垃圾焚烧炉炉型选择专题论证

安徽合肥长丰县生活垃圾焚烧发电项目（检索号：AF506C－J01－02）
预初步设计
第三卷热机部分
垃圾焚烧炉炉型选择专题论证
西南电力设计院
SOUTHWESTELECTRICPOWERDESIGNINSTITUTE
二O一四年十一月成都
安徽合肥长丰县生活垃圾焚烧发电项目
（检索号：AF506C－J01－02）
预初步设计
第三卷热机部分
垃圾焚烧炉炉型选择专题论证
批准：
审核：
校核：
编写：
目录
1.2垃圾焚烧炉的选择
1.3典型的机械炉排比较
1.4垃圾焚烧余热锅炉选型
1.5结论
垃圾焚烧处理系统的关键设备是焚烧炉，焚烧炉经过100多年历史的发展，借助新技术手段，垃圾的焚烧技术得到不断完善。

虽然垃圾焚烧炉是在煤炉的基础上演变而成，但由于垃圾成份复杂以及热值变化较大，垃圾的燃烧系统及垃圾焚烧炉的炉体结构也有很大的变化。

垃圾的主要特性是水份高、灰份高、热值低，物理成份复杂，含有腐败性有机物及有害物质。

焚烧炉的设计必须充分考虑到垃圾在炉内停留时间、燃烧温度、烟气在炉内的停留时间及紊流，从而达到完全燃烧、控制恶臭及抑制二恶英的产生。

本报告对几种型式的焚烧炉特点进行了介绍，并针对几种炉型的优缺点进行了分析比较，结合国家有关政策的要求，提出了现阶段推荐的焚烧炉炉型选择建议，供业主决策时参考。

1.1垃圾焚烧炉的种类
按燃烧方式的不同，焚烧炉的型式可分为机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、旋转窑焚烧炉和热解气化焚烧炉。

1.1.1机械炉排焚烧炉
机械炉排焚烧炉是较早发展的垃圾焚烧炉型式。

机械炉排焚烧炉根据炉排的结构和运动方式不同而形式多样，但燃烧的基本原理大致相同，垃圾在炉排上进行层状燃烧，经过干燥、燃烧、燃烬后灰渣排出炉外，各种炉排都会采取不同的方式使垃圾料层不断得到松动以及使垃圾与空气充分接触，从而达到较理想的燃烧效果。

垃圾的燃烧空气由炉排底部送入，根据垃圾热值与水份不同，送入炉排风可以是热风或是冷风，不同的炉排结构其炉排透风方式各异。

机械炉排炉具有对垃圾的预处理要求不高，对垃圾热值适应范围广，运行及维护简便等优点。

是目前世界最常用、处理量最大的城市生活垃圾焚烧炉。

在欧美等先进国家得到广泛使用，其单台最大规可达1200t/d，技术成熟可靠。

垃圾在炉排上通常经过三个区段：预热干燥段、燃烧段和燃烬段。

1.1.2流化床焚烧炉
流化床焚烧炉是利用流态化技术进行焚烧垃圾，在炉内有大量的石英砂作为热载体。

流化床在焚烧垃圾前，通过喷油燃烧将炉内的石英砂加热至600℃以上，垃圾经破碎后投入炉内，流态化的垃圾与热载体强烈混合，垃圾水份很快蒸发，使垃圾变脆而燃烧。

流化床焚烧炉由于有热载体的存在，燃烧稳定、对垃圾变化适应性好、燃烧热效率高。

由于炉内燃烧温度可控制在850℃左右，因而可降低NOx的产生，同时可在炉内直接喷入石灰，与SOx、HCl等酸性气体反应，可达到去除酸性气体的目的，其缺点是垃圾必须分选破碎，分选及破碎系统复杂，消耗动力大，同时要使垃圾及热载体处于流化状态必须消耗很大的动力，流态化固体颗粒对炉墙磨损严重。

