炉排式焚烧炉及系统

炉排式焚烧炉及系统
炉排式焚烧炉是历史悠久、工艺成熟的设备，在发达国家已有超过五十年的应用历史，也是目前欧美国家广泛使用的炉型。

从燃烧学的角度看，炉排式焚烧炉的燃烧方式属于层状燃烧，适用于成分稳定、热值较高、水分较低的燃料。

总体而言，欧美发达国家的生活垃圾品位较好，属于成分稳定、热值较高、水分较低的燃料，较适应炉排式焚烧炉的燃烧，运行稳定，但仍需要油气助燃，运行成本较高。

我国的生活垃圾品位较差，具有成分复杂多变、热值低、水分高的特点，从国外引进的炉排式焚烧炉需要进行必要的技术和工艺改进，并经过一个渐进的适应过程，才能真正在我国较好地推广应用。

经过十多年的努力，目前已基本上达到了适应我国国情的要求，已基本具备推广应用的条件。

一、炉排炉的分类及结构形式
机械炉排是炉排式焚烧炉的燃烧设备，是完成垃圾从进料后干燥、燃烧、燃尽并排出炉渣整个燃烧过程的核心设备，对炉排的基本要求是：
（1）保证物流的连续性、稳定性，即要求炉排在垃圾给料器接受垃圾开始，到燃烧完全后炉渣排出的一个工艺过程中物质流的连续、稳定，这是燃烧过程连续、稳定的前提，不能出现物流阻塞、堆积情况。

这个要求主要是靠炉排的运动结构保证的，即使是不同炉排段采用独立驱动方式因而速度不同，但同一点上的物流仍是稳定、连续的。

（2）保证炉排上的垃圾稳定、良好的燃烧，即要求炉排上的垃圾具有均匀、合理的移动速度，得到适当的搅拌与混合，并合理地分配燃烧需要的空气，并防止局部吹透而造成空气短路。

（3）保证炉排的机械可靠性，炉排工作在高温、腐蚀、受磨损和运动的状态，因此要提高炉排的可靠性与寿命，应防止炉排直接暴露在高温火焰的辐射之下，所选用材料应具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损和抗氧化还原等性能，并且利用燃烧所需空气冷却炉排片，机械运动部件的结构、加工及热处理都应满足要求，以保证炉排的高可靠性和长寿命。

以上技术要求是原则性的，各个炉排制造厂在实际设计、制造时采取各自有效的方法来实现。

现代炉排式焚烧炉历经几十年的发展，在发达国家已非常成熟、
稳定。

从目前在运行的炉排炉看，在众多类型、形式的机械炉排中，具有代表性的炉排大致有下面四类。

1.往复炉排
可动炉排片的运动方式是沿一条直线平动的，原则上都属于往复炉排。

往复炉排有多种结构，从运动方向的特征而言又可分为三类（见图3-3），图3-3（a）所示的可动炉排片倾斜布置，在向垃圾料层运动时其运动方向与垃圾的移动方向夹角α小于90°，可认为二者大体是同方向的，故又称为顺推炉排（如ABB、Von、EVT等公司的产品），其中可动炉排片水平布置（图3-3（b））和运动的，也是顺推炉排；图3-3（c）所示的可动炉排片倾斜布置，在向垃圾料层运动时其运动方向与垃圾的移动方向夹角α大于90°，可认为二者大体是反方向的，因而又称作逆推炉排（如Martin公司的产品）。

图3-3 往复炉排结构示意图［13］
往复炉排的结构因不同的技术、产品而各有特色，如有的炉排水平布置，有的则顺着垃圾料层移动方向下斜布置；有的整个炉排基本在一个平面上，有的则成多级阶梯状布置以利垃圾翻动；有的可动炉排片与固定炉排片在横向交替布置，有的则在纵向交替布置；有的可动炉排片运动时同步，有的则按列反相运动；大多数往复炉排由可动炉排片、固定炉排片组成，但二者按一定间隔排布；有的则没有固定炉排片，所有炉排片均可运动，相邻炉排片反相运动。

往复炉排式焚烧炉是机械炉排炉的主要代表，具体形式变化多端，各个厂家均有自己的技术特色和工艺特点，限于篇幅，这里不深入剖析特定结构，仅为读
者提供一个概貌描述，这些炉排无论具体结构如何，都是从各个方面充分体现了上述三个要求，尤其是注重垃圾在整个焚烧过程的翻动、搅拌效果。

