生活垃圾焚燒爐邊界熱流密度研究

郭鎮(zhèn)寧，韓兆玉，周國順

(光大環(huán)境科技(中國)有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

生活垃圾焚燒爐是我國生活垃圾無害化處置的主要設施，生活垃圾焚燒爐主要指的是生活垃圾爐排爐，其最大優(yōu)勢在于技術成熟、運營穩(wěn)定、對垃圾適應性廣，大部分垃圾不需要預處理可直接入爐焚燒[1]。我國目前已投運垃圾焚燒電廠近400家，垃圾焚燒發(fā)電處理能力約為1.35億t/a[2]。

生活垃圾焚燒爐爐膛是由爐排上表面至頂部高溫煙氣出口、爐排四周爐墻包圍起來供生活垃圾燃燒的立體空間。由于我國生活垃圾相對于發(fā)達國家熱值相對較低，我國生活垃圾發(fā)電廠的設計熱值一般在6 281-8 368 kJ/kg，為了保證生活垃圾的在爐膛內燃燒溫度、并提高燃燒效率，生活垃圾焚燒爐爐膛一般采用隔熱爐膛形式；生活垃圾焚燒爐排片是爐排上表面用于承載并推動生活垃圾的裝置，為防止爐排片在高溫環(huán)境中的燒蝕，其材質為特殊的耐熱耐腐合金鋼，并且需要通過一次風進行冷卻，保證爐排片的溫度在允許的溫度范圍內。

國外在垃圾焚燒爐熱力模型上較成功的是Essenhigh等人的研究[3-5]，本文通過研究生活垃圾焚燒爐膛四周爐墻與爐排片方向的傳熱過程，分析焚燒爐不同邊界的傳熱模型，并調取現場實測數據得到爐膛邊界傳熱的熱流密度，通過爐膛邊界熱流密度的研究，可得到爐膛四周爐墻的散熱量對焚燒效率的影響，影響爐排片運行溫度的因素等，對焚燒爐的設計、運行有較高的參考價值。

1 爐膛傳熱理論

生活垃圾焚燒爐爐膛的傳熱過程包括熱輻射、熱對流、熱傳導，過程復雜。垃圾進入焚燒爐焚燒分為干燥段、燃燒段、燃燼段，在此過程采用分級配風[6]，通過灰斗將此三段分離，如圖1所示。生活垃圾在爐內床層燃燒過程的經歷幾個階段，包括水分蒸發(fā)、揮發(fā)分熱解、焦炭氧化區(qū)[7]，最終在爐排燃燼段燃盡，在此過程中溫度差異較大，爐內溫度也不均勻，在燃燒段及其上部爐膛空間溫度較高，在干燥段與燃燼段溫度較低，也造成了焚燒爐不同區(qū)域邊界熱流密度有較大的差異。爐膛內垃圾燃燒產生的熱量大多通過高溫煙氣進入余熱鍋爐進行換熱，只有一小部分的熱量通過向四周的爐墻方向以及向下的爐排片方向進行傳熱，如圖2所示，本文將通過爐墻方向以及爐排片方向的傳熱分析，研究爐膛邊界的熱流密度。

圖1 生活垃圾焚燒爐燃燒過程

圖2 爐膛內向爐墻方向與爐排片方向傳熱的過程

在生活垃圾焚燒爐內燃燒溫度較高，可達1 000℃以上，同時由于爐膛空間較大煙氣流速較小，爐膛內傳熱過程以熱輻射為主，其傳熱熱流密度公式[8]為

q=ξg·Eb,g-?g·Eb.w

(1)

式中ξg·Eb,g——煙氣的自身輻射;

ξg·Eb,g——煙氣對包殼的吸收輻射。

爐膛火焰輻射在爐膛四周爐墻與爐排上表面后，爐墻四壁、爐排片及其上料層內部主要以熱傳導過程為主，其傳熱熱流密度公式為

(2)

式中Tb——內壁面溫度;

Tw——外壁溫度;

δ——爐墻的厚度;

δ——爐墻導熱系數。

垃圾焚燒產生熱量經過熱傳導傳遞至爐墻四壁外側以及爐排片下表面，爐墻四壁外側與爐排片的下表面一方面向外部環(huán)境進行熱輻射，另一方面也存在與環(huán)境的對流換熱，不一樣的是，爐墻四壁外側的對流換熱一般為自然對流換熱，而爐排片的下表面與一次風為強制對流換熱，其傳熱熱流密度公式為

q=h·(Tw-T0)+σ0·ξ·(Tw-T0)

(3)

式中T0——一次風溫度或者環(huán)境溫度;

Tw——外壁面的溫度;

h——對流換熱系數;

σ0——斯忒藩-波爾茲曼常量;

ξ——爐墻外表面或爐排片表面的發(fā)射率，根據不同邊界條件的計算得爐墻方向的自然對流換熱系數在2～10 W/(m2·K)之間，爐排片方向強制對流換熱系數在20～24 W/(m2·K)之間，σ0取5.67×10-8W/m2·K4，爐墻外表面ξ取0.9，爐排片下表面ξ取0.7。

2 爐墻方向的傳熱

2.1 傳熱模型分析

從隔熱爐膛內部至鍋爐房環(huán)境的傳熱過程如下：爐膛內的火焰對爐膛內側壁面的傳熱以熱輻射為主；爐膛內壁與外壁之間的傳熱為熱傳導；爐膛的外壁面與環(huán)境的傳熱過程為自然對流換熱與熱輻射，如圖3所示。隔熱爐膛將火焰與外界隔絕，爐墻設置耐火材料，耐火材料根據爐內溫度、煙氣的成分等因素進行設計，故不同爐墻區(qū)域的參數有一定差異。隨著部分地區(qū)垃圾熱值越來越高，為了保證爐內煙氣溫度不至于過高，部分水冷、全水冷爐墻是十分有必要的[9]。

