風對機械爐排爐燃燒控制的影響分析

劉 鑫

（卡萬塔能源（中國）投資有限公司，上海 201401)

生活垃圾在焚燒爐排經過烘干、燃燒、燃燼等階段，停留時間約為1.5 h，整個燃燒過程緩慢而復雜，對燃燒的控制要求較高。在垃圾燃燒的要素中，只有空氣是特性明確的可控要素，對送風的控制成為垃圾焚燒控制的關鍵，其中包括了總風量、一次風分配和二次風占比等。

1 總風量

總的風量與垃圾的成分密切相關，即垃圾有多少物質成分可以燃燒，決定了垃圾需要的空氣量，表1為部分垃圾樣品元素分析，根據可燃元素成分可以計算出理論空氣量。一般而言，為了保證燃燒的正常與充分，實際空氣量要高于理論空氣量，其比例稱為過量空氣系數。對于垃圾焚燒而言，因垃圾可燃質不集中，過量空氣系數一般控制在1.5～1.8，以利于垃圾的充分燃燒，但過多的過量空氣會降低燃燒熱效率。

表1 垃圾元素分析 %

風在整個垃圾焚燒過程中主要用于垃圾的干燥和燃燒。合理的一二次風配比使爐膛內部溫度分布與CO濃度分布更加均勻［2］。一次風與二次風的比例因氣候和垃圾特性而異，根據實踐經驗，此比例的合理區間為4∶1～3∶2。風室布置如圖1所示。

圖1 風室布置

2 一次風

2.1 一次風的作用

對于垃圾焚燒而言，一次風的主要作用包括垃圾干燥和助燃，以及冷卻爐排；影響一次風效果的因素主要包括風量、各風室風量分配以及風溫。一次風是垃圾順利燃燒和爐排安全的重要保障。通過數值仿真發現，合理的一次風分配可使垃圾床表面平均溫度明顯提高［3］，提高燃燒效率。

2.2 風量

一次風的風量取決于垃圾燃燒量，可以根據垃圾量和過量空氣系數初步確定一次風量。一次風量應取合適值，過高的一次風在通過風孔時流速很高，風力強勁，可能將垃圾燃燒吹熄，并損壞爐排上的通風孔；若一次風量過低，風力不足，無法穿透部分風孔上的垃圾，將導致一次風分布不均，局部干燥或燃燒效果較差。

垃圾的干燥和燃燒均在爐排上面進行，需要通過爐排下的風室和風門對一次風進行分配送風。有學者通過建模分析得出，一次風風量配比對床層垃圾的燃燒具有重要影響［4］。風室有4段，干燥段為#1風室，燃燒段布置有#2、#3風室，燃燼段為#4風室。床料的燃燒與床料的干燥有直接的影響，而床料的干燥狀況直接受#1風室的影響，所以控制好#1風室的進風對于爐床的燃燒尤為重要。當垃圾比較潮濕時，應當增加#1風室進風量，有利于加速帶走垃圾中的水分，使床料得到更好的干燥，此時#1風室擋板開度可增大至60%～100%；當垃圾含水率較低，為避免爐床火線太靠前，應當減少#1風室進風量，此時#1風室進風量可控制在30%～50%。一般而言，無論垃圾含水率高低，應當盡量保證#1風室開度不低于30%。這樣一方面確保一次風對于床料的干燥，另一方面也有利于給料區域床料溫度的控制。其他各風室的開度應當以燃燒的狀況進行適當調整。

基于一次風在各個風室的分配，需要各個風室擋板門能夠有效的開閉，而擋板調節的最終目的是控制進風量，但需要引起注意的是，因多個風室同時從一次風母管引風，每個擋板門的動作都會導致各個風室風量的重新分配，所以風室進風量并不能按擋板開度進行直觀的比例計算。為取得精確的控制效果，可以在風室風道裝設流量計，以獲得風室的實際進風量。

2.3 風溫

風溫是一次風進行垃圾干燥和助燃的重要影響因素。從節能和安全運行的角度考慮，一次風溫在不同的環境條件下可以取不同的值。根據運行經驗，在夏季，垃圾中水分瀝出較易，入爐垃圾的含水率相對較低，且爐內溫度較高，所以一次風溫控制在160～180℃即可；而在冬季，入爐垃圾的水分依然較高，必須提高一次風溫，可以控制在220℃左右。

垃圾在爐排上燃燒的過程中有大量的熱量傳導到爐排片，導致爐排片溫度迅速升高，而一次風從爐排下方的風室吹入，經爐排片上的通風孔進入爐內，風溫相比爐排片溫度低很多，可以有效的帶走爐排片因垃圾燃燒而產生的熱，起到冷卻爐排片的作用，防止爐排片因溫度過高而產生較大的熱膨脹損壞爐排，從而保護爐排。

