黃開佳,莊宇剛,黎毅榮,陳 焱,龍官云
(廣州廣重企業(yè)集團(tuán)有限公司,廣州 511495)
生活垃圾焚燒經(jīng)過多年的發(fā)展,技術(shù)已經(jīng)日臻成熟。垃圾焚燒的方式很多,包括循環(huán)流化床燃燒、爐排爐燃燒、回轉(zhuǎn)窯燃燒等。由于循環(huán)流化床燃燒屬于低溫燃燒技術(shù),其爐膛溫度較低,不滿足限制二惡英產(chǎn)生的溫度條件,為達(dá)到所需爐膛溫度需采用助燃措施,近年來已經(jīng)很少采用;回轉(zhuǎn)窯燃燒散熱損失大,不符合生活垃圾處理“資源化”的要求,多用于危險(xiǎn)廢棄物的焚燒處理[1]。爐排型垃圾焚燒鍋爐有效地解決了二者的不足,成為市場的主流,已經(jīng)占據(jù)了生活垃圾焚燒行業(yè)90%以上的市場。雖然爐排型垃圾焚燒鍋爐的技術(shù)成熟,市場占有率高,但是在運(yùn)行中存在的問題也很多,如:爐膛結(jié)焦、過熱器入口煙溫偏高、爐膛金屬件腐蝕等。這些問題的產(chǎn)生,都與鍋爐爐膛的設(shè)計(jì)是否合理相關(guān)。爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,決定著垃圾焚燒鍋爐設(shè)計(jì)的成敗。
爐排型垃圾焚燒屬引進(jìn)技術(shù),流派較多,如丹麥偉倫、日立、三菱-馬丁、卡萬塔等[2]。由于各自技術(shù)特點(diǎn)不同,垃圾焚燒鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)形式多種多樣。根據(jù)爐膛幾何形狀和煙氣流動(dòng)的狀態(tài)可將爐膛分為對流式、并流式、交流式和二次回流式4 種形式,如圖1 所示;各結(jié)構(gòu)形式也與垃圾熱值相適應(yīng)。如低熱值適應(yīng)于對流式,中熱值適應(yīng)于交流式,高熱值適應(yīng)于并流式,對于四季垃圾熱值變化較大的適應(yīng)于二次回流式[3]。
圖1 爐膛的幾何形式
但在工程實(shí)踐中,采用上述方法設(shè)計(jì)的垃圾焚燒鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)了諸多問題。如丹麥偉倫技術(shù)采用并流式爐膛結(jié)構(gòu),在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生垃圾未然燼的現(xiàn)象,熱灼減率不滿足小于3%的要求[4];二次回流式中間布置的輻射天井運(yùn)行中故障率高,以上兩種結(jié)構(gòu)形式目前已經(jīng)基本退出市場。對流式與交流式結(jié)構(gòu)與我國傳統(tǒng)層燃鍋爐結(jié)構(gòu)類似,易于被操作者接受,目前市場占有率很高。究其原因,是在引進(jìn)技術(shù)的過程中,未充分考慮我國垃圾的特點(diǎn),爐膛形式與垃圾不適應(yīng);同時(shí),我國從事垃圾焚燒行業(yè)的鍋爐運(yùn)行人員多是從燃煤鍋爐轉(zhuǎn)變而來,對引進(jìn)鍋爐的結(jié)構(gòu)不熟悉,給運(yùn)行帶來困難。
