循環(huán)流化床鍋爐焚燒生活固廢的技術(shù)探討

蔡文鋼

(華西能源工業(yè)股份有限公司， 成都 610100)

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循環(huán)流化床鍋爐焚燒生活固廢的技術(shù)探討

蔡文鋼

(華西能源工業(yè)股份有限公司， 成都 610100)

摘要：針對(duì)普遍采用的循環(huán)流化床焚燒生活固廢技術(shù)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論，總結(jié)了典型不摻煤、防積灰搭橋鍋爐的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，分析了爐膛設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)需考慮的因素，并介紹了爐膛設(shè)計(jì)實(shí)例，為業(yè)內(nèi)同行提供參考。

關(guān)鍵詞：CFB； 生活固廢； 爐膛； 燃燒

生活固廢焚燒發(fā)電是目前減容、減量、減少環(huán)境污染較為理想的處置方式。國(guó)內(nèi)廣泛使用的焚燒技術(shù)主要分為爐排爐方式和循環(huán)流化床方式。

循環(huán)流化床爐膛中，由于物料充滿整個(gè)爐膛，熱容量大，所以燃料燃燒速度很快，特別適合我國(guó)水分高、熱值低的生活固廢。與爐排爐相比，循環(huán)流化床鍋爐焚燒的初投資和運(yùn)行費(fèi)用均較低；隨著技術(shù)的發(fā)展，其助燃燃料煤的添加比例逐漸減少，甚至無(wú)需助燃。低廉的造價(jià)、良好的燃料適應(yīng)性，使得該技術(shù)在固廢焚燒發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。筆者主要探討的是循環(huán)流化床鍋爐焚燒生活固廢的技術(shù)問(wèn)題。

1生活固廢的特性

生活固廢不是一種單一的物質(zhì)，是生活中產(chǎn)生的廢棄物的總稱，主要包括廚余、紙張、塑料、橡膠、纖維、竹木、玻璃、罐頭盒、灰塵等，另外還摻雜有鐵絲、其他金屬、建筑垃圾等。它們具有以下特點(diǎn)：

(1) 混合性。生活固廢由生活中產(chǎn)生的各種廢棄物混合而成，屬于混合物。

(2) 不均勻性。作為混合物，各種不同的物質(zhì)在其中的分布呈不均勻狀態(tài)。

(3) 波動(dòng)性。生活固廢的成分和總量存在波動(dòng)；且隨著天氣的變化，生活固廢的水分變化較大。

(4) 燃燒性。生活固廢中含有可燃物質(zhì)，但是燃燒過(guò)程能否穩(wěn)定地持續(xù)進(jìn)行則取決于燃料本身的性質(zhì)和燃燒方式。

(5) 結(jié)焦性強(qiáng)。生活固廢中含有餐廚、塑料、橡膠、玻璃等物質(zhì)，其燃燒產(chǎn)物灰熔點(diǎn)較低，容易形成焦塊。這些焦塊具有粘結(jié)特性，能夠?qū)⑵渌闹艿钠渌镔|(zhì)粘連在其表面，像滾雪球一樣體積越滾越大，對(duì)床面流化狀況產(chǎn)生很大影響，直至被迫停爐。

(6) 流動(dòng)性差。生活固廢流動(dòng)差，將給輸送和鍋爐給料帶來(lái)隱患，造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。

(7) 地域性和時(shí)間性。不同地區(qū)存在生活水平和生活習(xí)慣的差異，同一地區(qū)隨著居民生活水平和人口數(shù)量的變化，生活固廢的熱值和數(shù)量均存在變化。

影響生活固廢燃燒特性的主要數(shù)據(jù)包括水分、灰分、Cl元素、S元素、K元素、Na元素、熱值、灰熔點(diǎn)等，其中水分和灰分本身就直接影響燃料熱值，水分和灰分越高，則熱值越低；Cl元素、S元素、K元素、Na元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定了燃燒產(chǎn)物的結(jié)焦特性和腐蝕特性，尤其是Cl元素對(duì)燃燒和受熱面的布置均有重大影響。

