生活垃圾焚燒爐爐型及爐內(nèi)配風對燃燒的影響

1、生活垃圾焚燒爐爐型及爐內(nèi)配風對燃燒的影響研究生活垃圾焚燒采用爐排爐已成為行業(yè)的標準配置，本文通過對行業(yè)內(nèi)幾種常見焚燒爐結構的詳細分析，從爐排形式、爐拱形式及爐內(nèi)配風方式等多方面來說明這些因素對燃燒的影 響，為該行業(yè)焚燒爐結構設計及優(yōu)化提供理論參考。1概述生活垃圾焚燒技術起源于歐洲I,隨后美國、日本等發(fā)達國家也相繼研發(fā)出適合生活垃圾 焚燒的各種爐型，但與我國生活垃圾與國外生活垃圾存在很大不同。我國生活垃圾來源多樣、成分復雜，其中廚余占有較大比例，加之飲食結構中水分較高， 垃圾的含水量同廚余比例有著較高的相關性，生活垃圾中總體含水量高， 一般為40%60%,高于歐美國家10%30%的水平；我國的總

2、體發(fā)展水平低于西方國家，紙類、塑料類等生活垃圾中的熱量源比例低，而科瓦陶瓷類的垃圾成分偏高，目前我國的生活垃圾平均熱值（高位）在 5337kJ/kg,且不可燃 質的比例高。同時，隨著我國經(jīng)濟和社會發(fā)展水平的不斷提高，城市生活垃圾中可燃質比例增加，垃 圾的平均熱值也會不斷提高。早期我國在引進國外垃圾焚燒爐時，有部分焚燒爐由于不能適應我國的垃圾特性，不得 不對原有爐型進行改造，因此研究各大主流焚燒爐爐型及其各自的配風對燃燒的影響是十分 必要的。2生活垃圾的燃燒過程生活垃圾爐排爐焚燒技術是生活垃圾通過焚燒方式處理時使用最多、分布最為廣泛的技術，其基本過程如圖1所示。圖1爐排爐焚燒過程示意圖料倉中的生

3、活垃圾經(jīng)推料器推入爐膛中的爐排上，生活垃圾中的有機部分在爐排上充分燃燒轉化為氣體，可燃氣體在上部爐膛中繼續(xù)燃燒、 燃盡，燃燒所產(chǎn)生的熱量通過換熱面進 行回收，煙氣被冷卻，最終產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過煙氣處理設備凈化后排入大氣。在爐排上，生活垃圾在進入爐排后，由爐排片運動的驅使向前移動，大體上經(jīng)過干燥、熱解、焦炭的燃燒以及燃盡四個過程后成灰。圖2爐排上生活垃圾燃燒過程如圖2所示，生活垃圾在爐排片的混合作用下，處在料層不同高度的垃圾得以在一定程度上實現(xiàn)上述過程同步進行，因而在爐排上可形成區(qū)別明顯的幾個區(qū)域：干燥區(qū)、熱解與燃燒階段、燃盡階段。3垃圾焚燒爐的一般結構特點垃圾焚燒的基本目的是實現(xiàn)垃圾減量、余熱利用

4、并消除有害物質，因而垃圾焚燒爐設計 的基本要求是高燃燒效率、低污染物排放。爐排爐是垃圾焚燒爐中最成熟的爐型之一，通過合理的爐排、爐拱設計和一次風、二次 風布置，可以應對復雜多變的燃料性質，并降低NOx、二惡英、CO等污染物的排放，實現(xiàn)生活垃圾的清潔高效利用。3.1 爐排生活垃圾直接同爐排接觸，在爐排上形成燃料層進行燃燒，爐排的設計主要考慮生活垃 圾的充分燃盡、氣體的燃盡，因此爐排需要具有以下幾個功能：(1)輸運垃圾經(jīng)過整個爐膛，使垃圾經(jīng)過燃燒過程后減量化；(2)垃圾的均勻分布，對垃圾的攪動、混合，并在垃圾燃燒過程中對其進行翻滾，可 有效促進垃圾的干燥、熱解和燃燒的過程，使垃圾燃燒充分，所需空氣

