2燃料及燃烧基础知识(1课时)解析

生活垃圾中含有多种有机成分，其燃烧过程是蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧的综 合过程。同时，生活垃圾的含水率高于其他固体燃料，为了更好地认识生活垃圾的 焚烧过程，我们在这里将其依次分为干燥、热分解和燃烧三个过程。然而，在垃圾 的实际焚烧过程中，这三个阶段没有明显的界限，只不过在总体上有时间上的先后 差别而已。 (l) 干燥 生活垃圾的干燥是利用热能使水分气化，并排出生成的水蒸气的过程。 按热量传递的方式，可将干燥分为传导干燥、对流干燥和辐射于燥三种方式。生活 垃圾的含水率较高，在送人焚烧炉前其含水率一般为20%一40%甚至更高，因此，于 燥过程中需要消耗较多的热能。生活垃圾的含水率愈大，干燥阶段也就愈长，从而 使炉内温度降低，影响焚烧阶段，最后影响垃圾的整个焚烧过程。如果生活垃圾的 水分过高，会导致炉温降低太大，着火燃烧就困难，此时需添加辅助燃料，以提高 炉温，改善干燥着火条件。
（2）适量的空气供应 适量的空气供应，是为燃料提供足够的氧气，它 是燃烧反应的原始条件。空气供应不足，可燃物得不到足够的氧气，也就 不能达到完全燃烧。但空气量过大，又会导致炉温下降及排烟损失增大。 （3）燃料与空气的良好混合 混合是燃烧反应的重要物理条件。混合 使炉内热烟气回流对挥发气流进行加热，以使其迅速着火。混合使炉内气 流强烈扰动，对燃烧阶段向碳粒表面提供氧气，向外扩散二氧化碳，以及 燃烧后期促使燃料的燃尽，都是必不可少的条件。 （4）足够的燃烧时间 燃料在炉内停留足够的时间，才能达到可燃物的 高度燃尽，这就要求有足够大的炉膛容积。炉膛容积与锅炉容量成正比。 当然炉膛容积也与燃料燃烧特性有关，易于燃烧的燃料，炉膛容积可相对 小些。比如相同容量的锅炉，燃油炉的炉膛容积要比垃圾焚烧炉的小。
表1-2 桐城城市垃圾组成分析（湿基，单位：%） 成分 厨类 纸类 果类 竹木 塑料 纤维 橡胶 灰土 金属 玻璃
平均含 37.41 13.93 7.91 3.55 12.62 3.17 0.45 11.07 0.95 2.50 量
表1-3 桐城市垃圾灰分与可燃物分析表（湿基，单位：%） 成分 平均含量 水份 49.87 可燃物 34.61 灰分 15.52
机械炉排炉垃圾焚烧过程各阶段 定性划分
通常把城市生活垃圾焚烧过程划分成：预热，水分蒸发，升温，着火， 挥发析出和固定碳燃烧。这个过程与层燃炉的煤焚烧过程一样，就是 各阶段在整个燃烧过程中所占的比例有所不同。 在机械炉排炉中，垃圾焚烧的这些阶段并不是一个接着一个有明显的 分界线，而是有重叠的。
三、影响焚烧的主要因素
1.生活垃圾的性质 生活垃圾的热值和组成成分尺寸是影响生活垃圾的主要因素。 热值越高，燃烧过程越易进行，焚烧效果也就越好。生活垃圾 组成成分的尺寸越小，单位质量或体积生活垃圾的比表面积越 大，生活垃圾与周围氧气的接触面积也就越大，焚烧过程中的 传热及传质效果越好，燃烧越完全;反之，传质及传热效果较差， 易发生不完全燃烧。因此，在生活垃圾被送人焚烧炉之前，对 其进行破碎预处理，可增加其比表面积，改善焚烧效果。
桐城盛运环保电力有限公司 锅炉专业（运行部分）
锅炉专业技术交流（二）
燃料及燃烧概述
杨 旺
目录
1 2
燃料及燃烧的概念
垃圾焚烧设备概述
一、燃料及燃烧概念
燃料：是指在空气中易于燃烧，并能放出大量热量，且在经济上值得利用其热量的 物质。 生活垃圾由可燃物、非可燃物和助燃物组成。可燃物质为：碳（CO）、氢（H）、 挥发物（V）、硫（S）；非可燃物质为：氮（N）、水份（W）、灰分（A）；其中 氧（O）为助燃物，可燃的生活垃圾基本上是有机物，由大量的碳、氢、氧元素组 成。有些还含有氮、硫、磷和卤素等元素。这些元素在燃烧过程中与空气中的氧起 反应，生成各种氧化物或部分元素的氢化物。 燃料的挥发份：指将燃料加热到一定温度时，燃料中的部分有机物和矿物质发生分 解并逸出，逸出的气体。
综合以上分析，本工程确定垃圾低位热值如下： 最高 7500kJ/kg（1792 kcal/kg） 设计点（MCR点） 5800kJ/kg（1386 kcal/kg）
最低
辅助燃料区域
