新型爐排型生活垃圾焚燒爐的設備及應用

林歡，朱清

（永清環保股份有限公司，長沙 410330）

引言

2016年12月31日，國家發展和改革委員會、住房和城鄉建設部聯合印發《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》指出：全國城鎮生活垃圾處理設施采用技術，2015～2020年，垃圾焚燒所占比例由31%提高至54%。“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設總投資為2518.4億元[1]。相比生活垃圾填埋，生活垃圾焚燒發電具有無害化、資源化、減量化、穩定化等特點，高效、環保、且有顯著的經濟效益。

我國生活垃圾的組成復雜、熱值低、灰分大，垃圾量隨季節性變化較大，垃圾熱值的高低也受之影響。影響垃圾焚燒的主要因素有停留時間、燃燒溫度、湍流度和過量空氣系數。停留時間一是指垃圾在焚燒爐內的停留時間，即垃圾進爐焚燒至爐渣從爐內排出所需的時間，其影響焚燒殘渣的熱灼減率和焚燒去除率；二是指垃圾焚燒煙氣在爐中停留的時間，即垃圾焚燒產生的煙氣在爐中所需時間，其影響燃燒效率、焚燒去除率和二英的分解率。垃圾在焚燒爐內停留時間越長，燃燒越充分，二英分解越徹底，焚燒爐的體積越大，設備要求越高。垃圾燃燒過程要求控制適宜的燃燒溫度，因為燃燒溫度過低，會使垃圾燃燒不完全，產生二英；燃燒溫度越高，燃燒反應速度越快，但過高的燃燒溫度會加快焚燒爐的內壁和爐內機械結構的腐蝕速度，影響爐壁的使用壽命及爐內機械的運行，還會促進氮氧化物的生成。焚燒爐是垃圾焚燒處理工藝中的核心設備，其對整體工藝路線、焚燒效果、工程造價、經濟效益等，都起著重要的作用。

1 工程概況

某市建立城市生活垃圾焚燒發電廠項目，設計生活垃圾總處理規模為1500t/d。一期規模為1000t/d，建設兩條2×500t/d的生活垃圾焚燒線及余熱鍋爐+1×18MW凝汽式汽輪發電機組。機、爐的參數選定為中溫、中壓（鍋爐4.0MPa、400℃；汽機3.83MPa、395℃）。預留1×500t/d的生活垃圾焚燒線及配套系統擴建場地。

2 技術分析

生活垃圾焚燒處理是指垃圾與一定量的空氣在焚燒爐內進行氧化燃燒反應。生活垃圾焚燒技術主要有4種：爐排爐層狀焚燒技術、水泥回轉窯燃燒技術、流化床焚燒技術和靜態熱解爐焚燒技術。對應的焚燒爐主要為機械式爐排爐、回轉式焚燒爐、流化床焚燒爐、靜態連續焚燒爐。

2.1 機械式爐排爐

機械式爐排爐是目前世界上最常用、處理量最大、適用性最好的城市生活垃圾焚燒技術。機械爐排爐層狀焚燒技術，垃圾不需要進行預處理，對垃圾熱值適應性強，且維護簡單，在歐美等發達國家廣泛應用。機械式爐排爐的爐床由機械組成，爐溫正常運行時維持在850℃～950℃，垃圾在爐排上依次通過預熱干燥段、燃燒段和燃盡段。垃圾通過爐排間的相對運動翻動、攪拌并推向前進。機械式爐排爐單臺爐處理量大，垃圾在爐內分布均勻，燃燒充分，運行時的給料情況可根據爐內垃圾焚燒狀況調整，設備運行時間≥8000h，技術成熟[2]。爐排的關鍵部件耐高溫，對材質要求高，設備造價高。焚燒爐的占地面積較大。

2.1.1 馬丁爐排爐

馬丁爐排爐是逆推式爐排爐（如圖1），爐排分為固定爐排和活動爐排兩種。兩種爐排按一定斜度依次排列。垃圾在重力的作用下向下移動，活動爐排產生與重力方向相反的傾斜推力，使部分垃圾往爐排表面反向移動，使垃圾充分攪拌。向上滑動的物料與新加入的垃圾混合在一起，可縮短干燥和點火的時間。馬丁爐排爐單臺爐的處理量大，垃圾在爐內分布均勻，料層穩定，燃燒完全。可根據爐內垃圾的焚燒狀況調節爐排轉速，控制垃圾在爐內的停留時間，直至燃盡。無需加燃煤，垃圾在爐排上燃燒，煙氣中的粉塵含量低，減輕了煙氣處理系統的壓力，可降低運行成本。