5、量少；(3)輸送并布置一次風(國內(nèi)垃圾熱值較低一般為熱一次風)；(4)控制生活垃圾在不同燃燒階段的停留時間。3.2 爐拱爐拱是實現(xiàn)高效燃燒的關鍵結構，分為前拱和后拱。前拱的主要作用是輔助新加入的原 料干燥和著火。前拱本身并不產(chǎn)生熱量，它的引燃作用主要在于通過吸收來自火焰和高溫煙氣的輻射熱量，并加以集中輻射到新燃料上，使之升溫、著火。后拱位于爐排的后部，其具體作用包括：(1)引燃。一方面，輸送高溫煙氣至前拱區(qū)，提高爐溫、強化前拱的輻射引燃作用； 另一方面，引導灼熱炭粒(飛灰)至前端，并使之散落在新燃料上產(chǎn)生明火引燃效果，可稱 之為直接引燃。(2)混合。后拱輸送富氧的煙氣至前拱區(qū)，使之與那里的可燃

6、氣體相混合，是爐內(nèi)氣 體大尺度混合的主要方式。由于前拱一般不很長，因此后拱的輸氣路程較長。同時，由于后拱煙氣的流動速度高，因而所產(chǎn)生的擾動混合也大。(3)保溫促燃。由于焦炭的化學活性較差，因此必須在爐排后部保持高溫，才能保證 那里以焦炭為主的燃料層的燃盡。后拱的存在，可有效地防止爐排面向爐膛上部放熱，所以能有效地提高爐排后部的爐溫。3.3爐膛結構與配風爐膛形式是影響主燃區(qū)燃燒的重要因素之一，爐膛形式與爐排上的焚燒相配合完成焚燒過程，也是進行燃燒優(yōu)化的重要途徑。通常依照爐膛結構(包括爐拱)與爐膛內(nèi)一次風的流動形式將焚燒爐分為逆流式、順流式、混流式以及二次流式焚燒爐，如圖 3所示。 面試；(b)逆

7、流式：©混流式：(d) R式圖3爐膛結構形式逆流式焚燒爐將燃燒區(qū)上方高溫火焰向前驅使，使高溫區(qū)更靠近入爐的垃圾，利于垃圾 的干燥過程，特別適用于含水量高的生活垃圾。順流式焚燒爐的優(yōu)點則在于其在燃盡方面具有極好的表現(xiàn)，熱解階段產(chǎn)生的大量的可燃氣體在拱的導流作用下直接進入高溫區(qū)，因而可燃氣體的燃燒溫度得到了保證；順流式爐膛中燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣會經(jīng)過爐排的燃燼區(qū)上方，使爐排燃燼區(qū)的溫度得到了提升，有利于剩余灰渣的燃盡。但是順流式爐膛對于生活垃圾的干燥作用較低，適用于低水分、高熱值的垃圾。混流式焚燒爐將爐膛出口設置在爐排中部的上方，具有一定的靈活性，可根據(jù)生活垃圾的特性來調(diào)整具體的位置，熱值

8、高時出口可向尾部移動，熱值低時出口可向進口處移動。二次流式焚燒爐是將煙氣的上方和下方隔開，同時具有順流和逆流的效果，適用于垃圾性質變化較大的垃圾，我國目前使用的生活垃圾的焚燒爐大多采用此種方式。生活垃圾焚燒爐通常除了爐排底部供給的空氣外，在爐膛的上方還要噴入二次空氣來實現(xiàn)可燃氣體的燃盡。首先，因為生活垃圾熱解氣體占生活垃圾質量比例較高，實現(xiàn)氣體的燃燒，需要供給足量的空氣，并有強度較高的混合效應實現(xiàn)可燃氣體同氧氣的混合；其次，較低的主燃區(qū)及總的空氣過量系數(shù)有利于氮氧化物的控制， 降低主燃區(qū)的空氣過量系數(shù)、優(yōu)化二次風來降低總 的空氣過量系數(shù)成為大多數(shù)焚燒技術發(fā)展的關鍵。有的焚燒爐采用了部分煙氣再循

