式余熱鍋爐。但項(xiàng)目所處重慶，廠區(qū)占地面積相對(duì)有限，綜合考慮全廠布置及節(jié)約廠房土建成本方面考慮，本項(xiàng)目采用了立式鍋爐。

鍋爐采用自然循環(huán)水管鍋爐、立式結(jié)構(gòu)、頂部懸吊。由三個(gè)垂直膜式水冷壁通道和一個(gè)垂直鋼煙道組成，在第二通道布置有三片屏式蒸發(fā)受熱面，第三通道從下至上依次布置了第一級(jí)蒸發(fā)器、高溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器以及第二級(jí)蒸發(fā)器，第四通道布置了四級(jí)省煤器。此外，第一通道水冷壁內(nèi)表面敷設(shè)耐火隔熱材料，第二、三通道下鋼灰斗內(nèi)部敷設(shè)隔熱材料。

余熱鍋爐與焚燒爐配套組成焚燒鍋爐，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 焚燒鍋爐示意圖

余熱鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 余熱鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 煙氣凈化系統(tǒng)

項(xiàng)目煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014），采用了國(guó)內(nèi)最典型的成熟可靠、效率高且經(jīng)濟(jì)性好的“SNCR+半干法（高速旋轉(zhuǎn)霧化反應(yīng)器）+干法(石灰粉)+活性炭吸附+袋式除塵器”組合工藝，處理對(duì)象為垃圾焚燒所產(chǎn)生的煙氣中的氮氧化物、酸性物質(zhì)、粉塵、二噁英和重金屬。煙氣凈化系統(tǒng)工藝流程如圖4所示。

圖4 煙氣凈化系統(tǒng)工藝流程示意圖

采用SNCR系統(tǒng)將尿素溶液噴入余熱鍋爐第一煙道內(nèi)以控制氮氧化物的排放，鍋爐出口煙氣溫度約為210℃，自頂部進(jìn)入噴霧脫酸塔，通過(guò)噴霧脫酸塔頂部入口處的導(dǎo)流葉片，煙氣在噴霧脫酸塔內(nèi)旋轉(zhuǎn)紊流流動(dòng)，與通過(guò)旋轉(zhuǎn)霧化器噴入的石灰漿液進(jìn)行脫酸反應(yīng)，噴霧脫酸塔出口煙氣溫度值設(shè)定為150℃。被脫去了酸性物質(zhì)仍含有大量粉塵的煙氣從噴霧脫酸塔出來(lái)，通過(guò)煙道導(dǎo)入布袋除塵器，在煙氣進(jìn)入布袋除塵器入口前的煙道中噴入活性炭以吸附二噁英、重金屬等物質(zhì)，同時(shí)也噴入石灰粉進(jìn)一步吸收煙氣中的酸性氣體，以確保污染物的排放達(dá)標(biāo)。在布袋除塵器中當(dāng)煙氣通過(guò)由顆粒物形成的濾層時(shí)，殘存的二噁英、重金屬及酸性氣體仍能與濾層中未反應(yīng)的石灰粉末、活性炭粉末發(fā)生反應(yīng)而得到進(jìn)一步凈化。最終煙氣通過(guò)布袋除塵器后被引風(fēng)機(jī)吸入通過(guò)煙囪排放。

每條焚燒線設(shè)計(jì)1套獨(dú)立完整的煙氣凈化處理系統(tǒng)，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4，并裝設(shè)煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)行互不影響；煙氣處理系統(tǒng)設(shè)備均可在中央控制室自動(dòng)操作控制，任何煙氣監(jiān)測(cè)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至中央控制室，并可在中央控制室顯示所有重要數(shù)據(jù)。

表4 煙氣凈化系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4 實(shí)際運(yùn)行狀況分析

4.1 焚燒鍋爐運(yùn)行狀況

項(xiàng)目一期工程配置為兩爐一機(jī)，已于2018年1月順利投產(chǎn)，截取2019年1～12月份進(jìn)廠垃圾、入爐垃圾的熱值和含水率及爐渣熱灼減率的檢測(cè)值，對(duì)應(yīng)各月入爐噸垃圾發(fā)電量指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，其中垃圾發(fā)酵時(shí)間為7～10d。

