基于MEPC.76(40)的船用焚燒爐試驗方法解讀

郭 凱，鄒濟成，衡 霖

(1.中國船級社江蘇分社，江蘇 南京 210003；2.中國船級社實業公司南京分公司，江蘇 南京 210003)

基于MEPC.76(40)的船用焚燒爐試驗方法解讀

郭 凱1，鄒濟成2，衡 霖1

(1.中國船級社江蘇分社，江蘇 南京 210003；2.中國船級社實業公司南京分公司，江蘇 南京 210003)

從防止船舶垃圾污染的角度出發，主要介紹了MEPC.76(40)決議中相關的試驗條款，并針對船用焚燒爐的設計思路、燃燒效率、安全保護策略等方面進行了解讀，同時還對船用焚燒爐試驗過程中容易出現誤解的內容進行解析，有助于相關人員更好地執行公約條款，最后對于船用焚燒爐的發展趨勢進行了分析。

船用焚燒爐；燃燒；熱容量；安全保護策略

0 引言

針對海洋船舶垃圾處理的問題，IMO組織不斷提出建議案并通過相關決議來敦促世界各國政府一同解決：從MARPOL 附則V&VI，到MEPC.59(33)決議，再到MEPC.76(40) 決議。雖然相關公約至今還未被強制生效，但是國際社會對于船舶垃圾處理的擔憂就一直沒有減弱。針對上述有關公約與各項決議及其修正案，本文在MEPC.76(40) 決議《船用焚燒爐型式試驗技術條件》的技術文件進行分析的基礎上，對試驗中的要求進行解讀。

1 垃圾處理裝置的設計思路

現階段船舶垃圾處理的辦法主要分為船上粉碎后直接丟棄入大海、岸上設置固定廢棄物接收處所或裝置、船上焚燒等。對于艙室設計比較緊張的，或者航區范圍不固定的船舶，船上焚燒屬于比較適合的解決手段。世界上較為主流的船用焚燒設備主要包括英國哈姆沃西公司設計制造的HAMWORTHY系列焚燒爐，丹麥阿特拉斯公司設計制造的ASWI型焚燒爐以及挪威TEAMTEC公司設計的產品，同時也包括國內自行研制的產品。各公司的產品在技術上雖然互有優劣，但從使用者角度來看均是對于MEPC.76(40)決議的執行與延伸。

MEPC.76(40)決議作為IMO組織提出的針對船用焚燒爐的技術條件，其內容的敘述廣泛使用了一種框架式的約束條件。出于某種原因該決議中并沒有對各項試驗方法進行深入,但該決議對于焚燒設備提出涉及安全、操作等各項明確的要求，大致可以分為以下5類：溫度控制要求、操作要求、電氣安全要求、煙氣要求、使用可靠性要求。無論是產品設計方還是船旗國政府在設計、生產以及檢驗過程中都應以這5個方面為基礎綜合考慮。需要明確的是所有產品的設計的原則是保障使用的安全。只有在充分考慮到焚燒設備的使用安全前提下，才可以從產品的結構材料、燃燒特性、可靠性與維護性等方面進行功能的落實。

2 MEPC.76(40)中關鍵問題的解讀

2.1 燃燒過程穩定性的要求

按MEPC.76(40)第4.1條要求，焚燒爐系統應該在燃燒室排煙溫度為850～1 200 ℃之間時方可進行操作，而燃燒室的預熱溫度需要大于650 ℃(適用時)。換言之，也就是要求焚燒爐系統在正常工作時，必須保證燃燒室溫度在850 ～1 200 ℃區間之內。這是因為如果溫度低于850 ℃，就不能保證燃燒的充分性；而超過1 200 ℃時又會在燃燒煙氣中產生氮氧化物從而污染環境。實際試驗中為保證對公約條款的嚴格執行，當爐膛溫度在規定時間內達到850 ℃后，就應該穩定保持在這一溫度區間。

燃燒是一個復雜的物理過程和化學過程，焚燒爐燃燒示意圖如圖1所示。爐膛是一個圓柱空間，配有裝料門。僅當焚燒爐不處于燃燒狀態時，才可被開啟(某些產品被設計成可以連續投料的結構，所以既有連續裝料門，也在下部設置一個除渣門)。在到達冷卻設置溫度之前，控制系統將防止門被開啟。垃圾由燃燒器加熱點燃。煙氣出口位于爐膛頂部是為了最充分地利用火焰。通常火焰從燃燒器噴嘴噴出后先以螺旋態向下，隨后在爐膛中央以旋轉狀態上升(也有一些產品將燃燒器火焰出口設計為橫向噴射)。當煙氣離開爐膛時，需要通過某種冷卻手段使之在被風機抽出并由煙囪排出前溫度降至公約要求的溫度。燃燒過程中溫度一般由外部PLC控制系統自動監控和調節。通過采集到的主要信號(通常為爐膛溫度、壓力等參數)來監控燃燒器的工作情況。

