超大型生活垃圾機械焚燒爐的開發(fā)研究

趙緒平，張偉，霍光，王中原

（北方重工集團有限公司，沈陽 110141）

1 前言

垃圾焚燒發(fā)電技術具有處理量大、可靠性較高、處理周期短、減量化顯著、無害化徹底以及可回收余熱等優(yōu)點，適宜大規(guī)模處理未經分類的高熱值城市生活垃圾，是目前國內外城市生活垃圾處理的最佳處理方式[1～3]。大型機械爐排式垃圾焚燒爐是垃圾焚燒發(fā)電技術的核心設備，其研制開發(fā)對提升我國垃圾焚燒處理領域的技術水平，推動垃圾焚燒處理產業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

2 技術分析

目前，國內現(xiàn)有的和正在籌建的大型垃圾焚燒發(fā)電廠主要以引進國外技術和核心設備為主，不僅設備費及運行成本較高，且不能適應高水分、高灰分、低熱值、冬季嚴寒的混合城市生活垃圾特點[4～7]。超大型生活垃圾機械焚燒爐的開發(fā)須解決以下技術難點：1）目前生活垃圾焚燒爐難以適應不同地區(qū)、不同氣候條件下生活垃圾物理特性變化較大的情況，需對焚燒爐的結構進行研究，提高爐排的攪拌、破碎和配風功能，增加焚燒爐負荷調節(jié)能力；2）爐排的大型化制造及運行的精度很難保證，可能存在溫度場分布不均勻及燃燒效果難以保證等問題，需通過模塊化設計和均勻料層技術提高設備運行的穩(wěn)定性；3）焚燒爐在高溫運行狀況下的熱膨脹嚴重，導致爐排塊間隙超差，造成漏渣率高且燃燒不徹底，需設計合理的爐排結構吸收熱膨脹，降低漏渣量；4）生活垃圾成分復雜，配風效果差是造成煙氣中有害物質含量高的主要原因，可通過爐膛優(yōu)化和高效配風技術實現(xiàn)煙氣完全燃燒，大幅降低煙氣污染物的源頭產生量；5）由于垃圾成分變化較大，目前垃圾焚燒自動燃燒控制系統(tǒng)投運率低，仍以人工操作為主，對焚燒爐燃燒自動控制系統(tǒng)進一步優(yōu)化與完善，提高自動化水平。

3 主要技術參數

超大型生活垃圾機械焚燒爐由垃圾進料系統(tǒng)、干燥爐排、燃燒爐排和燃燼爐排、渣斗系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)等部分組成，是針對我國城市生活垃圾低熱值、高水分的特點而設計，具有適應熱值范圍廣、負荷調節(jié)能力大、可操縱性好和自動化程度高等特點。其主要技術參數如下表所示。

超大型生活垃圾焚燒爐主要技術參數

4 工作原理及結構特點

機械爐排式焚燒爐采用層燃技術，以多組爐排塊構成爐床，通過爐排塊間的相對運動和垃圾的重力使垃圾不斷翻動、攪拌并推向前進，對垃圾進行直接燃燒，整個燃燒過程在一個爐膛進行。首先通過推料器將料斗內的生活垃圾推入到干燥段，為保證垃圾能夠快速烘干、脫水，采用高溫空氣從爐排底部對垃圾進行烘干，同時爐內燃燒垃圾也能對干燥段垃圾進行烘烤；當垃圾進入燃燒段后，垃圾在1000℃左右進行高溫燃燒，可使垃圾中的可燃成分和有害成分被徹底分解，同時通過爐底吹入的一次風對爐排塊進行冷卻，防止高溫對爐排塊的損害；當垃圾進入燃盡段后，垃圾處于降溫過程并徹底燃盡，完全變成灰渣；灰渣通過渣斗收集后輸送到出渣機，通過出渣機輸送至渣坑，整個垃圾燃燒流程完成。結構原理如圖1。

圖1 機械爐排焚燒爐結構原理圖

4.1 料斗

料斗由料斗體、破橋裝置、垃圾溜管、連接膨脹節(jié)及冷卻系統(tǒng)構成，用于被垃圾抓斗投入的生活垃圾順暢、連續(xù)和安全地輸送到爐排。料斗設計成上寬口，便于垃圾進料；下窄口，保證料斗和溜管垂直處理滯留垃圾，提高爐內氣密性，防止空氣和煙氣泄漏。為保證垃圾供料順暢，料斗體傾角采用40°，通過安裝耐磨襯板，使料斗具有防沖撞、耐磨損和耐腐蝕等特點。架橋破解裝置也兼作料斗門，裝在垃圾料斗出口的鍋爐一側，由液壓缸驅動，當垃圾搭橋報警信號發(fā)出時，破解架橋動作解除搭橋。料斗的底部及溜管處設置水冷夾套，以防止爐內熱輻射或回火對設備造成熱損傷。

