生活垃圾焚烧锅炉炉膛的结构设计

黄开佳，庄宇刚，黎毅荣，陈 焱，龙官云

（广州广重企业集团有限公司，广州 511495）

0 引言

生活垃圾焚烧经过多年的发展，技术已经日臻成熟。垃圾焚烧的方式很多，包括循环流化床燃烧、炉排炉燃烧、回转窑燃烧等。由于循环流化床燃烧属于低温燃烧技术，其炉膛温度较低，不满足限制二恶英产生的温度条件，为达到所需炉膛温度需采用助燃措施，近年来已经很少采用；回转窑燃烧散热损失大，不符合生活垃圾处理“资源化”的要求，多用于危险废弃物的焚烧处理［1］。炉排型垃圾焚烧锅炉有效地解决了二者的不足，成为市场的主流，已经占据了生活垃圾焚烧行业90%以上的市场。虽然炉排型垃圾焚烧锅炉的技术成熟，市场占有率高，但是在运行中存在的问题也很多，如：炉膛结焦、过热器入口烟温偏高、炉膛金属件腐蚀等。这些问题的产生，都与锅炉炉膛的设计是否合理相关。炉膛结构设计的合理性，决定着垃圾焚烧锅炉设计的成败。

炉排型垃圾焚烧属引进技术，流派较多，如丹麦伟伦、日立、三菱-马丁、卡万塔等［2］。由于各自技术特点不同，垃圾焚烧锅炉炉膛结构形式多种多样。根据炉膛几何形状和烟气流动的状态可将炉膛分为对流式、并流式、交流式和二次回流式4 种形式，如图1 所示；各结构形式也与垃圾热值相适应。如低热值适应于对流式，中热值适应于交流式，高热值适应于并流式，对于四季垃圾热值变化较大的适应于二次回流式［3］。

图1 炉膛的几何形式

但在工程实践中，采用上述方法设计的垃圾焚烧锅炉运行中出现了诸多问题。如丹麦伟伦技术采用并流式炉膛结构，在实际运行中经常发生垃圾未然烬的现象，热灼减率不满足小于3%的要求［4］；二次回流式中间布置的辐射天井运行中故障率高，以上两种结构形式目前已经基本退出市场。对流式与交流式结构与我国传统层燃锅炉结构类似，易于被操作者接受，目前市场占有率很高。究其原因，是在引进技术的过程中，未充分考虑我国垃圾的特点，炉膛形式与垃圾不适应；同时，我国从事垃圾焚烧行业的锅炉运行人员多是从燃煤锅炉转变而来，对引进锅炉的结构不熟悉，给运行带来困难。

我国生活垃圾具有热值低、水份高的特点，所以垃圾焚烧锅炉炉膛结构必须适合我国垃圾的实际情况，进行针对性地设计。表1所示为我国具有代表性的中等城市生活垃圾热值及成份。由表中可见，生活垃圾含水量一般会超过50%，虽经堆积发酵处理，有一部分渗滤液析出，热值稍有提升，但仍改变不了其点火及燃烧困难的特点。同时，同一地区随着季节变换，生活垃圾成份及热值也变化频繁；特别是由于各地垃圾焚烧厂上马过多，有的垃圾焚烧厂甚至出现了垃圾不够烧的情况，多在生活垃圾中掺烧工业垃圾或陈腐垃圾，使生活垃圾焚烧锅炉对燃料的适应性变得更加复杂。所以，垃圾焚烧锅炉炉膛的结构设计的重要性不言而喻。本文根据工程实际经验并参考相关资料，提出了炉膛结构设计的具体方法，该方法与我国生活垃圾的特点相适应的，具有一定的借鉴价值。

表1 生活垃圾元素分析及热值表

1 炉膛结构设计中应注意的问题

1.1 炉膛结构介绍

炉膛结构简图如图2所示。其属于交流式的改进型，在后拱处增设折焰角［5］，使其更适应生活垃圾的变化。

图2 炉膛结构

垃圾焚烧锅炉炉膛由下部的炉排、前部的前拱（向上延展成前墙）和后部的后拱（向上延展成后墙）及左、右侧墙组合而成。

垃圾热值在4 200 kJ／kg 左右时，无需燃料助燃，所以引进技术如卡万塔、三菱-马丁等焚烧技术中，炉膛的燃烧室部分（炉膛下部用于组织燃烧的部分称为燃烧室）均为绝热炉膛，甚至在炉膛出口处还设有燃烧器，以保证烟气在温度不低于850 ℃情况下停留时间不少于2 s。