流化床焚烧炉可以对任何垃圾进行焚烧处理，燃烧十分彻底。

但对垃圾有破碎预处理要求，容易发生故障。

另外，国内大部分流化床均需加煤才能焚烧。

1.1.3回转窑焚烧炉
回转窑焚烧炉是在钢制圆筒内部装设耐火涂料或由冷却水管与钻孔钢板焊接成圆筒状，筒体沿轴线方向呈小角度倾斜。

在焚烧垃圾时，垃圾由上部供应，筒体缓慢旋转，使垃圾不断翻转并向后移动，垃圾逐渐干燥、燃烧、燃烬然后排至排渣装置。

有时除旋转筒体外还配有前置推动炉排或后置推动炉排，前置炉排起干燥，后置炉排起燃烬作用。

配冷却水管的旋转炉对垃圾适应性强、设备利用率高、燃烧较完全、过量空气系数低，但其燃烧不易控制，垃圾热值低时燃烧困难。

回转焚烧炉较多使用在热值较高的工业固体废弃物的焚烧上，在生活垃圾的焚烧中应用较少。

1.1.4热解气化焚烧炉
该炉从结构上分为一燃室与二燃室。

一燃室内燃烧层次分布如图所示，从上往下依次为干燥段、热解段、燃烧段、燃烬段和冷却段。

进入一燃室的垃圾首先在干燥段由热解段上升的烟气干燥，其中的水分挥发；在热解气化段分解为一氧化碳、气态烃类等可燃物并形成混合烟气，混合烟气被吸入二燃室燃烧；热解气化后的残留物沉入燃烧段充分燃烧，温度高达1100～1300℃，其热量用来提供热解段和干燥段所需能量。

燃烧段产生的残渣经过燃烬段继续燃烧后进入冷却段，由一燃室底部的一次供风冷却（同时残渣预热了一次风），经炉排的机械挤压、破碎后，由排渣系统排出炉外。

一次风穿过残渣层给燃烧段提供了充足的助燃氧。

空气在燃烧段消耗掉大量氧后上行至热解段，并形成了热解气化反应发生的欠氧或缺氧条件。

由此可以看出，垃圾在一燃室内经热解后实现了能量的两级分配：裂解成分进入二燃室焚烧，裂解后残留物留在一燃室内焚烧，垃圾的热分解、气化、燃烧
形成了沿向下运动方向的动态平衡。

在投料和排渣系统连续稳定运行时，炉内各反应段的物理化学过程也持续进行，从而保证了热解气化炉的持续正常运转。

1.2垃圾焚烧炉的选择
焚烧炉是垃圾焚烧处理工艺中的核心设备，它对整体工艺路线、焚烧效果、工程造价、运行的稳定可靠性、经济效益等，都起至关重要的作用。

因此，在焚烧炉型选择上，务必十分慎重。

对国内垃圾焚烧的几种焚烧炉性能比较如下表：
表1焚烧炉型比选表
长，在国外有成熟的长期运行经验，使用数量最多，技术成熟，适合高水份、低热值、大容量的垃圾焚烧，烟气飞灰处理负荷较轻，不需要垃圾预处理系统。

流化床投资较低，但需要添加煤作为辅助燃料，运行费用受煤价和政府政策波动大，适合于煤资源丰富的地区，流化床焚烧炉烟气中飞灰含量远高于机械炉排炉，如果采用流化床焚烧炉，需要十分重视布袋除尘器的布袋质量，消除漏灰现象，以免造成环境污染，而且流化床焚烧炉对入炉垃圾的粒度一般要求为（150~200）mm，因此需设置垃圾预处理系统，一般选用冲击式破碎机再加人工分选，预处理工作量大且人工分选工作条件极其恶劣。

热解气化焚烧技术作为国际上垃圾焚烧界普遍认可的21世纪的垃圾新技术，同样适合低热值的垃圾焚烧，但目前单炉
容量不如机械炉排焚烧炉，且仍须改进才能适应处理高含水率的垃圾。

