垃圾焚燒發(fā)電廠爐排爐選型和設(shè)計研究

林 武，康 鋒，周志勇（.晉西裝備制造有限責(zé)任公司，太原 03007；.晉西車軸股份有限公司，太原 03007）

垃圾焚燒發(fā)電廠爐排爐選型和設(shè)計研究

林 武1，康 鋒2，周志勇2
（1.晉西裝備制造有限責(zé)任公司，太原 030027；2.晉西車軸股份有限公司，太原 030027）

介紹了國內(nèi)外垃圾焚燒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及垃圾焚燒發(fā)電廠的工藝流程。集中對垃圾焚燒行業(yè)主流的幾種焚燒爐結(jié)構(gòu)、工藝進行了選型對比與分析，詳述了水平布置傾斜順推三段式爐排的設(shè)計要點，從給料系統(tǒng)、爐排供風(fēng)、爐膛溫度場分布等方面進行了設(shè)計研究。

垃圾焚燒；爐排爐；選型與設(shè)計

據(jù)國家統(tǒng)計局2013年按照常住人口比例統(tǒng)計，我國城鎮(zhèn)化率達(dá)到了53.7%，但相比歐美國家80%以上的城鎮(zhèn)化率還有不小的差距。隨著城鎮(zhèn)化進程的繼續(xù)，我國各大中小城市的公共服務(wù)壓力驟增，不僅體現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施、教育資源、醫(yī)療保健、住房等方面，還涉及到了衛(wèi)生環(huán)保領(lǐng)域。根據(jù)分析預(yù)計，我國2015、2020年城市生活垃圾產(chǎn)量將達(dá)到2.6億噸和3.23億噸，而目前全國各大中城市平均垃圾無害化處理率僅為66%左右［1］，其中占用大量土地的填埋處理方式占比高達(dá)70%。隨著城市及周邊用地的緊張，大力發(fā)展垃圾焚燒產(chǎn)業(yè)勢在必行。

1　垃圾焚燒行業(yè)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)初，在歐美國家就出現(xiàn)了垃圾焚燒處理技術(shù)，而可控焚燒、排放煙塵治理、余熱利用及發(fā)電的綜合處理技術(shù)，是在20世紀(jì)70年代之后才開始發(fā)展的，并以日本及歐美發(fā)達(dá)國家為先。

美國在2001年就實現(xiàn)了全國生活垃圾全部焚燒處理并關(guān)閉了全國的垃圾填埋場，填埋場原先填埋的垃圾則挖出送至新建焚燒廠焚燒處理［2］。歐洲以德法等國家為工業(yè)國家代表，也發(fā)展成了成熟的垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)，并且配套發(fā)展了焚燒裝備及煙氣凈化設(shè)備。

20世紀(jì)60、70年代，日本由于工業(yè)發(fā)展以及城市化進程迅猛，環(huán)境問題爆發(fā)。因此，日本也是最早開始進行大規(guī)模垃圾焚燒處理的國家之一。從1965年以來，日本建設(shè)了超過3000臺焚燒爐，到了20世紀(jì)，日本的垃圾焚燒處理量已占到了垃圾處理總量的70%以上［3］，無害化處理比例超過90%。

我國從20世紀(jì)90年代以來，北京、上海、深圳等一線城市及沿海發(fā)達(dá)城市和省會城市等，人口規(guī)模增加了數(shù)倍。以山西省會太原市為例，至2014年，常住人口430萬，以每人每天0.8～1.1kg的垃圾產(chǎn)生量計算，每天約產(chǎn)生4000噸，而現(xiàn)有的侯村垃圾填埋場的日處理量為1500噸，庫容僅夠使用17年。因此，快速發(fā)展垃圾焚燒，是整個國家持續(xù)發(fā)展必然的舉措。

1985年，深圳引進了三菱的成套焚燒設(shè)備；2003年上海環(huán)境在上海市江橋鎮(zhèn)建成江橋垃圾焚燒發(fā)電廠，引進了德國斯坦米勒的順推爐排技術(shù)后，單爐在每日處理量400噸甚至500噸以上的大型現(xiàn)代化焚燒爐在全國各地大中城市開始迅速發(fā)展。

2　垃圾焚燒爐設(shè)備技術(shù)分析

國內(nèi)的垃圾焚燒發(fā)電設(shè)備大部分都是引進國外的技術(shù)。以核心的焚燒爐來說，主要是回轉(zhuǎn)窯爐、流化床爐、熱解氣化爐和爐排爐。雖然還有其他的爐型等，但應(yīng)用與規(guī)模都較小。