3 二次風

3.1 二次風的作用

二次風主要起到補充燃燒和調節爐內溫度的功能，由爐膛前后分多根風管送入爐內。研究發現，無二次風時，焚燒爐內燃燒不完全［5］，合理的風速可提高燃盡率，降低一氧化氮［6］。

①二次風在爐內產生湍流，使正在燃燒的含有大量可燃氣體的煙氣充分攪動混合，增大其湍流度，有利于可燃氣體成分與氧氣的充分接觸，促進可燃氣體進一步燃燒；②二次風能夠控制爐膛溫度，當二次風量足以補充燃燒并繼續加大二次風量時，因二次風溫度遠低于爐膛溫度，補充的二次風可以有效降低爐膛溫度，防止爐膛超溫，使爐膛維持在正常溫度范圍，提高機組的安全運行性能。

3.2 風速

由圖2可見，爐墻在長時間運營以后，已經積結了大量的灰塊，甚至堵住了某些二次風孔。可以推測，如果二次風口風速很弱或者沒有風，那么灰將持續積結，二次風口將很快被積灰堵塞，嚴重影響爐排的正常燃燒和鍋爐的運行調整。

圖2 二次風出口

二次風口孔徑較小，易產生堵塞現象，根據二次風口徑D與二次風流量Q，可以得到二次風噴出口的二次風流速V，公式如（1） 所示：

根據上式可列表2如下。

表2 流量與流速

各級風的強度說明如表3所示。

表3 流量與流速

二次風出口的堵塞是造成二次風不能有效吹入的關鍵影響因素，而飛灰在二次風口的累積是導致二次風口堵塞的直接原因，所以防止二次風口堵塞就要阻止飛灰在二次風口的累積。而因二次風口位于爐內，運行過程中無法清灰，一個有效的方式就是通過控制二次風口的風速，使其具備一定的風力將可能累積或輕微累積的飛灰吹散。

如果風力不能達到一定的強度，那么勢必不能在爐膛區域產生具有一定效果的擾動，而煙氣擾動是垃圾焚燒爐3T要素之一，決定了煙氣中CO等可燃物能否與氧氣充分接觸而完全燃燒，所以從這個角度而言，也必須控制風速在一定的水平。二次風出口的風速不可測量，可以根據表2中風速與流量對應關系，以二次風流量間接獲取二次風出口流速。

3.3 風溫

二次風風溫根據爐膛溫度和環境溫度可以進行調節。在夏季，爐內溫度較高，需要二次風很好的發揮冷卻爐膛降爐溫的功能，可將風溫控制在常溫狀態下即可；而在冬季，因爐內溫度較低，嚴重時需要燃油或者燃氣補充燃燒，應盡量提高二次風溫，以避免因二次風的吹入而導致爐膛溫度偏低。

4 結論

送風對于垃圾的干燥和正常燃燒有至關重要的作用，在燃燒控制過程中，應注意以下幾點：

1）根據垃圾成分和給料量確定總風量，并在4∶1～3∶2范圍內分配一次風和二次風。

2）通過風室調節擋板合理分配一次風在爐排各燃燒段的風量，干燥段開度應高于30%。

3）必須保證二次風吹入強度，避免二次風口積灰堵塞，發揮二次風對燃燒煙氣的擾動和調節爐膛溫度的功能。

4）根據環境氣候條件調節送風溫度，減少能量消耗。

［1］ 王康，黃偉，陸娟，等.垃圾焚燒爐排爐動態特性建模與仿真［J］.工業鍋爐，2015（4）：6-9.

［2］ 陳鵬，李軍，陳竹.垃圾焚燒爐配風比對燃燒過程影響的數值模擬研究［J］.環境衛生工程，2015，23（5）：29-32.

［3］ 胡玉梅，方方，邵毅敏，等.垃圾爐一次風量對爐床燃燒影響的仿真研究［J］.環境工程學報，2010，4（3）：671-676.

［4］ 林海，馬曉茜，余昭勝.大型城市生活垃圾焚燒爐的數值模擬［J］.動力工程學報，2010，30（2）：128-132.

［5］ 黃昕，黃碧純，紀辛，等.二次風對垃圾焚燒爐燃燒影響的數值模擬［J］.華東電力，2010，38（6）：930-933.

［6］ 王進，邵哲如，郭鎮寧，等.大型混流式生活垃圾焚燒爐數值模擬及二次風優化［J］.中國科技成果，2016（17）：56-60.