我国主流垃圾焚烧炉的焚烧机理

我国主流垃圾焚烧炉的焚烧机理
The Burning Principle to the Main
Garbage Incinerator in China
佛山市竞成工程建设监理有限公司 熊小康 张竞天

摘要：生活垃圾焚烧处理厂的关键地、重要地和中心技术设备是垃圾焚烧炉,其它与其配套的设备都是大同小异。在"简述我国常用垃圾焚烧炉的特征"和"我国常用垃圾焚烧炉的特性比较"文中，已经对国内常见的几种类型的垃圾处理焚烧炉的工作原理和特征已经作为简述。本文对道斯炉（Basic1）脉冲抛动式和（马丁炉）往复式机械炉排炉垃圾焚烧炉的焚烧机理作重点介绍。另外二种形式垃圾焚烧炉只简单叙述一下。
关键词：垃圾 焚烧炉 焚烧处理
Summary: It is the garbage incinerator that the key, the concernment and the heart of a life-trash-burning power plant locate. And others compounded equipments always are of minor difference. In "Brief introductions on trait of several common types of garbage incinerator in China" and "Difference to the characters of common garbage incinerator in China", it has made some brief introduction to working principles and characters of several common types of garbage incinerator in China. Hereby we would like to mainly concern about the working principle of the Basic1and the Mading trend of several common types of garbage incinerator。For other two kinds of garbage incinerator, we would make some simple introduction.
Key word: trash incinerator burning processing
1、 引言
生活垃圾焚烧处理方式是主流.它具有：减容效果显著（为原容积的1/5`1/6）、无害化程度高；焚烧处理设施占地面积小，对周围环境没有二次污染。还可利用生活垃圾中的热值余热发电或供热，是绿色环保主流发展方向。在经济发达、生活垃圾较多的城市（如珠江、长江三角洲）中，逐步采用先进的垃圾焚烧技术来进行城市垃圾的处理。我国主流垃圾处理焚烧炉型有：道斯炉（Basic1）脉冲抛动式垃圾焚烧炉、马丁炉往复式机械炉排炉等类型。这里对这二种垃圾焚烧炉的焚烧机理进行比较详细的叙述。
2、 垃圾焚烧炉焚烧机理
2、1道斯（Basic1）脉冲抛动式
垃圾入炉焚烧前不需进行任何预处理。生活垃圾经自动给料机送入焚烧炉干燥炉炉排架上干燥、热解，在干燥炉架上，接受主炉膛中的辐射热后，蒸发出垃圾中的水分，使生活垃圾更加容易燃烧。此阶段（干燥热解气化段）控制燃烧空气量，供氧量不足。同时部分垃圾在高温辐射作用下，开始进行化学分解，其中的部分高分子烃类和一氧化碳等可燃物挥发出来，干燥炉排处温度控制在500℃~600℃左右，这样就有了最佳的热分解温度，可以达到最

