生活垃圾焚燒爐爐膛設計分析

瞿兆舟

（上海康恒環境股份有限公司，上海　200040）

生活垃圾焚燒爐爐膛設計分析

瞿兆舟

（上海康恒環境股份有限公司，上海200040）

針對VONROLL-日立造船-上海康恒生活垃圾焚燒爐的爐膛設計進行了設計計算和分析。在燃燒爐排左右側墻設置空冷壁，在焚燒爐前后拱分別采用全絕熱、半絕熱和全水冷壁結構的3種情況下進行設計計算，得到不同垃圾低位熱值下的一次燃燒室、二次燃燒室爐膛溫度，對溫度數據進行分析，從而總結出一定條件下不同垃圾焚燒爐爐膛設計原則。

康恒環境；生活垃圾；焚燒爐；爐膛設計

城市生活垃圾焚燒技術因其良好的減量化、資源化和無害化效果，在我國得到較快的發展，目前已投入運行的爐排式生活垃圾焚燒廠已達數百個，但在對國內多座生活垃圾焚燒廠進行調查后，發現隨著城市生活垃圾熱值的增長，已經有一些焚燒廠開始出現爐膛高溫結焦或焚燒煙溫過高從而造成受熱面結焦的現象。為研究垃圾低位熱值與爐膛結焦、煙氣溫度超溫之間的關系，以在我國應用十分廣泛的VONROLL-日立造船-康恒環境的焚燒爐排技術為例進行設計計算和分析，以期為城市生活垃圾焚燒爐的爐膛設計提供參考。

1　設計基礎條件

單臺焚燒爐規模 400 t/d；入爐垃圾焚燒量16.67 t/h（400 t/d）；焚燒爐形式為VONROLL-日立造船-康恒環境機械往復式爐排爐；左右側墻采用空冷磚墻結構，冷卻風量為13 600 m3/h，冷卻風入口溫度為室溫，出口溫度為95℃；一、二次風溫度根據入爐垃圾低位熱值自動調節，風溫調節曲線如圖1所示；對于配置了余熱鍋爐的焚燒爐，鍋爐第一煙道左右側面的水冷壁向下布置不超過二次風的噴射點。

圖　一、二次風溫度變化曲線

2　爐膛設計與計算

2.1全絕熱爐膛設計

全絕熱爐膛設計指的是左右側墻采用重型爐墻結構（其中燃燒爐排段上左右側墻的部分區域采用空冷耐火磚墻結構），一次燃燒室前后拱采用絕熱耐火材料而不設置水冷壁。

在全絕熱爐膛的條件下，分別對不同低位熱值情況下的一次燃燒室溫度和二次燃燒室溫度進行計算，設置的基礎條件如下。

1）不同低位熱值垃圾的三成分，如表1所示。

表1　不同低位熱值垃圾三成分設定

2）不同低位熱值垃圾的元素分析，如表2所示。

表2　不同低位熱值垃圾元素分析

3） 對于不同低位熱值垃圾的燃燒條件，一、二次風溫度按圖1的曲線選取；一次風的過量空氣系數根據不同的低位熱值選擇合適的數值；為便于比較，二次燃燒室出口的氧氣濃度統一按6%（濕基）設置。通過數值模擬和設計計算，得到的結果如表3所示。

表3　全絕熱爐膛燃燒室溫度

2.2半絕熱爐膛設計

半絕熱爐膛設計指的是左右側墻采用重型爐墻結構（其中燃燒爐排段上左右側墻的部分區域采用空冷耐火磚墻結構），一次燃燒室前拱采用水冷壁結構（水冷壁靠煙氣側鋪設耐火澆注料），后拱靠上部的一部分采用水冷壁（水冷壁靠煙氣側鋪設耐火澆注料），靠下的部分采用絕熱耐火材料而不設置水冷壁，半絕熱爐膛結構如圖2所示。

圖2　半絕熱爐膛結構示意

在半絕熱爐膛的條件下，分別對不同低位熱值情況下的一次燃燒室溫度和二次燃燒室溫度進行計算，設置的基礎條件：①不同低位熱值垃圾的三成分按照表1。②不同低位熱值垃圾的元素含量按照表2。③對于不同低位熱值垃圾的燃燒條件，一、二次風溫度按圖1的曲線選取；一次風的過量空氣系數根據不同的低位熱值選擇合適的數值；為便于比較，二次燃燒室出口的氧氣濃度統一按6%（濕基）設置。

通過數值模擬和設計計算，得到的結果如表4所示。

表4　半絕熱爐膛燃燒室溫度

2.3全水冷壁爐膛設計

全水冷壁爐膛設計指的是左右側墻采用重型爐墻結構（其中燃燒爐排段上左右側墻的部分區域采用空冷耐火磚墻結構），一次燃燒室前拱采用水冷壁結構（水冷壁靠煙氣側鋪設耐火澆注料），后拱也采用水冷壁結構（水冷壁靠煙氣側鋪設耐火澆注料），全水冷壁爐膛結構如圖3所示。