回轉(zhuǎn)窯爐是一個緩慢旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)窯，內(nèi)壁鋪設(shè)耐火磚或者是水冷壁，依靠窯體旋轉(zhuǎn)進行垃圾的攪拌，窯內(nèi)燃燒溫度可達(dá)1200℃?；剞D(zhuǎn)窯爐處理垃圾不需要預(yù)處理，適應(yīng)多種成分的垃圾，可以焚燒污泥。其缺點是單爐處理量較小。由于美國有眾多人口在30萬以下規(guī)模的中小型城市，回轉(zhuǎn)窯焚燒爐在美國有較多的應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代末期到90年代，美國發(fā)展了多種回轉(zhuǎn)窯焚燒爐。常見的有基本形式的回轉(zhuǎn)窯爐（如圖1）和帶干燥爐排的回轉(zhuǎn)窯爐［2］（如圖2）。

圖1　基本形式的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐

圖2　帶干燥爐排的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐

1988年，日本的谷山大市發(fā)明了“大谷熱解氣化爐”后，這種焚燒爐開始逐步推廣。這種焚燒爐的爐內(nèi)分干餾蒸發(fā)爐和高溫燃燒爐，干餾爐保持還原氛圍，將垃圾干餾氣化，然后進入第二高溫燃燒室，在900℃～1600℃的強氧化環(huán)境下充分燃燒［3］。熱解氣化爐只要保持高溫爐強氧化氛圍的監(jiān)控，監(jiān)控出口CO濃度，就能夠有效地控制二英的排放。不過，其缺點也明顯，對垃圾的熱值要求較高，含水量較多的垃圾或者成分混雜、不燃物過多的垃圾，不適用于熱解氣化爐。同時其單爐的處理規(guī)模也較小。

流化床爐沒有運動爐體或者爐排，只有主燃燒室和熱回收室，其將垃圾干燥破碎至粒徑在5cm以下后，投入爐中，與爐內(nèi)燃煤加熱至600℃作為熱載體的石英砂混合，處于流化半懸浮狀態(tài)，然后在高溫下熱解氣化并高速燃燒，燃渣與不燃物與流動砂混合排出［5］。流化床中常見的有內(nèi)循環(huán)流化床（ICFB）與回旋流流化床（TIF）（如圖3）。內(nèi)部循環(huán)流化床焚燒爐熱效率高、床溫均勻、煙氣流速低，耐用性、可靠性都較好。但其的缺點是垃圾在流化狀態(tài)下，燃燒不夠完全，飛灰量大；在垃圾的熱值不足時，需要加入較多的燃煤進行助燃。國內(nèi)一些采用流化床焚燒爐的垃圾焚燒廠存有小型燃煤火電的可能。

圖3　回旋流流化床焚燒爐

爐排式焚燒爐是當(dāng)前垃圾焚燒行業(yè)應(yīng)用最多的焚燒爐，國內(nèi)近些年新建的焚燒廠中，其比例能占到7成左右。爐排爐的種類大致分為鏈條傳動式、液壓驅(qū)動往復(fù)式、滾動式［4］，其中應(yīng)用較多的是液壓驅(qū)動的往復(fù)式爐排爐（如圖4）。

圖4　爐排爐核心設(shè)備爐排

本文所研究的是主流的液壓驅(qū)動往復(fù)式爐排。往復(fù)式爐排根據(jù)不同的廠家各自擁有的不同技術(shù)，針對不同國家地區(qū)的生活垃圾物化性狀態(tài)，也有多種不同的型式。

（1）水平布置傾斜順推爐排

這種爐排一般以15°～25°之間傾斜布置爐排片，以液壓機構(gòu)驅(qū)動，固定爐排與可動爐排沿垃圾推進方向交替布置。垃圾整體在爐排上呈水平布置，前進動力完全來自于順推爐排，所有垃圾在爐排上干燥、燃燒的時間十分均勻，燃燒完全、熱酌減率較低。傾斜爐排之間有1～2mm的間隙，燃燒過程中，垃圾殘渣能夠從間隙中落入爐下灰斗中收集。同時爐下灰斗又作為一次風(fēng)的進風(fēng)通道，一次風(fēng)最終從爐排片下方噴入，起到風(fēng)冷與助燃的作用，穩(wěn)定性與可靠性較好。日本JFE、EQ公司等制造的中小型爐排（500噸及以下），多數(shù)這種形式（如圖5）。

