垃圾焚烧发电厂炉排炉选型和设计研究

林 武，康 锋，周志勇（.晋西装备制造有限责任公司，太原 03007；.晋西车轴股份有限公司，太原 03007）

垃圾焚烧发电厂炉排炉选型和设计研究

林 武1，康 锋2，周志勇2
（1.晋西装备制造有限责任公司，太原 030027；2.晋西车轴股份有限公司，太原 030027）

介绍了国内外垃圾焚烧产业的发展现状及垃圾焚烧发电厂的工艺流程。集中对垃圾焚烧行业主流的几种焚烧炉结构、工艺进行了选型对比与分析，详述了水平布置倾斜顺推三段式炉排的设计要点，从给料系统、炉排供风、炉膛温度场分布等方面进行了设计研究。

垃圾焚烧；炉排炉；选型与设计

据国家统计局2013年按照常住人口比例统计，我国城镇化率达到了53.7%，但相比欧美国家80%以上的城镇化率还有不小的差距。随着城镇化进程的继续，我国各大中小城市的公共服务压力骤增，不仅体现在基础设施、教育资源、医疗保健、住房等方面，还涉及到了卫生环保领域。根据分析预计，我国2015、2020年城市生活垃圾产量将达到2.6亿吨和3.23亿吨，而目前全国各大中城市平均垃圾无害化处理率仅为66%左右［1］，其中占用大量土地的填埋处理方式占比高达70%。随着城市及周边用地的紧张，大力发展垃圾焚烧产业势在必行。

1　垃圾焚烧行业的国内外发展现状

20世纪初，在欧美国家就出现了垃圾焚烧处理技术，而可控焚烧、排放烟尘治理、余热利用及发电的综合处理技术，是在20世纪70年代之后才开始发展的，并以日本及欧美发达国家为先。

美国在2001年就实现了全国生活垃圾全部焚烧处理并关闭了全国的垃圾填埋场，填埋场原先填埋的垃圾则挖出送至新建焚烧厂焚烧处理［2］。欧洲以德法等国家为工业国家代表，也发展成了成熟的垃圾焚烧发电产业，并且配套发展了焚烧装备及烟气净化设备。

20世纪60、70年代，日本由于工业发展以及城市化进程迅猛，环境问题爆发。因此，日本也是最早开始进行大规模垃圾焚烧处理的国家之一。从1965年以来，日本建设了超过3000台焚烧炉，到了20世纪，日本的垃圾焚烧处理量已占到了垃圾处理总量的70%以上［3］，无害化处理比例超过90%。

我国从20世纪90年代以来，北京、上海、深圳等一线城市及沿海发达城市和省会城市等，人口规模增加了数倍。以山西省会太原市为例，至2014年，常住人口430万，以每人每天0.8～1.1kg的垃圾产生量计算，每天约产生4000吨，而现有的侯村垃圾填埋场的日处理量为1500吨，库容仅够使用17年。因此，快速发展垃圾焚烧，是整个国家持续发展必然的举措。

1985年，深圳引进了三菱的成套焚烧设备；2003年上海环境在上海市江桥镇建成江桥垃圾焚烧发电厂，引进了德国斯坦米勒的顺推炉排技术后，单炉在每日处理量400吨甚至500吨以上的大型现代化焚烧炉在全国各地大中城市开始迅速发展。

2　垃圾焚烧炉设备技术分析

国内的垃圾焚烧发电设备大部分都是引进国外的技术。以核心的焚烧炉来说，主要是回转窑炉、流化床炉、热解气化炉和炉排炉。虽然还有其他的炉型等，但应用与规模都较小。

回转窑炉是一个缓慢旋转的回转窑，内壁铺设耐火砖或者是水冷壁，依靠窑体旋转进行垃圾的搅拌，窑内燃烧温度可达1200℃。回转窑炉处理垃圾不需要预处理，适应多种成分的垃圾，可以焚烧污泥。其缺点是单炉处理量较小。由于美国有众多人口在30万以下规模的中小型城市，回转窑焚烧炉在美国有较多的应用。在20世纪80年代末期到90年代，美国发展了多种回转窑焚烧炉。常见的有基本形式的回转窑炉（如图1）和带干燥炉排的回转窑炉［2］（如图2）。

图1　基本形式的回转窑焚烧炉

图2　带干燥炉排的回转窑焚烧炉

1988年，日本的谷山大市发明了“大谷热解气化炉”后，这种焚烧炉开始逐步推广。这种焚烧炉的炉内分干馏蒸发炉和高温燃烧炉，干馏炉保持还原氛围，将垃圾干馏气化，然后进入第二高温燃烧室，在900℃～1600℃的强氧化环境下充分燃烧［3］。热解气化炉只要保持高温炉强氧化氛围的监控，监控出口CO浓度，就能够有效地控制二英的排放。不过，其缺点也明显，对垃圾的热值要求较高，含水量较多的垃圾或者成分混杂、不燃物过多的垃圾，不适用于热解气化炉。同时其单炉的处理规模也较小。