4186kJ/kg（1000 kcal/kg）
4186～5000kJ/kg（1000-1194 kcal/kg）
燃烧：是指燃料中的可燃物与空气中的氧发生强烈放热的化学反应过程。实质上燃 烧是可燃物与氧的氧化反应，只是这种氧化反应强烈到发光放热的程度。 燃烧的三要素： 必须有可燃物质—燃料 具有能使可燃物着火燃烧的温度 与氧气结合 完全燃烧的必备条件： （1）足够高的炉膛温度 温度是燃烧化学反应的基本条件，对燃料的着火、稳定 燃烧、燃尽均有重大影响，维持炉内适当高的温度是至重要的。当然，炉内温度太 高时，需要考虑锅炉的结渣问题。
3.温度 由于焚烧沪的体积较大，炉内的温度分布是不均匀的，即不同部位的 温度不同。这里所说的焚烧温度是指生活垃圾焚烧所能达到的最高温 度，该值越大，焚烧效果越好。一般来说位于生活垃圾层上方并靠近 燃烧火焰的区域内的温度最高，可达800一1000℃。生活垃圾的热值越 高，可达到的焚烧温度越高，越有利一于生活垃圾的焚烧。同时，温 度与停留时间是一对相关因子，在较高的焚烧温度下适当缩短停留时 间，亦可维持较好的焚烧效果。
表1-4 桐城市垃圾元素组成表（湿基，单位：%） 成分 C H O N 0.46 S 0.12
平均含量
14.81
2.10
17.38
表1-5 桐城市生活垃圾工业分析及元素分析预测
项 目 LHV
C H O N S Cl kJ/kg % % % % % % % %
可燃分
灰分 水分
设计点 5800 17.79 2.10 10.5 0.46 0.12 0.61 18.67 49.75
4.湍流度 湍流度是表征生活垃圾和空气混合程度的指标。湍流度越大，生活垃 圾和空气的混合程度越好，有机可燃物能及时充分获取燃烧所需的氧 气，燃烧反应越完全。湍流度受多种因素影响。当焚烧炉一定时，加 大空气供给量，可提高湍流度，改善传质与传热效果，有利于焚烧。
5.过量空气系数 按照可燃成分和化学计量方程，与燃烧单位质量垃圾所需氧气量相当的空 气量称为理论空气量。为了保证垃圾燃烧完全，通常要供给比理论空气量 所需的更多的空气量，即实际空气量，实际空气量与理论空气量之比值为 过量空气系数，亦称过量空气率或空气比。 过量空气系数对垃圾燃烧状况影响很大，供给适当的过量空气是有机物完 全燃烧的必要条件。增大过量空气系数，不但可以提供过量的氧气，而且 可以增加炉内的湍流度，有利于焚烧。但过大的过量空气系数可能使炉内 的温度降低，给焚烧带来副作用，而且还会增加输送空气及预热所需的能 量。实际空气量过低将使垃圾燃烧不完全，继而给焚烧厂带来一系列的不 良后果。图1-1 为低空气比对垃圾燃烧影响的示意图。
料层厚度的控制 根据垃圾质量(指热值量)调整料层厚度。垃圾重、料层应稍薄,垃圾重指灰份较多 的、压在中底部的、水份较多的垃圾。垃圾轻、料层应稍厚,垃圾轻指灰份少,堆在 上部的垃圾。火床上垃圾偏厚(1000mm以上)时调整,由于料层厚炉床燃烧火孔少,一 次风难于穿透料层,着火困难,燃烧不稳定,导致炉温不易升高。 调整方法: 停给料,只运行炉排,根据火床上火焰的长短情况、垃圾的着火情况,确定运行、停 运时间。当第推炉排二、三风室上部着后,给料器动作适当缩短燃烧行程。并按正 常燃烧进行控制。料层偏薄的调整,料层薄,垃圾在第一、二风室就能着火,导致火 床上火焰燃烧行程短,垃圾极易燃烬,炉温也不高。调整方法:适当加长给料行程,但 速度、幅度要小,逐步增加到合适厚度为止。
图1-1 低空气比对垃圾燃烧影响
可燃性差的 垃圾燃烧不 完全 燃 烧 空 气 比 降 低 未燃烧尾气的增 加（CO、HCl、 NOX） NOX的 生成量 减少
热量扩散减 慢，炉内温 度上升
除尘器入口 尾气温度上升
二噁英 增加
生成结渣， 损伤耐火物
6.其他因素 影响生活垃圾焚烧的其他因素包括生活垃圾在护中的运动方式及生活垃圾 层的厚度等。对炉中的生活垃圾进行翻转、搅拌，可以使生活垃圾与空气 充分混合，改善条件。炉中生活垃圾层的厚度必须适当，厚度太大，在同 等条件下可能导致不完全燃烧，厚度太小又会减少焚烧炉的处理量。 综上所述，在生活垃圾的焚烧过程中，应在可能的条件下合理控制各种影 响因素，使其综合效应向着有利于生活垃圾完全燃烧的方向发展。但同时 应该认识到，这些影响因素不是孤立的，它们之间存在着相互依赖、相互 制约的关系，某种因素产生的正效应可能会导致另一种因素的负效应，所 以应从综合效应来考虑整个燃烧过程的因素控制。
