基于MEPC.76(40)的船用焚烧炉试验方法解读

郭 凯，邹济成，衡 霖

(1.中国船级社江苏分社，江苏 南京 210003；2.中国船级社实业公司南京分公司，江苏 南京 210003)

基于MEPC.76(40)的船用焚烧炉试验方法解读

郭 凯1，邹济成2，衡 霖1

(1.中国船级社江苏分社，江苏 南京 210003；2.中国船级社实业公司南京分公司，江苏 南京 210003)

从防止船舶垃圾污染的角度出发，主要介绍了MEPC.76(40)决议中相关的试验条款，并针对船用焚烧炉的设计思路、燃烧效率、安全保护策略等方面进行了解读，同时还对船用焚烧炉试验过程中容易出现误解的内容进行解析，有助于相关人员更好地执行公约条款，最后对于船用焚烧炉的发展趋势进行了分析。

船用焚烧炉；燃烧；热容量；安全保护策略

0 引言

针对海洋船舶垃圾处理的问题，IMO组织不断提出建议案并通过相关决议来敦促世界各国政府一同解决：从MARPOL 附则V&VI，到MEPC.59(33)决议，再到MEPC.76(40) 决议。虽然相关公约至今还未被强制生效，但是国际社会对于船舶垃圾处理的担忧就一直没有减弱。针对上述有关公约与各项决议及其修正案，本文在MEPC.76(40) 决议《船用焚烧炉型式试验技术条件》的技术文件进行分析的基础上，对试验中的要求进行解读。

1 垃圾处理装置的设计思路

现阶段船舶垃圾处理的办法主要分为船上粉碎后直接丢弃入大海、岸上设置固定废弃物接收处所或装置、船上焚烧等。对于舱室设计比较紧张的，或者航区范围不固定的船舶，船上焚烧属于比较适合的解决手段。世界上较为主流的船用焚烧设备主要包括英国哈姆沃西公司设计制造的HAMWORTHY系列焚烧炉，丹麦阿特拉斯公司设计制造的ASWI型焚烧炉以及挪威TEAMTEC公司设计的产品，同时也包括国内自行研制的产品。各公司的产品在技术上虽然互有优劣，但从使用者角度来看均是对于MEPC.76(40)决议的执行与延伸。

MEPC.76(40)决议作为IMO组织提出的针对船用焚烧炉的技术条件，其内容的叙述广泛使用了一种框架式的约束条件。出于某种原因该决议中并没有对各项试验方法进行深入,但该决议对于焚烧设备提出涉及安全、操作等各项明确的要求，大致可以分为以下5类：温度控制要求、操作要求、电气安全要求、烟气要求、使用可靠性要求。无论是产品设计方还是船旗国政府在设计、生产以及检验过程中都应以这5个方面为基础综合考虑。需要明确的是所有产品的设计的原则是保障使用的安全。只有在充分考虑到焚烧设备的使用安全前提下，才可以从产品的结构材料、燃烧特性、可靠性与维护性等方面进行功能的落实。

2 MEPC.76(40)中关键问题的解读

2.1 燃烧过程稳定性的要求

按MEPC.76(40)第4.1条要求，焚烧炉系统应该在燃烧室排烟温度为850～1 200 ℃之间时方可进行操作，而燃烧室的预热温度需要大于650 ℃(适用时)。换言之，也就是要求焚烧炉系统在正常工作时，必须保证燃烧室温度在850 ～1 200 ℃区间之内。这是因为如果温度低于850 ℃，就不能保证燃烧的充分性；而超过1 200 ℃时又会在燃烧烟气中产生氮氧化物从而污染环境。实际试验中为保证对公约条款的严格执行，当炉膛温度在规定时间内达到850 ℃后，就应该稳定保持在这一温度区间。

燃烧是一个复杂的物理过程和化学过程，焚烧炉燃烧示意图如图1所示。炉膛是一个圆柱空间，配有装料门。仅当焚烧炉不处于燃烧状态时，才可被开启(某些产品被设计成可以连续投料的结构，所以既有连续装料门，也在下部设置一个除渣门)。在到达冷却设置温度之前，控制系统将防止门被开启。垃圾由燃烧器加热点燃。烟气出口位于炉膛顶部是为了最充分地利用火焰。通常火焰从燃烧器喷嘴喷出后先以螺旋态向下，随后在炉膛中央以旋转状态上升(也有一些产品将燃烧器火焰出口设计为横向喷射)。当烟气离开炉膛时，需要通过某种冷却手段使之在被风机抽出并由烟囱排出前温度降至公约要求的温度。燃烧过程中温度一般由外部PLC控制系统自动监控和调节。通过采集到的主要信号(通常为炉膛温度、压力等参数)来监控燃烧器的工作情况。