我國生活垃圾具有熱值低、水份高的特點(diǎn),所以垃圾焚燒鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)必須適合我國垃圾的實(shí)際情況,進(jìn)行針對性地設(shè)計(jì)。表1所示為我國具有代表性的中等城市生活垃圾熱值及成份。由表中可見,生活垃圾含水量一般會(huì)超過50%,雖經(jīng)堆積發(fā)酵處理,有一部分滲濾液析出,熱值稍有提升,但仍改變不了其點(diǎn)火及燃燒困難的特點(diǎn)。同時(shí),同一地區(qū)隨著季節(jié)變換,生活垃圾成份及熱值也變化頻繁;特別是由于各地垃圾焚燒廠上馬過多,有的垃圾焚燒廠甚至出現(xiàn)了垃圾不夠燒的情況,多在生活垃圾中摻燒工業(yè)垃圾或陳腐垃圾,使生活垃圾焚燒鍋爐對燃料的適應(yīng)性變得更加復(fù)雜。所以,垃圾焚燒鍋爐爐膛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性不言而喻。本文根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)并參考相關(guān)資料,提出了爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法,該方法與我國生活垃圾的特點(diǎn)相適應(yīng)的,具有一定的借鑒價(jià)值。
表1 生活垃圾元素分析及熱值表
爐膛結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。其屬于交流式的改進(jìn)型,在后拱處增設(shè)折焰角[5],使其更適應(yīng)生活垃圾的變化。
圖2 爐膛結(jié)構(gòu)
垃圾焚燒鍋爐爐膛由下部的爐排、前部的前拱(向上延展成前墻)和后部的后拱(向上延展成后墻)及左、右側(cè)墻組合而成。
垃圾熱值在4 200 kJ/kg 左右時(shí),無需燃料助燃,所以引進(jìn)技術(shù)如卡萬塔、三菱-馬丁等焚燒技術(shù)中,爐膛的燃燒室部分(爐膛下部用于組織燃燒的部分稱為燃燒室)均為絕熱爐膛,甚至在爐膛出口處還設(shè)有燃燒器,以保證煙氣在溫度不低于850 ℃情況下停留時(shí)間不少于2 s。
隨著垃圾熱值升高,如采用絕熱爐膛將出現(xiàn)燃燒室內(nèi)超溫、結(jié)焦的現(xiàn)象。目前多采用內(nèi)敷耐火澆筑料的水冷燃燒室,即將前拱、后拱、側(cè)墻根據(jù)需要,采用水冷壁內(nèi)襯澆筑料的形式,有效解決了爐膛燃燒室結(jié)焦問題。為保證850 ℃以上煙氣停留時(shí)間不小于2 s的要求,一般澆筑料的敷設(shè)高度可達(dá)煙氣出口窗位置。
爐膛結(jié)構(gòu)布置是否合理,對鍋爐能否正常運(yùn)行起著決定性的作用。在爐膛的設(shè)計(jì)中,應(yīng)通過爐膛熱負(fù)荷、爐膛截面流速及爐膛高度3個(gè)方面進(jìn)行衡量。
1.2.1 爐膛熱負(fù)荷的選取
爐膛熱負(fù)荷的選取至關(guān)重要,一般取值范圍在85~230 kW/m3之間[6],由于該值所覆蓋的范圍較寬,所以在選取時(shí)應(yīng)格外注意。取值時(shí)要考慮爐膛水冷度的影響,如果爐膛水冷度較低,則取下限;若爐膛水冷度較高,可按上限選取。由于環(huán)保要求2 s點(diǎn)的設(shè)置,目前垃圾焚燒鍋爐的爐膛均采取耐火澆筑料敷設(shè)的方式,從而導(dǎo)致水冷度較低,故建議按下限選取,不宜超過90 kW/m3。圖3所示為垃圾焚燒鍋爐爐膛熱負(fù)荷選取不當(dāng),導(dǎo)致爐溫過高造成的結(jié)焦現(xiàn)象。惡劣工況下焦塊的厚度超過1 m,嚴(yán)重威脅鍋爐安全運(yùn)行,甚至有焦塊脫落時(shí)砸毀爐排的現(xiàn)象發(fā)生。
圖3 爐膛前拱結(jié)焦
1.2.2 爐膛截面煙氣流速