随着垃圾热值升高，如采用绝热炉膛将出现燃烧室内超温、结焦的现象。目前多采用内敷耐火浇筑料的水冷燃烧室，即将前拱、后拱、侧墙根据需要，采用水冷壁内衬浇筑料的形式，有效解决了炉膛燃烧室结焦问题。为保证850 ℃以上烟气停留时间不小于2 s的要求，一般浇筑料的敷设高度可达烟气出口窗位置。

1.2 炉膛相关参数的选取

炉膛结构布置是否合理，对锅炉能否正常运行起着决定性的作用。在炉膛的设计中，应通过炉膛热负荷、炉膛截面流速及炉膛高度3个方面进行衡量。

1.2.1 炉膛热负荷的选取

炉膛热负荷的选取至关重要，一般取值范围在85～230 kW／m3之间［6］，由于该值所覆盖的范围较宽，所以在选取时应格外注意。取值时要考虑炉膛水冷度的影响，如果炉膛水冷度较低，则取下限；若炉膛水冷度较高，可按上限选取。由于环保要求2 s点的设置，目前垃圾焚烧锅炉的炉膛均采取耐火浇筑料敷设的方式，从而导致水冷度较低，故建议按下限选取，不宜超过90 kW／m3。图3所示为垃圾焚烧锅炉炉膛热负荷选取不当，导致炉温过高造成的结焦现象。恶劣工况下焦块的厚度超过1 m，严重威胁锅炉安全运行，甚至有焦块脱落时砸毁炉排的现象发生。

图3 炉膛前拱结焦

1.2.2 炉膛截面烟气流速

炉膛截面烟气流速控制也是设计中要重点考虑的问题。由于垃圾焚烧烟气中含尘量较高，过高的烟气流速会携带灰尘粒子在炉膛中向上运动，造成对炉膛水冷壁的磨损。特别是在烟气转向的位置，磨损现象更加突出，严重时会导致水冷壁爆管，若进入尾部受热面，还会造成磨损和积灰，所以在设计中选择截面流速在3～4 m／s左右为宜。

1.2.3 炉膛高度的控制

在炉膛高度上，一般从炉排面起算，至烟气出口窗的位置高度不宜低于15 m。此高度的给出是基于两个方面考虑：其一，保证烟气在炉膛内的停留时间，减少烟气对灰尘的携带；其二，炉膛高度方向的增加，可以保证2 s点的满足。炉膛高度也不是越高越好，其高度以烟气出口窗处温度控制在850 ℃为宜，此温度不但对二恶英的生成可控［7］，同时也避免了后部受热面结焦的风险。

1.3 耐火材料的选择及高温腐蚀问题

生活垃圾焚烧锅炉炉膛无论是采用绝热型还是水冷型，其炉膛内都有耐火材料的敷设。由于垃圾焚烧产生的碱性熔融物对普通黏土耐火材料具有很强腐蚀性，所以炉膛内耐火材料应选择具有抗腐蚀的高铝耐火材料或铬镁质及铝镁质耐火材料。根据炉膛内各点温度的不同，采用耐火材料也不相同。炉膛下部燃烧室温度最高，可达1 200 ℃以上，所以此处选用含AL2O3为90%的刚玉耐火材料；在二次风喷嘴以上部位，炉膛温度一般在1 000 ℃以下，此处可采用SiC 耐火浇筑料或捣打料，均能满足运行要求。

炉膛设计中还应考虑炉墙支撑托架、锚固件等的耐热性和耐腐蚀性问题。烟气中的硫氧化物（SOx）及氯化氢（HCL）对金属材料有腐蚀性，在320～800 ℃范围内氯化铁及碱式硫酸铁的生成与分解的过程称为高温腐蚀。为减轻高温腐蚀，高温区耐热金属件材质建议选取1Cr25Ni20。耐火材料的厚度也是设计中选取的关键因素，此厚度与热力计算相匹配，对炉膛的水冷度影响大，决定着炉膛出口的烟气温度。

1.4 渗滤液回喷的问题

渗滤液是一种成份复杂的高浓度有机废水，其性质取决于生活垃圾的成份、粒径、现场的气候等因素，一般具有水质复杂、危害性大、COD 和BOD 浓度高、氨氮含量高、金属含量高的特点［8-9］。在垃圾焚烧厂设计中，考虑减少污水处理费用，一般采用回喷到炉膛内进行焚烧的办法进行处理。

然而，事实证明此种办法弊端多多，严重影响了锅炉运行。首先，由于渗滤液成份复杂，燃烧后产生的酸性气体及含碱金属的灰尘对锅炉本体金属腐蚀严重；其次，由于其属于高浓度废水，雾化及喷射效果不佳，经常造成系统管理堵塞、浇筑料开裂、炉膛燃烧偏析等问题，严重影响锅炉的正常运行。所以在垃圾焚烧锅炉炉膛设计中，应避免考虑渗滤液回喷。