2.翻转炉排
翻转炉排整体向垃圾料层移动方向倾斜，没有阶梯落差，炉排片分为滑动炉排片（相当于往复炉排的可动炉排片）、翻转炉排片及固定炉排片，这三种炉排片以水平方式呈小组阶梯状纵向交互布置。

这种炉排的代表是西格斯多级炉排，采用相互分离、独立控制的驱动装置对垃圾进行输送和翻动、混合。

滑动炉排片的主要功能是输送垃圾，它把炉排上的垃圾料层缓慢而持续地向前推进，其速度决定了炉膛的垃圾通过量、料层厚度、停留时间和燃烧效果。

翻转炉排片的主要功能是翻动和混合垃圾，它把滑动炉排输送过来的垃圾料层及时翻动、搅拌，并使之与空气接触良好，这有利于处理热值低、成分波动大的垃圾。

图3-4（a）表示了滑动炉排片的运动，图3-4（b）则表示了翻转炉排的情形。

由于采取将水平动作（输送）和垂直动作（翻动）相分离的设计，这种系统比较适合垃圾成分不均匀或者长期的波动变化情形。

3.滚筒炉排
与上述两种炉排片式的结构不同，滚筒炉排是由滚筒构成的，每个滚筒就是一个独立的风室，滚筒上设置通风孔，空气由筒内排出，用以干燥和助燃。

整个炉排由一组（通常5～8个）滚筒组成，炉排面向下斜（见图3-5），垃圾料层在滚筒的缓缓转动下移动，到达两滚筒的间隙时，上一个滚筒底层的垃圾会被下一个滚筒向上前方推动，垃圾被充分地翻动和搅动，加上通风较为均匀，燃烧效果良好。

图3-4 翻转炉排结构示意图
（a）控制垃圾输送的滑动炉排片；（b）对垃圾翻动和鼓风的翻转炉排片
图3-5 滚筒炉排结构示意图[13，14]
（a）运动示意图；（b）结构示意图
4.链条炉排
在中小型燃煤锅炉中，大量使用链条式锅炉，其数量多于往复炉排，优点是布风均匀，结构简单，漏煤量小，但燃用生活垃圾时这种结构有一定问题，一方面由于链条移动带着垃圾料层一起运动，两者无相对运动，没有翻动和搅拌效果，不利于高水分、多成分的垃圾燃烧、燃尽；另一方面垃圾中有些金属（如铁丝、钉子等）可能会卡住链条，造成传动故障。

为克服这两方面的问题，链条炉排焚烧垃圾时有两个改进方向：一是把链条炉排做成多级阶梯，由若干阶梯布置的小链条炉排组成（见图3-6），这时仍应注意金属卡住链条的问题，垃圾最好进行必要的磁选，并把链条结构加以改良；二是燃用垃圾衍生燃料（RDF），这时既可用图3-6的结构，也可用图3-7所示的结构。

图3-6 阶梯链条炉排结构示意图［14］
图3-7 链条炉排结构示意图［15］
二、炉排式焚烧炉
垃圾在炉排中的焚烧是一个复合过程，包括多个相互关联、互相影响和前后重叠的过程组成：干燥→热分解→点燃→气化→燃烧→燃尽。

这个过程是多成分、高水分固体燃料的完整燃烧过程，燃煤时一般不用经过干燥阶段，燃油时直接从气化阶段开始进行燃烧，而燃用生活垃圾、废弃生物质和下水污泥时，则要经过上述完整的过程。

（1）干燥。

垃圾进入炉排上形成料层（又称料床），开始受从底部通入的热空气或热烟气（一般温度不低于180°C）的烘干，并按受部分炉内辐射热，干燥过程中垃圾从室温升到100°C以上，干燥产生的水汽被热空气或热烟气带走。

（2）热分解。

随着垃圾水分逐渐降低，料层温度逐渐上升到250°C，这时垃圾中的某些有机成分开始从固相转化成气相，发生了受热分解，释放出挥发分。

在这个阶段由于没有燃烧行为，并不需要氧气，热解所需能量主要来自后部燃烧区域及高温炉壁的辐射。

（3）点燃。

挥发分从固相释放出来后在温度稍高的区域（如大于300°C）被点燃，点燃的条件是足够的燃料（气态）浓度、足够的点火能量以及必要的氧气。

（4）气化。

当挥发分被点燃后，垃圾料层温度会明显上升可达400°C左右，这时氧开始与垃圾料层热解后的碳发生气化作用生成CO等。

一般对炉排炉而言，400°C是保护炉排的一个温度限值，必须防止炉排表面的温度过高。

（5）燃烧。

热解、气化产生的气态可燃物在空间燃烧，残碳则在料层中燃烧，燃烧的温度可达1000°C，这时火焰主要是在垃圾料层的上方，炉排由于通风良好，其温度仍在400°C左右或更低，在燃烧过程中，为了降低烟气中CO，应有足够的氧气和温度，但氧气过多且温度过高（如1200°C）时，NOx生成量会显著增加，因此燃烧组织及其优化控制是十分重要的一环。

