国内外城市垃圾流化床焚烧技术的特点及分析
摘要：城市垃圾产生的环境污染及其妥善治理是我国面临的亟待解决的问题之一。流化床焚烧技术被认为是一种综合性能优越的城市垃圾焚烧方式，尤其适合我国垃圾热值低的国情。在过去20年中，流化床焚烧技术（fluidizedbedincineration，FBI）逐渐在日本、北美、欧洲（特别是在斯堪的纳维亚国家）等一些发达国家和地区得到应用。截止1995年，全世界已有16千台流化床焚烧炉建成投产，其中有151台在日本，运行的规模在不断扩大，单台焚烧炉垃圾处理能力增加到25t/h。流化床主要形式为鼓泡流化床（BFB，bubblingfluidizedbed），循环流化床（CFB，circulatingfluidizedbed）和内旋流流化床（ICFB，innercirculatingfluidizedbed）等。
关键词：美国，欧洲，日本，国内，城市垃圾，流化床，焚烧技术
城市垃圾产生的环境污染及其妥善治理是我国面临的亟待解决的问题之一。流化床焚烧技术被认为是一种综合性能优越的城市垃圾焚烧方式，尤其适合我国垃圾热值低的国情。在过去20年中，流化床焚烧技术（fluidizedbedincineration，FBI）逐渐在日本、北美、欧洲（特别是在斯堪的纳维亚国家）等一些发达国家和地区得到应用。截止1995年，全世界已有16千台流化床焚烧炉建成投产，其中有151台在日本，运行的规模在不断扩大，单台焚烧炉垃圾处理能力增加到25t/h。流化床主要形式为鼓泡流化床（BFB，bubblingfluidizedbed），循环流化床（CFB，circulatingfluidizedbed）和内旋流流化床（ICFB，innercirculatingfluidizedbed）等。
目前，日本一般采用鼓泡流化床焚烧技术，单机焚烧能力一般小于4t/h，而美国则倾向于建造大型循环流化床焚烧炉，单机处理能力在10-25t/h。我国60年代即开展了燃煤流化床技术的研发与应用，80年代起陆续有一些科研单位进行了流化床垃圾焚烧技术的研究。浙江大学的技术于1998年成功应用于150t/d城市生活垃圾焚烧中，中科院工程热物理所的技术则应用于一台100t/d处理陈腐垃圾焚烧炉。综合分析国内流化床技术的开发及应用可见，这些技术还停留在中小容量的基础上，尚未推广，有待进一步提高。由于流化床技术具有发展前景，一些研究者已着手开展大型化、产业化的工作，如浙江大学已开始进行日处理垃圾300t量级的流化床焚烧炉的开发。同时，国家有关部门对流化床技术给予了相当的关注，并配套一些经费，鼓励发展这些技术。
引言
城市垃圾产生的环境污染及其妥善治理是我国面临的亟待解决的问题之一。从可持续发展战略角度看，垃圾处理的目标应该是实现无害化、资源化和减量化，特别是城市生活垃圾已被认为是一种可提供能源的资源。目前比较普遍的观点认为，焚烧法处理垃圾是实现减量化最快捷和最有效的技术方法。流化床具有燃烧效率高、负荷调节范围宽、污染物排放低、炉内燃烧强度高、适合燃用低热值燃料等优点，因此被认为是一种综合性能优越的焚烧方式，尤其适合我国垃圾热值低的国情。
在过去20年中，流化床焚烧技术（fluidizedbedincineration，FBI）逐渐在日本、北美、欧洲（特别是在斯堪的纳维亚国家）等一些发达国家和地区得到应用。截止1995年，全世界己有164台流化床焚烧炉建成投产，其中有151台在日本，运行的规模在不断扩大，单台焚烧炉垃圾处理能力增加到25t／h。流化床主要形式为鼓泡流化床（BFB，bubblingfluidizedbed）、循环流化（CFB，circulatingfluidizedbed）和内旋流流化床（ICFB，innercirculatingfluidizedbed）等。鼓泡流化床和循环流化床焚烧炉的主要区别在于：鼓泡流化床倾向于小规模，循环流化床则倾向于废料与煤混烧的大规模。这些技术在处理城市生活垃圾时，有利用复杂预处理系统预处理垃圾再焚烧［如制成废物衍生燃料（RDF，refusederivedfuel）]，也有直接燃用原生垃圾。目前，日本一般采用鼓泡流化床焚烧技术，单机焚烧能力一般小于4t／h，而美国则倾向于建造大型循环流化床焚烧炉，单机处理能力在10-25t／h之间。