图1 焚烧炉燃烧示意图

在上述的一系列过程中，维持燃烧的稳定是首要要求。决定焚烧炉燃烧稳定性的因素多种多样，例如燃烧器位置、燃烧室的结构等，但是剥离次要因素后，在一个相对封闭环境中的燃烧稳定性主要是受空气的影响：空气的含量(风量)、空气的流速(风速)以及空气流向(风向)。这3个因素决定了封闭环境中的燃烧稳定性：风量决定了燃烧环境中的氧含量，风速控制了热量的传递效率，而风向则保证了热空气的流动性使得热量不会因为烟气的排放而被迅速带出燃烧室。这3个因素的综合作用能够使燃烧室内的热平衡达到稳定。

2.2 负压的调节

从安全使用的角度出发，船上焚烧装置的燃烧室应该在负压下进行操作。这样设计的主要目的是防止烟气向焚烧炉所在处所的周围释放，但同时焚烧炉炉膛负压还应被控制在一定范围之间(视炉膛体积而定)。若炉膛负压太小，炉膛容易在工作时向外喷尘，可能危及设备和周围操作人员的安全，也会因为进入到炉内的氧气含量不足，而使垃圾得不到充分的燃烧；如果负压太大，则炉膛漏风量增大，增大了风机电耗和烟气热量损失，也会因为加速燃烧室内空气流动而导致较大的热损失，影响燃烧过程的稳定性。因此，稳定炉膛负压对保证燃烧室内的稳定燃烧有着十分重要的意义。燃烧室内的负压大小是和燃烧室的体积有关，试验时也可以通过动态调节风机开度来调整燃烧室内的负压值。

2.3 温升速率的问题

MARPOL附则VI第3章第16.9条明确要求：对于分批装料的船上焚烧炉，该装置应设计成其燃料室的温度在起动后5 min内达600 ℃。对于该条款的满足条件，MARPOL公约并没有限制的十分明确。实际的情况存在以下两种疑问：

(1)焚烧炉是在任何状态下都必须满足上述要求，还是在正常填装垃圾的工况下才需满足？

(2)600 ℃是指燃烧室内任何一点的温度还是指燃烧室的平均温度？

对于问题(1)，按照传统热力学理论，一个相对稳定空间(这里指燃烧室)的温升速率是由该空间的含氧量、燃烧物质的热值以及其他一系列燃烧系数所决定。针对本文所涉及焚烧装置的燃烧空间是一个相对简单的空间，在没有对于该空间热态温度分布进行数据分析的前提下，可以构建一个简单的函数来描述它们之间的关系：

温升=氧含量 ×被燃烧物质热值 ×燃烧系数/燃烧室体积

由上述公式可看出，在氧含量与燃烧系数趋近于稳定的前提下，温升速率主要取决于被燃烧物质的热值和燃烧室的体积，即如果被燃烧物质的热值越高且燃烧空间越小，则温升速率就越高。回到上述第一个问题：假设进行测量时的工况是空炉(冷炉)状态，那么被燃烧的物质就仅为柴油，而在炉膛内装有垃圾的情况下，其单位时间内的总热值(垃圾的热值+柴油热值)是要大于空炉状态，并且燃烧体积又小于空炉状态。所以当设计方把满足公约要求的工况设定为装满垃圾(垃圾还应符合IMO-2级要求)时，那么在空炉状况下就很有可能无法满足公约的要求，由此就又引向了问题2。