圖5　EQ公司的水平布置傾斜順推爐排

（2）傾斜逆推式爐排

爐排整體為傾斜布置，爐排片逆向推動。垃圾在爐排上依靠重力滾動前進，爐排片逆推使垃圾充分?jǐn)嚢?。其?yōu)點是：垃圾攪拌均勻，相比水平布置爐排的整體長度要短，投資較少。缺點是垃圾可能會成塊滾落，燃燒效果相對略差。這種爐排的技術(shù)主要為三菱-馬丁公司所掌握（如圖6），由于投資較低、效果尚可而受到市場較大程度的認(rèn)同，尤其在500噸及以上的大中型爐排爐中采用得也較多。但逆推爐的爐排片承載較大，容易損耗。一般驅(qū)動多采用上拉下推的方式，較水平順推復(fù)雜。

圖6　三菱-馬丁式傾斜逆推爐排

圖7　Waterleau、田熊、西格斯等水平順推爐排

（3）傾斜布置水平順推爐排

該型爐排的爐排片的推動方向為水平往復(fù)，爐排整體呈15°～20°傾斜布置（如圖7）。垃圾在爐排上的運動狀況類似于傾斜逆推爐排，但相比之下，攪拌效果不如逆推爐排，不過水平爐排片的載荷較小，爐排片的使用壽命要長于逆推爐。水平順推爐排燃燒過程中垃圾殘渣從爐排間隙下漏較少，因此殘渣混雜在垃圾中燃燒，一些廠家在爐排上設(shè)切割破碎裝置，以提高燃燒效率。

3　爐排爐垃圾焚燒發(fā)電廠工藝流程

采用爐排爐的垃圾焚燒廠的基本工藝流程如圖8。

該垃圾焚燒發(fā)電廠采用水平布置傾斜順推爐排爐技術(shù)，煙氣凈化系統(tǒng)采用半干法 + 活性炭、碳酸氫鈉噴射+干法的工藝（見圖9）。

垃圾轉(zhuǎn)運由所在市環(huán)衛(wèi)部門負(fù)責(zé)，有專門的垃圾分揀與壓縮處理站，每日約有1800噸的原生垃圾運送到廠區(qū)，從卸料大廳卸入垃圾池中儲存，垃圾池的總?cè)萘孔銐?日焚燒所需垃圾的堆放，垃圾池采用全密封結(jié)構(gòu)，底部設(shè)池收集滲濾液統(tǒng)一凈化處理。

圖8　垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒線工藝流程圖

圖9　半干法脫酸+碳酸氫鈉、活性炭噴射+干法布袋除塵煙氣凈化系統(tǒng)流程圖

用大型抓斗對垃圾進行堆垛攪拌，促使其熟化脫水發(fā)酵，以提高以廚余垃圾為主的我國城市垃圾的熟化度。給料時，抓斗抓取熟化垃圾，往焚燒線料斗內(nèi)兩點均勻投料。投料時，垃圾料斗閘門閉合，垃圾落入后自然封閉其閘門間隙，起到了密封作用，防止干燥段的火苗上竄。

給料控制系統(tǒng)定時開合閘門將定量垃圾落入推料器中，由推料器推入焚燒爐排干燥段。點火燃燒器噴油或者天然助燃點火，垃圾在燃燒爐排上勻速推進并燃燒。一次助燃風(fēng)吸口設(shè)置在垃圾池上部，將垃圾池中的沼氣、臭氣吸入，從爐排下灰斗處進風(fēng)，經(jīng)風(fēng)管從爐排片下方爐排縫隙間噴入，助燃同時作為爐排片風(fēng)冷。部分進風(fēng)經(jīng)由爐膛爐壁再匯入一次風(fēng)，作為爐壁空冷，防止飛灰在爐壁上焦結(jié)。垃圾經(jīng)由有段差的干燥爐排、燃燒爐排、燃盡爐排，最終減量80%左右，變成無害殘渣落入溜管進入出渣機水冷后，被干燥推出，落入渣坑，另行處理。

焚燒產(chǎn)生的煙氣在特殊設(shè)計的爐膛中上升，進入余熱鍋爐，在迂回結(jié)構(gòu)的二次燃燒室中，繼續(xù)保持在850℃以上的溫度2s以上，以促使二英類在高溫下分解。然后煙氣經(jīng)由過熱器、省煤器進入煙氣凈化系統(tǒng)。二次風(fēng)從煙氣凈化系統(tǒng)出口處引回，經(jīng)余熱，從爐膛中部噴入，使膛內(nèi)煙氣產(chǎn)生湍流和渦流，減少CO的產(chǎn)生，遏制二英，使其處于低氧燃燒環(huán)境，抑制NOx的產(chǎn)生。