流化床炉没有运动炉体或者炉排，只有主燃烧室和热回收室，其将垃圾干燥破碎至粒径在5cm以下后，投入炉中，与炉内燃煤加热至600℃作为热载体的石英砂混合，处于流化半悬浮状态，然后在高温下热解气化并高速燃烧，燃渣与不燃物与流动砂混合排出［5］。流化床中常见的有内循环流化床（ICFB）与回旋流流化床（TIF）（如图3）。内部循环流化床焚烧炉热效率高、床温均匀、烟气流速低，耐用性、可靠性都较好。但其的缺点是垃圾在流化状态下，燃烧不够完全，飞灰量大；在垃圾的热值不足时，需要加入较多的燃煤进行助燃。国内一些采用流化床焚烧炉的垃圾焚烧厂存有小型燃煤火电的可能。

图3　回旋流流化床焚烧炉

炉排式焚烧炉是当前垃圾焚烧行业应用最多的焚烧炉，国内近些年新建的焚烧厂中，其比例能占到7成左右。炉排炉的种类大致分为链条传动式、液压驱动往复式、滚动式［4］，其中应用较多的是液压驱动的往复式炉排炉（如图4）。

图4　炉排炉核心设备炉排

本文所研究的是主流的液压驱动往复式炉排。往复式炉排根据不同的厂家各自拥有的不同技术，针对不同国家地区的生活垃圾物化性状态，也有多种不同的型式。

（1）水平布置倾斜顺推炉排

这种炉排一般以15°～25°之间倾斜布置炉排片，以液压机构驱动，固定炉排与可动炉排沿垃圾推进方向交替布置。垃圾整体在炉排上呈水平布置，前进动力完全来自于顺推炉排，所有垃圾在炉排上干燥、燃烧的时间十分均匀，燃烧完全、热酌减率较低。倾斜炉排之间有1～2mm的间隙，燃烧过程中，垃圾残渣能够从间隙中落入炉下灰斗中收集。同时炉下灰斗又作为一次风的进风通道，一次风最终从炉排片下方喷入，起到风冷与助燃的作用，稳定性与可靠性较好。日本JFE、EQ公司等制造的中小型炉排（500吨及以下），多数这种形式（如图5）。

图5　EQ公司的水平布置倾斜顺推炉排

（2）倾斜逆推式炉排

炉排整体为倾斜布置，炉排片逆向推动。垃圾在炉排上依靠重力滚动前进，炉排片逆推使垃圾充分搅拌。其优点是：垃圾搅拌均匀，相比水平布置炉排的整体长度要短，投资较少。缺点是垃圾可能会成块滚落，燃烧效果相对略差。这种炉排的技术主要为三菱-马丁公司所掌握（如图6），由于投资较低、效果尚可而受到市场较大程度的认同，尤其在500吨及以上的大中型炉排炉中采用得也较多。但逆推炉的炉排片承载较大，容易损耗。一般驱动多采用上拉下推的方式，较水平顺推复杂。

图6　三菱-马丁式倾斜逆推炉排

图7　Waterleau、田熊、西格斯等水平顺推炉排

（3）倾斜布置水平顺推炉排

该型炉排的炉排片的推动方向为水平往复，炉排整体呈15°～20°倾斜布置（如图7）。垃圾在炉排上的运动状况类似于倾斜逆推炉排，但相比之下，搅拌效果不如逆推炉排，不过水平炉排片的载荷较小，炉排片的使用寿命要长于逆推炉。水平顺推炉排燃烧过程中垃圾残渣从炉排间隙下漏较少，因此残渣混杂在垃圾中燃烧，一些厂家在炉排上设切割破碎装置，以提高燃烧效率。

3　炉排炉垃圾焚烧发电厂工艺流程

采用炉排炉的垃圾焚烧厂的基本工艺流程如图8。

该垃圾焚烧发电厂采用水平布置倾斜顺推炉排炉技术，烟气净化系统采用半干法 + 活性炭、碳酸氢钠喷射+干法的工艺（见图9）。

垃圾转运由所在市环卫部门负责，有专门的垃圾分拣与压缩处理站，每日约有1800吨的原生垃圾运送到厂区，从卸料大厅卸入垃圾池中储存，垃圾池的总容量足够6日焚烧所需垃圾的堆放，垃圾池采用全密封结构，底部设池收集渗滤液统一净化处理。