机械炉排炉相对其它炉型有以下几个特点：
1)机械炉排炉技术成熟，尤其大型焚烧厂几乎都采用该炉型，国内已有成
功的先例。

2)机械炉排炉更能够适应国内垃圾高水分、低热值的特性，确保垃圾的完
全燃烧。

3)操作可靠方便，对垃圾适应性强，不易造成二次污染。

4)经济性高，垃圾不需要预处理直接进入炉内，运行费用相对较低，电厂
运行环境相对较好。

5)设备寿命长，稳定可靠，运行维护方便，国内已有部分配套的技术和设
备。

另根据《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》[建城（2000）120号]第六条第6.2款“垃圾焚烧目前宜采用以炉排炉为基础的成熟技术，审慎采用其它炉型的焚烧炉。

禁止使用不能达到控制标准的焚烧炉。

”
根据以上比较，本工程推荐采用机械炉排焚烧炉。

1.3典型的机械炉排比较
从炉排的基本结构形式上来讲，机械炉排的类型可以分成由炉排块构成的炉排和由一组空心圆筒组成的炉排两类；从炉排的运动形式来看，可分成往复运动和滚动运动两类。

1.3.1往复运动炉排
往复运动炉排，根据炉排运动的方向，可分成逆推型往复运动炉排和顺推型往复运动炉排。

它们共同的工作原理是炉排为倾斜阶梯式布置，推料器不断把垃圾推入炉内，垃圾在运动的炉排作用下不断松动、切断和翻滚逐步由干燥区向燃烧区、燃烬区移动。

1.3.1.1逆推型炉排
逆推型炉排主要特点是炉排片作往复的逆推运动，即炉排片的前进方向与垃圾的输送方向相反，炉排片在运行中对生活垃圾有较好的搅拌和疏松作用，这样就确保生活垃圾在炉排面上持续得到翻转，有利于垃圾整体的干燥和燃烧，提高了垃圾的干燥速度和燃烧速度；同时，逆推型炉排一般采用较大的倾角布置，这
样通过垃圾的重力作用加大其往下的运动趋势，有效处理逆推运动本身对于垃圾的输送不强的局限，这样垃圾即实现了顺利往下输送，又得到了持续的搅拌和翻转，进而确保了垃圾在较短的炉排面积上实现稳定燃烧和完全燃烧。

逆推型炉排一般结构形式简单，炉排一个倾斜平面布置，模块化设计程度高，功能性强，运行稳定可靠，持续超负荷运行的能力强，检修维护方便，同时占用的厂房空间较小。

1.3.1.2顺推型炉排
顺推型炉排主要特点是炉排片作往复的顺推运动，即炉排片的前进方向与垃圾的输送方向相同，炉排片对于垃圾的输送效果非常好，炉排片的每一次前进都会把垃圾明显向前输送，所以顺推炉排一般都是水平布置或小倾角布置。

垃圾在移动过程中，一般都是整体向前运动，垃圾相互之间很难发生相对运动，垃圾本身也很难发生翻转，这样就出现较厚垃圾料层的干燥和燃烧不均匀，燃烬速度较慢，完全燃烧的难度较大。

虽然，顺推炉排一般采用了分段且两段之间设置一定落差等结构形式，目的是通过垃圾从上段炉排通过落差掉入到下段炉排，实现破散的作用，但是这些特殊的设置都是在炉排的局部某位置，不能让垃圾持续处于被搅拌和翻转的状况，所以不能有效确保垃圾的稳定、快速和完全燃烧。

顺推炉排由于其较强的输送效果，如果控制不好，炉排面上容易出现垃圾断层的情况，即局部的垃圾被快速输送到前方，而后面的垃圾未及时补给，这样就导致炉排的局部表面没有垃圾，炉排片裸露在外面，这样就容易降低炉排片的使用寿命。

同时，顺推炉排一般由多段炉排组成，为了确保垃圾在炉排面上的停留时间，炉排及炉膛整体的长度方向和高度方向尺寸都较大，占用的厂房空间较大。

1.3.2滚动炉排
滚动炉排一般由5～7个滚筒向下倾斜排列组成，每一滚筒配置一个风室，滚筒表面有许多通气孔，各滚筒通过的空气量可根据需要进行调整，各滚筒的速度可以不一样。