我国60年代即开展了燃煤流化床技术的研发与应用，80年代起陆续有一些科研单位如浙江大学、中国科学院工程热物理所、中国科学院力学研究所等进行了流化床垃圾焚烧技术的研究。浙江大学的技术于1998年成功应用于150t/d城市生活垃圾焚烧炉中，中国科学院工程热物理所的技术则应用于一台100t/d处理陈腐垃圾焚烧炉。
1国外发达国家流化床焚烧技术的综述分析
1.1美国的流化床焚烧技术及其应用
美国的垃圾处理以填埋为主，但目前已有约25%的垃圾是通过焚烧技术来处理的。在流化床技术应用的初期，主要是引进一些欧洲的先进鼓泡流化床焚烧技术，如位于北卡罗来纳州的Fayetteville废料回收垃圾发电厂，其鼓泡流化床焚烧炉便是由英国KraernerEnviroPowerAB公司制造的，焚烧炉热功率为60MWt，100%焚烧城市固体废弃物（MSW），发电18MWe，用来供热和发电。该技术的应用特点主要体现在它采用了由温度来控制NOx的排放，炉膛内加石灰石来控制SO2，在烟道中喷ca（OH）2来脱除HCl，尾部采用活性炭吸附装置控制重金属和痕量有毒有机污染物［如二恶英（dioxins）及多环芳烃类物质（PAHs）］的排放。随着流化床焚烧技术的发展，至1995年，美国已有3座鼓泡流化床焚烧设施混烧RDF与其它燃料。
循环流化床技术与鼓泡流化床技术相比，具有高效、低污染等优点。美国一些大公司，如FW公司（FosterWheelerPowerCorporation）和B&W公司（Babcock＆WilcoxPowerCorporation）逐渐发展循环流化床焚烧技术。FW公司应用CFB焚烧技术在伊利诺斯州Robbins村建成了一座废物综合焚烧处理厂，该厂于1997年1月建成并投入运行，处理能力为1000tMSW/d，这是美国首次应用CFB技术燃用RDF。该厂拥有两套RDF生产线和两套RDF循环流化床燃烧系统、两套现代化空气污染控制系统和一台汽轮机，发电功率为55MW，年处理能力为50万t。单台CFB焚烧炉参数如下：处理量为600tRDF／d，蒸汽流量为28.86kg/s，过热蒸汽温度为443℃，压力为6.2MPa。该焚烧炉的特点为采用带导向风嘴的水冷布风板和床料冷却器来使床料返回炉内。燃烧效率＞99%，锅炉的效率＞81%。床温控制在829-913℃，SO2及HCl采用尾部干法脱除。
1.2欧洲流化床焚烧技术及其应用
在欧洲，流化床技术的代表是由英国KraernerEnviroPowerAB公司开发成功的焚烧技术。该公司设计的第一台鼓泡流化床MSW焚烧炉1979年在瑞典建成，1984年建成第一台循环流化床MSW焚烧炉。截止1995年，该公司已推出13台流化床MSW焚烧炉。
KraernerEnviroPowerAB公司推出第一及第三代鼓泡流化床焚烧炉。第三代焚烧炉采用脉动空气给料喷射口，保证燃料在床内均匀分布。运用导向风帽和炉膛底部合理的几何结构使得排灰和排出不可燃物极为方便。灰渣空气分选机构使得床料返回炉膛，并将灰渣潜热带回炉膛内。在炉膛的双拱结构上布置对称二次风系统，保证悬浮段空气均衡稳定，湍流度大，有利于完全燃烧。同时在炉膛燃烧区域与炉膛顶部设置三次风，使得顶部气流呈塞状流型。尾气处理系统方面，利用炉膛底部区域保持的氧化性气氛和均匀的烟气组分，不仅可以使燃烧更完全，而且可以避免水冷壁遭受腐蚀。
为进一步增大床内流动湍流度，降低NOx排放，第三代焚烧炉采用了烟气再循环进入床内和双拱结构内。在炉膛尾部设置辐射冷却烟道，在烟气进入尾部对流受热面之前设置一辐射冷却烟道，可以避免过热器腐蚀、局部高温和结垢，确保烟气处于一定氧化性气氛下，使其组分均匀。
1.3日本流化床焚烧技术及其应用
日本在垃圾流化床焚烧技术方面处于世界领先水平，其半数以上垃圾废料都用流化床焚烧法处理。1991年，日本有113座城市垃圾流化床焚烧炉，到1995年增至131座。日本有多家垃圾流化床焚烧炉制造厂商，其中主要的有：石川岛播、三井造船、栗本、荏原制作所、日本制钢、神户制钢公司等。
2国内流化床焚烧技术及其特点
国内流化床燃烧技术的开发应用早在60年代即开始，但主要集中在燃煤领域。正式开始进行垃圾流化床焚烧处理方面的研究始于80年代。由于我国城市生活垃圾具有组分复杂、高水分、低热值（国内原生城市生活垃圾热值目前在1000kcal/kg左右，而国外发达国家为2000-3000kca1/kg）等特点，垃圾的流动混合、焚烧特性和二次污染特性相当复杂，国外的一些成熟流化床技术并不很适合处理我国城市垃圾。因此，有必要开发应用适合我国国情的垃圾焚烧流化床技术，但我国城市垃圾的上述特点给技术的开发应用带来相当的难度。
