生活垃圾焚燒鍋爐爐膛的結構設計

黃開佳，莊宇剛，黎毅榮，陳 焱，龍官云

（廣州廣重企業集團有限公司，廣州 511495）

0 引言

生活垃圾焚燒經過多年的發展，技術已經日臻成熟。垃圾焚燒的方式很多，包括循環流化床燃燒、爐排爐燃燒、回轉窯燃燒等。由于循環流化床燃燒屬于低溫燃燒技術，其爐膛溫度較低，不滿足限制二惡英產生的溫度條件，為達到所需爐膛溫度需采用助燃措施，近年來已經很少采用；回轉窯燃燒散熱損失大，不符合生活垃圾處理“資源化”的要求，多用于危險廢棄物的焚燒處理［1］。爐排型垃圾焚燒鍋爐有效地解決了二者的不足，成為市場的主流，已經占據了生活垃圾焚燒行業90%以上的市場。雖然爐排型垃圾焚燒鍋爐的技術成熟，市場占有率高，但是在運行中存在的問題也很多，如：爐膛結焦、過熱器入口煙溫偏高、爐膛金屬件腐蝕等。這些問題的產生，都與鍋爐爐膛的設計是否合理相關。爐膛結構設計的合理性，決定著垃圾焚燒鍋爐設計的成敗。

爐排型垃圾焚燒屬引進技術，流派較多，如丹麥偉倫、日立、三菱-馬丁、卡萬塔等［2］。由于各自技術特點不同，垃圾焚燒鍋爐爐膛結構形式多種多樣。根據爐膛幾何形狀和煙氣流動的狀態可將爐膛分為對流式、并流式、交流式和二次回流式4 種形式，如圖1 所示；各結構形式也與垃圾熱值相適應。如低熱值適應于對流式，中熱值適應于交流式，高熱值適應于并流式，對于四季垃圾熱值變化較大的適應于二次回流式［3］。

圖1 爐膛的幾何形式

但在工程實踐中，采用上述方法設計的垃圾焚燒鍋爐運行中出現了諸多問題。如丹麥偉倫技術采用并流式爐膛結構，在實際運行中經常發生垃圾未然燼的現象，熱灼減率不滿足小于3%的要求［4］；二次回流式中間布置的輻射天井運行中故障率高，以上兩種結構形式目前已經基本退出市場。對流式與交流式結構與我國傳統層燃鍋爐結構類似，易于被操作者接受，目前市場占有率很高。究其原因，是在引進技術的過程中，未充分考慮我國垃圾的特點，爐膛形式與垃圾不適應；同時，我國從事垃圾焚燒行業的鍋爐運行人員多是從燃煤鍋爐轉變而來，對引進鍋爐的結構不熟悉，給運行帶來困難。

我國生活垃圾具有熱值低、水份高的特點，所以垃圾焚燒鍋爐爐膛結構必須適合我國垃圾的實際情況，進行針對性地設計。表1所示為我國具有代表性的中等城市生活垃圾熱值及成份。由表中可見，生活垃圾含水量一般會超過50%，雖經堆積發酵處理，有一部分滲濾液析出，熱值稍有提升，但仍改變不了其點火及燃燒困難的特點。同時，同一地區隨著季節變換，生活垃圾成份及熱值也變化頻繁；特別是由于各地垃圾焚燒廠上馬過多，有的垃圾焚燒廠甚至出現了垃圾不夠燒的情況，多在生活垃圾中摻燒工業垃圾或陳腐垃圾，使生活垃圾焚燒鍋爐對燃料的適應性變得更加復雜。所以，垃圾焚燒鍋爐爐膛的結構設計的重要性不言而喻。本文根據工程實際經驗并參考相關資料，提出了爐膛結構設計的具體方法，該方法與我國生活垃圾的特點相適應的，具有一定的借鑒價值。