垃圾由推料器推入炉内，随着滚筒的旋转向下一级输送，垃圾在滚筒的滚动过程及由一个滚筒过渡到下一个滚筒时，得到较好的翻动和混合，从而获得较好的燃烧效果。

由于滚筒的转速及进风量均可单独调节，从而可以控制垃圾在各个滚筒的停留时间和燃烧，使得其对垃圾的适应性较强。

滚筒在滚动的过程中，可以不断得到冷却，因而滚筒炉排材料可以采用一般的灰铸铁。

根据以上三种炉排型式的比较，本工程现阶段暂推荐采用逆推型炉排焚烧炉。

1.4垃圾焚烧余热锅炉选型
垃圾成分具有高水分、高灰分、低固定碳、低热值的特点，但其中含有较多塑料，导致焚烧烟气中含有大量SOx和HCL，易引起余热锅炉尾部受热面低温腐蚀及严重积灰，从而影响锅炉的寿命和运行稳定性。

为了方便锅炉清灰并考虑到锅炉的各种性能(如经济性能、稳定性能、运营可靠性)，余热锅炉的布置方式对垃圾焚烧发电厂相当重要。

通常情况下，锅炉的总体布置是锅炉炉膛中的辐射受热面与对流烟道和其中的各种对流受热面的总体布置，既与锅炉的参数和容量有关，也与锅炉所用燃料的性质等因素有关。

由于具体条件不同，会产生很多不同的方案。

燃煤电厂比较常见的中型、大型锅炉的布置方案主要有∏式布置、Γ式布置、塔式布置、U式布置等，垃圾焚烧电厂锅炉的布置方式主要有立式布置、卧式布置和∏式布置。

选用不同的锅炉布置方式对锅炉的燃烧效率、投资成本等均有较大影响。

对燃煤电厂锅炉的选型已有较多研究，但针对垃圾焚烧发电厂锅炉的布置研究还不是很多。

本文针对国内多家垃圾焚烧发电厂的锅炉布置方式进行研究，为本工程垃圾焚烧发电厂的余热锅炉布置型式提出建议，供业主参考。

1.4.1立式锅炉
立式锅炉结构简图如下：
图1立式结构图
从以上示意图可看出：
立式锅炉为垂直顶支吊型式，燃烧炉膛位于炉排上方(如图1所示)。

锅炉的第一烟道四周敷设耐火层加以保护，有些锅炉的耐火层会敷设至烟温较低的第二烟道以避免腐蚀。

裸露的水冷壁增加吸热使烟气到达过热器前温度已降低。

锅炉炉膛的尺寸能够使到达过热器进口的烟温不超过600℃，以保证过热器寿命较长。

烟道中的换热部件(过热器、蒸发管束和省煤器)为顺列布置，并保证足够的空间以防止堵塞，使锅炉在污染状况下也能正常运行。

立式锅炉占地面积小，顺气流方向容易布置，烟气穿过换热器比较均匀，但过热器上容易积灰，影响换热效果，严重的积灰会影响锅炉的效率和寿命。

立式布置具有结构紧凑、占地面积小、投资较小等优点。

下表1列举了单台中温、中压自然循环立式锅炉布置方式的性能参数。

从表1可以看出，随着垃圾日处理量的增加蒸发量也越来越大，锅炉效率也逐渐增加。

由于是立式锅炉，因此随着单台锅炉处理量的增加，锅筒中心标高逐渐增高；但是锅炉长度并不是逐渐增加，而是根据设计的要求而变化，因此该炉型布置非常适合占地面积小的垃圾焚烧发电厂。

