垃圾焚燒爐儲熱式煙道結構設計及性能分析

嚴江萍

摘要：隨著我國經濟的飛速發展，城市化進程不斷加快，城市生活垃圾產生量迅速膨脹。而在實際應用中，垃圾焚燒爐對大瞬變工況焚燒響應存在不足，針對這一問題，可在焚燒爐內增加相變儲熱模塊的方法，來調整焚燒爐的溫度變化。基于此，本文探討了垃圾焚燒爐儲熱式煙道結構設計及相關性能。

關鍵詞：垃圾焚燒爐；煙道；相變儲熱

隨著國民經濟的飛速發展，人們的生活水平日益提高，生活垃圾產生量迅速膨脹。而垃圾焚燒爐在實際應用中，對大瞬變工況焚燒響應存在不足，可在焚燒爐內增加相變儲熱模塊的方法，來調整焚燒爐的溫度變化。當焚燒量過大，爐溫上升時，通過相變儲熱裝置儲存熱量，延緩升溫速度；同樣當焚燒量較低時，爐溫下降，儲熱裝置釋熱，加熱焚燒煙氣。

1 焚燒爐儲熱壁結構研究

針對焚燒爐煙道具體結構，研究了鋸齒板和管殼式兩種儲熱換熱結構在焚燒爐煙道上的應用可行性。

1.1 鋸齒板儲熱換熱結構在焚燒爐煙道上的應用可行性

1.1.1實驗分析

儲熱時，空氣在電加熱爐中加熱，經高溫風機提供動力，熱氣體在封閉的回路中循環，對鋸齒板相變儲熱換熱器進行充熱；釋熱時，關閉高溫風機和相應的儲熱循環閥門，打開相應釋熱循環的閥門和低溫風機，使環境空氣進入儲熱循環系統，對鋸齒板換熱器進行釋熱。

實驗中所使用的熱電偶為K型熱電偶，測量范圍273.15～1273.15 K（誤差范圍±2%）。在實驗過程中，換熱器進口溫度為590 oC，進口速度～3.1 m/s，板封裝體為不銹鋼材質。

換熱流體為空氣，相變材料為質量比例為4：6的NaCl-MgCl2的混合物。

1.1.2結果分析

在相變材料熔化階段，實驗模擬結果趨勢相符較好，相變材料工作時所特有的“臺階式”溫度分布顯現明顯，驗證了數值模型的合理性，兩者之間數值差異的主要原因如下：（1）平板內相變材料為粉體，導致相變材料的真實熱物性值小于模擬設置值，使更多的熱流從上游傳遞到下游；（2）板內熱電偶的布置無法做到準確定位，因此在開始階段的實驗值要高于模擬值。在相變材料凝固階段，熱電偶測得的實驗值與模擬值也吻合的較好，可見所選取的計算模型在凝固階段使用也是合理的。數值差異的來源與融化階段類似。

1.2 管殼式儲熱換熱結構在焚燒爐煙道上的應用可行性

1.2.1實驗分析

儲熱時，空氣在電加熱爐中加熱，經高溫風機提供動力，加熱后的氣體在封閉的回路中循環，從而對管殼式相變儲熱換熱單元進行充熱。待相變材料熔化后（從插入相變材料的熱電偶溫度判斷）進行釋熱實驗。進行釋熱實驗時，關閉高溫風機和相應的儲熱閥門，打開相應的釋熱閥門，使環境空氣進入儲熱循環系統，對管殼式相變儲熱換熱單元進行釋熱。

換熱裝置中有兩根裝有PCM的儲熱換熱管，其中相變材料的相變溫度Tm為758.15～760.15 K，相變潛熱L為178 kJ/kg。

1.2.2結果分析

與鋸齒板結構的結果類似，在相變材料熔化和凝固階段，實驗模擬結果趨勢均相符較好，清晰可見相變材料的“臺階式”溫度分布，再次驗證了數值模型的合理性。數值模擬和實驗之間的結果差異可能主要源于物性參數的選擇和熱電偶位置的誤差。

2 相變式儲熱垃圾焚燒爐模擬

下面將討論儲熱材料對于煙道溫度變化的調控能力。煙道溫度變化受到焚燒爐處理量、垃圾熱值和配風等參數的影響。本文將通過調整焚燒爐垃圾熱值的方式來調整模擬煙道中的溫度變化。此外，垃圾焚燒爐通常的調整范圍通常為70%-110%。但實際運行中仍然會有極端工況發生，煙氣溫度隨工況變化敏感、迅速，如不能及時調整，會造成污染物超標排放和煙道燒蝕等不良現象的發生。本部分將研究儲熱煙道技術應對極端工況的能力，因此將工況調節范圍擴大至50%-140%。

2.1 儲熱材料未工作工況

焚燒爐一次煙道內煙氣溫度隨垃圾熱值變化而改變，當入爐垃圾總熱值下降為為正常焚燒情況的50%和70%時，爐內溫度隨著時間逐漸降低，大約經過20分鐘，降至850℃以下，經過1小時后降至最低約600℃。而總熱值升高后，如升高至正常熱值的140%后，爐溫經過1h約升至1500K。

通過對不同工況條件下的焚燒爐溫度分布進行分析可以發現，在50%工況下，焚燒爐內高溫區主要在爐膛內，在二次風口以上的一次煙道內煙溫較低；在140%工況下，二次風口及以上區域煙氣溫度較高。通過對不同工況條件下的焚燒爐沿高度方向溫度分布進行分析可以發現，50%工況下，二次風口往上的煙氣溫度較低<850K（更遠低于850℃），不利于二噁英類物質的消減和控制；140%工況時，大量的可燃份在喉口區域二次燃燒，煙溫較高，可能發生燒灼現象。

2.2 儲熱材料工作工況

由上文分析可知，當垃圾焚燒的工況惡化時，爐內的煙氣溫度會會隨之變化。低能量輸入時（50%熱值），煙氣溫度迅速下降，僅15min左右，煙氣溫度就低于了850℃，現場條件復雜，極易造成污染物超標排放。

因為相變儲熱材料可以自動的在一定時間內穩定其能量交換介質的溫度，相比較需要人工操作的溫度穩定技術而言，如二次風調節、輔助燃料加入等，尤其優越性。研究結果表明，相變儲熱材料穩定煙氣溫度的作用明顯，低能量輸入時，煙氣下降到850℃以下的時間由15min左右增加到了25min左右；高能量輸入時，煙氣溫度增加到1000℃的時間由25min左右增加到了45min左右。

3 結語

本文深入探討了垃圾焚燒爐儲熱式煙道結構設計及相關性能，通過對比添加儲熱材料前后的極端工況運行參數，驗證了相變儲熱材料降低污染物超排、煙道燒蝕等不良現象發生風險的可行性，希望為垃圾處理技術的發展提供一定借鑒。

參考文獻

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（作者單位：江蘇天楹環保能源成套設備有限公司）