2 垃圾燃烧过程与炉膛布置之间的关系

炉膛是生活垃圾着火、燃烧的场所。垃圾燃烧的过程主要包括3个阶段：干燥引燃阶段、焚烧阶段和燃烬阶段［10］。以上3个阶段的界限并不十分明显，有时可能交叉同时进行，但在焚烧炉内的其各阶段大致如图1所示。

2.1 垃圾燃烧的各过程具体介绍

（1）干燥引燃阶段

从垃圾进入炉内到挥发份析出着火这一段是干燥段，一般其占据炉排长度的20%～30%。由于垃圾中含有大量水份，虽经5～7 天的堆积、发酵，但实际入炉垃圾的水份经常大于50%［11］。由于垃圾中的水份是以蒸汽形式析出，所以干燥过程需要炉膛提供大量的热量。水份越高的垃圾，所需干燥的热量越多，从而导致炉内温度降低或干燥时间加长，这都会对整个焚烧过程产生影响。

（2）焚烧阶段

垃圾经过干燥阶段后，如果炉内温度足够高，又有足够的氧气，垃圾就会顺利地进入真正的焚烧阶段。焚烧阶段不是一个机械的顺序过程，也不是一个简单的氧化反应。在此阶段中，一般包括两个同时存在的化学反应过程：垃圾的热解和挥发份燃烧。

热解是有机物的热分解过程，在焚烧阶段中，固体垃圾直接和氧化介质发生强烈的氧化反应并不容易。对于一般的有机废弃物而言，总是先进行热解，析出大量的气态可燃气体成份，多半是小分子的CO、CH4、H2或分子量较小的CmHn等气态物质或残碳，这些小分子气态可燃混合气体与氧化介质进行均相燃烧就比较容易了。热解过程也称为挥发份析出过程，挥发份析出的温度区间很宽，一般在250～450 ℃范围内，不同种类的垃圾，挥发份析出的温度区间也各不相同。

因此，焚烧生活垃圾时，要注意热解过程发生在炉内的什么区段或什么温度区间是很重要的。挥发份析出后，立即会和氧气发生强烈反应，燃烧时间短、速度快，这是焚烧阶段的主要特征。

（3）燃烬阶段

当垃圾在焚烧阶段进行强烈的氧化反应之后，参与反应的物质浓度自然就减少了，气态的CO2、H2O和固态灰渣不断增加。由于灰层的形成和惰性气体的比例增加，反应不断减弱，直到燃烬。在这个阶段，氧气需要较少，燃烧也较弱。

2.2 炉膛布置对燃烧组织的影响

由以上介绍可以看出，生活垃圾在炉排上的燃烧可以按区段进行，但各区段并无明显界限，也有可能交叉进行。如何组织燃烧，是炉膛结构设计中的重要课题。把锅炉前、后墙下部倾斜部分称为前、后拱，对于燃烧的组织主要是由前、后拱的合理配置完成的［12］。

前拱的作用是对燃料进行引燃，但它本身并不能产生热量，而只能积蓄热量和辐射热量。前拱的倾角应以40°左右为宜，过高不利用对燃料层形成辐射，过低不利于自身热量的吸收。前拱覆盖炉排的面积称为前拱覆盖率，此值一般在20%～35%左右，实际应用中应根据垃圾热值进行调整，对于垃圾热值低于6 000 kJ／kg 的生活垃圾，此值建议取上限；当垃圾热值在9 000 kJ／kg及以上时，建议此值不宜超过20%。

后拱位于火床的后部，主要作用是控制气流的方向，并对燃烬段的未燃烬垃圾提供热量，促进其燃烬，使垃圾灰渣的热灼减率小于3%。在后拱下部燃烧产生的烟气，通过后拱迫使其向前流动，其烟气流速一般为4～5 m／s，具有一定的动量。在此动量的作用下，可以携带主燃区的烟气冲向前拱，在前、后拱的相互作用下，烟气气流在燃烧室内形成倒a冲刷，不但增加了前拱的吸热量，还使烟气中携带的大量高温灰粒子沉降到前拱下的干燥引燃段，大大增加了点火引燃的可靠性。

前、后拱的中间部位称为“喉口”，喉口是垃圾燃烧后产生烟气流动的必经之路。喉口的设计是否合理，也是炉膛燃烧室是否会产生结焦的决定性因素。对垃圾热值较低的锅炉，为保证垃圾能够顺利点火燃烧，需将喉口设计的小些，此时可增加燃烧室处的热负荷；如果垃圾热值较高，需将喉口部位设计增大，此时可降低燃烧室的容积热负荷，避免结焦。喉口大小的设计可参考喉口出口处的烟气流速，此值可在4～6 m／s范围内选取，对于低热值垃圾可取上限，喉口的尺寸是通过调整折焰角来实现的。