表1 生活垃圾元素分析及熱值表

1 爐膛結構設計中應注意的問題

1.1 爐膛結構介紹

爐膛結構簡圖如圖2所示。其屬于交流式的改進型，在后拱處增設折焰角［5］，使其更適應生活垃圾的變化。

圖2 爐膛結構

垃圾焚燒鍋爐爐膛由下部的爐排、前部的前拱（向上延展成前墻）和后部的后拱（向上延展成后墻）及左、右側墻組合而成。

垃圾熱值在4 200 kJ／kg 左右時，無需燃料助燃，所以引進技術如卡萬塔、三菱-馬丁等焚燒技術中，爐膛的燃燒室部分（爐膛下部用于組織燃燒的部分稱為燃燒室）均為絕熱爐膛，甚至在爐膛出口處還設有燃燒器，以保證煙氣在溫度不低于850 ℃情況下停留時間不少于2 s。

隨著垃圾熱值升高，如采用絕熱爐膛將出現燃燒室內超溫、結焦的現象。目前多采用內敷耐火澆筑料的水冷燃燒室，即將前拱、后拱、側墻根據需要，采用水冷壁內襯澆筑料的形式，有效解決了爐膛燃燒室結焦問題。為保證850 ℃以上煙氣停留時間不小于2 s的要求，一般澆筑料的敷設高度可達煙氣出口窗位置。

1.2 爐膛相關參數的選取

爐膛結構布置是否合理，對鍋爐能否正常運行起著決定性的作用。在爐膛的設計中，應通過爐膛熱負荷、爐膛截面流速及爐膛高度3個方面進行衡量。

1.2.1 爐膛熱負荷的選取

爐膛熱負荷的選取至關重要，一般取值范圍在85～230 kW／m3之間［6］，由于該值所覆蓋的范圍較寬，所以在選取時應格外注意。取值時要考慮爐膛水冷度的影響，如果爐膛水冷度較低，則取下限；若爐膛水冷度較高，可按上限選取。由于環保要求2 s點的設置，目前垃圾焚燒鍋爐的爐膛均采取耐火澆筑料敷設的方式，從而導致水冷度較低，故建議按下限選取，不宜超過90 kW／m3。圖3所示為垃圾焚燒鍋爐爐膛熱負荷選取不當，導致爐溫過高造成的結焦現象。惡劣工況下焦塊的厚度超過1 m，嚴重威脅鍋爐安全運行，甚至有焦塊脫落時砸毀爐排的現象發生。

圖3 爐膛前拱結焦

1.2.2 爐膛截面煙氣流速

爐膛截面煙氣流速控制也是設計中要重點考慮的問題。由于垃圾焚燒煙氣中含塵量較高，過高的煙氣流速會攜帶灰塵粒子在爐膛中向上運動，造成對爐膛水冷壁的磨損。特別是在煙氣轉向的位置，磨損現象更加突出，嚴重時會導致水冷壁爆管，若進入尾部受熱面，還會造成磨損和積灰，所以在設計中選擇截面流速在3～4 m／s左右為宜。

1.2.3 爐膛高度的控制

在爐膛高度上，一般從爐排面起算，至煙氣出口窗的位置高度不宜低于15 m。此高度的給出是基于兩個方面考慮：其一，保證煙氣在爐膛內的停留時間，減少煙氣對灰塵的攜帶；其二，爐膛高度方向的增加，可以保證2 s點的滿足。爐膛高度也不是越高越好，其高度以煙氣出口窗處溫度控制在850 ℃為宜，此溫度不但對二惡英的生成可控［7］，同時也避免了后部受熱面結焦的風險。

1.3 耐火材料的選擇及高溫腐蝕問題

生活垃圾焚燒鍋爐爐膛無論是采用絕熱型還是水冷型，其爐膛內都有耐火材料的敷設。由于垃圾焚燒產生的堿性熔融物對普通黏土耐火材料具有很強腐蝕性，所以爐膛內耐火材料應選擇具有抗腐蝕的高鋁耐火材料或鉻鎂質及鋁鎂質耐火材料。根據爐膛內各點溫度的不同，采用耐火材料也不相同。爐膛下部燃燒室溫度最高，可達1 200 ℃以上，所以此處選用含AL2O3為90%的剛玉耐火材料；在二次風噴嘴以上部位，爐膛溫度一般在1 000 ℃以下，此處可采用SiC 耐火澆筑料或搗打料，均能滿足運行要求。