9、環(huán)的方式來加強爐內(nèi)氣體的混合、進一步降低總的空氣過量系數(shù)，并調(diào)節(jié)爐內(nèi)煙氣溫度。下面分析幾種典型焚燒爐的爐膛結構。(1) A型爐爐膛結構與配風，如圖 4所示。圖4 A型垃圾焚燒爐結構A型垃圾焚燒爐采用順推爐排，可以分為干燥段、熱解燃燒段和燃盡段，其中干燥段與 熱解燃燒段、熱解燃燒段與燃盡段之間各設置一級階梯，使得干燥后的垃圾經(jīng)過跌落后進行翻滾與碰撞，防止垃圾抱團成塊，使料層不斷翻松、更為均勻，減少床層阻力，也有助于揮 發(fā)份的析出與焦炭的燃燒。另外，在干燥段與熱解燃燒段采用傾斜爐排，在爐排推動和重力作用下不斷翻滾、揮發(fā) 份析出更為均勻，并具有較快的下料速度。A型生活垃圾焚燒爐的前后拱呈八”字，對爐

10、排形成了有效的覆蓋。其中，前拱可以將其從爐膛火焰中吸收的熱量，通過再輻射的形式向濕垃圾傳熱，輔助干燥與著火過程； 后拱遮擋了此部分爐排向換熱面的傳熱、將高溫區(qū)輻射而來的熱量轉移到爐排上提高了該區(qū)域的 溫度水平，有利于垃圾的燃盡。前后拱之間向上呈收縮形式形成喉口，可將爐排前后端的剩余空氣輸送到燃燒段上方可燃氣體含量高的區(qū)域，使煙氣聚攏、提高了煙氣的混合效果：一方面有利于揮發(fā)分的燃盡，提高爐膛的整體溫度，來促進垃圾的干燥熱解過程；另一 方面將后端過氧區(qū)生成的NOx與前端缺氧區(qū)的 NOx前驅物（NH3與HCN）混合，實現(xiàn)煙氣中NOx的自身脫除。A型垃圾焚燒爐所采用的爐排片開孔率低，風倉風壓大（ 12

11、kPa）,通過爐排片的風速 高，這樣爐排片本身的空氣阻力系數(shù)對總阻力系數(shù)占主要貢獻。即使料層局部的阻力系數(shù)發(fā)生變化，對總阻力系數(shù)影響不大， 從而保證了爐排配風的均勻程度， 垃圾在爐內(nèi)的燃燒可同 步進行。A型采用的高速燃燒爐排片技術，減少了料層燃盡所需的空氣量，可將床層所需的空氣 過量系數(shù)控制在1.21.3的水平上。A型垃圾焚燒爐使用空氣分級和煙氣再循環(huán)的方式，在保證爐排末端垃圾和爐排上可燃 氣體燃盡的前提下，將總空氣量中的一部分作為二次風在焚燒爐的上部送入爐膛，盡可能降低一次風的空氣過量系數(shù)。在拱的導流和流體自身混合作用下，干燥段和燃盡段爐排上的過剩空氣在主燃燒區(qū)同熱解燃燒段上方的可燃氣體進行

12、混合燃燒時，可以將整體氧濃度維持在一個較低的水平，實現(xiàn)NOx的低濃度排放。（2） B型爐爐膛結構與配風。B型垃圾焚燒爐屬于順推爐排。同其他順推爐排不同的是，爐排片為縱向布置，即固定 爐排列與活動爐排列交錯布置，如圖5所示，每列爐排片由多塊相互搭接的爐排片構成，活動爐排片在推動垃圾的同時也對垃圾進行了松動，使氣流均勻；活動爐排片同固定爐排片爐排中設置了兩層階梯落差，將整個爐排分隔為干燥、燃燒和燃盡三段，落差達到了1.3m,垃圾在爐排之間的落差段處跌落時能對結塊的垃圾起到較好的破碎作用，有效改善同空氣接觸。圖5 B型垃圾焚燒爐結構三個燃燒段爐排設置獨立的液壓驅動裝置，活動爐排的最大行程為150mm