浙江大学自80年代以来致力于开发适合国情的城市生活垃圾焚烧技术，并通过相关技术如垃圾预处理、烟气处理、渣分选回收、床下点火启动、焚烧炉热工自动控制等的综合集成，形成了系统化的城市生活垃圾内循环流化床焚烧新技术。这一技术的特点主要体现在：①异重度流化床的稳定燃烧。对于焚烧垃圾，浙江大学热能工程研究所开发出的异重度流化床是采用由重度差异较大的不同颗粒（在石英砂与垃圾）组成流化床系统，可以防止大块垃圾在床内的沉积和轻粒度垃圾成分的偏浮，从而保证稳定燃烧。②在流化布风结构上采用倾斜布风结合定风风帽构成物料床内循环。通过布风装置及燃烧设备的专门设计，可保证经简易破碎的原生垃圾在炉内充分焚烧。③为达到高效清洁焚烧的目的，采用了分段燃烧方式及二次风切圆布置方式，使炉内燃烧空气充分混合，改善燃烧状况，降低CO排放浓度及控制NOx的排放；并且采用了国际上通行的二恶英抑制方法，以有效地抑制二恶英的产生，即炉内温度均匀保持在850-950℃范围内；高温段烟气停留时间大于3s；燃烧室内充分混合；加强受热面吹灰。为控制尾部烟气中SO2、HCl、HF、Cl2及重金属的排放，采用了浙江大学开发的湿法烟气洗涤装置，对尾气进行洗涤处理。
1997年，浙江大学应用这一流化床焚烧新技术将杭州锦江集团余杭热电厂一台35t/h链条炉改造为城市垃圾流化床焚烧炉。燃用杭州部分地区的城市生活垃圾，改造后每台焚烧炉日处理垃圾150t。改造工程于1998年8月中旬完成，目前已累计运行1年多，平均每小时焚烧垃圾6.98t，达到和超过了设计要求（按设计每天处理150t，即每小时焚烧6.25t垃圾），最大垃圾焚烧量可超过11t／h（相应于超过每天焚烧处理垃圾250t）。每吨垃圾处理成本约为25元。
据中国科学院工程热物理研究所方建华等人介绍，中国科学院工程热物理所研发的100t/d循环流化床垃圾焚烧炉焚烧系统，其主要技术指标为日处理城市生活垃圾80-100t/d。在焚烧热值大于4000kJ/kg、含水量低于50%垃圾时，运行不需辅助燃料，烟尘和有害气体符合国家环保规定。
该技术特点体现在垃圾入炉前只需对特大块不可燃物（如混凝土块）进行简单分拣，其余垃圾均可入炉燃烧。据作者介绍，目前焚烧炉尚未具备连续长时间运行条件，该炉于1997年6月投入试运行。
中国科学院力学所盛宏至等人对非均质燃料扩散与偏析特性、传热特性进行了冷热态试验研究，开发出了高水分、低热值燃料的内旋流流化床燃烧技术，并基于研究结果进行了10t／d热态试验炉的方案设计。其特点体现在采用偏斜布风方式，实现内部旋流流化，以达到提高焚烧效率及降低污染的目的。但该技术尚未进行商业化运行。
综合分析国内流化床技术的开发及应用可见，这些技术还停留在中小容量的基础上，尚未推广（有些技术尚未进入应用阶段），有待进一步提高。由于流化床技术具有发展的前景，一些研究者已着手开展大型化、产业化的工作，如浙江大学己开始进行日处理垃圾300t量级的流化床焚烧炉的开发。同时，国家有关部门对流化床技术给予了相当的关注，并配套一些经费，鼓励发展这些技术。
3结语
综观国内外流化床垃圾焚烧技术的发展及应用，国外流化床焚烧技术已实现商业化、大型化，并且有较好的发展前景。我国城市垃圾焚烧处理则刚刚起步，但已有一些研究者开发出适合我国国情的流化床焚烧技术，并成功应用于城市生活垃圾的处理。
不过，对于国内研发应用者来说，尚需做许多工作：
①考虑到目前国内城市垃圾组成复杂和热值偏低，国内开发垃圾处理利用新技术时应针对国情，不要盲目引进一些初投资及运行成本昂贵且不适合国情的技术和设备。另外，由于我国目前的技术开发能力大多集中在高等院校和研究院所，为使技术尽快转化为生产力，产学研相结合应是一座很好的桥梁。
②城市垃圾处理利用事关长远，事关全民，因此国家在制订政策时应予以充分重视。我国现行的垃圾处理利用总体上仍是计划经济时代的产物，属于公用事业。目前可探索由企业来参与和承担垃圾处理利用，国家在税收、信贷、财政补贴政策等方面予以政策支持。
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