圖1 焚燒爐燃燒示意圖

在上述的一系列過程中，維持燃燒的穩定是首要要求。決定焚燒爐燃燒穩定性的因素多種多樣，例如燃燒器位置、燃燒室的結構等，但是剝離次要因素后，在一個相對封閉環境中的燃燒穩定性主要是受空氣的影響：空氣的含量(風量)、空氣的流速(風速)以及空氣流向(風向)。這3個因素決定了封閉環境中的燃燒穩定性：風量決定了燃燒環境中的氧含量，風速控制了熱量的傳遞效率，而風向則保證了熱空氣的流動性使得熱量不會因為煙氣的排放而被迅速帶出燃燒室。這3個因素的綜合作用能夠使燃燒室內的熱平衡達到穩定。

2.2 負壓的調節

從安全使用的角度出發，船上焚燒裝置的燃燒室應該在負壓下進行操作。這樣設計的主要目的是防止煙氣向焚燒爐所在處所的周圍釋放，但同時焚燒爐爐膛負壓還應被控制在一定范圍之間(視爐膛體積而定)。若爐膛負壓太小，爐膛容易在工作時向外噴塵，可能危及設備和周圍操作人員的安全，也會因為進入到爐內的氧氣含量不足，而使垃圾得不到充分的燃燒；如果負壓太大，則爐膛漏風量增大，增大了風機電耗和煙氣熱量損失，也會因為加速燃燒室內空氣流動而導致較大的熱損失，影響燃燒過程的穩定性。因此，穩定爐膛負壓對保證燃燒室內的穩定燃燒有著十分重要的意義。燃燒室內的負壓大小是和燃燒室的體積有關，試驗時也可以通過動態調節風機開度來調整燃燒室內的負壓值。

2.3 溫升速率的問題

MARPOL附則VI第3章第16.9條明確要求：對于分批裝料的船上焚燒爐，該裝置應設計成其燃料室的溫度在起動后5 min內達600 ℃。對于該條款的滿足條件，MARPOL公約并沒有限制的十分明確。實際的情況存在以下兩種疑問：

(1)焚燒爐是在任何狀態下都必須滿足上述要求，還是在正常填裝垃圾的工況下才需滿足？

(2)600 ℃是指燃燒室內任何一點的溫度還是指燃燒室的平均溫度？

對于問題(1)，按照傳統熱力學理論，一個相對穩定空間(這里指燃燒室)的溫升速率是由該空間的含氧量、燃燒物質的熱值以及其他一系列燃燒系數所決定。針對本文所涉及焚燒裝置的燃燒空間是一個相對簡單的空間，在沒有對于該空間熱態溫度分布進行數據分析的前提下，可以構建一個簡單的函數來描述它們之間的關系：

溫升=氧含量 ×被燃燒物質熱值 ×燃燒系數/燃燒室體積

由上述公式可看出，在氧含量與燃燒系數趨近于穩定的前提下，溫升速率主要取決于被燃燒物質的熱值和燃燒室的體積，即如果被燃燒物質的熱值越高且燃燒空間越小，則溫升速率就越高。回到上述第一個問題：假設進行測量時的工況是空爐(冷爐)狀態，那么被燃燒的物質就僅為柴油，而在爐膛內裝有垃圾的情況下，其單位時間內的總熱值(垃圾的熱值+柴油熱值)是要大于空爐狀態，并且燃燒體積又小于空爐狀態。所以當設計方把滿足公約要求的工況設定為裝滿垃圾(垃圾還應符合IMO-2級要求)時，那么在空爐狀況下就很有可能無法滿足公約的要求，由此就又引向了問題2。