（6）燃尽。

料层通过旺盛燃烧区域后，仍有少量可燃质会继续燃烧，炉渣则在通过燃尽段后离开炉排表面并被排出。

炉排炉的燃烧方式是层状燃烧，为保证垃圾的完全燃烧，有三个关键性的要求要满足：
（1）燃料（挥发分、碳等）与氧气的充分混合，与燃煤的层燃炉相似，沿炉排长度方向的氧气需求量是不均匀的，图3-8是炉排沿长度的配风关系示意图。

配风的原则是“按需分配”，即干燥、燃烧、燃尽各区域需要多少空气量就配多少风量，既不能多也不能少。

如何知道各区域需要多少风量呢？一般是通过理论估算、火焰温度分布测量、炉膛烟气成分测量以及运行经验等多种因素综合分析得出。

图3-8 炉排沿长度的配风关系示意图［13］
（2）垃圾料层的充分搅拌、翻动与混合，以求得到尽可能均匀的燃料特性。

如第一章所述垃圾作为燃料有三个特点：多成分、多形态，高水分、高挥发分，低热值、低固定碳。

由于垃圾组分的高度不均匀性，在炉排上的翻动、混合就特别重要，可以说也是炉排性能优劣的主要判别指标之一。

（3）燃烧室的设计要满足烟气中可燃组分充分燃尽的要求，这不仅涉及燃烧效率的问题，更主要的是为了保证烟气排放中CO、总烃和PCDD/Fs的浓度合乎标准，必须尽可能降低焚烧炉出口（即尾气净化系统入口）的污染物原始浓度。

德国的排放标准要求最后一次空气（即末级二次风或三次风）喷入点后直至燃烧室出口的烟气温度必须在850°C以上并保持至少2s，同时要求该区域的烟气氧浓度至少6%。

我国的国家标准（GB18485－2001）以列表形式简单地要求如表3-1所示。

从表中可看出，我国标准增加了在燃烧室烟气出口温度大于1000°C时烟气停留时间不少于1s的规定。

表3-1 焚烧炉技术性能指标
图3-9表示了烟气方向与炉排料层的相对关系，（a）是所谓的平行（顺流）燃烧，（b）是返流（逆流）燃烧，（c）是中心流燃烧。

这三种形式都有大量的应用实例，也各有优缺点，选用的原则是根据垃圾组分及变化来确定，限于篇幅这里不展开叙述。

图3-9 烟气方向与炉排料层的相对关系［13］
（a）顺流燃烧；（b）逆流燃烧；（c）中心燃烧
作为生活垃圾焚烧炉，一般都配备相应的余热锅炉。

余热锅炉的配置有两种基本形式：一是炉与锅分离，即前面是焚烧炉，绝热焚烧后的烟气进入后面的余热锅炉（即受热面）；二是炉与锅有机结合成整体，即焚烧炉的燃烧室中布置受热面，一般是水冷壁，这与普通的锅炉是一致的，大型生活垃圾焚烧炉由于结构原因大多采用这种形式，因此不单独在此对余热锅炉进行描述，只在本章最后一节介绍余热发电时予以叙述。

为了读者对炉排式焚烧炉有一个具体的认识，图3-10给出了整体炉排的示意图，图3-11则给出了炉排式焚烧炉（含余热锅炉）的示意图。

作为焚烧炉的具体结构，如钢架、炉墙、保温等内容较多，工艺性较强，本书不做讨论。

图3-10 炉排式焚烧炉炉排整体［16］
图3-11 炉排式焚烧炉（含余热锅炉）示意图［14］
1—垃圾料斗；2—垃圾推料器；3—炉排；4—风室；5—出灰管；6—落灰调节器；
7—落灰管；8—除渣机；9—炉排控制盘
三、炉排式焚烧炉的工艺系统
1.系统流程
生活垃圾的焚烧本质上与其它燃料的燃烧是相同的，都是有机物在高温下的氧化放热反应，但由于垃圾作为燃料在成分上的特殊性，使得燃料入炉前、燃烧后的处理较为复杂，这也是垃圾焚烧系统与通常的煤燃烧系统有较大差异的原因。