與常規(guī)燃煤鍋爐設(shè)計(jì)類似，燃料的元素分析和熱值之間存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系?？己松罟虖U元素分析與熱值匹配關(guān)聯(lián)合理性有多種方法，如門(mén)捷列夫公式、Steuer公式、Vonroll模型、Scheurer-Kestner模型、Dulong修正模型、日本環(huán)衛(wèi)中心模型等。李曉東收集歸納的中國(guó)生活固廢熱值估算公式如下[1]：

當(dāng)w(Oar)>10%時(shí)，

Qnet,ar=74w(Car)+123w(Har)-33w(Oar)+

25w(Sar)-6w(Mar)

(1)

當(dāng)w(Oar)<10%時(shí)，

Qnet,ar=90w(Car)+123w(Har)-33w(Oar)+

25w(Sar)-6w(Mar)

(2)

2生活固廢焚燒和污染物生成機(jī)理

燃料著火的本質(zhì)是放熱速度v和散熱速度v′在溫度場(chǎng)作用下博弈的結(jié)果。隨著溫度的升高，放熱速度隨溫度呈指數(shù)曲線關(guān)系；而散熱速度與溫度則呈線性關(guān)系(見(jiàn)圖1)。

生活固廢著火時(shí)，揮發(fā)分首先析出，氣態(tài)物質(zhì)首先著火燃燒。隨著這些低熔點(diǎn)揮發(fā)分的著火，生活固廢中的其他物質(zhì)在獲得揮發(fā)分釋放的熱量后也相繼著火燃燒，使整個(gè)循環(huán)流化床爐膛呈劇烈燃燒狀態(tài)。帶有大量熱量的在燃物質(zhì)、已燃盡物質(zhì)在爐膛中與剛剛進(jìn)入爐膛的生活固廢在風(fēng)的作用下相互攪拌，劇烈擾動(dòng)的結(jié)果是三者之間既傳質(zhì)又傳熱，帶動(dòng)新入爐生活固廢揮發(fā)分又析出，新一輪燃燒開(kāi)始，使得爐膛中的燃燒持續(xù)進(jìn)行下去。因此在循環(huán)流化床爐膛中，生活固廢容易燃盡，燃燒效率可達(dá)99%。

爐膛內(nèi)部分中等和細(xì)顆粒飛出爐膛，在旋風(fēng)分離器中經(jīng)過(guò)氣固分離，中等粒度的物料通過(guò)回料裝置返回爐膛，細(xì)顆粒則作為飛灰伴隨煙氣進(jìn)入尾部煙道后離開(kāi)鍋爐本體。

受生活固廢燃燒產(chǎn)物灰熔點(diǎn)限制，為了避免床內(nèi)形成焦塊，床面溫度多控制在900 ℃以內(nèi)。

生活固廢焚燒過(guò)程中會(huì)釋放出一系列的污染物：

(1) NOx。高溫燃燒中NOx生成主要來(lái)源于燃料型氮，其中NO約占95%。由于生活固廢中N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)很少，所以總體上NOx的生成量較少。隨著燃燒溫度的上升，NOx生成量增加，在過(guò)量空氣系數(shù)接近1時(shí)NOx的生成量最大。

(2) 燃料中的S元素燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為SO2。有機(jī)硫結(jié)合松散，著火燃燒時(shí)迅速生成SO2，而無(wú)機(jī)硫含量較低，隨著燃燒的進(jìn)行也開(kāi)始分解。生活固廢中的S元素具有中溫生成特性，在850 ℃時(shí)達(dá)到最大[3]。

(3) 燃燒過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，HCl開(kāi)始析出；達(dá)到500 ℃時(shí)，超過(guò)90%的HCl析出；隨著溫度的升高，析出速率逐漸放緩[3]。

(4) CO是燃料中C元素不完全燃燒形成的，其濃度由燃燒組織狀況決定，因此CO的濃度通常作為判別是否實(shí)現(xiàn)完全燃燒的指標(biāo)。CO與NOx之間存在相互牽制的關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以特別注意，協(xié)調(diào)好二者的關(guān)系。

3爐膛的設(shè)計(jì)原則

為了控制污染物排放，焚燒生活固廢的循環(huán)流化床爐膛需要解決以下三個(gè)問(wèn)題：

(1) 高燃盡度。PCDD/Fs、NOx、CO等污染物排放均與生活固廢燃盡度緊密相關(guān)，燃燒效率越高，這些污染物排放值普遍越低，高燃盡度是控制污染物生成的有力保證；同時(shí)，高燃盡度也是生活固廢減容的必然要求。因此，高燃盡度是循環(huán)流化床爐膛設(shè)計(jì)的核心理念。

