小规模危险废物焚烧烟气余热利用的探讨
摘要：针对小规模危险废物焚烧系统产生的烟气特点，提出余热利用可供选择的方案及需注意的问题。
1、引言
长期以来，由于我国对危险废物处置重视不够，集中处置设施建设严重滞后，大部分危险废物处于低水平综合利用、简单贮存或直接排放状态。为进一步解决危险废物所带来的环境问题，按国务院颁布的《全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划》，未来几年，我国将规划建设功能齐全的综合性危险废物处置中心31个，新增危险废物处置能力计为282万d。无庸置疑，集中焚烧处置具有销毁彻底、减容量大等优点，为此，世界已广泛应用，也自然成为我国危险废物处置设施建设的基本选择。国家虽未对危险废物焚烧处置中心的规模予以明确界定，但通常小规模危险废物焚烧处置工程是指年焚烧处理量1万t以下。
2、烟气成分及烟气量
由于危险废物的复杂性，造成了危险废物焚烧 过程的多变性。与其它废物焚烧相比，烟气成份虽然相仿，主要为CO、CO2、N2、Nox、SOx等，但危险废物焚烧烟气中酸性气体浓度更高，这些酸性气体主要由HC1、SOx、HF等组成，同时若控制不当，造成危险废物焚烧烟气中含有较高的二噁英等。 危险废物焚烧所需空气量取决于可燃元素含量等，通常可借助热值来近似计算。危险废物燃烧理论空气量因对象不同而有不同的推荐公式和数值。
（1）理论空气量 固体废物：VO＝l.01×（Q/1000）＋0.5
液体废物：VO＝0.85×（Q/1000）＋2
式中： VO——为理论空气量，Nm3／kg； Q——为废物热值，kcal／kg。
（2）烟气量 固体废物：Vy＝0.89×（Q/1000）＋1.65＋（α－1）VO
液体废物：Vy＝1.11×（Q/1000）＋（α－1）VO
式中： Vy——为烟气量，Nm3／kg； Q——为废物热值，kcal／kg； α——为空气过量系数。
根据经验，固体废物的空气过量系数应取大一点，一般取α＝1.5，而液体废物可取小一点，一般取α＝1.3。
以某市危险废物处置中心为例，其焚烧系统设计处置能力1t/h，配伍后固体废物(占75％)热值为4600kcal／kg,液体废物(占25％)热值为3000kcal／kg。取固体废物α＝1.5，取液体废物α＝1.3，由此计算得出该系统所需理论空气量为VO＝5337.0Nm3／h，焚烧烟气量Vy＝7513.5Nm3／h。若其烟气温度由1100℃降至500℃，则可利用热量为7.3×106kJ／h，相当于可回收1.25MPa的饱和蒸汽12t／h。
3、烟气余热利用现状
3.1规范要求 按照《危险废物集中焚烧处置工程建设技术规范)(HJ／T176—2005)，危险废物焚烧烟气在二燃室1100℃以上停留时间大于2s，同时为控制二噁英再合成，要求高温烟气采取急冷处理，使烟气温度在1s内降到200℃以下，并要求焚烧烟气余热利用避开200—500℃温度区间。
3.2利用现状 由于危险废物焚烧产生的烟气量较大，是一种热源，对其加以回收利用不仅可降低整个系统的运行成本，提高经济效益，同时可减轻后续烟气处理系统的负荷。 目前，小规模危险废物焚烧处置工程烟气余热利用通常采用低压余热锅炉。余热锅炉分为火管式和水管式两类，其结构与工业锅炉相类似。火管式余热锅炉蓄水量大，在烟气量和用汽量波动的条件下汽压波动较小，但其蒸发量和蒸汽压力均受锅简直径和运行条件的限制。此外，烟管端和管板由于冷却不佳和温度应力较大，火管式余热锅炉较易损坏，因此实际应用较少，大多采用水管式余热锅炉。 通常余热锅炉设计压力为P＝1.25MPa，蒸汽温度为饱和温度。焚烧烟气进入余热锅炉后，通过热交换将热量传递给对流管束中的水，使之变成蒸汽，供处置工程生产、生活用。 小型危险废物焚烧处置工程生产用汽主要为管路和设备保温(季节性)、焚烧烟气净化系统烟气再热(仅限于湿法)等，而用于焚烧系统助燃风预热目前没有实例。生活用汽除北方地区季节性采暖用外，其它 生活用汽较少。另外，处置工程选址均较为偏远，其它潜在蒸汽用户基本没有。 因此，该方法虽然投资较少，系统简单，但余热锅炉产生的蒸汽大部分排空，焚烧烟气余热未有效利用，低压余热锅炉实际仅起到了焚烧烟气粗除尘、降温的作用。
4、可供选择的烟气余热利用方案
4.1蒸汽发电 根据余热锅炉的蒸发量及其它参数，选配螺杆膨胀动力机或汽轮发电机组。这样余热锅炉所产蒸汽除满足处理中心生产、生活需要外，富余蒸汽通过螺杆膨胀动力机或汽轮发电机组发电。螺杆膨胀动力机或汽轮发电机组的年工作时间与焚烧系统一致，不会有蒸汽排空，完全利用焚烧系统焚烧烟气余热。 此方法虽然能保证焚烧烟气余热能够完全有效利用，但投资较大，占地面积较多，系统较为复杂。因此，若工程建设受投资、土地限制，则此方法不易实施。