圖1 馬丁爐排爐

2.1.2 二段式垃圾焚燒爐

二段式垃圾焚燒爐排分為順推和逆推兩個燃燒區域（如圖2）。垃圾進入爐膛后，落在傾斜的逆推爐排上。通過逆推爐排的活動爐排，垃圾在爐排上不斷翻滾和攪拌，干燥、燃燒。在逆推爐排的末端，經過落差掉入順推爐排上，繼續燃燒至燃盡。灰渣由出渣機排出爐外。通過逆推爐排的逆向運動，垃圾層得到充分攪拌，料層平整，燃燒狀態穩定，爐膛溫度波動小。逆推爐排與順推爐排之間設置有臺階，使垃圾進一步攪動，確保垃圾充分燃燒。采用逆推爐和順推爐相結合，可保證垃圾焚燒的熱灼減率。

圖2 二段式垃圾焚燒爐

2.1.3 機械液壓順推爐排爐

機械液壓順推爐排爐分為水平給料爐排和焚燒爐排兩部分。垃圾通過料槽后，由水平給料爐排送到下方傾斜布置的液壓順推焚燒爐排上，爐排排面共有32排爐排片，分為5個爐排單元。排面與水平面呈21°角。爐排分為預熱干燥段、燃燒段、燃盡段。水平爐排片、上下翻動爐排片、固定爐排片組成一個動作單元，爐排片周期性的水平和上下翻動動作，使垃圾與一次風充分接觸燃燒。液壓系統控制每節爐排片的動作，并通過自動控制系統調節其頻率，完成垃圾的焚燒過程。

2.2 回轉式焚燒爐

回轉式焚燒爐利用水泥回轉窯協同焚燒處理生活垃圾。水泥回轉窯窯體為內襯耐火磚材料的鋼制桶狀設備，水平放置并輕度傾斜。筒體通過自身的回轉混合攪拌爐桶內垃圾，使垃圾完全燃燒。垃圾進入回轉窯后，干燥、燃燒、燃盡，最后排至排渣裝置。焚燒后的垃圾殘渣作為熟料的一部分。回轉式焚燒爐機械零件少，可長時間連續運行，故障率低，運行和維修費用少。通過爐體翻轉，垃圾充分燃燒，避免產生廢物未燃燒的死角。垃圾入爐前需進行嚴格的破碎、分選等預處理環節，結構尺寸較大、重金屬含量較多、不明成分的垃圾嚴禁入爐。預處理工序復雜，垃圾處理能力擴容困難，工作環境惡劣。回轉式焚燒爐對熱值較高的工業固體廢棄物的焚燒使用較多，對于熱值低的生活垃圾燃燒較困難。

2.3 流化床焚燒爐

流化床焚燒爐采用流態化技術進行生活垃圾燃燒，爐內是固定多孔布風板，爐內加一定量的石英砂粒作為熱載體。空氣由布風板進入爐膛，通過調節空氣量使砂粒加熱至600℃以上處于流化狀態。正常運行時，爐溫維持在850℃～950℃。經破碎的垃圾投入爐內后，與熱載體充分混合而升溫、干燥、焚燒、燃盡；燃燒穩定且速度快，燃燒完全，對垃圾變化的適應性好，燃燒殘余物的熱灼減率低；能保證爐溫均勻，不易出現局部過熱現象；對入爐垃圾的熱值要求不高；流化床焚燒爐的爐內無運動部件，結構簡單、維修方便。但流化床單臺焚燒爐的處理能力較小；入爐前需對垃圾進行篩選和預處理；需設置垃圾破碎裝置；煙氣中的粉塵含量大，加重了除塵器負擔；飛灰量大，增加了處理費用，對煙氣處理系統要求較高。