(2) 防止結(jié)焦。生活固廢中含有Cl、K、Na等元素，在高溫下容易發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，一旦結(jié)焦擴(kuò)大化，鍋爐將出現(xiàn)MFT，影響鍋爐連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)而影響鍋爐使用壽命和電廠經(jīng)濟(jì)效益。

(3) 爐內(nèi)脫酸。作為控制鍋爐SO2原始排放的重要手段，對(duì)其生成物的控制主要通過(guò)固廢中的CaO等脫硫劑在850～950 ℃的溫度內(nèi)發(fā)生脫硫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)燃料中這些物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，不足以脫除生活固廢中的硫時(shí)，需要額外添加脫硫劑實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫，爐內(nèi)脫氯的情況也類似。

爐內(nèi)脫酸反應(yīng)式如下：

CaO(s)+SO2(g)+1/2O2(g)→CaSO4(s)

(3)

CaO(s)+2HCl(g)→CaCl2(s)+H2O(g)

(4)

在生活固廢CFB鍋爐中，大量的CaCl2對(duì)Ca基脫硫具有催化作用，所以相應(yīng)地提高了脫硫效率。

但是爐內(nèi)脫除HCl的效果卻不明顯，原因是CaCl2在782 ℃發(fā)生分解，再次釋放出HCl；而溫度較低時(shí)，Cl沒(méi)有機(jī)會(huì)與Ca反應(yīng)，所以形成HCl，造成低溫下HCl濃度提高。

有研究表明，Ca的羧基鹽具有高溫性能，在850～1 050 ℃時(shí)脫氯效率達(dá)到80%。它除了具有良好的脫SO2和HCl效果以外，同時(shí)還具有較好的脫除NOx性能，正逐漸得到業(yè)內(nèi)的關(guān)注[3]。

為了達(dá)到上述目的，首先要明確影響燃燒的因素——3T+E準(zhǔn)則：

(1) 煙氣停留時(shí)間。在循環(huán)流化床爐膛中，可以用煙氣在爐膛中的停留時(shí)間間接作為生活固廢在爐內(nèi)停留時(shí)間的判斷指標(biāo)。

(2) 燃燒溫度。溫度高有利于生活固廢燃燒。在同樣的停留時(shí)間條件下，溫度越高，其燃盡度越高，煙氣中CO和有機(jī)污染物的原始生成濃度越低，但是煙氣中的NOx和重金屬類污染物的原始濃度卻越高。

(3) 湍流度。該指標(biāo)反映了生活固廢與燃燒用空氣(氧氣)混合程度。湍流度越高，二者的混合程度越高，氧氣越能夠充分、及時(shí)地到達(dá)可燃物表面，燃燒越完全、徹底。

(4) 爐膛中的過(guò)量空氣系數(shù)α。為了保證生活固廢能夠完全燃燒，防止由于供風(fēng)的不均勻性造成部分空氣未完全參與燃燒，所以通常情況下，供風(fēng)量會(huì)大于理論燃燒空氣量。過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)燃燒影響很大，供給不足，將造成生活固廢大渣熱灼減率不達(dá)標(biāo)，煙氣中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高；但是如果供風(fēng)量過(guò)大，則將造成排煙熱損失增加過(guò)多，偏離合理范圍，影響電廠經(jīng)濟(jì)效益。通常情況下，過(guò)?？諝庀禂?shù)α=1.5～2。

4爐膛的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)，確定鍋爐完全燃燒所需的空氣量和燃燒后的煙氣量。盡管生活固廢的元素成分與煤有較大區(qū)別，但是由于差別相的化學(xué)反應(yīng)數(shù)量級(jí)極小，沿用煤燃燒鍋爐的計(jì)算公式足夠精確，故可以繼續(xù)使用。