图8　垃圾焚烧发电厂焚烧线工艺流程图

图9　半干法脱酸+碳酸氢钠、活性炭喷射+干法布袋除尘烟气净化系统流程图

用大型抓斗对垃圾进行堆垛搅拌，促使其熟化脱水发酵，以提高以厨余垃圾为主的我国城市垃圾的熟化度。给料时，抓斗抓取熟化垃圾，往焚烧线料斗内两点均匀投料。投料时，垃圾料斗闸门闭合，垃圾落入后自然封闭其闸门间隙，起到了密封作用，防止干燥段的火苗上窜。

给料控制系统定时开合闸门将定量垃圾落入推料器中，由推料器推入焚烧炉排干燥段。点火燃烧器喷油或者天然助燃点火，垃圾在燃烧炉排上匀速推进并燃烧。一次助燃风吸口设置在垃圾池上部，将垃圾池中的沼气、臭气吸入，从炉排下灰斗处进风，经风管从炉排片下方炉排缝隙间喷入，助燃同时作为炉排片风冷。部分进风经由炉膛炉壁再汇入一次风，作为炉壁空冷，防止飞灰在炉壁上焦结。垃圾经由有段差的干燥炉排、燃烧炉排、燃尽炉排，最终减量80%左右，变成无害残渣落入溜管进入出渣机水冷后，被干燥推出，落入渣坑，另行处理。

焚烧产生的烟气在特殊设计的炉膛中上升，进入余热锅炉，在迂回结构的二次燃烧室中，继续保持在850℃以上的温度2s以上，以促使二英类在高温下分解。然后烟气经由过热器、省煤器进入烟气净化系统。二次风从烟气净化系统出口处引回，经余热，从炉膛中部喷入，使膛内烟气产生湍流和涡流，减少CO的产生，遏制二英，使其处于低氧燃烧环境，抑制NOx的产生。

烟气进入净化系统之后，先经过水冷壁冷却，然后从半干法脱酸反应塔顶部蜗型口进入，与雾化器喷出的雾状Ca（OH）2雾滴进行反应，脱去烟气中的HCl、SO2等酸性气体，反应颗粒物部分沉降落入反应塔下部灰斗进入输灰机。然后在烟气进一步喷入弱碱性碳酸氢钠中和，喷入活性炭颗粒吸附二英及重金属等固体颗粒，之后烟气进入布袋除尘器，经布袋过滤后，达到欧盟2000以及新国标《大气污染物排放标准》。

4　水平布置倾斜顺推炉排炉设计研究

水平布置倾斜顺推炉排炉由以下几部件组成：

（1）垃圾给料系统

每台垃圾焚烧炉都配有垃圾料斗、溜管和推料器，料斗内的垃圾通过溜管落下，由推料器均匀地推至炉排上。推料器根据焚烧负荷和炉内燃烧状况调节给料速度。

垃圾料斗的容积满足焚烧炉在MCR工况（最大连续出力）下60min的垃圾消耗量。该工程MCR指垃圾的热值LHV为设计平均值6699kJ/kg，垃圾处理量为20.83t/h（500t/d）时的工况。通过计算，获得此工况炉排炉床层热强度：

该项目垃圾低位热值为4187kJ/kg，高位热值8374kJ/kg。若以低位热值，按照相同床层热强度进行计算，可获得最大所需要燃烧重量为：

按照垃圾高位堆密度值0.6t/m3计算，料斗最小容积为55m3，与详细设计方案中给出4的最小容积152m3以上基本相符。按照0.2t/m3堆密度计算，需要156m3容积。

该项目的料斗长度为8.46m，侧宽7.5m，闸门中心至料斗口高度5.5m，如果以闸门上部塔桥至料斗边下方300mm水平，基本满足了此容积的要求。18.07m2×8.46m = 152m3。料斗容积的二维概算见图10。

图10　料斗容积二维概算

料斗与溜管连接处设置料斗闸门，用于密封也兼做破拱装置。每个垃圾料斗上安装有工业电视（ITV）和超声料位计，在垃圾吊车自动运行时，料位计按照上下限位置向吊车发送投料请求、投料停止指示信号。料斗溜管下设置水冷夹套以避免推料器与干燥炉排口辐射热影响设备。冷却水的回水温度超过限值时，中央控制室会显示报警信号。对于不同吨位的焚烧线，除了料斗容积相应通过计算设计变更，还可适当调整溜管高度，以适应土建及钢结构的变化。

焚烧炉的给料机是可控制的给料装置，采用液压驱动。其操作由中央控制室的自动燃烧控制装置追踪炉排上的垃圾燃烧状况来进行控制。推料器下面设渗滤液收集装置，垃圾渗滤液通过管道自流至位于0m层的给料器渗滤液集水箱，再由渗滤液排出泵送至垃圾池的渗滤液收集池。给料机推料器返带回的垃圾通过人工定期检查清除。给料机侧、底面内衬耐磨板及构件，机壁内浇注有耐热隔热层。