圖3 爐墻方向的傳熱模型

2.2 數據與分析

由于爐膛內燃燒溫度不同，故爐膛外表面溫度也不同，需要將爐膛的外表面劃分為12個區(qū)域進行測溫，從而得到爐膛外表面不同區(qū)域的溫度，如圖4所示。根據某電廠單爐處理量400 tpd焚燒爐的爐膛外壁溫度的實測數據，并測得鍋爐房環(huán)境溫度為25℃，可以得到爐膛向環(huán)境傳熱的熱流密度，如表1所示。總體上說，爐膛前拱、后拱、頂棚的外表面溫度大于爐膛側墻，燃燒段爐墻的溫度大于干燥段、燃燼段側墻溫度，這與爐內的溫度分布基本一致。爐膛外表面的熱流密度并不大，在219～1 137 W/m2之間，根據爐膛表面熱流密度的計算得爐膛外表面總散熱量約為0.128 MW。

圖4 爐膛外表面測溫區(qū)域劃分

3 爐排片方向的傳熱

3.1 傳熱模型分析

從爐膛內部至一次風室的傳熱過程如下：爐膛火焰熱量對料層上表面以熱輻射為主；料層與爐排片之間為熱傳導；一次風從爐排片底部向上鼓風，對爐排片進行強制對流換熱，同時爐排片對一次風室存在一定的熱輻射，如圖5所示。

表1 根據爐膛外表面溫度計算熱流密度數據

圖5 爐排片方向的傳熱模型

3.2 數據與分析

以某電廠400 tpd焚燒爐為例，該焚燒爐從前到后分為五個爐排單元，每個爐排單元的爐排片下表面設置兩個熱電偶，如圖6所示。通過讀取爐排片下部的熱電偶的溫度，以及讀取一次風的溫度，可以計算得到爐排片向下傳熱的熱流密度，如表2所示。爐排片的溫度與爐內的燃燒工況相關，由于爐排干燥段垃圾還未完全燃燒且料層厚度較高，爐排片的溫度較低；在爐排燃燒段上，隨著爐內垃圾開始燃燒，燃料產生的揮發(fā)份開始劇烈燃燒，爐排片溫度也隨之升高；由于揮發(fā)分燃燒時間很短[10-11]，料層在燃燼段燃燒強度減弱，爐排片溫度隨之降低。在一次風溫相同時，爐排片方向的熱流密度與爐排片溫度正相關，如圖7所示，但是該方向的熱流密度并不會增加焚燒爐的散熱損失，主要是因為爐排片方向的傳熱過程一定程度上加熱了一次風，而一次風的熱量又回到了焚燒爐內。

圖6 焚燒爐內爐排片測溫點示意圖

表2 根據爐排片溫度計算熱流密度數據

圖7 爐排片溫度與熱流密度溫度關系

焚燒爐燃燒段爐排片的溫度最高，燃燒段的爐排片因超溫往往會縮短其使用壽命，在爐溫與料層厚度不變的情況下，降低一次風溫度能夠有效的降低爐排片的溫度，考慮到焚燒爐實際燃燒區(qū)域在爐排的第二段到第四段之間，在此燃燒區(qū)域內爐排片方向的熱流密度在4 236～6 628 W/m2之間，據此可推算出在此熱流密度范圍內爐排片溫度與一次風溫度的關系。如一次風的溫度升高，爐排片的溫度也會隨之升高，在其他邊界條件不變的情況下，兩者的溫差相對穩(wěn)定雖不會對其熱流密度產生較大的影響，但仍然會產生一定的變化。故以下在燃燒段的熱流密度范圍內，對一次風溫對爐排片溫度的影響進行分析。

如圖8所示，結果表明在爐排燃燒段熱流密度范圍內，一次風溫每下降10℃，爐排片溫度可下降5～7℃，故在不影響燃燒工況的前提下，降低一次風溫度可以顯著降低爐排片的運行溫度。

圖8 一次風溫度與爐排片溫度關系

4 結論

本文通過生活垃圾焚燒爐爐壁方向以及爐排片方向的傳熱分析，并根據垃圾焚燒廠內焚燒爐實測數據，得到了爐膛邊界的熱流密度數據，并可以得到以下結論：

(1)通過爐膛邊界熱流密度的研究，為計算焚燒爐的散熱量提供了思路，以某項目400 tpd焚燒爐為例，其爐膛散熱量為0.128 MW，而該焚燒爐的額定熱輸出為31 MW，故爐膛散熱損失約占焚燒爐總熱輸出為0.41%。

(2)通過爐排片方向的傳熱分析可以得到，影響爐排片溫度的主要因素主要有一次風溫、料層的厚度等；在爐排燃燒區(qū)域的熱流密度范圍內，一次風溫每下降10℃，爐排片溫度可下降5-7℃，在不影響燃燒工況的情況下，降低一次風溫可以顯著降低爐排片的運行溫度，延長爐排片的壽命。

另外，爐排片方向的熱流密度與爐排的溫度正相關，數值在1 774～6 628 W/m2之間，遠高于爐膛四壁方向的熱流密度，由于爐排片方向的傳熱過程加熱了一次風，而一次風的熱量又回到了焚燒爐內，所以該方向的熱流密度并不會增加焚燒爐的散熱損失。