爐膛截面煙氣流速控制也是設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮的問題。由于垃圾焚燒煙氣中含塵量較高,過高的煙氣流速會(huì)攜帶灰塵粒子在爐膛中向上運(yùn)動(dòng),造成對爐膛水冷壁的磨損。特別是在煙氣轉(zhuǎn)向的位置,磨損現(xiàn)象更加突出,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水冷壁爆管,若進(jìn)入尾部受熱面,還會(huì)造成磨損和積灰,所以在設(shè)計(jì)中選擇截面流速在3~4 m/s左右為宜。
1.2.3 爐膛高度的控制
在爐膛高度上,一般從爐排面起算,至煙氣出口窗的位置高度不宜低于15 m。此高度的給出是基于兩個(gè)方面考慮:其一,保證煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間,減少煙氣對灰塵的攜帶;其二,爐膛高度方向的增加,可以保證2 s點(diǎn)的滿足。爐膛高度也不是越高越好,其高度以煙氣出口窗處溫度控制在850 ℃為宜,此溫度不但對二惡英的生成可控[7],同時(shí)也避免了后部受熱面結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)。
生活垃圾焚燒鍋爐爐膛無論是采用絕熱型還是水冷型,其爐膛內(nèi)都有耐火材料的敷設(shè)。由于垃圾焚燒產(chǎn)生的堿性熔融物對普通黏土耐火材料具有很強(qiáng)腐蝕性,所以爐膛內(nèi)耐火材料應(yīng)選擇具有抗腐蝕的高鋁耐火材料或鉻鎂質(zhì)及鋁鎂質(zhì)耐火材料。根據(jù)爐膛內(nèi)各點(diǎn)溫度的不同,采用耐火材料也不相同。爐膛下部燃燒室溫度最高,可達(dá)1 200 ℃以上,所以此處選用含AL2O3為90%的剛玉耐火材料;在二次風(fēng)噴嘴以上部位,爐膛溫度一般在1 000 ℃以下,此處可采用SiC 耐火澆筑料或搗打料,均能滿足運(yùn)行要求。
爐膛設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮爐墻支撐托架、錨固件等的耐熱性和耐腐蝕性問題。煙氣中的硫氧化物(SOx)及氯化氫(HCL)對金屬材料有腐蝕性,在320~800 ℃范圍內(nèi)氯化鐵及堿式硫酸鐵的生成與分解的過程稱為高溫腐蝕。為減輕高溫腐蝕,高溫區(qū)耐熱金屬件材質(zhì)建議選取1Cr25Ni20。耐火材料的厚度也是設(shè)計(jì)中選取的關(guān)鍵因素,此厚度與熱力計(jì)算相匹配,對爐膛的水冷度影響大,決定著爐膛出口的煙氣溫度。
滲濾液是一種成份復(fù)雜的高濃度有機(jī)廢水,其性質(zhì)取決于生活垃圾的成份、粒徑、現(xiàn)場的氣候等因素,一般具有水質(zhì)復(fù)雜、危害性大、COD 和BOD 濃度高、氨氮含量高、金屬含量高的特點(diǎn)[8-9]。在垃圾焚燒廠設(shè)計(jì)中,考慮減少污水處理費(fèi)用,一般采用回噴到爐膛內(nèi)進(jìn)行焚燒的辦法進(jìn)行處理。
然而,事實(shí)證明此種辦法弊端多多,嚴(yán)重影響了鍋爐運(yùn)行。首先,由于滲濾液成份復(fù)雜,燃燒后產(chǎn)生的酸性氣體及含堿金屬的灰塵對鍋爐本體金屬腐蝕嚴(yán)重;其次,由于其屬于高濃度廢水,霧化及噴射效果不佳,經(jīng)常造成系統(tǒng)管理堵塞、澆筑料開裂、爐膛燃燒偏析等問題,嚴(yán)重影響鍋爐的正常運(yùn)行。所以在垃圾焚燒鍋爐爐膛設(shè)計(jì)中,應(yīng)避免考慮滲濾液回噴。