對于問題(2)，熱電偶的布置是和燃燒器噴嘴的位置與噴射方向密切相關。常規的安裝位置一般在頂端與側部居多。從燃油噴射燃燒的安全角度出發，常規燃燒器的噴射方向都是從上至下或從側面向另一側噴射，所以越接近燃燒器火焰出口的位置，熱電偶所獲取的溫度值就越高越快。考慮到溫度的傳遞無論效率多高均會存在一個延遲，所以熱電偶安裝的位置所獲取的溫度并不能完全代表整個燃燒室的溫度分布，也就是說：如果公約指的是平均溫度，那么選擇一個最不利的位置(或者稱作溫度盲區)作為熱電偶安裝位置則在試驗的苛刻性上更為符合公約的要求；又假設公約要求測量的是任何一點的溫度，那么將熱電偶設置在燃燒器出口位置相對就更容易滿足公約要求，產生的后果就是爐膛內真實的溫升速率可能不滿足需求而使焚燒爐的燃燒性能和燃燒效果有所降低。實際上在2008年10月10日通過的MEPC.176(58)決議對于該問題進行了明確：僅僅針對燃燒室煙氣出口位置的溫度需要在5 min內達到600 ℃。而該問題的明確也進一步幫助設計方改進了各自的設計思路，在滿足煙氣出口位置溫升速率的要求下，設計方設置系統熱電偶的位置，應使熱電偶反饋給控制系統的數據能夠真實有效的反映爐膛內的溫度情況，保證設備的運行安全。

2.4 固體垃圾樣品的問題

從實用性的角度來看，焚燒爐應該具備可以燃燒固體垃圾也可以燃燒污油泥功能，但是從船舶經濟性來看，大多數的時候只會被用來處理垃圾。按照MEPC.76(40)的附錄A，其對于固體垃圾的分類十分明確。船上焚燒裝置能處理的垃圾成分主要分為如下幾類：食廢棄物品(50%)，垃圾(50%)，同時還要求固體混合物應有50%的濕度和7%的不燃固體。與陸地垃圾不同，船舶垃圾的特點是含水量較高，但熱值很低。往往在試驗過程中，固體垃圾的含水率與濕度值是無法直接測量而是需要利用后期烘干稱重在實驗室測定。盡管公約要求很明確，但需要強調的是，固體垃圾的含水率與濕度值應被重視，這是因為水分對于封閉燃燒室內的溫升速率影響很大。固體垃圾中的水分如果不足，則會使燃燒試驗結果朝制造方有利的方向偏移。在實際燃燒過程中，固體的含水量越高，其熱值就越低，焚燒效果就越差。

2.5 驗證最大熱容量

熱容量是指物體溫度變化時吸收或釋放的能量，也是衡量焚燒爐產品處理能力的參數之一。最大熱容量也可理解為焚燒爐產品的最大處理能力。各公司的焚燒爐產品根據各自設計理念不同，其工作效果和能耗均有不同。通過試驗分別驗證焚燒爐在燃燒垃圾、污油泥以及燃燒垃圾+污油泥時各自的熱容量，從而能夠確定焚燒爐各自工況下的最大工作能力。按照MEPC.76(40)中對于熱容量所定義的量綱有3種可選：千瓦(kW)，大卡(kcal/h)和千克每小時(kg/h)。有些廠家習慣以大卡(kcal/h)作為熱容量量綱，這樣標定雖然名義上符合公約要求，但是事實上卻存在著一定的問題。首先，以大卡(kcal/h)作為量綱不是很直觀。對于不十分熟悉此類產品的用戶來說，即便給出了產品的具體參數，也不能很清晰的讓客戶明確該臺產品的實際處理各項垃圾的能力。其次，對于使用大卡(kcal/h)作為熱容量單位，還容易讓制造廠商對于焚燒爐的處理能力進行虛標，尤其在處理固體垃圾時。因為固體垃圾自身是無法燃燒，需要通過燃燒器燃燒柴油升溫后才能達到焚燒效果，所以部分廠家在計算固體垃圾的處理能力時，除去固體垃圾本身的熱值外，還將單位時間內所消耗的柴油熱值也一并計入到其處理能力中。如果按照MEPC.76(40)中對于IMO-2型垃圾的熱值計算，那么加入柴油熱值后的數值幾乎是僅包含固體垃圾本身熱值的一倍。因此，在試驗中驗證焚燒爐產品的最大處理能力時，是需要考慮廠家對于熱值量綱的設定的。

2.6 安全保護控制策略

熱穩定性能是MEPC.76(40)對于船用焚燒爐裝置最基本的要求，而使用的安全性則是穩定工作的前提條件，也是高于性能的要求。公約對安全保護的要求是十分明確的：發生故障時必須報警且切斷燃油供給。所以任何一個影響焚燒裝置熱穩定性能和使用安全的因素，均應被考慮作為焚燒裝置控制的策略。實際設計中對于焚燒爐安全保護的策略主要基于壓力，溫度的檢測如圖2所示。