4.2 推料器

推料器由臺架、本體、驅動裝置和擋料板組成，通過推料器的前后運動將垃圾溜管內的垃圾推向爐排，當推料器后退到盡頭時，垃圾因重力而掉落到剛騰出的空間，接著由推料器的下一個前進動作，把垃圾推到爐排上。臺架滑板采用耐熱自潤滑材料，最大限度提高可靠性，降低摩擦系數，驅動裝置設置液壓缸，前進、后退的各個位置同步，由流量控制閥均勻供應流量，使推料器同步，為提高設備壽命，推料器與垃圾接觸的部位均采用耐腐蝕的不銹鋼材質。

4.3 爐排系統(tǒng)

在吸收國內外焚燒爐先進技術的基礎上，開發(fā)出超級列動式垃圾焚燒爐結構，外形如圖2所示。通過垃圾焚燒爐結構創(chuàng)新，攻克了大型垃圾焚燒爐料層分布不均、漏渣量大、燃燒效率低等技術難關，提高了爐排的攪拌、破碎功能，解決了進口爐排不適應我國垃圾不分類的難題，實現(xiàn)了垃圾穩(wěn)定高效燃燒。通過爐排模塊化設計，解決了爐排大型化在制造、運輸、安裝和運行過程中爐排精度、熱膨脹、彎曲等難題，確保大型爐排的運行質量，為垃圾焚燒爐大型化奠定了基礎。采用順推三階梯列動式，爐排為列向運動，避免了爐排間的摩擦，延長了爐排的使用壽命，吸收熱膨脹能力強、漏渣量小。

圖2 超級列動式垃圾焚燒爐結構

爐排系統(tǒng)由干燥段爐排、燃燒段爐排和燃盡段爐排及液壓系統(tǒng)組成，每段爐排結構原理相同，均由活動爐排列和固定爐排列組成，通過活動爐排列的反復前進和后退，實現(xiàn)爐排的動作，使垃圾一邊燃燒一邊被運送。垃圾在干燥爐排上干燥、在燃燒爐排上燃燒、在燃盡爐排上完全燃盡。三段爐排之間設置了合理的垂直落差墻，從一段爐排落到另一段爐排可以實現(xiàn)垃圾的翻滾、混合、疏松。垃圾經過初步干燥后，使得初步點燃經燃燒氣體熱量干燥的顆粒以及隨后垃圾層完全干燥的過程變得更為高效。當大塊垃圾從一段爐排落到下一段爐排時，大塊垃圾就會分離，大塊垃圾內部暴露出來，這樣，就有更多的烘干顆粒垃圾被點燃并與周圍的垃圾混合燃燒，垃圾中所含有的被點燃的顆粒垃圾開始鏈式反應，干燥和點燃過程不斷強化，直至開始進入完全燃燒過程。

4.3.1 干燥爐排

生活垃圾通常含多達40%～60%的水分，不除去這些水分，垃圾就難以燃燒，干燥爐排就是讓垃圾得到干燥。干燥爐排的特點有：1）垃圾緩慢通過往復移動爐排，垃圾將被破碎；2）垃圾被850℃～950℃的燃燒室的煙氣和干燥室的爐墻干燥；3）同時一次風被預熱到210℃～300℃后通過爐排下部吹入；4）當垃圾溫度超過200℃時垃圾開始起火，首先是可燃物如紙張類起火，這些易燃物質起到點火作用，點燃整個垃圾表面；5）所需的助燃風量可調整，爐排速度可在較大的范圍內調整，兩者都是遠程控制。這種特點結合空氣預熱措施可在整個預熱過程達到較大范圍的精確控制。

4.3.2 燃燒爐排

垃圾在干燥爐排上點燃后通過爐排驅動運動到燃燒爐排。通過落差段可破碎垃圾塊、增大空氣與垃圾的接觸面從而增強垃圾的燃燒。這也意味著下層被干燥的垃圾不能很好地落在正在燃燒的垃圾上，促進整個燃燒過程，具有以下特點：1）由于爐排的交錯運動，垃圾被很好地破碎和剪散以促進垃圾在整個爐排上的燃燒；2）易燃物，諸如紙張或紙板，首先開始燃燒，并且空氣只通過這些燃燒的地方，造成竄氣效應，該效應阻止空氣均勻分布于垃圾，造成垃圾燃燒不徹底；3）爐排上配有剪切刀，可以很好地促進垃圾完全燃燒。

4.3.3 燃盡爐排

垃圾的主要燃燒成分在燃燒爐排上進行燃燒，但體積大的木頭或濕蔬菜等不一定能很好燃盡。與燃燒爐排類似，燃盡爐排同樣可以利用垃圾的重力破碎垃圾，以保證未被燃燒的垃圾更好地燃燒。

4.3.4 液壓系統(tǒng)

各段爐排均設置了獨立的液壓驅動系統(tǒng)，可單獨調節(jié)各爐排段運動速度、頻率和往復幅度；通過ADAMS對爐排驅動裝置進行動力學模擬仿真，分析驅動裝置的運動特性，從而調試出最佳的燃燒效果。