4.1 爐膛熱力學(xué)計(jì)算

生活固廢能否無(wú)需助燃單獨(dú)穩(wěn)定焚燒是生活固廢鍋爐經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。判定其能否單獨(dú)穩(wěn)定燃燒的依據(jù)是在絕熱狀態(tài)下固廢的理論燃燒溫度。該溫度所對(duì)應(yīng)的熱值稱為臨界熱值。臨界熱值與燃燒形式、過(guò)?？諝庀禂?shù)、熱風(fēng)溫度、配風(fēng)方式等因素密切相關(guān)。若以生活固廢與輔助燃料的混合物1 kg作為基準(zhǔn)，產(chǎn)生的主要產(chǎn)物是CO2、H2O、O2、N2等，它們的近似比熱容在溫度16～1 100 ℃時(shí)約為1.254 kJ/(kg·℃)。以此為邊界條件，生活固廢的理論燃燒溫度可由下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[2]：

(3)

其中，

根據(jù)相關(guān)研究，循環(huán)流化床鍋爐無(wú)需助燃的臨界理論燃燒溫度為1 050～1 100 ℃[4]。

出于污染物排放安全的考慮，新頒標(biāo)準(zhǔn)GB 19485—2014 《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，煙氣在燃燒溫度≥850 ℃區(qū)域停留時(shí)間≥2s，爐渣熱灼減率≤5%。

利用熱灼減率可以近似計(jì)算出燃燒效率[2]：

(4)

式中：Es為燃燒效率；WL為單位質(zhì)量燃料燃燒后爐渣的熱灼減率；Wf為單位質(zhì)量燃料中可燃物質(zhì)量，kg。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，大渣熱灼減率應(yīng)不大于5%。通常情況下，大型爐排爐達(dá)到3%～5%，循環(huán)流化床鍋爐達(dá)到1%左右[5]。

進(jìn)行受熱面熱平衡計(jì)算時(shí)，首先可以初步明確爐膛的幾何尺寸。幾何尺寸最主要的指標(biāo)是爐膛寬度、斷面積、床面積、爐膛高度等。

爐膛寬度應(yīng)考慮生活固廢入爐后能夠沿爐膛寬度和深度迅速擴(kuò)散至床面各個(gè)區(qū)域，其擴(kuò)散速度對(duì)燃盡度有較大影響。燃料流動(dòng)性差，給料口位置、數(shù)量和形狀應(yīng)能保證生活固廢順暢入爐，這些給料裝置的參數(shù)應(yīng)與整個(gè)爐膛的幾何尺寸相匹配。

爐膛斷面積和爐膛高度是決定煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù)。一般情況下，從宏觀角度而言，流化床內(nèi)物料的燃燒時(shí)間以煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間作為計(jì)算依據(jù)，煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間越長(zhǎng)，生活固廢在爐內(nèi)的燃燒時(shí)間也越長(zhǎng)，越容易燃盡。

由于我國(guó)生活固廢熱值低，所以為了維持煙氣在爐膛中850 ℃以上溫度區(qū)域停留時(shí)間不短于2 s的要求，爐內(nèi)必然要敷設(shè)耐火澆注料。敷設(shè)耐火澆注料以后爐內(nèi)傳熱面積的計(jì)算可參照鍋爐保溫計(jì)算方法進(jìn)行。在熱力計(jì)算中如果此結(jié)構(gòu)在以前有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，則可采用受熱面積乘以系數(shù)的方式予以簡(jiǎn)化。該系數(shù)通常在0.1～0.4，各鍋爐廠家均有自己的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

幾何尺寸初步確定以后，可按照下列公式對(duì)爐膛受熱面進(jìn)行校核：

(5)

式中：Q為爐膛傳熱量，kJ/kg；K為爐膛傳熱系數(shù)，W/(m2·K);H為爐膛傳熱面積，m2；Δt為爐膛傳熱溫差，K。其中，K值為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，直接選取，其余數(shù)據(jù)均可根據(jù)工程輸入條件計(jì)算獲得。

一般情況下，爐膛的煙氣出口溫度設(shè)計(jì)為800～950 ℃為宜，但是爐膛中心燃燒溫度應(yīng)控制在850 ℃以上。

4.2 爐膛的配風(fēng)設(shè)計(jì)

爐膛傳熱面積和幾何尺寸決定了爐內(nèi)煙氣的停留時(shí)間，即決定了生活固廢在爐內(nèi)的反應(yīng)狀況和反應(yīng)時(shí)間。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配風(fēng)設(shè)計(jì)，以解決燃料燃盡度和爐內(nèi)污染物生成量控制的問(wèn)題。