圖3　全水冷壁爐膛結構示意

在全水冷壁爐膛的條件下，分別對不同低位熱值情況下的一次燃燒室溫度和二次燃燒室溫度進行計算，設置的基礎條件：①不同低位熱值垃圾的三成分按照表1。②不同低位熱值垃圾的元素含量按照表2。③對于不同低位熱值垃圾的燃燒條件，一、二次風溫度按圖1的曲線選取；一次風的過量空氣系數根據不同的低位熱值選擇合適的數值；為便于比較，二次燃燒室出口的氧氣濃度統一按6%（濕基）設置。

通過數值模擬和設計計算，得到的結果如表5所示。

表5　全水冷壁爐膛燃燒室溫度

3　計算結果與分析

3.1全絕熱爐膛

通過對表3的數據進行分析可知，采用全絕熱爐膛結構，入爐垃圾低位熱值達到3 762 kJ/kg時即能夠滿足二次風噴入點之后煙氣溫度在850℃以上的停留時間超過2 s；隨著垃圾低位熱值的提升，當低位熱值達到5 434～5 852 kJ/kg時，爐膛開始出現超溫的現象，當低位熱值達到7 106 kJ/kg時，爐膛出現嚴重的超溫。

3.2半絕熱爐膛

通過對表4的數據進行分析可知，采用半絕熱爐膛結構，入爐垃圾低位熱值達到4 180 kJ/kg時即能夠滿足二次風噴入點之后煙氣溫度在850℃以上的停留時間超過2 s；隨著垃圾低位熱值的提升，當低位熱值達到6 688 kJ/kg時，爐膛開始出現超溫的現象，當低位熱值達到7 524 kJ/kg時，爐膛出現明顯的超溫。

3.3全水冷壁爐膛

通過對表5的數據進行分析可知，采用全水冷壁爐膛結構，入爐垃圾低位熱值達到4 598 kJ/kg時能夠滿足二次風噴入點之后煙氣溫度在850℃以上的停留時間超過2 s；隨著垃圾低位熱值的提升，當低位熱值達到7 524 kJ/kg時，爐膛略微超溫。

4　結論與展望

4.1不同爐膛設計原則

對于一定條件下的生活垃圾焚燒爐的爐膛設計，當生活垃圾低位熱值預期在相當長的時間內均低于5 434 kJ/kg時，宜采用全絕熱爐膛；當生活垃圾低位熱值預期在相當長的時間內處于4180～6688 kJ/kg時，宜采用半絕熱爐膛；當生活垃圾低位熱值目前或很快就將超過4 598 kJ/kg，并且未來很可能會超過6 688 kJ/kg時，宜采用全水冷壁爐膛。

4.2關于爐膛設計與焚燒爐運行

在爐膛設計模擬計算中，設置了一些前提條件，實際上在實際運行或者具體的設計中，也可以對其中的部分條件進行適當的改變，比如相同低位熱值下垃圾的成分、一次風溫度、二次風溫度、一次風過量空氣系數、煙氣的含氧量、空冷壁的通風量、半絕熱面積比例和耐火材料的導熱系數等，在這些條件發生變化時，情況也會發生變化，但總體而言，3種爐膛設計其特點的相對趨勢是不變的。

4.3關于爐膛設計的變遷與展望

在我國剛開始建設垃圾焚燒廠時，生活垃圾低位熱值一般比較低，有些廠出現了投產時垃圾燒不起來的情況，因此，早期的垃圾焚燒廠設計的低位熱值一般較低，采用的爐膛一般也是全絕熱爐膛。隨著城市和社會經濟的發展，我國生活垃圾中可燃分比例逐步提升，低位熱值也逐步提升，開始出現一些半絕熱形式的爐膛設計。到最近3～5 a，特別是在沿海發達地區，生活垃圾熱值已經到了一個比較高的水平，有些生活垃圾焚燒廠的垃圾低位熱值甚至能達到7106 kJ/kg以上，而且還處于上升趨勢。

可以預測，未來在我國，焚燒廠采用全絕熱爐膛設計的將會越來越少，而采用半絕熱和全水冷壁設計的焚燒廠會越來越多。垃圾焚燒爐的爐膛設計，取決于當前的垃圾特性以及對未來垃圾特性趨勢的預測，根據不同的情況應選用不同的爐膛形式。

Design Calculation and Analysis of Domestic Waste Incinerator Chamber

Qu Zhaozhou
（Shanghai SUS Environment Co.Ltd.，Shanghai200040）

The waste incinerator chamber of VONROLL-Hitachi Zosen-Shanghai SUS was designed，calculated and analyzed.Air-cooled brick wall wasinstalled on both sidesof burning grate.The design calculation wascarried out in three cases which the fully adiabatic，semi adiabatic and fully water cooled wall structureswere applied respectively in front and back arch of the incinerator，resulting in different furnace temperature of primary and secondary combustion chamber under different refuse lower heat value.Through analyzing the temperature data，the design principles of different incinerator chambersin different conditionswere summarized.

SUS environment；domestic waste；incinerator；chamber design

·工程應用·

X799.3；TK175

B

1005-8206（2016）04-0061-04

2015-12-16

瞿兆舟（1982—），工程師，主要從事環保設備的成套工作。