2.4 靜態連續焚燒爐

靜態連續焚燒爐的主要組成部分包括液壓進料裝置、一次燃燒室、二次燃燒室、空氣供給系統及自動清灰裝置。靜態爐的工作分為熱分解和氧化兩個階段。兩個階段分別在不同的室內完成。一次燃燒室的爐溫較低，供氣較少，垃圾進入一次燃燒室后，當爐內溫度達到500℃～550℃時，會自動控制其進氣量，使垃圾在缺氧高溫狀態下，進行靜態缺氧熱解，以抑制某些酸性氣體及飛灰的形成。熱分解后，高溫煙氣進入二次燃燒室，并與充足的空氣進行氧化燃燒，產生高溫。靜態連續焚燒爐的占地面積較小，燃燒完全，設備結構簡單、維修方便、投資較低、運行費用少；當垃圾熱值偏低或含水量過高時，需加入較多的輔助燃料；熱解-氧化控制范圍小，對控制系統的可靠性要求高。

3 某項目的技術選擇及技術特點

根據《城市生活垃圾處理及污染防治技術政策》，垃圾焚燒目前宜采用以爐排爐為基礎的成熟技術，審慎采用其他爐型的焚燒爐。禁止使用不能達到控制標準的焚燒爐[3]。結合某市的生活垃圾日處理量及垃圾具高水分、低熱值、沒分揀的特點，選用機械爐排爐層狀焚燒技術二段式機械焚燒爐。

某項目一期兩條2×500t/d的生活垃圾焚燒線路焚燒爐是在世界先進垃圾焚燒技術的基礎上，結合國內生活垃圾的特點和燃燒情況研發的復合式機械爐排爐，采用“順推干燥+逆推燃燒燃盡”結構設計和煙氣循環烘干的工藝設計，運用計算機CFD技術對爐排爐燃燒場進行數值模擬分析。

3.1 “順推段干燥+逆推段燃燒”結構設計

復合式機械爐排爐主要由進料裝置、推料裝置、順推干燥爐排、逆推燃燒、燃盡爐排、落渣灰斗、出渣機及液壓站等組成[4]。

垃圾車經地磅秤稱重后進入垃圾卸料平臺，卸入垃圾貯坑。封閉式的垃圾貯坑正常運行時為負壓，確保坑內臭氣不外逸。垃圾在垃圾貯坑內存放發酵后，通過垃圾吊車抓斗進入焚燒爐給料斗，經溜槽進入焚燒爐內。垃圾先進入順推爐排干燥。順推爐排固定爐排片和移動爐排片組成，固定爐排片和移動爐排片交替排列。進入爐排的垃圾含有大量水分，重量大，順推爐排能承受較大負載，爐排面積大，便于垃圾烘干。垃圾烘干后，進入逆推排爐。順推排列與逆推排爐間存在落差，落差使垃圾跌落翻轉，打散大塊的垃圾，保證垃圾燃燒更充分。逆推排爐的爐排片也有固定爐排片與活動爐排片依次排列組成。垃圾在重力和爐排片的推力作用下以螺旋形翻攪方式前進。垃圾與空氣充分接觸，燃燒更徹底。順推段干燥+逆推段燃燒的結構設計，縮短了垃圾干燥時間，增大了干燥面積，可保證垃圾在逆推段充分燃燒。針對爐排密封風密封結構與連桿接觸位置易產生間隙，密封效果不佳的問題，特設計了滑塊結構的爐排密封風密封裝置[5]。滑塊隨連桿的運動而往復移動，可確保密封結構與驅動連桿的接觸位置不產生間隙，密封效果好。

3.2 煙氣循環烘干式工藝設計

垃圾經過進料裝置、推料裝置進入順推干燥段爐排，由于生活垃圾含水率高、熱值低，垃圾在順推干燥段爐排烘干助燃。垃圾燃燒的助燃空氣一次風取自垃圾池，經蒸氣空氣預熱器加熱后送入爐內。垃圾烘干后進入逆推燃燒段爐排焚燒。垃圾加熱揮發的可燃性氣體正常燃燒需5%～10%的氧氣，空氣中的含氧量約為21%，爐內的可燃性氣體與過量的氧氣燃燒會產生大量的氮氧化物，增加煙氣凈化系統的負擔，污染環境。垃圾燃燒產生的煙氣溫度在850℃～1000℃。煙氣通過余熱鍋爐過熱器回收煙氣的熱量。從煙氣排放通道連接端到外端，鍋爐過熱器的煙氣溫度呈線性遞減。與空氣連接端排出的煙氣溫度小于100℃。因此，二次風從鍋爐房上部鍋爐過熱器內300℃～400℃溫度區引出，加壓后進入爐膛。二次風的含氧量小于空氣的含氧量，含氧量為8%～10%。垃圾通過300℃～400℃的溫度烘干后，煙氣中的含氧量與垃圾中的可燃性氣體可以充分燃燒，可有效減少因氧氣過量產生的氮氧化物，實現煙氣循環利用[6]。