循環(huán)流化床鍋爐的送風(fēng)主要來(lái)自一次風(fēng)和二次風(fēng)，輔助用風(fēng)包括播料風(fēng)、給料口密封風(fēng)、回料裝置的松動(dòng)風(fēng)和流化風(fēng)等。

一次風(fēng)主要從爐底通過(guò)布風(fēng)板上的風(fēng)帽送入爐膛，起流化作用，同時(shí)提供生活固廢入爐必需的燃燒用風(fēng)。布風(fēng)板及風(fēng)帽的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定布風(fēng)板表面的流化質(zhì)量，進(jìn)而影響爐膛燃燒和傳熱的質(zhì)量，從某種意義上說(shuō)這也決定了鍋爐的連續(xù)運(yùn)行周期。因此，布風(fēng)板的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

布風(fēng)板上除了一次風(fēng)口，還布置正常排渣口。出渣口是流化的盲區(qū)。生活固廢及其燃燒產(chǎn)生的爐渣中均可能含有鐵絲、磚頭等不易排出的物質(zhì)，所以鍋爐的排渣口較常規(guī)燃煤鍋爐大得多，這樣盡管解決了順暢排渣的問(wèn)題，但是同時(shí)又帶來(lái)了排渣口區(qū)域流化不均的問(wèn)題。為此，排渣口附近風(fēng)帽應(yīng)特殊考慮，必須采用具有導(dǎo)向功能、風(fēng)速較其他流化區(qū)域更高的風(fēng)帽加以解決。整個(gè)布風(fēng)板風(fēng)帽布置的原則是：布風(fēng)均勻，風(fēng)速留有裕度，以增強(qiáng)燃燒設(shè)備對(duì)燃料特性變化的適應(yīng)性。國(guó)內(nèi)使用較為普遍的是鐘罩式風(fēng)帽和蘑菇形風(fēng)帽。為了使得難以流化的大顆粒惰性物質(zhì)順暢排入落渣口，也有采用鴨嘴形風(fēng)帽的案例。

二次風(fēng)的送入方式對(duì)氣體擴(kuò)散和沿壁面下降的顆粒度有較大影響，而對(duì)爐內(nèi)流體動(dòng)力特性的影響主要反映在軸向風(fēng)速上。二次風(fēng)的設(shè)計(jì)是影響污染物排放的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)原則是保證爐膛內(nèi)煙氣在850 ℃以上區(qū)域停留時(shí)間大于2 s，同時(shí)要保證爐膛內(nèi)風(fēng)對(duì)物料的劇烈擾動(dòng)，合理的過(guò)?？諝庀禂?shù)和較高的二次風(fēng)噴口速度。一般情況下在漸擴(kuò)段內(nèi)投入二次風(fēng)。

二次風(fēng)切向引入，通過(guò)延長(zhǎng)顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間、減小揚(yáng)析達(dá)到提高爐內(nèi)分離效率的目的。

二次風(fēng)設(shè)計(jì)可以考慮的結(jié)構(gòu)因素有：二次風(fēng)層數(shù)、各層間的距離、二次風(fēng)的份額、二次風(fēng)的噴口速度、二次風(fēng)噴口形狀等。

4.3 回料系統(tǒng)

回料系統(tǒng)在鍋爐運(yùn)行中起著舉足輕重的作用：一方面需要高效的氣固分離功能；另一方面需要通暢的回料性能，確保返料能夠順利回到爐膛床面。

旋風(fēng)分離器數(shù)值模型的選取可以建立在常規(guī)燃煤鍋爐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。生活固廢焚燒鍋爐對(duì)氣固分離效果的要求更高，直接影響到污染物，特別是重金屬和二口惡英的排放指標(biāo)。國(guó)內(nèi)目前現(xiàn)有的旋風(fēng)分離器模型有多種，各鍋爐廠均有自己的特色產(chǎn)品，應(yīng)調(diào)研對(duì)比后擇優(yōu)選用。

4.4 延緩高溫腐蝕和防止對(duì)流煙道受堵

尾部對(duì)流受熱面主要起到余熱利用的作用，其設(shè)計(jì)最主要的側(cè)重點(diǎn)有兩個(gè)：一是滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，確保蒸汽流量和參數(shù)達(dá)到目標(biāo)值；二是在連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和維護(hù)費(fèi)用之間求得平衡，獲得最高的性價(jià)比。

