新型爐排型生活垃圾焚燒爐的設(shè)備及應(yīng)用

林歡，朱清

（永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410330）

引言

2016年12月31日，國家發(fā)展和改革委員會、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》指出：全國城鎮(zhèn)生活垃圾處理設(shè)施采用技術(shù)，2015～2020年，垃圾焚燒所占比例由31%提高至54%?！笆濉比珖擎?zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)總投資為2518.4億元[1]。相比生活垃圾填埋，生活垃圾焚燒發(fā)電具有無害化、資源化、減量化、穩(wěn)定化等特點，高效、環(huán)保、且有顯著的經(jīng)濟效益。

我國生活垃圾的組成復(fù)雜、熱值低、灰分大，垃圾量隨季節(jié)性變化較大，垃圾熱值的高低也受之影響。影響垃圾焚燒的主要因素有停留時間、燃燒溫度、湍流度和過量空氣系數(shù)。停留時間一是指垃圾在焚燒爐內(nèi)的停留時間，即垃圾進爐焚燒至爐渣從爐內(nèi)排出所需的時間，其影響焚燒殘渣的熱灼減率和焚燒去除率；二是指垃圾焚燒煙氣在爐中停留的時間，即垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣在爐中所需時間，其影響燃燒效率、焚燒去除率和二英的分解率。垃圾在焚燒爐內(nèi)停留時間越長，燃燒越充分，二英分解越徹底，焚燒爐的體積越大，設(shè)備要求越高。垃圾燃燒過程要求控制適宜的燃燒溫度，因為燃燒溫度過低，會使垃圾燃燒不完全，產(chǎn)生二英；燃燒溫度越高，燃燒反應(yīng)速度越快，但過高的燃燒溫度會加快焚燒爐的內(nèi)壁和爐內(nèi)機械結(jié)構(gòu)的腐蝕速度，影響爐壁的使用壽命及爐內(nèi)機械的運行，還會促進氮氧化物的生成。焚燒爐是垃圾焚燒處理工藝中的核心設(shè)備，其對整體工藝路線、焚燒效果、工程造價、經(jīng)濟效益等，都起著重要的作用。

1 工程概況

某市建立城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠項目，設(shè)計生活垃圾總處理規(guī)模為1500t/d。一期規(guī)模為1000t/d，建設(shè)兩條2×500t/d的生活垃圾焚燒線及余熱鍋爐+1×18MW凝汽式汽輪發(fā)電機組。機、爐的參數(shù)選定為中溫、中壓（鍋爐4.0MPa、400℃；汽機3.83MPa、395℃）。預(yù)留1×500t/d的生活垃圾焚燒線及配套系統(tǒng)擴建場地。

2 技術(shù)分析

生活垃圾焚燒處理是指垃圾與一定量的空氣在焚燒爐內(nèi)進行氧化燃燒反應(yīng)。生活垃圾焚燒技術(shù)主要有4種：爐排爐層狀焚燒技術(shù)、水泥回轉(zhuǎn)窯燃燒技術(shù)、流化床焚燒技術(shù)和靜態(tài)熱解爐焚燒技術(shù)。對應(yīng)的焚燒爐主要為機械式爐排爐、回轉(zhuǎn)式焚燒爐、流化床焚燒爐、靜態(tài)連續(xù)焚燒爐。

2.1 機械式爐排爐

機械式爐排爐是目前世界上最常用、處理量最大、適用性最好的城市生活垃圾焚燒技術(shù)。機械爐排爐層狀焚燒技術(shù)，垃圾不需要進行預(yù)處理，對垃圾熱值適應(yīng)性強，且維護簡單，在歐美等發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用。機械式爐排爐的爐床由機械組成，爐溫正常運行時維持在850℃～950℃，垃圾在爐排上依次通過預(yù)熱干燥段、燃燒段和燃盡段。垃圾通過爐排間的相對運動翻動、攪拌并推向前進。機械式爐排爐單臺爐處理量大，垃圾在爐內(nèi)分布均勻，燃燒充分，運行時的給料情況可根據(jù)爐內(nèi)垃圾焚燒狀況調(diào)整，設(shè)備運行時間≥8000h，技術(shù)成熟[2]。爐排的關(guān)鍵部件耐高溫，對材質(zhì)要求高，設(shè)備造價高。焚燒爐的占地面積較大。