好的分解效果，由于引风机的作用，部分气体在主炉
膛内的停留时间很短，只有1~2秒钟，由于氧气供应并不充分，只有25%的碳氢化合物在主炉膛燃尽，15%的固定碳在炉排燃尽，其余60%左右的挥发性碳氢化合物进入再燃室。烘干后进入第一级炉排，在炉床上经热解产生出的挥发性物质和可燃物在高温下燃烧。垃圾燃烧剩余的固体物留置在炉排上，通过与空气的剧烈混合和炉排的抛动,垃圾被抛入下一级炉排继续燃烧，脉冲焚烧炉排级数依据设计而定。直至进入最后一级炉排燃烧时，喷入的空气量使废料完全燃尽后，进入灰渣坑，由自动除渣装置排出。此时就整个焚烧炉炉膛与再燃室接口状态看，空气、燃料颗粒、挥发分略呈不完全燃烧状态由于各级炉排的燃烧强度和燃烧废物量不一样，所需的空气量不同，因此每层炉排的振动频率和摆动幅度也不一样，完全视现场工艺情况来调整计算机控制，准确性高。根据燃烧特点和传热方式的不同,可分为三个阶段：
图1：道斯炉燃烧工作原理示意图
注译：
Sold Waste feeder：给料器 Puse Hearth：道斯炉炉排
Compressd Air：压缩空气 Drver Hearth：干燥器
Air Bag：气泵 Stage 1 Combustion Cnamber：1主燃烧室
Stage2 Combustion Air：2燃烧室 Stage3 Combustion Air：3燃烧室
Autemetic Ash Remove: 出渣系统 Roburn tunnel: 再燃烧室
To Flue Gas Treatment：去锅炉的烟气
第一阶段在炉膛内布置有膜式水冷壁管，接受燃料燃烧的辐射热能。燃烧空气由每个炉排的下部风机送入，经喷嘴进入炉膛，在气流作用下废物保持松散浮动燃烧，燃烧后的烟气中有许多焦炭颗粒和未燃烧物质，此时温度达860℃；
第二阶段是随着烟气进入第一级再燃烧烟道与定量高速喷入的空气剧烈混合燃烧，仍有未燃烬继续进入第二级再燃烧烟道与过量空气剧烈混合继续燃烧，温度达1000℃，此过程没有热交换，主要目的是提高烟气的温度加快烟气中有害物质的分解；
　第三阶段为控制余热锅炉进口温度，从省煤器出口处抽取部分190℃的烟气回送至余热锅炉前混合，使进入余热锅炉的烟气温度保持在760℃，燃烧完全的高温烟气经过过热器、省煤器、空气预热器进行对流换热，然后经干石灰与活性碳吸收处理，再经过半干式烟气处理设备和布袋吸尘器经引风机抽出，由烟筒排往大气，吸收塔下部飞灰与石灰等混合物由排灰装置排出。
2、2马丁炉往复式机械炉排炉焚烧机理
垃圾由垃圾车运来后，卸入垃圾池中，垃圾吊车将卸下的垃圾进行翻拌、混合，并按垃圾贮坑的作业程序进

行分区堆栈、发酵、翻拌混合可使垃圾的组分均匀，避免进炉的垃圾热值忽高忽低，从
而导致炉温过大的波动；堆栈发酵是解决高水分、低热值垃圾焚烧的重要经验，其机理是析出部分水分且产生沼气，既提高了进炉垃圾的热值，又使垃圾容易着火燃烧。经过二~三天左右堆栈发酵的垃圾，由吊车抓取投进垃圾料斗。料斗与料槽的接合处设有给料门，用于点火起炉和熄火停炉操作过程中，料槽内没有垃圾，关闭料门可使炉膛与外界隔开，维持炉内负压。按升温曲线达到投放垃圾时，料门开启，垃圾沿料槽下落到给料平台并充满整个料槽，给料装置将垃圾推送落炉排上，垃圾在炉排翻送过程中受到燃烧器和炉内的热辐射以及一次风的吹烘，水分迅速蒸发，着火燃烧，炉温逐步升高，当炉温达到600℃时，燃烧器退出，垃圾焚烧进入正常状态，炉温继续升高并维持在850℃左右。垃圾在炉排上依次通过干燥、燃烧和燃尽三个区域，垃圾中的可燃成份完全燃烧，不可燃的灰渣由炉渣滚筒送出落入出渣机中，出渣机贮有水并保持着一定的水位起到水封作用，确保炉内负压的稳定，灰渣在出渣机内熄火和降温后被推送出来，由振动输送带送去灰渣贮坑，在抛灰机的作用下落入灰渣贮坑中，垃圾经焚烧处理后成为稳定、无害的灰渣。振动输送带还有一个作用是使灰渣中的金属物暴露出来，便于悬挂在振动输送带上方的除铁器将其吸出，汇集后打包回用。垃圾焚烧过程中，有些细灰从炉条之间的缝隙落到各风室中，这些灰称之为'漏灰'，定时由漏灰排出系统依次打开风室下面的活门，