影響上述兩個(gè)問(wèn)題的重要因素是腐蝕和積灰。對(duì)于生活固廢焚燒鍋爐來(lái)講，其飛灰的顆粒度十分細(xì)膩，加之煙氣速度不高，所以一般情況下磨損不是鍋爐設(shè)計(jì)考慮的主要因素。

圖2反映了受熱面金屬壁溫與金屬腐蝕速度的關(guān)系[6]。

從圖2可以知道，若想獲得較為理想的防腐效果，首要任務(wù)是降低受熱面金屬壁溫。所以受熱面的布置流程應(yīng)特殊考慮，不能簡(jiǎn)單地照搬常規(guī)燃煤鍋爐的方式。另外，鍋爐蒸汽參數(shù)對(duì)壁溫起決定性作用，國(guó)內(nèi)目前普遍采用中溫中壓參數(shù)，在此前提下，適當(dāng)?shù)乜紤]選材，既滿足金屬壁溫要求，同時(shí)考慮高溫腐蝕的影響。

生活固廢燃燒生成的飛灰含有較多的堿金屬元素，它們同Cl、S等元素混合在一起形成的化合物具有較強(qiáng)的粘結(jié)性能，是造成飛灰在受熱面區(qū)域搭橋的原因。盡管可以利用吹灰器進(jìn)行吹灰，但是吹灰效果沒(méi)有燃煤鍋爐理想，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮一定的粘污，同時(shí)要確保飛灰在受熱面中粘結(jié)以后不會(huì)對(duì)煙氣通道造成堵塞，所以要考慮熱力數(shù)據(jù)選取、受熱面布置形式、管間節(jié)距等方面問(wèn)題。

5爐膛設(shè)計(jì)實(shí)踐

自貢垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目中生活固廢水分含量較高，摻有部分金屬絲、鋼板及建筑垃圾等，熱值很低。為此，該項(xiàng)目采用了華西能源工業(yè)股份有限公司自主研發(fā)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。

項(xiàng)目一期共2臺(tái)鍋爐，單臺(tái)鍋爐的額定蒸汽參數(shù)為450 ℃、3.82 MPa，額定蒸發(fā)量為36 t/h。

鍋爐采用循環(huán)流化床型式，室外布置，全懸吊結(jié)構(gòu)，尾部受熱面立式布置。

生活固廢焚燒循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)緊緊圍繞生活固廢減量減容、污染物排放達(dá)標(biāo)、純?nèi)忌罟虖U不摻燒助燃燃料展開(kāi)。

爐膛為下小上大的典型循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)。由于生活固廢為低密度、高水分、低熱值的特性，所以爐膛的斷面速度不能按照常規(guī)燃煤鍋爐取值。該項(xiàng)目在生活固廢化學(xué)成分分析的最低點(diǎn)、最高點(diǎn)和設(shè)計(jì)點(diǎn)范圍內(nèi)，最終確定煙速取值為2～4 m/s。

應(yīng)選取較大的密相區(qū)容積。根據(jù)該項(xiàng)目生活固廢的特點(diǎn)，爐膛的結(jié)構(gòu)應(yīng)使得密相區(qū)擁有較大的物料保有量，使生活固廢一旦入爐就能夠瞬間蒸發(fā)水分并著火燃燒，從而提高一次燃盡度。

爐膛高度是決定一次燃盡度的重要幾何尺寸，應(yīng)與爐膛斷面煙速綜合考慮。由于生活固廢密度小，其生成物顆粒度細(xì)膩，加之燃燒對(duì)供氧的及時(shí)性要求高等特點(diǎn)，所以爐膛應(yīng)比傳統(tǒng)燃煤爐高，但是過(guò)高將失去經(jīng)濟(jì)性，所以應(yīng)在二者之間取得平衡。

整個(gè)爐膛受熱面的耐火澆注料的設(shè)計(jì)考慮了額定工況下運(yùn)行時(shí)，純?nèi)忌罟虖U能夠保證煙氣在850 ℃以上停留時(shí)間不小于2 s。所以澆注料品種和厚度、銷(xiāo)釘?shù)姆笤O(shè)方式都進(jìn)行了詳細(xì)的推敲。