2.1.1 馬丁爐排爐

馬丁爐排爐是逆推式爐排爐（如圖1），爐排分為固定爐排和活動爐排兩種。兩種爐排按一定斜度依次排列。垃圾在重力的作用下向下移動，活動爐排產(chǎn)生與重力方向相反的傾斜推力，使部分垃圾往爐排表面反向移動，使垃圾充分?jǐn)嚢?。向上滑動的物料與新加入的垃圾混合在一起，可縮短干燥和點火的時間。馬丁爐排爐單臺爐的處理量大，垃圾在爐內(nèi)分布均勻，料層穩(wěn)定，燃燒完全?？筛鶕?jù)爐內(nèi)垃圾的焚燒狀況調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速，控制垃圾在爐內(nèi)的停留時間，直至燃盡。無需加燃煤，垃圾在爐排上燃燒，煙氣中的粉塵含量低，減輕了煙氣處理系統(tǒng)的壓力，可降低運行成本。

圖1 馬丁爐排爐

2.1.2 二段式垃圾焚燒爐

二段式垃圾焚燒爐排分為順推和逆推兩個燃燒區(qū)域（如圖2）。垃圾進入爐膛后，落在傾斜的逆推爐排上。通過逆推爐排的活動爐排，垃圾在爐排上不斷翻滾和攪拌，干燥、燃燒。在逆推爐排的末端，經(jīng)過落差掉入順推爐排上，繼續(xù)燃燒至燃盡?；以沙鲈鼨C排出爐外。通過逆推爐排的逆向運動，垃圾層得到充分?jǐn)嚢?，料層平整，燃燒狀態(tài)穩(wěn)定，爐膛溫度波動小。逆推爐排與順推爐排之間設(shè)置有臺階，使垃圾進一步攪動，確保垃圾充分燃燒。采用逆推爐和順推爐相結(jié)合，可保證垃圾焚燒的熱灼減率。

圖2 二段式垃圾焚燒爐

2.1.3 機械液壓順推爐排爐

機械液壓順推爐排爐分為水平給料爐排和焚燒爐排兩部分。垃圾通過料槽后，由水平給料爐排送到下方傾斜布置的液壓順推焚燒爐排上，爐排排面共有32排爐排片，分為5個爐排單元。排面與水平面呈21°角。爐排分為預(yù)熱干燥段、燃燒段、燃盡段。水平爐排片、上下翻動爐排片、固定爐排片組成一個動作單元，爐排片周期性的水平和上下翻動動作，使垃圾與一次風(fēng)充分接觸燃燒。液壓系統(tǒng)控制每節(jié)爐排片的動作，并通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)其頻率，完成垃圾的焚燒過程。

2.2 回轉(zhuǎn)式焚燒爐

回轉(zhuǎn)式焚燒爐利用水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同焚燒處理生活垃圾。水泥回轉(zhuǎn)窯窯體為內(nèi)襯耐火磚材料的鋼制桶狀設(shè)備，水平放置并輕度傾斜。筒體通過自身的回轉(zhuǎn)混合攪拌爐桶內(nèi)垃圾，使垃圾完全燃燒。垃圾進入回轉(zhuǎn)窯后，干燥、燃燒、燃盡，最后排至排渣裝置。焚燒后的垃圾殘渣作為熟料的一部分?；剞D(zhuǎn)式焚燒爐機械零件少，可長時間連續(xù)運行，故障率低，運行和維修費用少。通過爐體翻轉(zhuǎn)，垃圾充分燃燒，避免產(chǎn)生廢物未燃燒的死角。垃圾入爐前需進行嚴(yán)格的破碎、分選等預(yù)處理環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)尺寸較大、重金屬含量較多、不明成分的垃圾嚴(yán)禁入爐。預(yù)處理工序復(fù)雜，垃圾處理能力擴容困難，工作環(huán)境惡劣?；剞D(zhuǎn)式焚燒爐對熱值較高的工業(yè)固體廢棄物的焚燒使用較多，對于熱值低的生活垃圾燃燒較困難。

