循環流化床垃圾焚燒爐正壓問題解決方案研究

李 雷，周 永

（1.浙江城建煤氣熱電設計院有限公司，浙江杭州 310013；2.西安交通大學動力工程多項流國家重點實驗室，陜西西安710049）

焚燒法處理城市生活垃圾已經在國內外受到普遍關注，它使生活垃圾的體積減小約80%～90%，重量減小越70%～80%，特別針對我國目前土地資源緊缺情況，是一種極為有效的垃圾處理方法[1～5]。目前國內垃圾焚燒鍋爐中大量采用循環流化床鍋爐，雖然隨著異重流化床焚燒等國內技術的更新，使得其推廣迅速，但由于垃圾成分波動較大，其空氣平衡難于控制，燃燒溫度波動較大仍是目前，循環流化床垃圾焚燒爐所面臨的難點[2,5]，特別是由于燃燒波動帶來的爐膛正壓冒煙問題，更是很多企業面臨的問題，其對環境，對經濟效益均產生嚴重負面影響[6,7]，并一直困擾企業。針對此問題，本文提出了應用文丘里管來解決爐膛正壓冒煙問題的改造方案。

1循環流化床垃圾焚燒鍋爐簡介

我們以浙江春暉環保能源有限公司所使用的無錫華光鍋爐廠75t/h循環流化床垃圾焚燒鍋爐為例，其鍋爐結構簡圖如圖1所示。

圖1 無錫華光鍋爐廠生產的垃圾焚燒流化床鍋爐

其高過外置于返料箱中，垃圾從鍋爐前墻通過撥料機投入，給煤口在垃圾入口下方，采用傾斜式布風板。當垃圾不穩定或水分較大時，由于燃燒的變化，爐膛出現正壓，煙氣就會從垃圾撥料機部位向外噴出。此處煙氣處于不完全燃燒狀態，含有大量的二噁英成分[6,7]，對環境污染相當嚴重，同時由于噴出的氣體帶有一定的熱值，對鍋爐效率也有很大的影響[8]。為解決此問題，無錫華光鍋爐廠曾經在撥料機上方設置一吸風口，與一次風機入口相連，如圖1所示，確實使鍋爐正壓問題得到緩解。但是，由于爐膛正壓時，有很多細灰也隨風機吸入，導致一次風機葉輪磨損及一次風管道積灰嚴重，影響正常生產。很多公司目前已將此裝置拆除。這樣，正壓問題依然困擾很多企業。

2改造方案

本文采用文丘里管將煙氣抽如二次風管的爐膛入口處，不需要任何電器設備，應用流體能頭守恒的原理及佰努利方程，在二次風入口加入文丘里管，使的二次風爐膛入口管上形成天然的負壓區，將抽氣聯入負壓區，形成自然壓力差抽氣，將煙氣噴入爐膛。

圖2設計方案

如圖2所示，將二次風爐膛處加一個文丘里管，要求設計文丘里管尺寸使得其喉部為負壓，在其喉部與垃圾撥料機上部連一管道，把從撥料機噴出的煙氣抽走，直接噴入爐膛。

這樣設計的好處在于：

（1）煙氣經過較短的路徑直接進入爐膛，減少煙氣中氣體對管路的影響；

（2）煙氣中粉塵不經過風機、空預器等，對鍋爐主要設備不會產生影響；

（3）選用二次風管，二次風在鍋爐中起到助燃作用，對流化影響不大[8,9]；

（4）二次風爐膛入口處離撥料機較近，減少煙氣流動中的阻力；

（5）設備簡單，改造費用小；

此設計方案主要的問題是如何在二次風管中出現負壓，此關鍵為文丘里管的設計，其理論依據如下。

圖3 文丘里管喉部壓力

如圖3所示，分別考察文丘里管入口斷面（1斷面）及喉部斷面（2斷面），根據佰努利方程，不計文丘里管中能頭損失，有：

取α=1.0，則喉部壓力：

不考慮高度差，則：

故，若v2有足夠速度，處即會產生負壓。設定P2，則

設斷面q1處流量 ，則：

即：

有：

取 q1=q2=εq：

則：即是我們需要設計的文丘里管喉部尺寸，其中 為流量修正系數。

3 實際設計尺寸

我們以浙江春暉環保能源有限公司的0#垃圾焚燒爐參數為例，0#爐正常運行時，二次風量約 52 000 m3/h（20℃，5 kpa），經過空預器后風溫約200℃，爐膛入口壓力3.3 kpa。則由：

得：熱風密度 =0.75 kg/m3。則熱風量為85 000 m3/h（200℃，3.3 kPa）。

不考慮漏風，0#爐有12個二次風管入爐膛，假設每個風管的直徑d=0.2 m，則二次風爐膛入口流速為62.7 。取喉部壓力為-30 Pa。則根據式(4)，得到喉部速度v2=112.8 m/s。則喉部管徑d2=0.15 m，即當喉部管徑達到14.9 mm后即可產生負壓。若取喉部負壓為-1000 pa，則可得到d2=0.14 m。考慮到流量修正系數，取ε=0.95，則得到d2=0.1395 m。可抽出前墻上面兩根和下面中間一根進行改造。

4阻力與經濟性指標

在0#前（后）墻增加文丘里管后會提高二次風管的局部阻力系數，取流量系數為0.95，接4個文丘里管，則，總的流量損失系數為1.7%，又由于其吸入燃氣有一定的流量，若喉部開口直徑為5 cm，開口4根管，負壓為1000 pa，則吸入總風量為0.3 m3/s，則二次風量損失可忽略。而同時，由于煙氣中存在著大量的不完全燃燒氣體，以及較高的熱量，則可化驗煙氣中可燃物含量濃度測量其熱值，并可與局部阻力系數比較。從分析可得其總體風量阻力損失很小，反而由于吸入煙氣中有大量熱值，可提高熱效益。

5 總結

以上設計方案雖然不能完全解決垃圾爐燃燒工況不穩定的問題，但是可以在一定程度上減緩爐膛正壓冒煙的現象。其改造涉及范圍小，不涉及汽水系統及流化主系統的，僅對二次風有較小的改動，而其它均不影響，不影響鍋爐流化燃燒環境[10,11]。同時此方案不涉及任何復雜電氣設備，僅構造了一個自然壓差回路提供動力。并且耗材較少。不但能夠解決爐膛冒煙的環境問題，還能提高鍋爐的效率。本方案給出了一條爐膛正壓冒煙問題的解決思路，可供相關人員進行參考。

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