图： （马丁炉型）逆推式+顺推式机械炉排炉示意图
漏灰在风室的风压作用下落入灰槽中，灰槽一端通出渣机，另一端带有风门与公共风室连接，漏灰排出系统按程序将风门瞬时打开，将漏灰吹送入出渣机中，最后与灰渣一起被排走。
灰渣贮坑上方装有桥式抓斗起重机，用抓斗将汇集在灰渣贮坑中的灰渣抓取，装车外运、填埋。
燃烧用的空气取自（垃圾池是密封）垃圾贮坑的上方，由鼓风机抽吸和压送进行二级加热，第一级为蒸汽暖风机，第二级为烟气暖风机，风温提高到250℃左右，然后分成一次风和二次风，一次风进入到炉排下方的公共风室，通过各风室风门的调节，获得最佳的风量分配，最后经炉条的风道穿过垃圾层进入炉膛，提供垃圾焚烧所需的氧量；二次风通过二次风风道经调节风门从燃烧室上方前、后拱处的两排喷嘴喷射进炉膛，对燃烧气进行扰动和补充氧量，达到充分燃烧的目的。燃

烧空气从垃圾贮坑抽取是为了将这些被污染带有恶臭的空气送入炉内进行高温处理，并维持垃圾贮坑的负压状态，避免其外逸而造成周
围环境的污染。 垃圾燃烧产生的高温烟气在引风机的抽吸下首先通过锅炉第一通道，第一通道水冷壁下部用耐火材料敷设有相当长的卫燃带，用以减缓热交换的速度，使在此区域内的烟气温度保持着不低于850℃，有利于二恶英最大限度的分解。敷设卫燃带还可避免水冷壁裸露在高温烟气中而产生的高温腐蚀。烟气经凝渣管从上而下通过第二通道，采用辐射传热进行热交换，再急转进入满布对流受热面的第三通道和第四通道，加快了热交换的速度，在锅炉出口处烟温降至380℃左右。随后通过布置有管式烟气暖风机的第五通道，与空气进行最后的热交换，被冷却到270℃左右。为了保证静电除尘器入口的烟气温度稳定在设定的温度值，锅炉的第四通道设有旁路烟道和调节挡板，通过调节流经第四通道的烟气量来控制进入除尘器入口的烟温。完成热交换后的烟气进入烟气处理系统。
2、3、LXRF系列立式旋转窑焚烧炉焚烧机理
该炉从结构上分为热解气化炉和二燃室。热解气化炉内燃烧层次分布，如图所示， 从上往下依次分为干燥段、热解段、燃烧段、燃尽段和冷却段。进入
热解气化炉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（液态焦油、较纯的碳素以及垃圾本身含有的无机灰土和惰性物质等）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段继续燃烧后进入冷却段，由热解气化炉底部的一次风冷却（同时残渣预热了一次风），经炉排的机械挤压、破碎后，渣系统排出炉外。
图3：立式焚烧炉工作原理
一次风穿过残渣层给燃烧段提供了充分的助燃氧。空气在燃烧段消耗掉大量氧气后上行至热解段，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，垃圾在热解气化炉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，裂解后残留物留在热解气化炉内焚烧，垃圾的热分解、气化、燃烧形成了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，炉内各反映段的物理化学过程也持续稳定进行，从而保证了热解气化炉的持续正常运转。
2、4流化床垃圾焚烧炉焚烧机理
锅炉采用异重流化

