风对机械炉排炉燃烧控制的影响分析

2018-01-10刘鑫

环境卫生工程 2017年6期

刘鑫

（卡万塔能源（中国）投资有限公司，上海 201401)

生活垃圾在焚烧炉排经过烘干、燃烧、燃烬等阶段，停留时间约为1.5 h，整个燃烧过程缓慢而复杂，对燃烧的控制要求较高。在垃圾燃烧的要素中，只有空气是特性明确的可控要素，对送风的控制成为垃圾焚烧控制的关键，其中包括了总风量、一次风分配和二次风占比等。

1 总风量

总的风量与垃圾的成分密切相关，即垃圾有多少物质成分可以燃烧，决定了垃圾需要的空气量，表1为部分垃圾样品元素分析，根据可燃元素成分可以计算出理论空气量。一般而言，为了保证燃烧的正常与充分，实际空气量要高于理论空气量，其比例称为过量空气系数。对于垃圾焚烧而言，因垃圾可燃质不集中，过量空气系数一般控制在1.5～1.8，以利于垃圾的充分燃烧，但过多的过量空气会降低燃烧热效率。

表1 垃圾元素分析 %

风在整个垃圾焚烧过程中主要用于垃圾的干燥和燃烧。合理的一二次风配比使炉膛内部温度分布与CO浓度分布更加均匀［2］。一次风与二次风的比例因气候和垃圾特性而异，根据实践经验，此比例的合理区间为4∶1～3∶2。风室布置如图1所示。

图1 风室布置

2 一次风

2.1 一次风的作用

对于垃圾焚烧而言，一次风的主要作用包括垃圾干燥和助燃，以及冷却炉排；影响一次风效果的因素主要包括风量、各风室风量分配以及风温。一次风是垃圾顺利燃烧和炉排安全的重要保障。通过数值仿真发现，合理的一次风分配可使垃圾床表面平均温度明显提高［3］，提高燃烧效率。

2.2 风量

一次风的风量取决于垃圾燃烧量，可以根据垃圾量和过量空气系数初步确定一次风量。一次风量应取合适值，过高的一次风在通过风孔时流速很高，风力强劲，可能将垃圾燃烧吹熄，并损坏炉排上的通风孔；若一次风量过低，风力不足，无法穿透部分风孔上的垃圾，将导致一次风分布不均，局部干燥或燃烧效果较差。

垃圾的干燥和燃烧均在炉排上面进行，需要通过炉排下的风室和风门对一次风进行分配送风。有学者通过建模分析得出，一次风风量配比对床层垃圾的燃烧具有重要影响［4］。风室有4段，干燥段为#1风室，燃烧段布置有#2、#3风室，燃烬段为#4风室。床料的燃烧与床料的干燥有直接的影响，而床料的干燥状况直接受#1风室的影响，所以控制好#1风室的进风对于炉床的燃烧尤为重要。当垃圾比较潮湿时，应当增加#1风室进风量，有利于加速带走垃圾中的水分，使床料得到更好的干燥，此时#1风室挡板开度可增大至60%～100%；当垃圾含水率较低，为避免炉床火线太靠前，应当减少#1风室进风量，此时#1风室进风量可控制在30%～50%。一般而言，无论垃圾含水率高低，应当尽量保证#1风室开度不低于30%。这样一方面确保一次风对于床料的干燥，另一方面也有利于给料区域床料温度的控制。其他各风室的开度应当以燃烧的状况进行适当调整。

基于一次风在各个风室的分配，需要各个风室挡板门能够有效的开闭，而挡板调节的最终目的是控制进风量，但需要引起注意的是，因多个风室同时从一次风母管引风，每个挡板门的动作都会导致各个风室风量的重新分配，所以风室进风量并不能按挡板开度进行直观的比例计算。为取得精确的控制效果，可以在风室风道装设流量计，以获得风室的实际进风量。

2.3 风温

风温是一次风进行垃圾干燥和助燃的重要影响因素。从节能和安全运行的角度考虑，一次风温在不同的环境条件下可以取不同的值。根据运行经验，在夏季，垃圾中水分沥出较易，入炉垃圾的含水率相对较低，且炉内温度较高，所以一次风温控制在160～180℃即可；而在冬季，入炉垃圾的水分依然较高，必须提高一次风温，可以控制在220℃左右。

垃圾在炉排上燃烧的过程中有大量的热量传导到炉排片，导致炉排片温度迅速升高，而一次风从炉排下方的风室吹入，经炉排片上的通风孔进入炉内，风温相比炉排片温度低很多，可以有效的带走炉排片因垃圾燃烧而产生的热，起到冷却炉排片的作用，防止炉排片因温度过高而产生较大的热膨胀损坏炉排，从而保护炉排。

3 二次风

3.1 二次风的作用

二次风主要起到补充燃烧和调节炉内温度的功能，由炉膛前后分多根风管送入炉内。研究发现，无二次风时，焚烧炉内燃烧不完全［5］，合理的风速可提高燃尽率，降低一氧化氮［6］。

①二次风在炉内产生湍流，使正在燃烧的含有大量可燃气体的烟气充分搅动混合，增大其湍流度，有利于可燃气体成分与氧气的充分接触，促进可燃气体进一步燃烧；②二次风能够控制炉膛温度，当二次风量足以补充燃烧并继续加大二次风量时，因二次风温度远低于炉膛温度，补充的二次风可以有效降低炉膛温度，防止炉膛超温，使炉膛维持在正常温度范围，提高机组的安全运行性能。

3.2 风速

由图2可见，炉墙在长时间运营以后，已经积结了大量的灰块，甚至堵住了某些二次风孔。可以推测，如果二次风口风速很弱或者没有风，那么灰将持续积结，二次风口将很快被积灰堵塞，严重影响炉排的正常燃烧和锅炉的运行调整。

图2 二次风出口

二次风口孔径较小，易产生堵塞现象，根据二次风口径D与二次风流量Q，可以得到二次风喷出口的二次风流速V，公式如（1）所示：

根据上式可列表2如下。

表2 流量与流速

各级风的强度说明如表3所示。

表3 流量与流速

二次风出口的堵塞是造成二次风不能有效吹入的关键影响因素，而飞灰在二次风口的累积是导致二次风口堵塞的直接原因，所以防止二次风口堵塞就要阻止飞灰在二次风口的累积。而因二次风口位于炉内，运行过程中无法清灰，一个有效的方式就是通过控制二次风口的风速，使其具备一定的风力将可能累积或轻微累积的飞灰吹散。

如果风力不能达到一定的强度，那么势必不能在炉膛区域产生具有一定效果的扰动，而烟气扰动是垃圾焚烧炉3T要素之一，决定了烟气中CO等可燃物能否与氧气充分接触而完全燃烧，所以从这个角度而言，也必须控制风速在一定的水平。二次风出口的风速不可测量，可以根据表2中风速与流量对应关系，以二次风流量间接获取二次风出口流速。