爐膛是生活垃圾著火、燃燒的場所。垃圾燃燒的過程主要包括3個(gè)階段:干燥引燃階段、焚燒階段和燃燼階段[10]。以上3個(gè)階段的界限并不十分明顯,有時(shí)可能交叉同時(shí)進(jìn)行,但在焚燒爐內(nèi)的其各階段大致如圖1所示。
(1)干燥引燃階段
從垃圾進(jìn)入爐內(nèi)到揮發(fā)份析出著火這一段是干燥段,一般其占據(jù)爐排長度的20%~30%。由于垃圾中含有大量水份,雖經(jīng)5~7 天的堆積、發(fā)酵,但實(shí)際入爐垃圾的水份經(jīng)常大于50%[11]。由于垃圾中的水份是以蒸汽形式析出,所以干燥過程需要爐膛提供大量的熱量。水份越高的垃圾,所需干燥的熱量越多,從而導(dǎo)致爐內(nèi)溫度降低或干燥時(shí)間加長,這都會(huì)對整個(gè)焚燒過程產(chǎn)生影響。
(2)焚燒階段
垃圾經(jīng)過干燥階段后,如果爐內(nèi)溫度足夠高,又有足夠的氧氣,垃圾就會(huì)順利地進(jìn)入真正的焚燒階段。焚燒階段不是一個(gè)機(jī)械的順序過程,也不是一個(gè)簡單的氧化反應(yīng)。在此階段中,一般包括兩個(gè)同時(shí)存在的化學(xué)反應(yīng)過程:垃圾的熱解和揮發(fā)份燃燒。
熱解是有機(jī)物的熱分解過程,在焚燒階段中,固體垃圾直接和氧化介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)并不容易。對于一般的有機(jī)廢棄物而言,總是先進(jìn)行熱解,析出大量的氣態(tài)可燃?xì)怏w成份,多半是小分子的CO、CH4、H2或分子量較小的CmHn等氣態(tài)物質(zhì)或殘?zhí)?,這些小分子氣態(tài)可燃混合氣體與氧化介質(zhì)進(jìn)行均相燃燒就比較容易了。熱解過程也稱為揮發(fā)份析出過程,揮發(fā)份析出的溫度區(qū)間很寬,一般在250~450 ℃范圍內(nèi),不同種類的垃圾,揮發(fā)份析出的溫度區(qū)間也各不相同。
因此,焚燒生活垃圾時(shí),要注意熱解過程發(fā)生在爐內(nèi)的什么區(qū)段或什么溫度區(qū)間是很重要的。揮發(fā)份析出后,立即會(huì)和氧氣發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng),燃燒時(shí)間短、速度快,這是焚燒階段的主要特征。
(3)燃燼階段
當(dāng)垃圾在焚燒階段進(jìn)行強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)之后,參與反應(yīng)的物質(zhì)濃度自然就減少了,氣態(tài)的CO2、H2O和固態(tài)灰渣不斷增加。由于灰層的形成和惰性氣體的比例增加,反應(yīng)不斷減弱,直到燃燼。在這個(gè)階段,氧氣需要較少,燃燒也較弱。
由以上介紹可以看出,生活垃圾在爐排上的燃燒可以按區(qū)段進(jìn)行,但各區(qū)段并無明顯界限,也有可能交叉進(jìn)行。如何組織燃燒,是爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要課題。把鍋爐前、后墻下部傾斜部分稱為前、后拱,對于燃燒的組織主要是由前、后拱的合理配置完成的[12]。
前拱的作用是對燃料進(jìn)行引燃,但它本身并不能產(chǎn)生熱量,而只能積蓄熱量和輻射熱量。前拱的傾角應(yīng)以40°左右為宜,過高不利用對燃料層形成輻射,過低不利于自身熱量的吸收。前拱覆蓋爐排的面積稱為前拱覆蓋率,此值一般在20%~35%左右,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)垃圾熱值進(jìn)行調(diào)整,對于垃圾熱值低于6 000 kJ/kg 的生活垃圾,此值建議取上限;當(dāng)垃圾熱值在9 000 kJ/kg及以上時(shí),建議此值不宜超過20%。