煙氣進入凈化系統(tǒng)之后，先經(jīng)過水冷壁冷卻，然后從半干法脫酸反應(yīng)塔頂部蝸型口進入，與霧化器噴出的霧狀Ca（OH）2霧滴進行反應(yīng)，脫去煙氣中的HCl、SO2等酸性氣體，反應(yīng)顆粒物部分沉降落入反應(yīng)塔下部灰斗進入輸灰機。然后在煙氣進一步噴入弱堿性碳酸氫鈉中和，噴入活性炭顆粒吸附二英及重金屬等固體顆粒，之后煙氣進入布袋除塵器，經(jīng)布袋過濾后，達(dá)到歐盟2000以及新國標(biāo)《大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

4　水平布置傾斜順推爐排爐設(shè)計研究

水平布置傾斜順推爐排爐由以下幾部件組成：

（1）垃圾給料系統(tǒng)

每臺垃圾焚燒爐都配有垃圾料斗、溜管和推料器，料斗內(nèi)的垃圾通過溜管落下，由推料器均勻地推至爐排上。推料器根據(jù)焚燒負(fù)荷和爐內(nèi)燃燒狀況調(diào)節(jié)給料速度。

垃圾料斗的容積滿足焚燒爐在MCR工況（最大連續(xù)出力）下60min的垃圾消耗量。該工程MCR指垃圾的熱值LHV為設(shè)計平均值6699kJ/kg，垃圾處理量為20.83t/h（500t/d）時的工況。通過計算，獲得此工況爐排爐床層熱強度：

該項目垃圾低位熱值為4187kJ/kg，高位熱值8374kJ/kg。若以低位熱值，按照相同床層熱強度進行計算，可獲得最大所需要燃燒重量為：

按照垃圾高位堆密度值0.6t/m3計算，料斗最小容積為55m3，與詳細(xì)設(shè)計方案中給出4的最小容積152m3以上基本相符。按照0.2t/m3堆密度計算，需要156m3容積。

該項目的料斗長度為8.46m，側(cè)寬7.5m，閘門中心至料斗口高度5.5m，如果以閘門上部塔橋至料斗邊下方300mm水平，基本滿足了此容積的要求。18.07m2×8.46m = 152m3。料斗容積的二維概算見圖10。

圖10　料斗容積二維概算

料斗與溜管連接處設(shè)置料斗閘門，用于密封也兼做破拱裝置。每個垃圾料斗上安裝有工業(yè)電視（ITV）和超聲料位計，在垃圾吊車自動運行時，料位計按照上下限位置向吊車發(fā)送投料請求、投料停止指示信號。料斗溜管下設(shè)置水冷夾套以避免推料器與干燥爐排口輻射熱影響設(shè)備。冷卻水的回水溫度超過限值時，中央控制室會顯示報警信號。對于不同噸位的焚燒線，除了料斗容積相應(yīng)通過計算設(shè)計變更，還可適當(dāng)調(diào)整溜管高度，以適應(yīng)土建及鋼結(jié)構(gòu)的變化。

焚燒爐的給料機是可控制的給料裝置，采用液壓驅(qū)動。其操作由中央控制室的自動燃燒控制裝置追蹤爐排上的垃圾燃燒狀況來進行控制。推料器下面設(shè)滲濾液收集裝置，垃圾滲濾液通過管道自流至位于0m層的給料器滲濾液集水箱，再由滲濾液排出泵送至垃圾池的滲濾液收集池。給料機推料器返帶回的垃圾通過人工定期檢查清除。給料機側(cè)、底面內(nèi)襯耐磨板及構(gòu)件，機壁內(nèi)澆注有耐熱隔熱層。

（2）爐排系統(tǒng)

爐排分為四個段：干燥段、燃燒I段、燃燒II段和燃盡段。爐床面積根據(jù)床層熱強度與垃圾低位熱值計算確定，一般順推爐排爐床層熱強度（或稱爐排面積熱負(fù)荷）為277～694kW/m2之間［7］。根據(jù)計算可知，在設(shè)計平均熱值時，其床層熱強度為393.1kW/m2。

順推爐排垃圾床層厚度為800～1000mm，順推爐垃圾水平前進速度約為油缸移動速度的0.6～0.8。以3～8mm/s的油缸移動速度估算，每小爐內(nèi)推進25～38t（未干燥當(dāng)量），垃圾停留時間40～105min，基本滿足了燃燒較為完全的要求。

