生活垃圾焚烧炉炉膛设计分析

瞿兆舟

（上海康恒环境股份有限公司，上海　200040）

生活垃圾焚烧炉炉膛设计分析

瞿兆舟

（上海康恒环境股份有限公司，上海200040）

针对VONROLL-日立造船-上海康恒生活垃圾焚烧炉的炉膛设计进行了设计计算和分析。在燃烧炉排左右侧墙设置空冷壁，在焚烧炉前后拱分别采用全绝热、半绝热和全水冷壁结构的3种情况下进行设计计算，得到不同垃圾低位热值下的一次燃烧室、二次燃烧室炉膛温度，对温度数据进行分析，从而总结出一定条件下不同垃圾焚烧炉炉膛设计原则。

康恒环境；生活垃圾；焚烧炉；炉膛设计

城市生活垃圾焚烧技术因其良好的减量化、资源化和无害化效果，在我国得到较快的发展，目前已投入运行的炉排式生活垃圾焚烧厂已达数百个，但在对国内多座生活垃圾焚烧厂进行调查后，发现随着城市生活垃圾热值的增长，已经有一些焚烧厂开始出现炉膛高温结焦或焚烧烟温过高从而造成受热面结焦的现象。为研究垃圾低位热值与炉膛结焦、烟气温度超温之间的关系，以在我国应用十分广泛的VONROLL-日立造船-康恒环境的焚烧炉排技术为例进行设计计算和分析，以期为城市生活垃圾焚烧炉的炉膛设计提供参考。

1　设计基础条件

单台焚烧炉规模 400 t/d；入炉垃圾焚烧量16.67 t/h（400 t/d）；焚烧炉形式为VONROLL-日立造船-康恒环境机械往复式炉排炉；左右侧墙采用空冷砖墙结构，冷却风量为13 600 m3/h，冷却风入口温度为室温，出口温度为95℃；一、二次风温度根据入炉垃圾低位热值自动调节，风温调节曲线如图1所示；对于配置了余热锅炉的焚烧炉，锅炉第一烟道左右侧面的水冷壁向下布置不超过二次风的喷射点。

图　一、二次风温度变化曲线

2　炉膛设计与计算

2.1全绝热炉膛设计

全绝热炉膛设计指的是左右侧墙采用重型炉墙结构（其中燃烧炉排段上左右侧墙的部分区域采用空冷耐火砖墙结构），一次燃烧室前后拱采用绝热耐火材料而不设置水冷壁。

在全绝热炉膛的条件下，分别对不同低位热值情况下的一次燃烧室温度和二次燃烧室温度进行计算，设置的基础条件如下。

1）不同低位热值垃圾的三成分，如表1所示。

表1　不同低位热值垃圾三成分设定

2）不同低位热值垃圾的元素分析，如表2所示。

表2　不同低位热值垃圾元素分析

3） 对于不同低位热值垃圾的燃烧条件，一、二次风温度按图1的曲线选取；一次风的过量空气系数根据不同的低位热值选择合适的数值；为便于比较，二次燃烧室出口的氧气浓度统一按6%（湿基）设置。通过数值模拟和设计计算，得到的结果如表3所示。

表3　全绝热炉膛燃烧室温度

2.2半绝热炉膛设计

半绝热炉膛设计指的是左右侧墙采用重型炉墙结构（其中燃烧炉排段上左右侧墙的部分区域采用空冷耐火砖墙结构），一次燃烧室前拱采用水冷壁结构（水冷壁靠烟气侧铺设耐火浇注料），后拱靠上部的一部分采用水冷壁（水冷壁靠烟气侧铺设耐火浇注料），靠下的部分采用绝热耐火材料而不设置水冷壁，半绝热炉膛结构如图2所示。

图2　半绝热炉膛结构示意

在半绝热炉膛的条件下，分别对不同低位热值情况下的一次燃烧室温度和二次燃烧室温度进行计算，设置的基础条件：①不同低位热值垃圾的三成分按照表1。②不同低位热值垃圾的元素含量按照表2。③对于不同低位热值垃圾的燃烧条件，一、二次风温度按图1的曲线选取；一次风的过量空气系数根据不同的低位热值选择合适的数值；为便于比较，二次燃烧室出口的氧气浓度统一按6%（湿基）设置。

通过数值模拟和设计计算，得到的结果如表4所示。

表4　半绝热炉膛燃烧室温度

2.3全水冷壁炉膛设计

全水冷壁炉膛设计指的是左右侧墙采用重型炉墙结构（其中燃烧炉排段上左右侧墙的部分区域采用空冷耐火砖墙结构），一次燃烧室前拱采用水冷壁结构（水冷壁靠烟气侧铺设耐火浇注料），后拱也采用水冷壁结构（水冷壁靠烟气侧铺设耐火浇注料），全水冷壁炉膛结构如图3所示。