爐膛設計中還應考慮爐墻支撐托架、錨固件等的耐熱性和耐腐蝕性問題。煙氣中的硫氧化物（SOx）及氯化氫（HCL）對金屬材料有腐蝕性，在320～800 ℃范圍內氯化鐵及堿式硫酸鐵的生成與分解的過程稱為高溫腐蝕。為減輕高溫腐蝕，高溫區耐熱金屬件材質建議選取1Cr25Ni20。耐火材料的厚度也是設計中選取的關鍵因素，此厚度與熱力計算相匹配，對爐膛的水冷度影響大，決定著爐膛出口的煙氣溫度。

1.4 滲濾液回噴的問題

滲濾液是一種成份復雜的高濃度有機廢水，其性質取決于生活垃圾的成份、粒徑、現場的氣候等因素，一般具有水質復雜、危害性大、COD 和BOD 濃度高、氨氮含量高、金屬含量高的特點［8-9］。在垃圾焚燒廠設計中，考慮減少污水處理費用，一般采用回噴到爐膛內進行焚燒的辦法進行處理。

然而，事實證明此種辦法弊端多多，嚴重影響了鍋爐運行。首先，由于滲濾液成份復雜，燃燒后產生的酸性氣體及含堿金屬的灰塵對鍋爐本體金屬腐蝕嚴重；其次，由于其屬于高濃度廢水，霧化及噴射效果不佳，經常造成系統管理堵塞、澆筑料開裂、爐膛燃燒偏析等問題，嚴重影響鍋爐的正常運行。所以在垃圾焚燒鍋爐爐膛設計中，應避免考慮滲濾液回噴。

2 垃圾燃燒過程與爐膛布置之間的關系

爐膛是生活垃圾著火、燃燒的場所。垃圾燃燒的過程主要包括3個階段：干燥引燃階段、焚燒階段和燃燼階段［10］。以上3個階段的界限并不十分明顯，有時可能交叉同時進行，但在焚燒爐內的其各階段大致如圖1所示。

2.1 垃圾燃燒的各過程具體介紹

（1）干燥引燃階段

從垃圾進入爐內到揮發份析出著火這一段是干燥段，一般其占據爐排長度的20%～30%。由于垃圾中含有大量水份，雖經5～7 天的堆積、發酵，但實際入爐垃圾的水份經常大于50%［11］。由于垃圾中的水份是以蒸汽形式析出，所以干燥過程需要爐膛提供大量的熱量。水份越高的垃圾，所需干燥的熱量越多，從而導致爐內溫度降低或干燥時間加長，這都會對整個焚燒過程產生影響。

（2）焚燒階段

垃圾經過干燥階段后，如果爐內溫度足夠高，又有足夠的氧氣，垃圾就會順利地進入真正的焚燒階段。焚燒階段不是一個機械的順序過程，也不是一個簡單的氧化反應。在此階段中，一般包括兩個同時存在的化學反應過程：垃圾的熱解和揮發份燃燒。

熱解是有機物的熱分解過程，在焚燒階段中，固體垃圾直接和氧化介質發生強烈的氧化反應并不容易。對于一般的有機廢棄物而言，總是先進行熱解，析出大量的氣態可燃氣體成份，多半是小分子的CO、CH4、H2或分子量較小的CmHn等氣態物質或殘碳，這些小分子氣態可燃混合氣體與氧化介質進行均相燃燒就比較容易了。熱解過程也稱為揮發份析出過程，揮發份析出的溫度區間很寬，一般在250～450 ℃范圍內，不同種類的垃圾，揮發份析出的溫度區間也各不相同。