爐床整體呈水平排列，爐排片上傾角度約20°。爐排片向上方動作，背面設(shè)有冷卻鰭片，一次燃燒空氣（一次風(fēng)）在冷卻爐排片的同時從爐排片狹小縫隙間高速吹出。一次風(fēng)由垃圾池抽取后從爐下灰斗進入，爐排片底部的中部爐排支座，支撐用的同時，設(shè)有噴口。

該項目的垃圾元素特性含量見表1、表2。根據(jù)表1、表2數(shù)值進行計算，在總體組分中，各質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3。

表1　可燃基中的元素質(zhì)量比例

表2　熟化垃圾中的組分比例

表3　垃圾的元素組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)

上式中，22.41為1mol標(biāo)況下空氣的體積，21為空氣中氧含量百分比。

計算中的C、H等也約去百分計算。

Vo=0.0889C+0.2647H+0.0333S+0.030Cl-0.0333O= 0.0889×19.075+0.2647×2.73+0.0333×0.035+ 0.030×0.21- 0.0333×12.285 = 2.027 Nm3/kg

過量空氣系數(shù)m為1.6～2.0，500t/d單爐1h空氣量為：

Vo’= mVo×500×103/24 =（6.75-8.45）×104m3/h

二次風(fēng)如從垃圾池空氣中抽取，一般為一二次風(fēng)總量的0.34，采用再循環(huán)煙氣作為二次風(fēng)，一般取值為0.2。

Vo”= 0.2×（6.75 - 8.45）×104m3/h =（1.35-1.69）× 104m3/h

（3）燃燒室（焚燒爐殼體）

燃燒室由爐墻構(gòu)成。爐墻及外部殼體為抗震結(jié)構(gòu)，爐墻及其支撐鋼結(jié)構(gòu)安裝在鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，并且采用與外部氣體完全隔斷的氣密結(jié)構(gòu)。爐墻根據(jù)不同溫度區(qū)域采用相適應(yīng)的耐磨爐墻、空冷耐火爐墻、耐火爐墻等結(jié)構(gòu)，爐墻耐火磚采用分割支承。

爐拱傾斜角度根據(jù)燃燒狀態(tài)模擬及運行焚燒經(jīng)驗進行設(shè)計，以充分將燃燒段產(chǎn)生的熱量輻射到干燥段。

爐拱材料容易澆鑄和修補、不易燒損，爐拱線型便于施工。在燃燒室爐墻上設(shè)置爐內(nèi)壓力、燃盡段溫度等測量管座及燃燒器安裝座、預(yù)留垃圾滲濾液接口管座等。燃燒室在負(fù)壓下運行。燃燒室尾部設(shè)火焰監(jiān)視器及看火口，使運行人員能夠在中央控制室隨時觀測爐膛內(nèi)的燃燒狀況。二次燃燒室內(nèi)的煙氣在不低于850℃的條件下滯留時間不小于2s。

5　結(jié)語

近年來，集中爆發(fā)的空氣污染問題尤為嚴(yán)重，全社會都深刻認(rèn)識到環(huán)境治理的重要性。垃圾焚燒處理，是一項綜合集成了焚燒減量、可再生能源、脫硫脫硝凈化、除固體顆粒物、飛灰穩(wěn)定化、污水處理、污泥處理等多項高端環(huán)保技術(shù)的朝陽產(chǎn)業(yè)，也是國家可持續(xù)發(fā)展的環(huán)衛(wèi)利器?！笆濉庇媱澲?，對發(fā)展垃圾焚燒發(fā)電事業(yè)給予了高度支持。但仍有一些地方的民眾由于無知的恐懼，發(fā)生了抵制垃圾焚燒發(fā)電廠建設(shè)的群體事件。對此，垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)應(yīng)該提高自身技術(shù)管理、設(shè)備制造水平，在保證無害排放的前提下，深入群眾、加強宣傳，以服務(wù)社會的姿態(tài)，促成行業(yè)更大的發(fā)展。

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Model Selection of Grate Furnace and Design Research in Power Plant of Refuse Incineration

LIN Wu1， KANG Feng2， ZHOU Zhi-yong2
（1.Jinxi Equipment Manufacture Co.， Ltd， Taiyuan 030027； 2.Jinxi Axle Co.， Ltd， Taiyuan 030027， China）

The paper introduces the development status of refuse incinerating industry abroad and at home and technology flow of power plant of refuse incineration. Based on the contrast and analysis of model selection on several incinerator structures and technology of refuse incinerating industry， the paper expatiates the designing main points of grate furnace with level disposal incline and three-sect model， and carries out the design researches from material supply system， grate furnace wind supply， hearth temperature and field distribution etc.

refuse incineration； grate furnace； model selection and design

X705

A

1006-5377（2016）08-0025-06