对于问题(2)，热电偶的布置是和燃烧器喷嘴的位置与喷射方向密切相关。常规的安装位置一般在顶端与侧部居多。从燃油喷射燃烧的安全角度出发，常规燃烧器的喷射方向都是从上至下或从侧面向另一侧喷射，所以越接近燃烧器火焰出口的位置，热电偶所获取的温度值就越高越快。考虑到温度的传递无论效率多高均会存在一个延迟，所以热电偶安装的位置所获取的温度并不能完全代表整个燃烧室的温度分布，也就是说：如果公约指的是平均温度，那么选择一个最不利的位置(或者称作温度盲区)作为热电偶安装位置则在试验的苛刻性上更为符合公约的要求；又假设公约要求测量的是任何一点的温度，那么将热电偶设置在燃烧器出口位置相对就更容易满足公约要求，产生的后果就是炉膛内真实的温升速率可能不满足需求而使焚烧炉的燃烧性能和燃烧效果有所降低。实际上在2008年10月10日通过的MEPC.176(58)决议对于该问题进行了明确：仅仅针对燃烧室烟气出口位置的温度需要在5 min内达到600 ℃。而该问题的明确也进一步帮助设计方改进了各自的设计思路，在满足烟气出口位置温升速率的要求下，设计方设置系统热电偶的位置，应使热电偶反馈给控制系统的数据能够真实有效的反映炉膛内的温度情况，保证设备的运行安全。

2.4 固体垃圾样品的问题

从实用性的角度来看，焚烧炉应该具备可以燃烧固体垃圾也可以燃烧污油泥功能，但是从船舶经济性来看，大多数的时候只会被用来处理垃圾。按照MEPC.76(40)的附录A，其对于固体垃圾的分类十分明确。船上焚烧装置能处理的垃圾成分主要分为如下几类：食废弃物品(50%)，垃圾(50%)，同时还要求固体混合物应有50%的湿度和7%的不燃固体。与陆地垃圾不同，船舶垃圾的特点是含水量较高，但热值很低。往往在试验过程中，固体垃圾的含水率与湿度值是无法直接测量而是需要利用后期烘干称重在实验室测定。尽管公约要求很明确，但需要强调的是，固体垃圾的含水率与湿度值应被重视，这是因为水分对于封闭燃烧室内的温升速率影响很大。固体垃圾中的水分如果不足，则会使燃烧试验结果朝制造方有利的方向偏移。在实际燃烧过程中，固体的含水量越高，其热值就越低，焚烧效果就越差。

2.5 验证最大热容量

热容量是指物体温度变化时吸收或释放的能量，也是衡量焚烧炉产品处理能力的参数之一。最大热容量也可理解为焚烧炉产品的最大处理能力。各公司的焚烧炉产品根据各自设计理念不同，其工作效果和能耗均有不同。通过试验分别验证焚烧炉在燃烧垃圾、污油泥以及燃烧垃圾+污油泥时各自的热容量，从而能够确定焚烧炉各自工况下的最大工作能力。按照MEPC.76(40)中对于热容量所定义的量纲有3种可选：千瓦(kW)，大卡(kcal/h)和千克每小时(kg/h)。有些厂家习惯以大卡(kcal/h)作为热容量量纲，这样标定虽然名义上符合公约要求，但是事实上却存在着一定的问题。首先，以大卡(kcal/h)作为量纲不是很直观。对于不十分熟悉此类产品的用户来说，即便给出了产品的具体参数，也不能很清晰的让客户明确该台产品的实际处理各项垃圾的能力。其次，对于使用大卡(kcal/h)作为热容量单位，还容易让制造厂商对于焚烧炉的处理能力进行虚标，尤其在处理固体垃圾时。因为固体垃圾自身是无法燃烧，需要通过燃烧器燃烧柴油升温后才能达到焚烧效果，所以部分厂家在计算固体垃圾的处理能力时，除去固体垃圾本身的热值外，还将单位时间内所消耗的柴油热值也一并计入到其处理能力中。如果按照MEPC.76(40)中对于IMO-2型垃圾的热值计算，那么加入柴油热值后的数值几乎是仅包含固体垃圾本身热值的一倍。因此，在试验中验证焚烧炉产品的最大处理能力时，是需要考虑厂家对于热值量纲的设定的。

2.6 安全保护控制策略

热稳定性能是MEPC.76(40)对于船用焚烧炉装置最基本的要求，而使用的安全性则是稳定工作的前提条件，也是高于性能的要求。公约对安全保护的要求是十分明确的：发生故障时必须报警且切断燃油供给。所以任何一个影响焚烧装置热稳定性能和使用安全的因素，均应被考虑作为焚烧装置控制的策略。实际设计中对于焚烧炉安全保护的策略主要基于压力，温度的检测如图2所示。