后拱位于火床的后部,主要作用是控制氣流的方向,并對燃燼段的未燃燼垃圾提供熱量,促進(jìn)其燃燼,使垃圾灰渣的熱灼減率小于3%。在后拱下部燃燒產(chǎn)生的煙氣,通過后拱迫使其向前流動(dòng),其煙氣流速一般為4~5 m/s,具有一定的動(dòng)量。在此動(dòng)量的作用下,可以攜帶主燃區(qū)的煙氣沖向前拱,在前、后拱的相互作用下,煙氣氣流在燃燒室內(nèi)形成倒a沖刷,不但增加了前拱的吸熱量,還使煙氣中攜帶的大量高溫灰粒子沉降到前拱下的干燥引燃段,大大增加了點(diǎn)火引燃的可靠性。
前、后拱的中間部位稱為“喉口”,喉口是垃圾燃燒后產(chǎn)生煙氣流動(dòng)的必經(jīng)之路。喉口的設(shè)計(jì)是否合理,也是爐膛燃燒室是否會(huì)產(chǎn)生結(jié)焦的決定性因素。對垃圾熱值較低的鍋爐,為保證垃圾能夠順利點(diǎn)火燃燒,需將喉口設(shè)計(jì)的小些,此時(shí)可增加燃燒室處的熱負(fù)荷;如果垃圾熱值較高,需將喉口部位設(shè)計(jì)增大,此時(shí)可降低燃燒室的容積熱負(fù)荷,避免結(jié)焦。喉口大小的設(shè)計(jì)可參考喉口出口處的煙氣流速,此值可在4~6 m/s范圍內(nèi)選取,對于低熱值垃圾可取上限,喉口的尺寸是通過調(diào)整折焰角來實(shí)現(xiàn)的。
由于生活垃圾熱值低、水份高,決定了其燃燒組織必須采取二次風(fēng)參與燃燒。對于爐排型垃圾焚燒鍋爐,前后拱組合+二次風(fēng)組織燃燒是垃圾焚燒鍋爐能夠正常點(diǎn)火燃燒的充要條件。
二次風(fēng)布置的位置,受前期引進(jìn)技術(shù)的影響,多布置于燃燒室以上垂直爐膛部分[13]。通過現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)來看,煙氣出口窗處煙溫偏高,分析認(rèn)為是由于二次風(fēng)噴入后二次燃燒造成的,通過數(shù)值分析也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。由圖4 可以看出,在垂直爐膛下部噴入二次風(fēng)后,在爐膛中部的中心區(qū)煙氣溫度明顯偏高。對于生活垃圾焚燒鍋爐來說,為了控制NOx的排放,一般均采用SNCR的脫硝方式,由于爐膛內(nèi)煙氣溫度的升高,超過了最佳脫硝溫度點(diǎn),導(dǎo)致脫硝效果變差,達(dá)不到環(huán)保要求;同時(shí)由于煙溫升高,增加了過熱器高溫腐蝕及尾部受熱面粘結(jié)積灰的風(fēng)險(xiǎn),對鍋爐運(yùn)行帶來危害。
圖4 爐膛內(nèi)溫度分布區(qū)域
若要改變這種情況,必須對二次風(fēng)的布置進(jìn)行調(diào)整,如圖5所示,需從以下幾個(gè)方面入手:(1)增加煙氣擾動(dòng),避免熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w在爐膛上部燃燒;(2)調(diào)整二次風(fēng)管布置的位置,將二次風(fēng)管布置在喉口位置,采用前后墻布置,前墻在上,后墻在下,形成雙層布置;(3)二次風(fēng)管均采用傾斜向下的布置方式,二次風(fēng)出口流速控制在65 m/s左右,保證二次風(fēng)具有一定的剛度和穿透性,有效加強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流的擾動(dòng),改善燃燒效果;(4)二次風(fēng)溫可根據(jù)垃圾熱值的高低進(jìn)行選擇。