4.2综合利用 对于无条件实施蒸汽发电的小型危险废物焚烧处置工程，则应考虑危险废物焚烧产生的烟气余热综合利用。首先考虑预热用于焚烧系统助燃的空气。焚烧系统采用热风助燃其优点是显著的，一是可以改善燃烧，助燃空气经预热后可加速燃烧过程，这一点对辅助燃料，特别是废油等尤其有重要意义。由于助燃空气的预热，雾化油滴加速气化，从而改善油的着火条件，提高燃烧反应速度，并在较小的空气过剩系数下达到完全燃烧的效果，降低后续焚烧烟气净化系统处理规模；--是直接降低燃料消耗，助燃空气温度提高100℃可直接降低燃料率4％—5％。建议设计将助燃空气预热到200—300℃，这样可直接降低燃料8％—15％。由于危险废物焚烧产生的烟气温度高达1100℃，带出的热量也多，仅预热助燃空气，只能回收部分的余热，因而同时也要配套余热锅炉以蒸汽的形式来回收多余烟气热量。 在设计具体的余热回收和利用方案时，应着重考虑危险废物焚烧产生的烟气特殊性。其高温烟气若直接利用空气预热器来预热助燃空气，则必须慎重处理壁温过高及烟尘过多带来的问题。若焚烧烟气先进入余热锅炉，在以蒸汽型式回收大部分余热的同时沉降大部分烟尘，可为后续空气预热器创造良好的工作条件，因而设计顺序为焚烧烟气先经余热锅炉再入空气预热器。 综上所述，由于处置工程选址较为偏远，其它潜在蒸汽用户基本没有。因而蒸汽利用重点在于内部使用。但除了发电外，笔者认为利用余热实现中央空调是另一个很好的利用途径，既利用余热转换后供应吸收式制冷机，实现综合管理区域的中央空调。蒸汽型制冷机主要参数见表1。 以l台制冷量1160kW制冷机组为例，对比蒸汽型制冷空调与一般电制冷空调主要性能指标见表2。 由表2可见，蒸汽型制冷空调主机用电量只有电制冷的2.33％，系统用电量也只有电制冷的36.5％，可大大降低运行费用，同时蒸汽型制冷空调是一项成熟的技术，安装完毕可一次投入运行，且操作简单、稳定、故障率低，可得到广泛应用。
5、综合利用需注意问题
5.1关于余热锅炉
（1）余热锅炉结构型式基本分为两种：一种是水平直通式烟道结构，烟气在锅炉内呈直流式流动。该结构型式可减轻烟气流与飞灰分布的不均匀性，从而防止飞灰的局部堆积和磨损；另一种是多通道式烟道结构，烟气在锅炉内呈多回程式流动。该结构型式管屏间节距较大，灰粒不易搭桥，且烟气自下而上急转弯，可分离部分粗灰粒，降低烟尘浓度。由于二燃室出口危险废物焚烧烟气中烟尘浓度较大，推荐采用水平直通式烟道结构。
（2）余热锅炉前半部应采用大空腔辐射室，并布置大量辐射受热面，以保证烟气在辐射室中冷却到软化点以下，比结渣温度低100—150℃，使半熔融烟尘变成固体小颗粒沉降下来。锅炉后半部应采用对流受热面，烟气流经多排管束时以对流方式传热。
（3）余热锅炉炉膛水冷壁应采用膜式水冷壁结构，管径大、管子中心距小，以提高辐射传热效果，保证炉膛结构的密封性并利于清灰。
（4）余热锅炉受热面的积灰较为严重。建议在辐射室和对流受热面分别布置吹灰器和弹簧振打锤，按预先设定的程序自动运行。
5.2关于空气预热温度 空气预热温度并不是越高越好，国外空气预热温度经常考虑在500—600℃，热风管道材质采用耐热钢，管道上的阀门等附件的耐温水平也相应提高。而我国的耐热钢价格与碳钢价格相差太大，提高100—200℃风温所回收的热量与提高热风管路系统耐温水平所增加的费用相比太不合适，因此不宜采用太高的风温，以烧嘴前不大于450℃为宜。
5.3关于空气预热器 在种类繁多的空气预热器中，高温热管空气预热器在余热回收和利用中优点突出，应用广泛，建议选用。 热管是一种高效传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、优良的等温性、冷热两侧传热面积的可调节性和实现远距离传热、控制温度等一系列优点。由热管组成的换热器传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、可避免露点腐蚀。 根据热管工作原理不同，可分为重力热管、分离式热管。对于冷、热流体相距较远或冷、热流体绝对不允许接触的场合应选用分离式热管，其它则优先选用重力热管。 高温热管空气预热器热流体温度最高允许1100℃。其布置型式有分立式、斜置式等布置结构，具体可以依据现场的条件和要求布置。
6、结语 焚烧烟气余热的综合利用，不但解决了只设置低压余热锅炉，因蒸汽使用不完而造成的能源浪费，也解决了因设置次中压余热锅炉而造成的投资较大、系统较为复杂的缺点，而且还节省了燃料费用，大大降低了运行成本。在国家大力提倡建立循环经济，建设节约型社会的今天，合理、有效地利用危险废物焚烧系统产生的余热，对节约能源，具有十分重要的意义，同时节能潜力也是十分巨大的。