图2 控制示意图

对于非连续填料的焚烧装置，主要是在控制系统与燃烧系统的相互协调工作。通过监控系统内的各项温度、压力传感器的回馈信号，从而控制燃烧器的油量供给、柴油和污油的进油量、风门的开度等一系列动作，使燃烧装置在工作过程中不断达到一个相对平衡的燃烧状态。在燃烧系统中，通过测量炉膛温度的变化趋势来判断燃烧室内的燃烧状况：在其他所有情况不变的前提下，温度变化率升高，表明废料中可燃物较多或者未燃烧废料量大；温度变化率下降，表明废料中可燃物较少或者废料燃烧殆尽。根据船用焚烧炉的控制要求，控制器通过温度传感器、压力传感器以及火焰探测器采集模拟信号，而决定废料燃烧控制好坏的还是源于温度传感器提供的燃烧室温度。根据该温度的变化，实时调节焚烧状态以达到最好的焚烧效果。通过控制燃烧器以及燃烧器的风门，使得燃烧室中的氧气和烟气保持合适比例，则燃烧室温度就可以稳定地维持在适当的范围内。适当稳定的燃烧室温度可以保证废料燃烧彻底，减少燃油的消耗，同时提高焚烧炉工作效率。

3 船舶焚烧装置的未来发展趋势

MEPC.76(40)决议作为船用焚烧炉的技术条件被提出至今已经过去15年，就目前国际上常规形式的几种焚烧炉产品而言，其产品特性均表现出以下几点明显的不足：炉膛内的耐火材料的易损性、垃圾处理种类十分有限、处理效率不高等。同时在目前的设备结构形式下，也会因为船舶状况、船员生活习惯等因素会出现燃烧不稳定、燃烧不完全、炉膛结渣、腐蚀和二次污染加剧等情况。如何解决上述问题，增强垃圾焚烧的效果、抑制空气污染物生成以及提高焚烧炉的经济性也就成为新的研究方向。

3.1 增加预处理措施

为了加强焚烧炉的燃烧效果，提高热效率，可以增加燃烧前的预处理措施。具体为：针对待处理的垃圾，可以通过相关方法减小被处理垃圾的单个体积。例如把固体垃圾处理成流态物质后再通过特定装置混合燃料，最终在焚烧炉中一并处理。当然该方法的实现还需要对焚烧炉的整个燃烧系统结构和进料设施进行相应的改进。另外，还可以对进入到炉膛内的空气温度进行预处理，使空气温度升高后，再进入燃烧室辅助燃烧，以此来提高整体的热效率。

3.2 增加多级燃烧结构

针对炉膛内的固体垃圾热传导效率低，可以尝试改变燃烧装置的结构。例如增加多级燃烧或多次燃烧，即可以设置2个或者多个燃烧器，根据炉膛内的垃圾体积或垃圾水分含量等因素来控制燃烧器的工作。或者在燃烧的不同阶段使燃烧器以不同的功率工作，进而减少焚烧时间，提高燃烧效率。

3.3 改变填料方式

考虑到设备体积、船舶安装以及船上需求等因素，单次填料焚烧设备目前仍然占据着一定的市场，但是该类型产品使用效率低下。每次处理完成后，都需要等待炉膛温度降低到额定安全值时方可以进行除渣和再次填料工作，尤其是单炉处理能力低的产品缺点更为明显。所以在保证使用安全的前提下，应提倡使用可以连续填料的焚烧炉产品，充分利用余热对垃圾的预热/除水效果。

3.4 实施垃圾分类

结合船舶能效管理要求，可以尝试实施垃圾分类管理。实际管理中，一方面加强对船员的培训，使其在日常营运管理中注意垃圾分类的收集，另一方面在后处理阶段针对不同垃圾的焚烧，焚烧装置所选用的燃料和燃烧周期等均可以采取最优化设定，从而更加符合MARPOL 附则VI的设定初衷。

4 结语

船舶垃圾的焚烧是一个复杂的系统问题。不断的物理变化与化学变化参杂其中，而任何一个微小外因的干扰都会对最后的结果产生极大的影响，作者认为这是该问题复杂性的主要原因。现阶段，焚烧装置的设计需要解决的主要问题是：装置的稳定性与处理效率，并且今后很长一段时间内，大部分解决方案都将围绕着这2个问题而大做文章。

[1] 黄运佳，罗良宝.船用焚烧炉系统参数和控制策略[J].船舶设计通讯，2011，(1):43-46.

2013-06-16

郭凯(1981-)，男，硕士，工程师，轮机验船师，从事船舶检验与风险管理工作。

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