因此，焚燒生活垃圾時，要注意熱解過程發生在爐內的什么區段或什么溫度區間是很重要的。揮發份析出后，立即會和氧氣發生強烈反應，燃燒時間短、速度快，這是焚燒階段的主要特征。

（3）燃燼階段

當垃圾在焚燒階段進行強烈的氧化反應之后，參與反應的物質濃度自然就減少了，氣態的CO2、H2O和固態灰渣不斷增加。由于灰層的形成和惰性氣體的比例增加，反應不斷減弱，直到燃燼。在這個階段，氧氣需要較少，燃燒也較弱。

2.2 爐膛布置對燃燒組織的影響

由以上介紹可以看出，生活垃圾在爐排上的燃燒可以按區段進行，但各區段并無明顯界限，也有可能交叉進行。如何組織燃燒，是爐膛結構設計中的重要課題。把鍋爐前、后墻下部傾斜部分稱為前、后拱，對于燃燒的組織主要是由前、后拱的合理配置完成的［12］。

前拱的作用是對燃料進行引燃，但它本身并不能產生熱量，而只能積蓄熱量和輻射熱量。前拱的傾角應以40°左右為宜，過高不利用對燃料層形成輻射，過低不利于自身熱量的吸收。前拱覆蓋爐排的面積稱為前拱覆蓋率，此值一般在20%～35%左右，實際應用中應根據垃圾熱值進行調整，對于垃圾熱值低于6 000 kJ／kg 的生活垃圾，此值建議取上限；當垃圾熱值在9 000 kJ／kg及以上時，建議此值不宜超過20%。

后拱位于火床的后部，主要作用是控制氣流的方向，并對燃燼段的未燃燼垃圾提供熱量，促進其燃燼，使垃圾灰渣的熱灼減率小于3%。在后拱下部燃燒產生的煙氣，通過后拱迫使其向前流動，其煙氣流速一般為4～5 m／s，具有一定的動量。在此動量的作用下，可以攜帶主燃區的煙氣沖向前拱，在前、后拱的相互作用下，煙氣氣流在燃燒室內形成倒a沖刷，不但增加了前拱的吸熱量，還使煙氣中攜帶的大量高溫灰粒子沉降到前拱下的干燥引燃段，大大增加了點火引燃的可靠性。

前、后拱的中間部位稱為“喉口”，喉口是垃圾燃燒后產生煙氣流動的必經之路。喉口的設計是否合理，也是爐膛燃燒室是否會產生結焦的決定性因素。對垃圾熱值較低的鍋爐，為保證垃圾能夠順利點火燃燒，需將喉口設計的小些，此時可增加燃燒室處的熱負荷；如果垃圾熱值較高，需將喉口部位設計增大，此時可降低燃燒室的容積熱負荷，避免結焦。喉口大小的設計可參考喉口出口處的煙氣流速，此值可在4～6 m／s范圍內選取，對于低熱值垃圾可取上限，喉口的尺寸是通過調整折焰角來實現的。

3 關于二次風的布置

由于生活垃圾熱值低、水份高，決定了其燃燒組織必須采取二次風參與燃燒。對于爐排型垃圾焚燒鍋爐，前后拱組合＋二次風組織燃燒是垃圾焚燒鍋爐能夠正常點火燃燒的充要條件。

4 爐膛內溫度分布區域

二次風布置的位置，受前期引進技術的影響，多布置于燃燒室以上垂直爐膛部分［13］。通過現場運行數據來看，煙氣出口窗處煙溫偏高，分析認為是由于二次風噴入后二次燃燒造成的，通過數值分析也驗證了這一點。由圖4 可以看出，在垂直爐膛下部噴入二次風后，在爐膛中部的中心區煙氣溫度明顯偏高。對于生活垃圾焚燒鍋爐來說，為了控制NOx的排放，一般均采用SNCR的脫硝方式，由于爐膛內煙氣溫度的升高，超過了最佳脫硝溫度點，導致脫硝效果變差，達不到環保要求；同時由于煙溫升高，增加了過熱器高溫腐蝕及尾部受熱面粘結積灰的風險，對鍋爐運行帶來危害。

