垃圾焚燒水冷爐排冷卻技術與數值模擬研究

韓乃卿 李磊 付志臣 邵哲如

摘要：指出了垃圾焚燒發電廠主要采用爐排及流化床。對于爐排爐而言，無論順推或逆推大都采用空冷形式，對于高熱值垃圾，普通空冷爐排無法滿足冷卻效果，造成爐排壽命降低。為此，通過數值模擬及實驗的方法研究了一種水冷爐排，結果顯示，通過內部添加導流板可有效解決內部通道水流死區問題，數值模擬結果與實驗相符。

關鍵詞：垃圾;高熱值;爐排;水冷;壓損

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0209-03

1 引言

隨著居民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾產量越來越大，據統計年垃圾增長率在8%～10%[1]。垃圾圍城現象仍然屢見不鮮，因此垃圾處理已經成為亟待解決的社會問題。另一方面，生活垃圾熱值也在不斷提高[2]。垃圾爐排因其技術完善可靠，處理規模大，垃圾適應性好等特點，已經被廣泛應用于垃圾焚燒行業[3]。隨著垃圾熱值提高，在同樣處理量情況下，焚燒爐超負荷運行，造成爐膛內部溫度上升，從而垃圾焚燒爐運行環境更加惡劣，導致爐排壽命降低，從而縮短生產運行周期。

因此，開發適合高熱值垃圾焚燒爐排是解決該問題的關鍵，必須引起重視。

2 空冷爐排現狀

空冷爐排是目前爐排爐應用最廣泛的爐排形式，比利時西格斯、德國馬丁公司均采用該技術，國內垃圾焚燒爐制造廠家也均采用空冷爐排。據運行經驗及金屬性質，一般順推爐排可耐受垃圾熱值大約9000kJ/kg，而對于逆推爐排因其運動方式，耐受的垃圾熱值最高約18000kJ/kg。當垃圾熱值高或者由于運行過程中誤操作造成垃圾爐排暴露在高溫煙氣下時，由于高溫的作用，爐排性能極易被破壞。金屬表面處于高溫狀態下時，金屬耐磨性下降，在一次風出風口處，由于風速高極易造成爐排出風口腐蝕變大，另一方面由于上層垃圾的磨損，也會造成爐排表面損壞如圖1所示。通過數值模擬定性分析了垃圾爐排在不同情況下表面溫度分布情況，如圖2所示。

爐排運行時，垃圾爐排最高運行溫度不得超過450℃，通?，F場運行人員將運行最高運行溫度控制在350℃以下。由圖2可知，當爐排上層由垃圾覆蓋時，爐排表面溫度最高溫度約400℃，滿足爐排運行要求。但是當爐排頭部一旦暴露，該部分溫度迅速上升至525℃，超過爐排允許運行溫度。

3 水冷爐排簡介

3.1 斯特福水冷爐排簡介

水冷爐排作為適合高熱值垃圾焚燒技術，在國外已經研究多年，且有運行經驗。因此水冷爐排研發以國外先進技術為基礎，優化開發適合中國垃圾特色的水冷爐排。水冷爐排以斯特福水冷爐排為代表，與傳統鑄造爐排不同，該水冷爐排以焊接組裝為主可有效降低爐排成本（圖3）。

斯特福水冷爐排采用爐排頂部出風，一次風通道穿過水流通道，該技術可有效保證出風均勻性，但是，對于加工復雜。通過數值模擬手段，檢測內部流場發現，在部分位置，其設計存在不合理處，存在優化空間（圖4）。

由圖4可知，在爐排轉彎處，存在水流死區。造成該部分流動差，爐排溫度高。

3.2 水冷爐排優化設計

通過對比分析，目前順推垃圾爐排及斯特度水冷爐排，對爐排出風方式及內部通道進行優化，運用CFD技術及實驗方式對爐排流動特性進行模擬研究，研究表明，模擬結果與實驗結果相符（圖5）。

優化后爐排采用爐排前端平吹出風，內部焊接導流板，相對于斯特度水冷爐排進一步降低生產難度，采用非定常數值方法，對各時間點爐排內部水流進行模擬，如圖6所示，導流板與水流方向存在一定夾角，在通道中起到一定的擾動左右，因此可有效改善旋流及水流死角問題。

3.3 爐排壓損實驗

加工爐排單元并進行通水水壓及水流壓損測試，爐排單元如圖7所示。

數值模擬結果顯示，隨著水冷爐排人口水流量的增加，水冷壓降也隨之增加。通過對比實驗數據，數值模擬與實驗結果吻合較好（圖8）。

4 結論

（1）隨著垃圾熱值的提升，爐膛內部煙氣溫度升高，普通空冷爐排無法滿足爐排冷卻要求。

（2）水冷爐排能夠有效的對爐排起到保護作用，延長其壽命，通過合理有效的布置導流板，可解決爐排內部水流死區。

（3）通過數值模擬及實驗方法得到爐排內部水壓降特性。

參考文獻：

[1]閆常峰，林伯川.垃圾氣化新技術研究[J].熱能動力工程，2002，17（4）：356～358.

[2]孫培鋒，李曉東.城市生活垃圾熱值預測的研究[J].能源工程，2006（5）：39～42.

[3]白良成.生活垃圾焚燒處理工程技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4]馬曉茜，劉國輝，余昭勝.基于CFD的城市生活垃圾焚燒爐燃燒優化[J].能源研究與利用，2008（36）：101.

[5]朱新才，王傳賓，邵毅敏，等.垃圾焚燒爐二次燃燒的數值模擬[J].動力工程，2009（29）：261.

[6]趙穎，劉富強，聶永豐.運用CFD技術進行二段往復爐排焚燒爐二次風口的輔助設計[J].環境污染治理技術與設備，2006（7）：132.

收稿日期：2019-09-26

作者簡介：韓乃卿（1965-），男，高級工程師，主要從事環保相關工作。