圖5 改進(jìn)型二次風(fēng)布置
通過對二次風(fēng)的布置進(jìn)行調(diào)整,目前鍋爐運(yùn)行狀況改善效果明顯。
首先,爐膛中部煙氣溫度偏高的問題得到解決,出口煙窗處溫度可以控制在850 ℃左右,確保降低二惡英產(chǎn)生的溫度條件。這是由于改進(jìn)二次風(fēng)噴口位置后,爐膛的燃燒均在爐膛下部的燃燒室內(nèi)完成,不存在未燃盡氣體在爐膛中部燃燒的情況。爐膛出口煙氣溫度可控后,過熱器入口煙氣溫度超標(biāo)的問題也得以解決。
其次,SCNR裝置可在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,調(diào)節(jié)難度降低,NOx的排放量可以控制在150 mg/Nm3以下,滿足環(huán)保要求。
第三,爐膛結(jié)焦現(xiàn)象大幅減少,因?yàn)闋t膛結(jié)焦導(dǎo)致停爐的問題基本解決。在運(yùn)行過程中,通過控制喉口出口處的煙氣溫度來控制燃燒室內(nèi)的燃燒溫度,使其不超過灰熔點(diǎn)。由于垃圾成份不同,垃圾焚燒中灰熔點(diǎn)也是變化的,但此值控制在1 000~1 050 ℃是有效的,即便有結(jié)焦的現(xiàn)象發(fā)生也很輕微,不會(huì)影響到鍋爐正常運(yùn)行。
第四,便于鍋爐負(fù)荷調(diào)整。二次風(fēng)布置在垂直爐膛下部的時(shí)候,其作用是將燃燒室內(nèi)未完全燃燒的氣體進(jìn)一步燃燒,并通過構(gòu)成旋轉(zhuǎn)氣流減少煙塵攜帶,此時(shí)鍋爐負(fù)荷的調(diào)整只能依靠一次風(fēng)量和爐排進(jìn)給速度進(jìn)行,垃圾含水量高時(shí)斷火頻繁。而二次風(fēng)采用前、后拱方式布置時(shí),其具有了參與和組織燃燒的能力。當(dāng)處于低負(fù)荷或垃圾熱值較低時(shí),后拱二次風(fēng)能有效的將后拱下熱煙氣引入到前拱下部,有助于新入爐垃圾的點(diǎn)火和燃燒。同時(shí)前拱二次風(fēng)的布置,還可以減少煙氣對灰塵的攜帶,從而減少尾部飛灰的含量。由于飛灰中含有重金屬等污染物[14-15],所以交錯(cuò)布置二次風(fēng)對降低污染物排放是有益的。對于高熱值垃圾,二次風(fēng)可以采用冷風(fēng),降低燃燒室內(nèi)溫度,避免結(jié)焦;若垃圾熱值較低,需預(yù)熱到180 ℃以上。
垃圾焚燒鍋爐爐膛的設(shè)計(jì),是從組織燃燒、傳熱、爐墻結(jié)構(gòu)形式、耐火材料選擇、防止高溫腐蝕、防止煙氣污染物的產(chǎn)生等各方面進(jìn)行綜合考慮。合理的爐膛前、后拱的布置決定著垃圾焚燒鍋爐是否能夠正常組織燃燒;絕熱爐墻或水冷爐墻的選擇,應(yīng)根據(jù)垃圾熱值進(jìn)行,垃圾熱值升高后必須選擇水冷爐墻,爐墻中的耐火材料及金屬構(gòu)件具有一定的耐高溫腐蝕能力;二次風(fēng)的布置是否合理,對垃圾焚燒鍋爐煙氣污染物排放、組織燃燒及杜絕爐膛結(jié)焦都有重要作用,二次風(fēng)的溫度必須具有可調(diào)性,使其適應(yīng)垃圾熱值的變化。這種爐膛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,是與我國生活垃圾的特點(diǎn)相適應(yīng)的,具有一定的借鑒價(jià)值。