圖2 控制示意圖

對于非連續填料的焚燒裝置，主要是在控制系統與燃燒系統的相互協調工作。通過監控系統內的各項溫度、壓力傳感器的回饋信號，從而控制燃燒器的油量供給、柴油和污油的進油量、風門的開度等一系列動作，使燃燒裝置在工作過程中不斷達到一個相對平衡的燃燒狀態。在燃燒系統中，通過測量爐膛溫度的變化趨勢來判斷燃燒室內的燃燒狀況：在其他所有情況不變的前提下，溫度變化率升高，表明廢料中可燃物較多或者未燃燒廢料量大；溫度變化率下降，表明廢料中可燃物較少或者廢料燃燒殆盡。根據船用焚燒爐的控制要求，控制器通過溫度傳感器、壓力傳感器以及火焰探測器采集模擬信號，而決定廢料燃燒控制好壞的還是源于溫度傳感器提供的燃燒室溫度。根據該溫度的變化，實時調節焚燒狀態以達到最好的焚燒效果。通過控制燃燒器以及燃燒器的風門，使得燃燒室中的氧氣和煙氣保持合適比例，則燃燒室溫度就可以穩定地維持在適當的范圍內。適當穩定的燃燒室溫度可以保證廢料燃燒徹底，減少燃油的消耗，同時提高焚燒爐工作效率。

3 船舶焚燒裝置的未來發展趨勢

MEPC.76(40)決議作為船用焚燒爐的技術條件被提出至今已經過去15年，就目前國際上常規形式的幾種焚燒爐產品而言，其產品特性均表現出以下幾點明顯的不足：爐膛內的耐火材料的易損性、垃圾處理種類十分有限、處理效率不高等。同時在目前的設備結構形式下，也會因為船舶狀況、船員生活習慣等因素會出現燃燒不穩定、燃燒不完全、爐膛結渣、腐蝕和二次污染加劇等情況。如何解決上述問題，增強垃圾焚燒的效果、抑制空氣污染物生成以及提高焚燒爐的經濟性也就成為新的研究方向。

3.1 增加預處理措施

為了加強焚燒爐的燃燒效果，提高熱效率，可以增加燃燒前的預處理措施。具體為：針對待處理的垃圾，可以通過相關方法減小被處理垃圾的單個體積。例如把固體垃圾處理成流態物質后再通過特定裝置混合燃料，最終在焚燒爐中一并處理。當然該方法的實現還需要對焚燒爐的整個燃燒系統結構和進料設施進行相應的改進。另外，還可以對進入到爐膛內的空氣溫度進行預處理，使空氣溫度升高后，再進入燃燒室輔助燃燒，以此來提高整體的熱效率。

3.2 增加多級燃燒結構

針對爐膛內的固體垃圾熱傳導效率低，可以嘗試改變燃燒裝置的結構。例如增加多級燃燒或多次燃燒，即可以設置2個或者多個燃燒器，根據爐膛內的垃圾體積或垃圾水分含量等因素來控制燃燒器的工作。或者在燃燒的不同階段使燃燒器以不同的功率工作，進而減少焚燒時間，提高燃燒效率。

3.3 改變填料方式

考慮到設備體積、船舶安裝以及船上需求等因素，單次填料焚燒設備目前仍然占據著一定的市場，但是該類型產品使用效率低下。每次處理完成后，都需要等待爐膛溫度降低到額定安全值時方可以進行除渣和再次填料工作，尤其是單爐處理能力低的產品缺點更為明顯。所以在保證使用安全的前提下，應提倡使用可以連續填料的焚燒爐產品，充分利用余熱對垃圾的預熱/除水效果。

3.4 實施垃圾分類

結合船舶能效管理要求，可以嘗試實施垃圾分類管理。實際管理中，一方面加強對船員的培訓，使其在日常營運管理中注意垃圾分類的收集，另一方面在后處理階段針對不同垃圾的焚燒，焚燒裝置所選用的燃料和燃燒周期等均可以采取最優化設定，從而更加符合MARPOL 附則VI的設定初衷。

4 結語

船舶垃圾的焚燒是一個復雜的系統問題。不斷的物理變化與化學變化參雜其中，而任何一個微小外因的干擾都會對最后的結果產生極大的影響，作者認為這是該問題復雜性的主要原因。現階段，焚燒裝置的設計需要解決的主要問題是：裝置的穩定性與處理效率，并且今后很長一段時間內，大部分解決方案都將圍繞著這2個問題而大做文章。

[1] 黃運佳，羅良寶.船用焚燒爐系統參數和控制策略[J].船舶設計通訊，2011，(1):43-46.

2013-06-16

郭凱(1981-)，男，碩士，工程師，輪機驗船師，從事船舶檢驗與風險管理工作。

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