布風(fēng)板的面積應(yīng)與一次風(fēng)率同時(shí)考慮，既要保證一定的流化速度，又不能使一次風(fēng)率過(guò)高，以免床面細(xì)灰被一次風(fēng)全部帶走，造成大面積磨損和結(jié)焦。

爐膛的給料口和給煤口的位置應(yīng)保證燃料入爐順暢和均勻，所以給煤口與給料口應(yīng)交錯(cuò)布置；兩種燃料的密度差與床面壓力的相互關(guān)系對(duì)燃料入爐都會(huì)產(chǎn)生重大影響，所以這些接口在高度方向上的定位應(yīng)采取保守的布置形式，越靠上燃料越容易入爐，密相區(qū)所需的容積也越大。

給料口的大小和形狀充分考慮生活固廢的物理特性，所以該項(xiàng)目給料口的斷面積考慮在自由落體情況下所需的大小，同時(shí)選擇了最小的濕潤(rùn)周邊，使得入爐時(shí)的摩擦阻力最小，促使給料順暢；同時(shí)在給料口里適當(dāng)加一些播料風(fēng)，以減少固廢與給料口四周邊壁的摩擦阻力。

旋風(fēng)分離器從是否帶有受熱面可分為絕熱型、汽冷型和水冷型三種；從數(shù)字模型上可分為方形的、圓形的、入口段帶一定傾角的和水平的等。從生活固廢的燃燒特點(diǎn)判斷，其絕熱燃燒溫度并不高，爐膛為了維持850 ℃以上的煙氣溫度還需在水冷壁上敷設(shè)耐火澆注料，因此從初投資的性價(jià)比考慮，絕熱式結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠滿足性能要求，可不必考慮汽冷式和水冷式。數(shù)字模型的選擇上首選分離效率高的型式，至于煙氣阻力則是次要方面。從煙氣均勻流動(dòng)的角度考慮，分離器數(shù)量以2個(gè)(雙數(shù))沿鍋爐中心線對(duì)稱布置為宜。但是由于生活固廢焚燒鍋爐受密度、熱值限制，運(yùn)輸半徑不會(huì)太大，所以單個(gè)鍋爐的容量普遍較小，就該項(xiàng)目而言，日處理生活固廢量?jī)H400 t，折合主蒸汽額定流量不過(guò)36 t/h，如果設(shè)置2只旋風(fēng)分離器，那么單只幾何尺寸過(guò)小，工藝性差，且維修不便，所以僅布置1只旋風(fēng)分離器。

回料裝置的設(shè)計(jì)要保證回料順暢。生活固廢焚燒后的飛灰流動(dòng)性較差，具有一定的粘結(jié)特性。流化風(fēng)通過(guò)流化風(fēng)帽吹入回料裝置的流化床，風(fēng)帽的小孔數(shù)量和開(kāi)孔大小都要考慮。除了流化風(fēng)和松動(dòng)風(fēng)以外，鍋爐還增加了惰性物料添加口，系統(tǒng)上采用斗式提升機(jī)將惰性物料從零米層輸送到添加口。

尾部受熱面的布置緊緊圍繞燃燒生成物特性展開(kāi)。

從旋風(fēng)分離器出來(lái)的煙氣，其溫度多在800 ℃以上，煙氣中的飛灰多處于熔融狀態(tài)，粘結(jié)性強(qiáng)，所以此處設(shè)置空煙道，其四周由包墻水冷壁組成，具有很強(qiáng)的吸熱效應(yīng)，在此區(qū)域，煙氣被大幅降溫。由于此煙道為空截面，所以盡管煙氣溫度較高，但是煙氣對(duì)四周包墻呈縱向沖刷，積灰程度輕微，加之包墻內(nèi)介質(zhì)為飽和汽水混合物，溫差較大，所以該區(qū)域吸熱能力很強(qiáng)。該空煙道的主要作用是降溫，保護(hù)高溫段過(guò)熱器，延緩其高溫腐蝕速度，即保證高溫段過(guò)熱器進(jìn)口處煙氣溫度控制在630 ℃以內(nèi)。