2.3 流化床焚燒爐

流化床焚燒爐采用流態(tài)化技術(shù)進行生活垃圾燃燒，爐內(nèi)是固定多孔布風(fēng)板，爐內(nèi)加一定量的石英砂粒作為熱載體?？諝庥刹硷L(fēng)板進入爐膛，通過調(diào)節(jié)空氣量使砂粒加熱至600℃以上處于流化狀態(tài)。正常運行時，爐溫維持在850℃～950℃。經(jīng)破碎的垃圾投入爐內(nèi)后，與熱載體充分混合而升溫、干燥、焚燒、燃盡；燃燒穩(wěn)定且速度快，燃燒完全，對垃圾變化的適應(yīng)性好，燃燒殘余物的熱灼減率低；能保證爐溫均勻，不易出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象；對入爐垃圾的熱值要求不高；流化床焚燒爐的爐內(nèi)無運動部件，結(jié)構(gòu)簡單、維修方便。但流化床單臺焚燒爐的處理能力較小；入爐前需對垃圾進行篩選和預(yù)處理；需設(shè)置垃圾破碎裝置；煙氣中的粉塵含量大，加重了除塵器負(fù)擔(dān)；飛灰量大，增加了處理費用，對煙氣處理系統(tǒng)要求較高。

2.4 靜態(tài)連續(xù)焚燒爐

靜態(tài)連續(xù)焚燒爐的主要組成部分包括液壓進料裝置、一次燃燒室、二次燃燒室、空氣供給系統(tǒng)及自動清灰裝置。靜態(tài)爐的工作分為熱分解和氧化兩個階段。兩個階段分別在不同的室內(nèi)完成。一次燃燒室的爐溫較低，供氣較少，垃圾進入一次燃燒室后，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到500℃～550℃時，會自動控制其進氣量，使垃圾在缺氧高溫狀態(tài)下，進行靜態(tài)缺氧熱解，以抑制某些酸性氣體及飛灰的形成。熱分解后，高溫?zé)煔膺M入二次燃燒室，并與充足的空氣進行氧化燃燒，產(chǎn)生高溫。靜態(tài)連續(xù)焚燒爐的占地面積較小，燃燒完全，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、投資較低、運行費用少；當(dāng)垃圾熱值偏低或含水量過高時，需加入較多的輔助燃料；熱解-氧化控制范圍小，對控制系統(tǒng)的可靠性要求高。

3 某項目的技術(shù)選擇及技術(shù)特點

根據(jù)《城市生活垃圾處理及污染防治技術(shù)政策》，垃圾焚燒目前宜采用以爐排爐為基礎(chǔ)的成熟技術(shù)，審慎采用其他爐型的焚燒爐。禁止使用不能達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)的焚燒爐[3]。結(jié)合某市的生活垃圾日處理量及垃圾具高水分、低熱值、沒分揀的特點，選用機械爐排爐層狀焚燒技術(shù)二段式機械焚燒爐。

某項目一期兩條2×500t/d的生活垃圾焚燒線路焚燒爐是在世界先進垃圾焚燒技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)生活垃圾的特點和燃燒情況研發(fā)的復(fù)合式機械爐排爐，采用“順推干燥+逆推燃燒燃盡”結(jié)構(gòu)設(shè)計和煙氣循環(huán)烘干的工藝設(shè)計，運用計算機CFD技術(shù)對爐排爐燃燒場進行數(shù)值模擬分析。