3 关于二次风的布置

由于生活垃圾热值低、水份高，决定了其燃烧组织必须采取二次风参与燃烧。对于炉排型垃圾焚烧锅炉，前后拱组合＋二次风组织燃烧是垃圾焚烧锅炉能够正常点火燃烧的充要条件。

4 炉膛内温度分布区域

二次风布置的位置，受前期引进技术的影响，多布置于燃烧室以上垂直炉膛部分［13］。通过现场运行数据来看，烟气出口窗处烟温偏高，分析认为是由于二次风喷入后二次燃烧造成的，通过数值分析也验证了这一点。由图4 可以看出，在垂直炉膛下部喷入二次风后，在炉膛中部的中心区烟气温度明显偏高。对于生活垃圾焚烧锅炉来说，为了控制NOx的排放，一般均采用SNCR的脱硝方式，由于炉膛内烟气温度的升高，超过了最佳脱硝温度点，导致脱硝效果变差，达不到环保要求；同时由于烟温升高，增加了过热器高温腐蚀及尾部受热面粘结积灰的风险，对锅炉运行带来危害。

图4 炉膛内温度分布区域

若要改变这种情况，必须对二次风的布置进行调整，如图5所示，需从以下几个方面入手：（1）增加烟气扰动，避免热解产生的可燃气体在炉膛上部燃烧；（2）调整二次风管布置的位置，将二次风管布置在喉口位置，采用前后墙布置，前墙在上，后墙在下，形成双层布置；（3）二次风管均采用倾斜向下的布置方式，二次风出口流速控制在65 m／s左右，保证二次风具有一定的刚度和穿透性，有效加强燃烧室内气流的扰动，改善燃烧效果；（4）二次风温可根据垃圾热值的高低进行选择。

图5 改进型二次风布置

通过对二次风的布置进行调整，目前锅炉运行状况改善效果明显。

首先，炉膛中部烟气温度偏高的问题得到解决，出口烟窗处温度可以控制在850 ℃左右，确保降低二恶英产生的温度条件。这是由于改进二次风喷口位置后，炉膛的燃烧均在炉膛下部的燃烧室内完成，不存在未燃尽气体在炉膛中部燃烧的情况。炉膛出口烟气温度可控后，过热器入口烟气温度超标的问题也得以解决。

其次，SCNR装置可在设计范围内稳定运行，调节难度降低，NOx的排放量可以控制在150 mg／Nm3以下，满足环保要求。

第三，炉膛结焦现象大幅减少，因为炉膛结焦导致停炉的问题基本解决。在运行过程中，通过控制喉口出口处的烟气温度来控制燃烧室内的燃烧温度，使其不超过灰熔点。由于垃圾成份不同，垃圾焚烧中灰熔点也是变化的，但此值控制在1 000～1 050 ℃是有效的，即便有结焦的现象发生也很轻微，不会影响到锅炉正常运行。

第四，便于锅炉负荷调整。二次风布置在垂直炉膛下部的时候，其作用是将燃烧室内未完全燃烧的气体进一步燃烧，并通过构成旋转气流减少烟尘携带，此时锅炉负荷的调整只能依靠一次风量和炉排进给速度进行，垃圾含水量高时断火频繁。而二次风采用前、后拱方式布置时，其具有了参与和组织燃烧的能力。当处于低负荷或垃圾热值较低时，后拱二次风能有效的将后拱下热烟气引入到前拱下部，有助于新入炉垃圾的点火和燃烧。同时前拱二次风的布置，还可以减少烟气对灰尘的携带，从而减少尾部飞灰的含量。由于飞灰中含有重金属等污染物［14-15］，所以交错布置二次风对降低污染物排放是有益的。对于高热值垃圾，二次风可以采用冷风，降低燃烧室内温度，避免结焦；若垃圾热值较低，需预热到180 ℃以上。

5 结束语

垃圾焚烧锅炉炉膛的设计，是从组织燃烧、传热、炉墙结构形式、耐火材料选择、防止高温腐蚀、防止烟气污染物的产生等各方面进行综合考虑。合理的炉膛前、后拱的布置决定着垃圾焚烧锅炉是否能够正常组织燃烧；绝热炉墙或水冷炉墙的选择，应根据垃圾热值进行，垃圾热值升高后必须选择水冷炉墙，炉墙中的耐火材料及金属构件具有一定的耐高温腐蚀能力；二次风的布置是否合理，对垃圾焚烧锅炉烟气污染物排放、组织燃烧及杜绝炉膛结焦都有重要作用，二次风的温度必须具有可调性，使其适应垃圾热值的变化。这种炉膛结构的设计方法，是与我国生活垃圾的特点相适应的，具有一定的借鉴价值。