床燃烧方式和低倍率分级分离循环返料的燃烧系统，该系统由炉膛、物料分离收集器和返料器三部分组成。炉膛上部由膜式水冷壁组成，下部为一个倒锥体流化燃烧室，亦称为
密相区。底部为水冷布风板，布风板上布置有特殊形式的风帽。布风板下由水冷管构成等压风室。一次风经等压风室、布 风板风帽进入密相区使燃料开始燃烧，并将物料吹离布风板。二次风由床层上方的二次风口送人炉膛，一二次风比例约为7:3，并可根据燃料变化和运行情况进行调节，既能达到完全燃烧的目的，又能控制SO2和NOx的生成量。
另外，由一次风引出几支风管从前后墙进入密相区，分别拨动垃圾、煤和返料灰，以便垃圾、煤和返料灰等物料均匀播撒到床料中去，同时加强密相区下部的扰动。 密相区上部为悬浮段，为保证烟气在炉膛中停留时间大于2秒，炉膛断面有所扩大。烟气携带物料继续燃烧，同时向炉膛四周放热。由于断面扩大，并且烟气经悬浮段碰撞炉顶防磨层，部分粗物料返回密相区，烟气只携带细物料离开炉膛进入一级分离器。
一级分离器为四排撞击式分离器，由凝渣管构成，布置于炉膛出口处，作为炉内分离装置。烟气通过一级撞击式分离器时，物料中较粗部分被分离出来，落人分离器下方收集斗，返回炉膛后循环再燃烧。
经一级分离后的烟气携带较细的物料，再经过过热器后进入二级分离器--下排气蜗壳式旋风分离器，将细物料进一步分离和收集起来，通过U型返料器返回到密相区中，继续循环燃烧。
过热器为纯对流型，分二级，为防止高温腐蚀，布置在炉膛出口，凝渣管后面。为保证管壁温度不超温，沿烟气流动方向依次为低温过热器和高温过热器。 两级过热器之间设有减温器调节汽温，考虑到焚烧垃圾烟气量较大的特点，面式减温器调温幅度在0-40℃之间。
为防止过热器管子磨损，除把过热器布置在一级惯性分离器之后外，过热器前两排管子还采用了喷镀镍基合金防磨技术。
锅炉采用两只蜗壳钢板式中温旋风分离器，外部为钢板结构，内部敷设保温、绝热和防磨材料。分离器人口采用蜗壳式布置，能保证分离效率达到99.3％
回料阀采用非机械式"U"阀回料器，保证回料通道通畅，并能耐高温、耐磨损和防粘结。
3、 小结
3、1垃圾预处理系统
垃圾进入炉之前，应在垃圾贮存库内放置3~5天时间，对垃圾进行初步的干燥，主要将垃圾中含有的外水，进行干燥，这部分水分根据垃圾的来源和自然情况的不同，约占垃圾重量的10%~30%左右。这部分水分主要是

通过蒸发的形式离开垃圾体。垃圾库有相当大的换气量，因此相应外水的蒸发量也是相当大的，垃圾中分离出来的水分与垃圾储存库中的空气一起离开，并进入垃圾焚烧炉通过烟囱排放大气。另有少量在垃圾坑深处的
外水则向下汇集，被渗沥水泵收集后喷入焚烧炉炉膛蒸发。由于渗沥水要吸收一部分炉膛热量，且水量不大，因此炉膛并不是时刻接受渗沥水的喷入的。在渗沥水需要处理时，先将炉膛温度调整到上限，并在系统中逐步增加负荷，少量喷入渗沥水后，再逐步调整。
3、2焚烧炉内的垃圾干燥系统
垃圾被抓斗送入焚烧炉的垃圾已经含有外水已经不多了，但仍然有不少的内水，由于水的汽化吸热相当大，如果在燃烧过程中这部分水分蒸发，就会使炉内温度场受到一定的影响甚至影响到燃烧的稳定。因此在燃烧之前将这部分内水分解出来就是十分必要的。
3、2、1道斯垃圾焚烧炉
道斯（BASIC）垃圾焚烧炉炉膛的进口位置，设置了一个垃圾干燥架，主要就是为了将垃圾中的内水分解出来的装置。垃圾送进焚烧炉后，不是直接送进炉排表面，而是先放置在干燥架上。在这里，垃圾通过两种方式来除去水分。一是接受炉膛的辐射热；炉膛内有一定的温度场分布，必然有一部分热量辐射到新进入的垃圾表面，当达到一定温度后部分水分就会蒸发，并随烟气流出焚烧炉炉膛，进入后部的余热锅炉等设备的烟道中。二是接受干燥风的对流换热；单凭炉膛辐射热是不能将垃圾中的水分彻底分离出来的，因此在BASIC焚烧炉中，还设置有一个垃圾干燥系统来进一步在燃烧前分离水分。
对道斯（BASIC）焚烧炉来说，采用了较大的炉排面积来减低热灼减率。为此，使热量集中也是一个相当重要的环节。该炉型的炉排结构采用的是六级阶梯形，由炉排两侧向中间逐级向下，并且各个阶梯也有一定向下的倾斜度。这样，随着炉排的抛动，垃圾在向下一级炉排抛出的过程中，也随着垃圾减容，向中间汇集。在配风上，也是中间的空气量大于两边空气量的趋势，因此垃圾能够不断减少，并集中，在炉排中部强化燃烧，这样的效果。所以，在炉排中部的传热、传质是最强烈的。炉膛其它位置的温度相对炉排中间位置的温度要低一些，但这并不影响垃圾的燃烧完成。垃圾在从一级炉排落入另外一级炉排的时候，能够变的非常疏松，这样使内部的垃圾也能充分接触新鲜空气，在内部燃烧，这样也可以使整个主要热量集中在待燃烧的垃圾中，提高垃圾的燃烧速度和燃烧效率。
3、3、2马丁炉
往复逆推+顺推式机械