4.4 大型焚燒爐爐膛

焚燒爐爐膛由爐排系統(tǒng)、鍋爐水管以及包括空冷壁的耐火磚墻組成。空冷壁可防止在爐壁上結渣。為避免高溫及煙氣腐蝕，鍋爐水管被耐火材料覆蓋。燃燒室有足夠的容積滿足燃燒熱負荷，提高燃燒效率。運用數字化流體力學CFD模擬焚燒爐燃燒過程，分析計算煙氣流分布對熱傳遞、停留時間、設備磨損等因素的影響，設計出合理爐膛機構，確保爐膛內的氣流和溫度分布合理，保證煙氣均勻燃燒。通過二次風雙漩渦風效實現(xiàn)還原性氣體完全燃燒，高效抑制NOx及二英的生成，大幅降低煙氣污染物的源頭產生量。

4.5 渣斗

渣斗設置在各個爐排的下面，有滲濾液斗、干燥段渣斗、燃燒段渣斗、燃盡段渣斗及落渣斗，既有把從爐排的間隙處掉下的漏渣收集到料斗下部的功能，又能從側面接收一次風。一次風除通過爐排片通風孔外還通過各列間的間隙送到爐排上方，布風均勻，垃圾充分燃燒。為避免漏渣的架橋現(xiàn)象，漏渣料斗設計足夠的傾斜角度和尺寸。如發(fā)生熔融鋁、焦油等黏著的情況，可用設置在料斗的噴嘴定期噴水，沖落黏著物，并且使用溫度儀和自動噴水閥應對干燥段料斗內可能發(fā)生的火災。

4.6 出渣機

出渣機由鋼板制水槽、刮板、液壓系統(tǒng)及機架組成，用于冷卻爐渣并加濕爐排下的細灰以降低粉塵排放，將焚燒爐渣運送至爐渣坑。在排渣時有濾干水分的作用，因此比濕式輸送機的脫水效果更好，排渣含水率低于30%。刮板的頭部裝有磨損片，反方向的水槽側裝有磨損板，為了便于定期更換，均設計成可拆卸式。出渣機內部的水位由浮球閥裝置維持，使焚燒爐內外的壓力平衡。并且當出渣機動作，刮板離開后端位置向前推動時，供水管的控制閥關閉，限制供水。由于在刮板動作時，水槽內的水位會變動，雖然浮球閥處的水位會暫時減少，但會馬上恢復，因此限制了在此期間向出渣機過量供水，達到節(jié)水目的。

4.7 控制系統(tǒng)

對焚燒爐燃燒自動控制系統(tǒng)進一步優(yōu)化與完善，采用溫度場成像與自動燃燒控制相結合，實現(xiàn)垃圾在焚燒爐膛內的充分穩(wěn)定燃燒，解決了目前國內垃圾焚燒爐自動控制系統(tǒng)投入率低的問題，提高了單位垃圾的發(fā)電量。

5 結論

（1）開發(fā)出超級列動式垃圾焚燒爐結構，攻克了大型垃圾焚燒爐料層分布不均、漏渣量大、燃燒效率低等技術難關，超負荷能力30%，提高了焚燒爐排的攪拌、破碎功能，解決了進口爐排不適應國內垃圾不分揀的難題。

（2）采用模塊化設計技術，解決了爐排大型化在制造、運輸、安裝和運行過程中爐排精度、熱膨脹、彎曲等難題，確保了大型爐排的運行質量，為垃圾焚燒爐大型化奠定基礎，實現(xiàn)單臺焚燒爐處理垃圾量≥1000t/d，單臺最大垃圾處理能力達1200t/d。

（3）通過高效燃燒空氣配風技術，實現(xiàn)了一次風按需均勻配風技術，實現(xiàn)了垃圾充分燃燒，雙旋渦二次風系統(tǒng)實現(xiàn)了還原性氣體完全燃燒，高效抑制NOx及二英的生成，大幅降低煙氣污染物的源頭產生量。

（4）列動式爐排結構既能有效吸收爐排熱膨脹，又能確保相鄰爐排列間沒有摩擦，同時能防止過多的細渣漏到爐排下方，實現(xiàn)漏渣率不大于1%；超大爐排燃燒面積在保證垃圾完全燃燒的同時，實現(xiàn)焚燒殘渣熱灼減率＜3%。

（5）采用溫度場成像與自動燃燒控制相結合的智能燃燒控制系統(tǒng)，使自動燃燒控制系統(tǒng)投運率達到90%以上，解決了目前國內垃圾焚燒爐自動控制系統(tǒng)投入率低的問題，提高了單位垃圾的發(fā)電量。

（6）超大型生活垃圾機械焚燒爐的成功研制，可有效打破國外企業(yè)在該領域的技術壟斷，改變我國建設大型垃圾焚燒處理廠依賴進口產品的局面，提升我國垃圾焚燒處理領域的技術水平，推動我國垃圾焚燒處理產業(yè)的發(fā)展。