表5 焚燒鍋爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ90-2009），垃圾池有效容積宜按5～7d額定垃圾焚燒量確定。有文獻(xiàn)介紹，南方某省會(huì)城市的垃圾成分較好，平均氣溫高于北方城市，垃圾發(fā)酵3d左右即可滿足穩(wěn)定燃燒。事實(shí)上，這種情況較少，大部分工程中垃圾池的池容在7d左右，具備條件的甚至設(shè)計(jì)為10d以上。如表5數(shù)據(jù)所示，7～10d的發(fā)酵時(shí)間可使垃圾的低位熱值顯著提高，全年平均滲濾液析出率為17.7%，入爐垃圾相比入廠垃圾含水率平均降低約10%，熱值提高約20%，能夠很好地滿足入爐要求。此外，夏季垃圾的含水率相對(duì)較高，而春秋季垃圾的發(fā)酵效率最高，當(dāng)冬季氣溫較低時(shí)，可采用鼓入熱風(fēng)的方式輔助發(fā)酵。

入爐垃圾低位熱值能夠保證在焚燒爐熱值適應(yīng)范圍內(nèi)，爐渣熱灼減率＜3%，爐機(jī)運(yùn)行至今，性能狀況良好。

4.2 煙氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果

項(xiàng)目設(shè)置了煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各主要煙氣排放污染物，并委托有資質(zhì)的第三方對(duì)煙氣中主要污染物、重金屬類污染物和二噁英進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采樣實(shí)測(cè)，其中二噁英類監(jiān)測(cè)方法按《環(huán)境空氣和廢氣 二噁英類的測(cè)定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》（HJ77.2-2008）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行；其它污染物現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)周期及頻次按檢測(cè)1d，每天3次進(jìn)行，表6為2019年8月1日～7日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)標(biāo)對(duì)比情況。

由表6可見(jiàn)，項(xiàng)目焚燒和煙氣凈化系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下，煙氣排放完全滿足甚至優(yōu)于國(guó)標(biāo)限值，也印證了項(xiàng)目焚燒鍋爐和煙氣凈化系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)的合理性。

表6 煙氣排放實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語(yǔ)

垃圾熱值設(shè)計(jì)點(diǎn)的確定是焚燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。若設(shè)計(jì)點(diǎn)定得過(guò)低，則當(dāng)實(shí)際垃圾熱值較高時(shí)造成焚燒爐熱負(fù)荷過(guò)大和垃圾處理量下降，以致達(dá)不到處理量的要求。反之，若設(shè)計(jì)點(diǎn)定得過(guò)高，當(dāng)實(shí)際垃圾熱值較低時(shí)，設(shè)備長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行，甚至無(wú)法正常運(yùn)行。因此，必須根據(jù)處理垃圾的實(shí)際熱值及波動(dòng)趨勢(shì)，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)，以使焚燒廠從常年平均概率上處于較好的運(yùn)行工況及較低的運(yùn)行成本。

垃圾池容越大，一方面有利于垃圾發(fā)酵，另一方面有利于垃圾抓斗的攪拌翻動(dòng)操作的便利性，但同時(shí)也增加了投資成本，并且垃圾發(fā)酵到達(dá)一定程度后，即使儲(chǔ)存更久時(shí)間對(duì)熱值的提高作用也有限。綜合來(lái)講，垃圾池的池容設(shè)計(jì)為7d左右比較合適。

SITY2000型逆推往復(fù)式機(jī)械爐排爐和立式余熱鍋爐的組合方式運(yùn)行穩(wěn)定可靠，熱負(fù)荷適應(yīng)范圍廣；“SNCR+旋轉(zhuǎn)噴霧半干法+干法+活性炭吸附+袋式除塵”的煙氣凈化工藝能有效保證煙氣達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。