3.3 計算機CFD技術數值模擬分析

CFD（Computational Fluid Dynamics），即計算流體動力學, 以計算機為工具，應用各種離散化數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，已廣泛用于大氣環境、航空航天、傳熱及化學反應等工業領域，解決黏性流體的流動問題[7]。可以利用CFD對大型垃圾焚燒爐的速度、溫度、速度矢量和濃度場等進行數值模擬計算[8、9]。根據爐排爐床層固相燃燒、床層上方氣相燃燒的特點，采用分塊模擬，建立三維立體模型，并對參數變化梯度較大的區域進行網格加密。焚燒爐二維模型和中心縱截面三維網格分布圖如圖3所示。焚燒爐二次風縱截面的速度分布圖如圖4所示。由圖3、圖4可知，二次風噴射的動量可以穿透一定的爐膛深度，有利于爐內的煙氣混合，促進垃圾的燃燒，提高燃燒效率。焚燒爐爐膛中心縱截面溫度分布圖如圖5所示。由圖5可知，順推干燥段溫度為850℃～900℃，逆推燃燒段的前半部分溫度為950℃～1100℃。說明采用煙氣循環烘干技術，垃圾在順推干燥段完成垃圾烘干，在逆推燃燒段的前半部分烘干后的垃圾得到充分燃燒。保證熱灼減率≤2.6%。

圖3 焚燒爐二維模型和中心縱截面網格分布圖

圖4 焚燒爐二次風縱截面的速度分布圖

圖5 焚燒爐中心縱截面的溫度分布圖

圖6 爐膛中心縱截面的O2分布圖

圖7 爐膛中心縱截面的CO分布圖

圖8 爐膛中心縱截面的CO2分布圖

圖9 爐膛中心縱截面的H2O分布圖

圖6～圖9分別為熱態計算后爐膛中心縱截面O2、CO、CO2、H2O分布圖。由圖6～圖9可知，采用煙氣循環的二次風入口含氧量較低。氧氣量主要集中在逆推燃燒段。說明采用煙氣循環烘干式技術可以控制含氧量在8%～10%，有效減少因氧氣過量產生的氮氧化物。順推干燥段的后端與逆推燃燒段的前段是揮發性氣體的析出區域，此處CO分布集中，其他位置的CO濃度較低。順推干燥段的CO2濃度最高，隨爐排長度方向，CO2濃度和H2O逐漸減小。說明垃圾在順推段干燥，含水率減少，在逆推燃燒段燃燒燃盡。

3.4 主要參數（見下表）

復合式機械爐排爐主要參數表

3.5 運行情況

該生活垃圾焚燒發電項目于2016年12月竣工并投入試生產，焚燒爐與環保配套設施運行正常。經現場監測，工程排放的廢氣、鍋爐排水、循環冷卻水排水、噪聲各污染因子均符合國家相關環保標準限值要求，固體廢物得到妥善處置。

4 結論

分析了城市生活垃圾焚燒中常用的機械式爐排爐、回轉式焚燒爐、流化床焚燒爐、靜態連續焚燒爐的特點。以某市生活垃圾焚燒發電項目為例，介紹了新型爐排型生活垃圾焚燒爐設備的特點。該新型機械式爐排爐采用“順推干燥+逆推燃燒燃盡”結構設計和煙氣循環烘干的工藝設計，并采用計算機CFD技術對爐排爐燃燒場進行數值模擬分析，焚燒爐技術先進，運行穩定，適合我國城市生活垃圾、城市污泥、餐廚垃圾等無分揀的混合型垃圾處理。