二、垃圾燃烧的过程
一般而言，生活垃圾的燃烧过程如下:①固体表面的水分蒸发;②固体内 部的水分蒸发;③固体中的挥发性成分着火燃烧;④固体碳素的表面燃烧; ⑤完成燃烧。上述①一②为干燥过程;③一⑤为燃烧过程。
垃圾的燃烧过程比较复杂，通常由热分解、熔融、蒸发和化学反应等传 热、传质过程所组成。一般根据不同可燃物质的种类，有三种不同的燃 烧方式:①蒸发燃烧，垃圾受热熔化成液体，继而化成蒸气，一与空气扩 散混合而燃烧，蜡的燃烧属这一类;②分解燃烧，垃圾受热后首先分解， 轻的碳氢化合物挥发，留下固定碳及惰性物，挥发分与空气扩散混合而 燃烧，固定碳的表面与空气接触进行表面燃烧，木材和纸的燃烧属这一 类;③表面燃烧，如木炭、焦炭等固体受热后不发生融化、蒸发和分解等 过程，而是在固体表面与空气反应进行燃烧。
（2）热分解 生活垃圾的热分解是垃圾中多种有机可燃物在高温作用 下的分解或聚合化学反应过程，反应的产物包括各种烃类、固定碳及不 完全燃烧物等。生活垃圾中的可燃固体物质通常由C、H、O、Cl、N、S 等元素组成。这些物质的热分解过程包括多种反应，这些反应可能是吸 热的，也可能是放热的。 (3) 燃烧 生活垃圾的燃烧是在氧气存在条件下有机物质的快速、高温 氧化。生活垃圾的实际焚烧过程是十分复杂的，经过干燥和热分解后， 产生许多不同种类的气、固态可燃物，这些物质有空气混合，达到着火 所需的必要条件时就会形成火焰而燃烧。因此，生活垃圾的燃烧是气相 燃烧和非均相燃烧的混合过程，它比气态燃料和液态燃料的燃烧过程更 复杂。同时，生活垃圾的燃烧还可以分为完全燃烧和不完全燃烧。最终 产物为CO2和H2O的燃烧过程为完全燃烧;当反应产物为CO或其他可燃有机 物(由氧气不足、时，温度较低等引起)则称之为不完全燃烧。燃烧过程 中要尽量避免不完全燃烧现象，尽可能使垃圾燃烧完全。
在理想状态下，生活垃圾进人焚烧炉后，依次经过干燥、热分解和燃 烧三个阶段，其中的有机可燃物在高温条件下完全燃烧，生成二氧化 碳气体，并释放热量。但是，在实际的燃烧过程中，由于焚烧炉内的 操作条件不能达到理想效果，致使燃烧不完全。严重的情况下将会产 生大量的黑烟，并且从焚烧炉排出的炉渣中还含有有机可燃物。生活 垃圾焚烧的影响因素包括:生活垃圾的性质、停留时间、温度、湍流度、 空气过量系数及其他因素。其中停留时间、温度及湍流度称为“3T” 要素，是反映焚烧炉性能的主要指标。
表5-4 桐城市垃圾热值分析表
桐城市生活垃圾特性分析
根据国家建筑材料工业水泥能效环保评价检验测试中心2009年9月3日到 2009年10月3日从桐城6个采样点抽取城市垃圾试样进行分析。分析结果 见表1-1、表1-2、表1-3和表1-4。
表1-1 桐城市垃圾热值分析表
项目 垃圾平均低位热值 垃圾平均低位热值 单位 kJ/kg kcal/kg 数值 5275 1262
250T/t三驱动焚烧炉燃烧图
图中B-CA-G-C-D-E-F-A G-B-C-GC-D-EC’ E’ -B’区域为第Ⅳ区，为加辅助燃料 区域为第Ⅱ区，为加辅助燃料连续 -D’区域为第Ⅰ区，为不加辅助 C’- C区域为第Ⅲ区，为不 燃料的连续稳定运行区域； 稳定运行区域； 加辅助燃料超机械或热负荷每日中运行 超机械负荷每日中运行 2小时区域。 2小时区 燃烧图对应70%～110%负荷变化范围，分为 4个区。 域；
2.停留时间 停留时间有两方面的含义:其一是生活垃圾在焚烧沪内的停留时间，它是 指生活垃圾从进炉开始到焚烧结束炉渣从炉中排出所需的时间;其二是生 活垃圾焚烧烟气在炉中的停留时间，它是指生活垃圾焚烧产生的烟气从生 活垃圾层逸出到排出焚烧炉所需的时间。实际操作过程中，生活垃圾在炉 中的停留时间必须大于理论上下燥、热分解及燃侥所需的总时间。同时， 焚烧烟气在炉中的停留时间应保证烟气中气态可燃物达到完全燃烧。当其 他条件保持不变时，停留时间越长，焚烧效果越好，但停留时间过长会使 焚烧炉的处理量减少，经济上不合理;停留时间过短会引起过度的不完全 燃烧。所以，停留时间的长短应由具体情况来定。