（2）炉排系统

炉排分为四个段：干燥段、燃烧I段、燃烧II段和燃尽段。炉床面积根据床层热强度与垃圾低位热值计算确定，一般顺推炉排炉床层热强度（或称炉排面积热负荷）为277～694kW/m2之间［7］。根据计算可知，在设计平均热值时，其床层热强度为393.1kW/m2。

顺推炉排垃圾床层厚度为800～1000mm，顺推炉垃圾水平前进速度约为油缸移动速度的0.6～0.8。以3～8mm/s的油缸移动速度估算，每小炉内推进25～38t（未干燥当量），垃圾停留时间40～105min，基本满足了燃烧较为完全的要求。

炉床整体呈水平排列，炉排片上倾角度约20°。炉排片向上方动作，背面设有冷却鳍片，一次燃烧空气（一次风）在冷却炉排片的同时从炉排片狭小缝隙间高速吹出。一次风由垃圾池抽取后从炉下灰斗进入，炉排片底部的中部炉排支座，支撑用的同时，设有喷口。

该项目的垃圾元素特性含量见表1、表2。根据表1、表2数值进行计算，在总体组分中，各质量分数如表3。

表1　可燃基中的元素质量比例

表2　熟化垃圾中的组分比例

表3　垃圾的元素组成质量分数

上式中，22.41为1mol标况下空气的体积，21为空气中氧含量百分比。

计算中的C、H等也约去百分计算。

Vo=0.0889C+0.2647H+0.0333S+0.030Cl-0.0333O= 0.0889×19.075+0.2647×2.73+0.0333×0.035+ 0.030×0.21- 0.0333×12.285 = 2.027 Nm3/kg

过量空气系数m为1.6～2.0，500t/d单炉1h空气量为：

Vo’= mVo×500×103/24 =（6.75-8.45）×104m3/h

二次风如从垃圾池空气中抽取，一般为一二次风总量的0.34，采用再循环烟气作为二次风，一般取值为0.2。

Vo”= 0.2×（6.75 - 8.45）×104m3/h =（1.35-1.69）× 104m3/h

（3）燃烧室（焚烧炉壳体）

燃烧室由炉墙构成。炉墙及外部壳体为抗震结构，炉墙及其支撑钢结构安装在钢筋混凝土基础上，并且采用与外部气体完全隔断的气密结构。炉墙根据不同温度区域采用相适应的耐磨炉墙、空冷耐火炉墙、耐火炉墙等结构，炉墙耐火砖采用分割支承。

炉拱倾斜角度根据燃烧状态模拟及运行焚烧经验进行设计，以充分将燃烧段产生的热量辐射到干燥段。

炉拱材料容易浇铸和修补、不易烧损，炉拱线型便于施工。在燃烧室炉墙上设置炉内压力、燃尽段温度等测量管座及燃烧器安装座、预留垃圾渗滤液接口管座等。燃烧室在负压下运行。燃烧室尾部设火焰监视器及看火口，使运行人员能够在中央控制室随时观测炉膛内的燃烧状况。二次燃烧室内的烟气在不低于850℃的条件下滞留时间不小于2s。

5　结语

近年来，集中爆发的空气污染问题尤为严重，全社会都深刻认识到环境治理的重要性。垃圾焚烧处理，是一项综合集成了焚烧减量、可再生能源、脱硫脱硝净化、除固体颗粒物、飞灰稳定化、污水处理、污泥处理等多项高端环保技术的朝阳产业，也是国家可持续发展的环卫利器。“十二五”计划中，对发展垃圾焚烧发电事业给予了高度支持。但仍有一些地方的民众由于无知的恐惧，发生了抵制垃圾焚烧发电厂建设的群体事件。对此，垃圾焚烧发电行业应该提高自身技术管理、设备制造水平，在保证无害排放的前提下，深入群众、加强宣传，以服务社会的姿态，促成行业更大的发展。

［1］ 环保战略升级，垃圾处理迎来黄金十年——垃圾处理行业深度研究报告［R］.世纪证券，2010.

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Model Selection of Grate Furnace and Design Research in Power Plant of Refuse Incineration

LIN Wu1， KANG Feng2， ZHOU Zhi-yong2
（1.Jinxi Equipment Manufacture Co.， Ltd， Taiyuan 030027； 2.Jinxi Axle Co.， Ltd， Taiyuan 030027， China）

The paper introduces the development status of refuse incinerating industry abroad and at home and technology flow of power plant of refuse incineration. Based on the contrast and analysis of model selection on several incinerator structures and technology of refuse incinerating industry， the paper expatiates the designing main points of grate furnace with level disposal incline and three-sect model， and carries out the design researches from material supply system， grate furnace wind supply， hearth temperature and field distribution etc.

refuse incineration； grate furnace； model selection and design

X705

A

1006-5377（2016）08-0025-06