3.1 “順推段干燥+逆推段燃燒”結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合式機械爐排爐主要由進料裝置、推料裝置、順推干燥爐排、逆推燃燒、燃盡爐排、落渣灰斗、出渣機及液壓站等組成[4]。

垃圾車經(jīng)地磅秤稱重后進入垃圾卸料平臺，卸入垃圾貯坑。封閉式的垃圾貯坑正常運行時為負(fù)壓，確保坑內(nèi)臭氣不外逸。垃圾在垃圾貯坑內(nèi)存放發(fā)酵后，通過垃圾吊車抓斗進入焚燒爐給料斗，經(jīng)溜槽進入焚燒爐內(nèi)。垃圾先進入順推爐排干燥。順推爐排固定爐排片和移動爐排片組成，固定爐排片和移動爐排片交替排列。進入爐排的垃圾含有大量水分，重量大，順推爐排能承受較大負(fù)載，爐排面積大，便于垃圾烘干。垃圾烘干后，進入逆推排爐。順推排列與逆推排爐間存在落差，落差使垃圾跌落翻轉(zhuǎn)，打散大塊的垃圾，保證垃圾燃燒更充分。逆推排爐的爐排片也有固定爐排片與活動爐排片依次排列組成。垃圾在重力和爐排片的推力作用下以螺旋形翻攪方式前進。垃圾與空氣充分接觸，燃燒更徹底。順推段干燥+逆推段燃燒的結(jié)構(gòu)設(shè)計，縮短了垃圾干燥時間，增大了干燥面積，可保證垃圾在逆推段充分燃燒。針對爐排密封風(fēng)密封結(jié)構(gòu)與連桿接觸位置易產(chǎn)生間隙，密封效果不佳的問題，特設(shè)計了滑塊結(jié)構(gòu)的爐排密封風(fēng)密封裝置[5]?；瑝K隨連桿的運動而往復(fù)移動，可確保密封結(jié)構(gòu)與驅(qū)動連桿的接觸位置不產(chǎn)生間隙，密封效果好。

3.2 煙氣循環(huán)烘干式工藝設(shè)計

垃圾經(jīng)過進料裝置、推料裝置進入順推干燥段爐排，由于生活垃圾含水率高、熱值低，垃圾在順推干燥段爐排烘干助燃。垃圾燃燒的助燃空氣一次風(fēng)取自垃圾池，經(jīng)蒸氣空氣預(yù)熱器加熱后送入爐內(nèi)。垃圾烘干后進入逆推燃燒段爐排焚燒。垃圾加熱揮發(fā)的可燃性氣體正常燃燒需5%～10%的氧氣，空氣中的含氧量約為21%，爐內(nèi)的可燃性氣體與過量的氧氣燃燒會產(chǎn)生大量的氮氧化物，增加煙氣凈化系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，污染環(huán)境。垃圾燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度在850℃～1000℃。煙氣通過余熱鍋爐過熱器回收煙氣的熱量。從煙氣排放通道連接端到外端，鍋爐過熱器的煙氣溫度呈線性遞減。與空氣連接端排出的煙氣溫度小于100℃。因此，二次風(fēng)從鍋爐房上部鍋爐過熱器內(nèi)300℃～400℃溫度區(qū)引出，加壓后進入爐膛。二次風(fēng)的含氧量小于空氣的含氧量，含氧量為8%～10%。垃圾通過300℃～400℃的溫度烘干后，煙氣中的含氧量與垃圾中的可燃性氣體可以充分燃燒，可有效減少因氧氣過量產(chǎn)生的氮氧化物，實現(xiàn)煙氣循環(huán)利用[6]。