炉排。逆推式炉排呈倾斜布置，垃圾依靠自身的重力作用在炉条上,炉排逆向推动时,垃圾翻转并沿炉床向前移动，炉排与水平面成26 0C夹角。炉床的宽度(350吨/日)的炉排宽约6米，而炉床的长度和炉排的级数,则决定于垃圾的质量和对灰渣热灼量的要求，有9
段、11段、13段和15段等系列设计，采用15段的炉床长约9.5米，由于炉条的逆向推送使垃圾容易着火燃烧，并延长了垃圾在炉床上的停留时间。炉排以列为单元，根据炉排的宽度分成两列，列间设置固定的分隔带，每列固定炉条与活动炉条相间排列，各列活动炉条分别由液压系统的油缸单独驱动，按燃烧控制装置的指令和程序协同动作。炉排的动作包括：各列给料器的往复运动；各列逆推+顺推式机械炉排的往复运动；出渣机的往复运动以及料门的开闭。这些运动都是由油缸分别驱动，由液压站集中控制。根据燃烧的要求，由燃烧控制盘的可编程序控制器（PLC）发出指令，使各动作按照预定的程序依次进行，实现燃烧过程的自动控制。
炉排的炉床由众多的炉条组成，垃圾的燃烧过程是在炉床上进行，炉条的逆推+顺推运动使垃圾移动和翻拌，使得垃圾充分燃烧。由于炉条的工作条件比较恶劣，容易磨损或烧坏，是机械炉排的易损件。炉条的头部作有各种形状的凸台，炉条作往复运动时使炉床上的垃圾得到均匀的搅拌和翻转，对于燃烧时产生表面固化的垃圾团还有破碎的作用，让垃圾得到足够的空气进行燃烧，利于燃烬。炉排用高铬耐热、耐磨铸铁制造，材质性能较为优异，结构上也有独到之处，炉条的筋板做成封闭的一次风通道，利用一次风的高速流动将炉条的热量带走，起到散热翅片的作用，有效地降低炉条的工作温度，从而延长了炉条的使用寿命。
5、结束语
很荣幸地参加了二个不同类型（道斯炉和马丁炉）的生活垃圾焚烧发电厂工程项目的建设，使得有机会对目前我国常见的几种垃圾处理焚烧炉有了一定认识、了解和熟知，并且对垃圾焚烧发电厂的工程建设项目的程序也比较了解、
和熟悉。
参考文献：
1、 晋江市垃圾焚烧发电厂可研报告 晋江创冠环保资源开发有限公司 2003年8月
2、 顺能垃圾发电厂建设方案 顺能垃圾发电厂有限公司 2002年3月
3、 龙岗中心城市垃圾焚烧发电厂建设方案 深圳道斯工程有限公司 2003年
4、深圳汉氏固体废物处理厂建设项目方案 深圳市汉氏固体废物处理设备有限
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