不同直徑顆粒繞順流管束的運(yùn)動(dòng)軌跡：第一排管束的差別比較?。坏诙殴苁茴w粒碰撞的概率很小，小顆粒幾乎不和第二排管子相碰撞，只有當(dāng)顆粒較大時(shí)(dp≥100 μm)才有一些顆粒會(huì)撞擊到第二排管子上[6]。

不同直徑顆粒繞錯(cuò)列管束的運(yùn)動(dòng)軌跡：第一排管束的差別比較??；第二排管束受顆粒碰撞的概率很大，甚至對(duì)小顆粒來(lái)說(shuō)，雖然它較少和第一排管子相碰撞，但是它幾乎全部都和第二排管子相碰撞，當(dāng)顆粒直徑增大時(shí)，和第二排管子碰撞的顆粒就更多。在同一顆粒尺寸條件下，來(lái)流速度大時(shí)顆粒與管壁的碰撞頻率也較大[6]。

綜上所述，在相同的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸條件下，順列管束的防磨特性和防粘污的特性均比錯(cuò)列管束強(qiáng)。所以在生活固廢焚燒鍋爐受熱面區(qū)域多采用順列布置方式。

在大項(xiàng)目中，過(guò)熱器系統(tǒng)為了防止高溫腐蝕速度過(guò)快，采取了混合流的方式，高溫過(guò)熱器采用順流布置，中、低溫過(guò)熱器則為逆流布置。這些受熱面均采用順列排列。

該項(xiàng)目于2013年投運(yùn)，鍋爐負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，額定工況下蒸發(fā)量為36 t/h，但只要燃料充足，鍋爐完全可以在48 t/h蒸發(fā)量下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；所有污染物排放指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。鍋爐投運(yùn)2年來(lái)，具有優(yōu)異的防腐蝕特性和防積灰特性：高溫過(guò)熱器受熱面管經(jīng)過(guò)停爐檢查，壁厚減薄很少，金屬表面僅出現(xiàn)一些白斑，這是高溫腐蝕的跡象，而對(duì)于常規(guī)生活固廢焚燒鍋爐，2年的運(yùn)行時(shí)間足以使高溫過(guò)熱器產(chǎn)生大面積腐蝕；吹灰器投運(yùn)頻率很少，但是從未發(fā)生因受熱面積灰而停爐的現(xiàn)象，也從未因鍋爐積灰引起鍋爐被迫停爐。

2014年該項(xiàng)目經(jīng)專家鑒定，認(rèn)為鍋爐在不摻煤的條件下能夠正常運(yùn)行，提高了生活固廢燃盡度和鍋爐效率，降低了污染物的生成量，延緩了金屬腐蝕速度，減輕了受熱面的積灰程度，延長(zhǎng)了設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和可用率，減少了維護(hù)費(fèi)用，獲得較佳的投資性價(jià)比，設(shè)備運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，生活固廢處理量、蒸汽參數(shù)、鍋爐效率、爐渣熱灼減率、摻煤量等多項(xiàng)運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)全部?jī)?yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

6結(jié)語(yǔ)

CFB技術(shù)焚燒生活固廢具有燃燒效率高、污染物排放量低、初投資和運(yùn)行費(fèi)用低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，自貢垃圾焚燒項(xiàng)目的成功運(yùn)行可以為同行提供幫助和借鑒。

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Discussion on Incineration Technology of Solid Wastes in CFB Boilers

Cai Wengang

(China Western Power Industrial Co., Ltd., Chengdu 610100, China)

Abstract：Problems concerning incineration technology of solid wastes in circulating fluidized bed (CFB) boilers were discussed, while technical experiences about incineration of pure solid wastes without addition of coal were summarized to prevent ash bridge. Meanwhile, an analysis on design principles of the boiler furnace was carried out and factors to be considered during the design process were listed, based on an actual design example of boiler furnace, which may serve as a reference for persons of the same occupation.

Keywords：CFB; solid waste; furnace; combustion

中圖分類號(hào)：TK229.66； X705

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)02-0110-06

作者簡(jiǎn)介：蔡文鋼(1968—)，女，高級(jí)工程師，主要從事鍋爐設(shè)計(jì)、壓力容器設(shè)計(jì)和煙氣污染物防治技術(shù)等工作。E-mail: 18030823615@189.cn

收稿日期：2015-10-23