衡量一个垃圾焚烧发电厂投资成本的重要指标是锅炉的耗材量，用钢量越多，造价越高，成本越高。

从下表1中可以看出，随着单台炉垃圾处理量的增加，用钢量增加比较明显，造价相应增加。

表1单台中温（400℃）、中压（4.0MPa）自然循环立式锅炉布置方式性能参数
注：因锅炉厂家不同，表中数据会有差异，仅供参考。

1.4.2卧式锅炉
卧式锅炉结构简图如下：
图2卧式结构图
卧式锅炉(如图2所示)气流要转为水平方向进出第四烟道，烟气平均分布不如立式锅炉。

卧式锅炉的蒸发器、低温过热器、中温过热器、高温过热器、省煤器都集中横向布置在第四水平烟道内，因此，其维护比较方便，能容易地从顶棚上部吊出更换。

采用卧式布置的好处还有换热器不易积灰，清灰也比较容易，积灰被振打或吹灰后直接掉到灰斗中，从下部排出。

但卧式布置占地面积大，投资成本较大。

表2列举了单台中温、中压自然循环卧式锅炉布置方式的性能参数。

表2单台中温（400℃）、中压（4.0MPa）自然循环卧式锅炉布置方式性能参数
注：因锅炉厂家不同，表中数据会有差异，仅供参考。

1.4.3∏式布置余热锅炉
∏式布置余热锅炉简图如下：
∏式锅炉(如图3所示)为悬挂式锅炉，这种设计更具优势，便于安装和维护，易于从水平烟道顶棚上方更换过热器，整个过热器可以一次性更换。

锅炉包括三段垂直辐射烟道和一段水平对流烟道以及一段垂直省煤器。

第一烟道装有耐火材料保护层，锅炉垂直膨胀向下自由伸缩，压力部件墙壁温度均匀分布，热应力最小。

水平通道包含了低、中、高温过热器以及蒸发器，管道垂直布置，所以不易积灰、清灰也容易，这点性能与卧式锅炉相近。

但是，∏式炉布置的省煤器是在尾部竖井内，如果省煤器更换，更多的办法是从偏侧面抽出。

∏式布置占地面积大，仅次于卧式，投资与卧式相近。

表3
列举了单台中温、中压自然循环∏式锅炉布置方式性能参数。

表3单台中温（400℃）、中压（4.0MPa）自然循环∏式锅炉布置方式性能参数
注：因锅炉厂家不同，表中数据会有差异，仅供参考。

从表3可以看出，750t/d的蒸发量比500t/日的蒸发量大，锅炉效率也增加了1个百分点。

随着单台炉垃圾日处理量的增加，锅筒中心标高和锅炉长度逐渐增加，因此∏式布置非常适合占地面积大的垃圾焚烧发电厂。

另外，随着单台炉垃圾日处理量的增加，用钢量增加比较明显，造价明显增加。

1.4.4各炉型综合性能比较
（1）检修布置等
卧式及∏式锅炉的蒸发管束、过热器支撑悬吊较为方便，今后整体检修、更换相对简便、快捷；立式锅炉的蒸发管束、过热器支撑悬吊比较困难，一般支撑在膜式壁上，容易造成膜式壁变形，若采用悬吊管悬吊，则结构相对复杂，检修、更换更为麻烦，整体更换的工作量很大、周期更长；但从单个管子检修的角度来看，立式锅炉更为简单，若个别管子损坏难于检修，可在外部直接封堵；而卧式锅炉的对流受热面管则炉内检修空间很小，若个别管子损坏难于检修，只能拆除一组管屏，在炉外补漏或整组更换，耐火保温材料也将受到影响；
卧式锅炉与后部烟气处理系统的连接更为简捷，管道相对简单，阻力更小；立式及∏式锅炉与后部烟气处理系统连接管道拐弯较多，沿程阻力较大；
立式锅炉受压部件制造相对简单；而卧式及∏式锅炉受压部件制造难度较大，特别是过热器。