3.3 計算機CFD技術(shù)數(shù)值模擬分析

CFD（Computational Fluid Dynamics），即計算流體動力學(xué), 以計算機為工具，應(yīng)用各種離散化數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究，已廣泛用于大氣環(huán)境、航空航天、傳熱及化學(xué)反應(yīng)等工業(yè)領(lǐng)域，解決黏性流體的流動問題[7]?？梢岳肅FD對大型垃圾焚燒爐的速度、溫度、速度矢量和濃度場等進行數(shù)值模擬計算[8、9]。根據(jù)爐排爐床層固相燃燒、床層上方氣相燃燒的特點，采用分塊模擬，建立三維立體模型，并對參數(shù)變化梯度較大的區(qū)域進行網(wǎng)格加密。焚燒爐二維模型和中心縱截面三維網(wǎng)格分布圖如圖3所示。焚燒爐二次風(fēng)縱截面的速度分布圖如圖4所示。由圖3、圖4可知，二次風(fēng)噴射的動量可以穿透一定的爐膛深度，有利于爐內(nèi)的煙氣混合，促進垃圾的燃燒，提高燃燒效率。焚燒爐爐膛中心縱截面溫度分布圖如圖5所示。由圖5可知，順推干燥段溫度為850℃～900℃，逆推燃燒段的前半部分溫度為950℃～1100℃。說明采用煙氣循環(huán)烘干技術(shù)，垃圾在順推干燥段完成垃圾烘干，在逆推燃燒段的前半部分烘干后的垃圾得到充分燃燒。保證熱灼減率≤2.6%。

圖3 焚燒爐二維模型和中心縱截面網(wǎng)格分布圖

圖4 焚燒爐二次風(fēng)縱截面的速度分布圖

圖5 焚燒爐中心縱截面的溫度分布圖

圖6 爐膛中心縱截面的O2分布圖

圖7 爐膛中心縱截面的CO分布圖

圖8 爐膛中心縱截面的CO2分布圖

圖9 爐膛中心縱截面的H2O分布圖

圖6～圖9分別為熱態(tài)計算后爐膛中心縱截面O2、CO、CO2、H2O分布圖。由圖6～圖9可知，采用煙氣循環(huán)的二次風(fēng)入口含氧量較低。氧氣量主要集中在逆推燃燒段。說明采用煙氣循環(huán)烘干式技術(shù)可以控制含氧量在8%～10%，有效減少因氧氣過量產(chǎn)生的氮氧化物。順推干燥段的后端與逆推燃燒段的前段是揮發(fā)性氣體的析出區(qū)域，此處CO分布集中，其他位置的CO濃度較低。順推干燥段的CO2濃度最高，隨爐排長度方向，CO2濃度和H2O逐漸減小。說明垃圾在順推段干燥，含水率減少，在逆推燃燒段燃燒燃盡。

3.4 主要參數(shù)（見下表）

復(fù)合式機械爐排爐主要參數(shù)表

3.5 運行情況

該生活垃圾焚燒發(fā)電項目于2016年12月竣工并投入試生產(chǎn)，焚燒爐與環(huán)保配套設(shè)施運行正常。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，工程排放的廢氣、鍋爐排水、循環(huán)冷卻水排水、噪聲各污染因子均符合國家相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)限值要求，固體廢物得到妥善處置。

4 結(jié)論

分析了城市生活垃圾焚燒中常用的機械式爐排爐、回轉(zhuǎn)式焚燒爐、流化床焚燒爐、靜態(tài)連續(xù)焚燒爐的特點。以某市生活垃圾焚燒發(fā)電項目為例，介紹了新型爐排型生活垃圾焚燒爐設(shè)備的特點。該新型機械式爐排爐采用“順推干燥+逆推燃燒燃盡”結(jié)構(gòu)設(shè)計和煙氣循環(huán)烘干的工藝設(shè)計，并采用計算機CFD技術(shù)對爐排爐燃燒場進行數(shù)值模擬分析，焚燒爐技術(shù)先進，運行穩(wěn)定，適合我國城市生活垃圾、城市污泥、餐廚垃圾等無分揀的混合型垃圾處理。