图3-12给出了垃圾从进厂到变成渣、灰和烟气的整个焚烧过程的原则性框图。

需要说明的是，有些专业人员因为尾气净化系统的复杂性而把它从整个焚烧系统中单列出来，这里为了叙述方便和完整性，把尾气净化系统作为焚烧系统的一部分。

简单地说可把整个焚烧系统（也称锅炉岛）划分为燃料供应系统、燃烧系统、汽水系统、烟气净化系统、除灰渣系统等一系列子系统。

图3-12 垃圾焚烧系统示意图
从图3-12可看出，就整个焚烧系统而言，输入系统的有垃圾、空气以及热回收介质（水）、尾气净化所需的脱污剂，输出系统的有渣、灰、烟气以及吸热后的介质（蒸汽）。

此外，垃圾坑中的渗滤液，如全部喷入炉内焚化，则没有污水排放（当然汽水系统中有排污），如不喷入炉内，则应进行必要的处理，达标后排放或排入市政污水管网。

图3-13以一个具体的例子对图3-12作了进一步的解释。

垃圾运输车经过地磅称量后进入封闭的倾卸区，把垃圾卸入坑内储存，坑内渗滤液首先考虑喷入炉内焚化，若渗滤液的量太多，无法全部喷入炉内，则考虑送入污水处理厂处理。

坑内垃圾存放一定时间（一般2～5天）后由抓斗天车送入焚烧炉料斗，进入炉
内焚烧。

焚烧产生的灰渣由排放点的不同分为炉渣和飞灰，从焚烧炉燃烧室底部排出的是炉渣，从燃烧室顶部随烟气进入余热锅炉（或尾部受热面）和尾气净化系统的是飞灰。

焚烧产生的烟气进入粗除尘器（图中为旋风除尘器）除去大部分飞灰，然后进入脱污塔（图中为半干式脱污塔）和袋式除尘器，最后由引风机排入烟囱。

从粗除尘器、脱污塔、袋式除尘器排出的飞灰和反应后的脱污剂（其中有未反应的成分）由除灰系统排出。

燃烧所需空气则由送风机从垃圾坑内抽取，余热锅炉中的介质是软化、除氧后的水，产生的过热蒸汽送入汽轮发电机。

2.燃料供应
垃圾在储坑内用抓斗天车抓出，投放到料斗内，料斗入口一般设在与垃圾池相通而与焚烧炉隔开，防止垃圾的臭气进入焚烧车间。

点火及助燃用油则在厂区内设立储油罐，用油泵把油输送到炉前。

油罐的设置及防护要满足生产与消防的要求。

3.烟风系统
现代炉排式焚烧炉基本上都采用平衡通风，即设置送风机和引风机，两者之间的流动阻力由两台风机的压头克服，而且燃料所需空气全部由送风机（有些焚烧炉设一、二次风机）提供，燃烧产生的所有烟气（包括过量的空气）都由引风机排出，送、引风机之间是密闭的流道。

4.除灰渣系统
炉膛内的渣由末级动炉排片推入排渣口后落入渣坑，再由除渣机（大多用湿法刮板或链带式除渣机）排出，再由输送带或汽车输运。

飞灰在尾气净化系统中被分级除下，然后用密封式输灰机（如螺旋输灰机和刮板输灰机）输送到储仓或固化车间进行后处理。

5.烟气净化系统
炉排式焚烧炉的烟气净化系统是仅次于燃烧系统的复杂装置，有湿式、半干式、干式脱酸装置和有机物、重金属脱除装置，以及除尘设备。

脱酸装置目前使用较多的是半干式和干式系统，因为湿法产生难以处理的废水（含PCDD/Fs和重金属）。

下一章将进一步论述相关的问题。

6.汽水系统
垃圾焚烧系统从锅炉出力的角度看属于小蒸发量的锅炉，一般国内日处理300t垃圾的焚烧炉，蒸汽（中温中压）出力在15～25t/h之间。

余热锅炉的汽水系统与常规的燃煤锅炉基本相同，其中两点可能有差异，一是有的焚烧炉采用蒸汽加热空气（即设置一级蒸汽式空气预热器），二是焚烧炉的过热器因氯和碱金属盐等腐蚀要使用较好的耐腐蚀材料（一般是提高材料中N i与Cr的含量），或者避开腐蚀强烈的温度区间。