（2）清灰方式
垃圾焚烧余热锅炉积灰问题是普遍存在的一个难题，目前主要采用吹灰器来缓解锅炉受热面的积灰，从而延长锅炉的连续运行时间。

目前经常采用的清灰方式主要有蒸汽清灰、激波清灰和振打清灰三种方式，从清灰的角度来看：
1、立式锅炉主要采用蒸汽吹灰和激波清灰两种方式，由于受结构的影响，振打清灰方式难于立式锅炉上使用，而激波清灰受到炉膛宽度的限制，在炉膛宽度大于6米的垃圾焚烧余热锅炉上效果就不是很好，因此一般在三烟道大多采用蒸汽吹灰，而尾部省煤器部位可采用蒸汽吹灰或激波清灰，蒸汽吹灰方式需要耗费一定量的蒸汽，减少机组的发电量，在长期消耗上不是很经济，另外蒸汽吹灰系统相对较为复杂，还需较大的操作检修平台；
2、卧式锅炉在清灰方面则三种方式均可采用，可采用振打与激波清灰相结合的方式，也可单一采用激波清灰。

3、∏式布置锅炉清灰尾部省煤器可采用蒸汽吹灰或激波清灰，过热器三种吹灰方式均可采用。

4、从三种锅炉的清灰效果来看，立式锅炉由于三烟道受热面从上到下依次布置，因此上部受热面落下的积灰容易累积在最下部的蒸发管束上，从而造成蒸发管束部位积灰严重，使锅炉连续运行时间相对来说更短；但卧式锅炉由于过热器、省煤器制造要求较高，若由于振打或激波使受热面受到破坏，则也会影响锅炉连续运行。

∏式布置锅炉介于二者之间。

（3）综合性能参数
表4列举了单台中温、中压自然循环锅炉综合布置方式性能参数，从表4可以看出，对于500t/d的立式锅炉、∏式锅炉和卧式锅炉的效率均为81%，但卧式锅炉和∏式锅炉比立式锅炉的中心标高低4m，长度却增加了17m和14m。

∏式锅炉质量减少了20t，卧式锅炉增加了80t。

目前已运行或具备运行条件的垃圾焚烧发电厂单台炉日处理量较大的有北京高安屯800t/d，上海老港、李坑二厂、老虎坑二厂和深圳宝安二期的750t/d，采用卧式布置或∏式布置，因此一般大吨位的垃圾焚烧发电厂采用卧式或∏式布置设计。

表4单台中温（400℃）、中压（4.0MPa）自然循环锅炉综合布置方式性能参数
注：因锅炉厂家不同，表中数据会有差异，仅供参考。

本工程采用500t/d余热锅炉，总的来说，采用三种不同锅炉结构对整个垃圾焚烧发电系统的投资影响不大，使用效果由于受设计、制造、安装、运行、管理、各地垃圾质量等各种因素影响，各有千秋。

立式、卧式、∏式结构主要还是体现在余热锅炉方面，从大的层面来看，目前国内这三种形式的布置方式都已趋于成熟，而最核心、最关键的还是在于焚烧炉、炉排及液压系统的选择，焚烧技术是否先进、是否适合本地的实际情况。

上述三种型式余热锅炉都能满足本工程的设计要求，卧式及∏式布置占地面积相对较大，卧式造价略高，现阶段暂按立式余热锅炉进行设计，最终型式需由业主确定。

1.5结论
生活垃圾焚烧发电符合国家实施可持续发展战略，是今后我国大中型城市固体废弃物处理的发展方向。

1、经与流化床焚烧炉、热解焚烧炉、回转窑焚烧炉相比，机械炉排焚烧炉以其技术完善可靠、容量大、对垃圾适应性强、运行维护方便等特点，更适合我国垃圾热值低、含水率高的特点。

故本工程推荐采用机械炉排焚烧炉。

2、逆推炉排技术，可实现垃圾良好的搅动，配合良好的炉排出风方式，和
较高的一次风压，可保证垃圾在炉排上的充分燃烧，占用的厂房空间较小。

故本工程现阶段暂推荐采用逆推型炉排焚烧炉。

3、余热锅炉分为立式、卧式及∏式布置锅炉三类，三类布置方式均能与焚烧炉相适应。

卧式余热锅炉造价略高于立式余热锅炉，占地面积相对也大一些。

但卧式及∏式余热锅炉的主要优点是受热面清灰效果更好。

三种布置各有利弊，本工程现阶段暂按立式余热锅炉进行设计，最终型式需由业主确定。