圖4 爐膛內溫度分布區域

若要改變這種情況，必須對二次風的布置進行調整，如圖5所示，需從以下幾個方面入手：（1）增加煙氣擾動，避免熱解產生的可燃氣體在爐膛上部燃燒；（2）調整二次風管布置的位置，將二次風管布置在喉口位置，采用前后墻布置，前墻在上，后墻在下，形成雙層布置；（3）二次風管均采用傾斜向下的布置方式，二次風出口流速控制在65 m／s左右，保證二次風具有一定的剛度和穿透性，有效加強燃燒室內氣流的擾動，改善燃燒效果；（4）二次風溫可根據垃圾熱值的高低進行選擇。

圖5 改進型二次風布置

通過對二次風的布置進行調整，目前鍋爐運行狀況改善效果明顯。

首先，爐膛中部煙氣溫度偏高的問題得到解決，出口煙窗處溫度可以控制在850 ℃左右，確保降低二惡英產生的溫度條件。這是由于改進二次風噴口位置后，爐膛的燃燒均在爐膛下部的燃燒室內完成，不存在未燃盡氣體在爐膛中部燃燒的情況。爐膛出口煙氣溫度可控后，過熱器入口煙氣溫度超標的問題也得以解決。

其次，SCNR裝置可在設計范圍內穩定運行，調節難度降低，NOx的排放量可以控制在150 mg／Nm3以下，滿足環保要求。

第三，爐膛結焦現象大幅減少，因為爐膛結焦導致停爐的問題基本解決。在運行過程中，通過控制喉口出口處的煙氣溫度來控制燃燒室內的燃燒溫度，使其不超過灰熔點。由于垃圾成份不同，垃圾焚燒中灰熔點也是變化的，但此值控制在1 000～1 050 ℃是有效的，即便有結焦的現象發生也很輕微，不會影響到鍋爐正常運行。

第四，便于鍋爐負荷調整。二次風布置在垂直爐膛下部的時候，其作用是將燃燒室內未完全燃燒的氣體進一步燃燒，并通過構成旋轉氣流減少煙塵攜帶，此時鍋爐負荷的調整只能依靠一次風量和爐排進給速度進行，垃圾含水量高時斷火頻繁。而二次風采用前、后拱方式布置時，其具有了參與和組織燃燒的能力。當處于低負荷或垃圾熱值較低時，后拱二次風能有效的將后拱下熱煙氣引入到前拱下部，有助于新入爐垃圾的點火和燃燒。同時前拱二次風的布置，還可以減少煙氣對灰塵的攜帶，從而減少尾部飛灰的含量。由于飛灰中含有重金屬等污染物［14-15］，所以交錯布置二次風對降低污染物排放是有益的。對于高熱值垃圾，二次風可以采用冷風，降低燃燒室內溫度，避免結焦；若垃圾熱值較低，需預熱到180 ℃以上。

5 結束語

垃圾焚燒鍋爐爐膛的設計，是從組織燃燒、傳熱、爐墻結構形式、耐火材料選擇、防止高溫腐蝕、防止煙氣污染物的產生等各方面進行綜合考慮。合理的爐膛前、后拱的布置決定著垃圾焚燒鍋爐是否能夠正常組織燃燒；絕熱爐墻或水冷爐墻的選擇，應根據垃圾熱值進行，垃圾熱值升高后必須選擇水冷爐墻，爐墻中的耐火材料及金屬構件具有一定的耐高溫腐蝕能力；二次風的布置是否合理，對垃圾焚燒鍋爐煙氣污染物排放、組織燃燒及杜絕爐膛結焦都有重要作用，二次風的溫度必須具有可調性，使其適應垃圾熱值的變化。這種爐膛結構的設計方法，是與我國生活垃圾的特點相適應的，具有一定的借鑒價值。