图3　全水冷壁炉膛结构示意

在全水冷壁炉膛的条件下，分别对不同低位热值情况下的一次燃烧室温度和二次燃烧室温度进行计算，设置的基础条件：①不同低位热值垃圾的三成分按照表1。②不同低位热值垃圾的元素含量按照表2。③对于不同低位热值垃圾的燃烧条件，一、二次风温度按图1的曲线选取；一次风的过量空气系数根据不同的低位热值选择合适的数值；为便于比较，二次燃烧室出口的氧气浓度统一按6%（湿基）设置。

通过数值模拟和设计计算，得到的结果如表5所示。

表5　全水冷壁炉膛燃烧室温度

3　计算结果与分析

3.1全绝热炉膛

通过对表3的数据进行分析可知，采用全绝热炉膛结构，入炉垃圾低位热值达到3 762 kJ/kg时即能够满足二次风喷入点之后烟气温度在850℃以上的停留时间超过2 s；随着垃圾低位热值的提升，当低位热值达到5 434～5 852 kJ/kg时，炉膛开始出现超温的现象，当低位热值达到7 106 kJ/kg时，炉膛出现严重的超温。

3.2半绝热炉膛

通过对表4的数据进行分析可知，采用半绝热炉膛结构，入炉垃圾低位热值达到4 180 kJ/kg时即能够满足二次风喷入点之后烟气温度在850℃以上的停留时间超过2 s；随着垃圾低位热值的提升，当低位热值达到6 688 kJ/kg时，炉膛开始出现超温的现象，当低位热值达到7 524 kJ/kg时，炉膛出现明显的超温。

3.3全水冷壁炉膛

通过对表5的数据进行分析可知，采用全水冷壁炉膛结构，入炉垃圾低位热值达到4 598 kJ/kg时能够满足二次风喷入点之后烟气温度在850℃以上的停留时间超过2 s；随着垃圾低位热值的提升，当低位热值达到7 524 kJ/kg时，炉膛略微超温。

4　结论与展望

4.1不同炉膛设计原则

对于一定条件下的生活垃圾焚烧炉的炉膛设计，当生活垃圾低位热值预期在相当长的时间内均低于5 434 kJ/kg时，宜采用全绝热炉膛；当生活垃圾低位热值预期在相当长的时间内处于4180～6688 kJ/kg时，宜采用半绝热炉膛；当生活垃圾低位热值目前或很快就将超过4 598 kJ/kg，并且未来很可能会超过6 688 kJ/kg时，宜采用全水冷壁炉膛。

4.2关于炉膛设计与焚烧炉运行

在炉膛设计模拟计算中，设置了一些前提条件，实际上在实际运行或者具体的设计中，也可以对其中的部分条件进行适当的改变，比如相同低位热值下垃圾的成分、一次风温度、二次风温度、一次风过量空气系数、烟气的含氧量、空冷壁的通风量、半绝热面积比例和耐火材料的导热系数等，在这些条件发生变化时，情况也会发生变化，但总体而言，3种炉膛设计其特点的相对趋势是不变的。

4.3关于炉膛设计的变迁与展望

在我国刚开始建设垃圾焚烧厂时，生活垃圾低位热值一般比较低，有些厂出现了投产时垃圾烧不起来的情况，因此，早期的垃圾焚烧厂设计的低位热值一般较低，采用的炉膛一般也是全绝热炉膛。随着城市和社会经济的发展，我国生活垃圾中可燃分比例逐步提升，低位热值也逐步提升，开始出现一些半绝热形式的炉膛设计。到最近3～5 a，特别是在沿海发达地区，生活垃圾热值已经到了一个比较高的水平，有些生活垃圾焚烧厂的垃圾低位热值甚至能达到7106 kJ/kg以上，而且还处于上升趋势。

可以预测，未来在我国，焚烧厂采用全绝热炉膛设计的将会越来越少，而采用半绝热和全水冷壁设计的焚烧厂会越来越多。垃圾焚烧炉的炉膛设计，取决于当前的垃圾特性以及对未来垃圾特性趋势的预测，根据不同的情况应选用不同的炉膛形式。

Design Calculation and Analysis of Domestic Waste Incinerator Chamber

Qu Zhaozhou
（Shanghai SUS Environment Co.Ltd.，Shanghai200040）

The waste incinerator chamber of VONROLL-Hitachi Zosen-Shanghai SUS was designed，calculated and analyzed.Air-cooled brick wall wasinstalled on both sidesof burning grate.The design calculation wascarried out in three cases which the fully adiabatic，semi adiabatic and fully water cooled wall structureswere applied respectively in front and back arch of the incinerator，resulting in different furnace temperature of primary and secondary combustion chamber under different refuse lower heat value.Through analyzing the temperature data，the design principles of different incinerator chambersin different conditionswere summarized.

SUS environment；domestic waste；incinerator；chamber design

·工程应用·

X799.3；TK175

B

1005-8206（2016）04-0061-04

2015-12-16

瞿兆舟（1982—），工程师，主要从事环保设备的成套工作。