13、,三個爐排面平行布置，傾角都為 15。，每塊爐排片前端面設置了風孔，一次風經(jīng)此風孔進入爐膛。B型垃圾焚燒爐的前拱類似于前述的A型生活垃圾焚燒爐類似：前拱通過從爐膛火焰中吸收的熱量，以再輻射的形式向濕垃圾傳熱，加強干燥過程。后拱結構長而低，覆蓋率高， 非常高效地遮擋了此部分爐排向換熱面的傳熱，保持燃盡段的溫度，有利于剩余焦炭的燃盡。前后拱之間形成喉口，可將爐排前后端的空氣輸送到燃燒段上方，使煙氣聚攏、提高了 煙氣的混合效果。該爐拱的特點是：前拱較短、覆蓋率較??；后拱低長，在利于焦炭燃盡的 同時作為通道輸送高溫煙氣至干燥段，加強原料的干燥并輔助著火。在爐排的熱解燃燒段與干燥段上方，由于該區(qū)域劇烈的

14、揮發(fā)分析出，因而可燃氣體含量 較高。為了實現(xiàn)可燃氣體的充分燃燒，B型垃圾焚燒爐設置了四處二次風噴口。其中，二次風-1與二次風-2主要用于維持床層上方氧量，起到消煙的作用，并將床層析 出的揮發(fā)分與空氣均勻混合；二次風-3與二次風-4用于提供燃盡氣相中可燃氣體的空氣量，實現(xiàn)可燃物的充分燃盡。（3） C型爐爐膛結構與配風。 如圖6所示是C型垃圾焚燒爐的結構示意圖，該垃圾焚燒爐的爐排結構是其最具特點的部分。該爐排屬于順推爐排。由結構相近的多級傾斜的模塊化爐排組構成，爐排一個面布置.傾角為21 °。圖6C型垃圾焚燒爐結構示意圖每個爐排組模塊包括 2排固定爐排片、2排水平滑動爐排片和 2排上下翻

15、動的爐排片， 每臺焚燒爐一般由四個左右的爐排組模塊組成，每個爐排組模塊的框架兩側分別設置獨立的三組液壓，其中一組驅動爐排片的水平運動，另外兩組分別驅動兩行爐排片的上下翻轉運動， 翻轉爐排片前端設置多個風孔，一次風燃燒空氣從爐排底下經(jīng)過該風孔進入爐膛，水平滑動爐排片做水平的運動，推動垃圾向前，其最大行程240mm。作用為輸送垃圾，翻動爐排片向上擺動的最大角度為30。，其作用是在此處實現(xiàn)垃圾在的翻動和并有利于之后的通風。C型焚燒爐是唯一能夠將輸送動作(水平運動)、翻攪和通風動作(垂直運動)區(qū)分開 的爐排控制系統(tǒng)，相互獨立，操作靈活性高。其獨特的爐排技術， 使滑動爐排推動垃圾向前運動并決定了垃圾層厚度及停留時間；擺動爐排則起到攪動垃圾層的作用。使系統(tǒng)很容易根據(jù)垃圾成份變化做出相應調(diào)整，特別適合于低熱值、高水分的垃圾。C型垃圾焚燒爐的前拱較小，位置過高，其對料層的再輻射干燥和引燃性能不佳。C型垃圾焚燒爐的后拱采用長而低的設計，保溫效果好，整體上有利于焦炭的燃盡；后 拱也能作為煙氣通道，將后部富氧高溫煙氣導流至前端輔助熱解、促進均相燃燒。此外，C型焚燒爐在喉口處設置了兩個二次風噴口，有助于可燃氣體與空氣的充分混合與燃盡。4結束語通過前文對幾種典型爐排所具有的爐排結構、爐拱形式以及配風方