生活垃圾焚烧炉的选型与设计

加热设备工业加热2001 年第 4 期文章编号: 100221639 (2001) 0420021207生活垃圾焚烧炉的选型与设计王秉铨(机械部设计研究院, 北京 100089)摘要: 简述了我国生活垃圾焚烧炉的发展现状, 对已有各种焚烧炉的技术现状进行了比较, 以往复炉排式和链板炉排式焚烧 炉为代表就炉型结构、设计计算、焚烧炉必须达到的各项指标进行了论述。关键词: 生活垃圾; 炉排式焚烧炉; 焚烧温度; 停留时间中图分类号: X705; T K175文献标识码: AType Selection and D esign of the Inc inera tor for C ity GarbageWAN G B ing2quan(D esign and R esearch In st. fo r M ach ine Industry, Beijing 100089, Ch ina)Abstract: In the paper, the autho r in t roduces the developm ent of city garbage incinerato rs in Ch ina, m akes technical compari2 son on the availabe incinerato rs, and describes the fu rnace structure, design and calculat io n and the technical param eto rsw h ich the incinerato rs have to m eet w ith, tak ing the recip rocating2g rate type incinerato r and the p la te chain2g rate type incinerato r as their rep resentive s.Key words: city garbage; grate type incinerato r; incinerating temperature; retent io n perio d271序言我国城市生活垃圾焚烧炉的发展状况基本上处 于起步阶段, 国内自行制造的焚烧炉表现为在工艺 流程上技术措施不完善, 综合利用设施不齐全。在炉 型设计上结构简陋、机械化自动化程度不高, 燃烧热 量的回收利用程度不高, 不能真正做到可靠运行和 连续稳定燃烧。垃圾焚烧处理的目的在于最大限度地减少垃圾 对环境的污染, 改变目前存在的填埋处理需占用大 量土地的现状, 要有效利用垃圾本身的资源价值, 使 其可燃组分进行高温燃烧, 从而达到消毒灭菌和体 积上的大量减容。因此, 对垃圾采取焚烧处理可以实 现垃圾的无害化、减量化和资源化三大目标, 代表着 今后处理大量城市生活垃圾的发展趋势。但是建造高水平焚烧炉, 一要具备成熟技术, 二 要有充足资金。 正是由于我国起步晚, 实践少, 规模 小, 特别在资源化方面, 只能回收少部分热量用来预 热助燃空气, 如果实现热电联产、金属回收、灰渣综收稿日期: 2001205220作者简介: 王秉铨 (19272 ) , 男, 教授级高级工程师, 主要从事 各种工业炉窑, 包括加热炉、热处理炉、熔化炉、干燥 炉、城市生活垃圾及医院垃圾焚烧炉的设计研究工作.合利用、消除二次污染, 都有待做出努力。 引进国外技术虽是一条捷径, 但价格昂贵, 每吨焚烧量的工程投资近 100 万元人民币, 显然是行不 通的。目前我国自行建造的中小型焚烧炉工程, 每吨 焚烧量投资约 6 8 万元, 不足引进项目的 1/10。如 果国家主管部门和开发商适当增大资金投入, 合理 设计, 高质量建炉, 科学管理、运行, 边实践、边提高, 期望我国焚烧炉技术会有突破性进展。2 焚烧炉炉型选择目前我国已投入运行的焚烧炉属于中小型炉, 日焚烧量多为 30 150 t/d, 在结构型式上有固定炉 排式、往复炉排式、链板或链条炉排式、回转窑式等 类型, 另外, 也有研制立式焚烧炉和流化床式焚烧炉 的。 几种常用焚烧炉的结构特点及运行情况对比见 表 1。我国城市垃圾的发热量多处于 3 800 6 200 kJ /kg 之间, 少数地区含高热组分多、湿度低的垃圾 其发热量可达 8 800 kJ /kg 左右。 垃圾的形态多为 块粒状、片状或纤维状, 能堆放在炉排上进行表面燃 烧和热解燃烧, 所以适宜选择机械炉排式焚烧炉。这 类炉排的最大特点是对不同形态的垃圾及其焚烧量 规模的适应性强, 便于利用烟气热量预热助燃空气 和垃圾本身, 可以设置余热锅炉产生热水或蒸汽, 或 者实行热电联产。 所以本文以往复炉排和链板炉排表 1 常用焚烧炉结构特点及运行情况对比炉型结构特点运行情况附注固定 炉排固定不动, 垃圾由炉顶料斗投入炉 炉排 内炉排上, 料层厚 1. 5 m 左右, 炉排下 式 为灰室兼送风, 燃尽炉渣由侧门扒出垃圾不分拣, 燃烧不分段, 间歇运 行, 燃尽一炉, 清渣一炉。 可焖火, 下一班运行不需点火。 操作条件 差, 需扒料、扒渣, 劳动强度大四川攀枝花垃圾处理厂建有该炉 型, 日焚烧量 10 15 t/d, 吨焚烧量 投资 2 万元左右炉排可往复运动并倾斜一定角度。炉排 往复 全长分干燥、燃烧、燃尽三个区段, 垃圾 炉排 料层厚 0. 5 0. 8 m , 连续进料由燃尽段 式 连续出渣, 炉排在往复运动下能使垃圾产生微小翻动, 塌落和前进动作垃圾热值 3 700 kJ /kg 时可实现 连续焚烧, 一般一燃室炉温 850 左右, 二燃室 1 000 , 能实现垃圾 焚烧的无害化、减量化和资源化目 标, 操作条件好, 炉排易局部烧坏单炉日焚烧量 50 150 t/d 以上, 深圳引进 2 台 150 t/d 炉, 1985 年时投资 4 700 万元。 成都新都县自 建一台 80 t/d 炉, 未设锅炉, 吨焚 烧量建炉投资 3. 6 万元单块炉排片为宽约 200 mm 带肋片耐热 铸铁板, 与特制角形链条组装后通过链板主、从动链轮带动作回转运动, 变频调炉排速, 炉排全长同样分 3 段燃烧, 垃圾料式层厚 1. 5 mm 左右, 连续进料连续由燃尽段出渣运行性能同往复炉排式炉。由于料 层厚 1. 5 m 左右, 能进行热解燃烧。料层内温度达 1 100 , 炉膛温度 750 850 , 建二燃室可达 1 100 , 炉排不易烧坏, 几年不需更 换炉排片, 能焚烧含渣土组分达四川什邡市建有 50 t/d 炉, 四川江 油市建有 30 t/d 炉, 单炉造价折合 吨焚烧量为 3. 5 万元 65% 的低热值垃圾把众多特制铸铁片用销轴串接而成, 通链条过炉排片之间缝隙进风, 通过主、从动炉排链轮作回转运动, 分段燃烧情况同链板式式炉排运行性能与链板式炉排相近, 目前 链条炉排上的料层厚度约 1 m 左 右, 炉温 750 850 。炉排片易烧 坏, 需经常停炉维修成都新都县焚烧厂原建有 1 台日 烧 50 t/d 炉, 单台炉子造价与链板 炉排式炉相近, 现已拆除炉体为一倾斜 1 3的空心圆筒, 内衬 耐火材料, 筒体长径比 2 10, 转速 1回转 5 r/m in, 垃圾由窑体前端投入, 通过窑 窑式 体旋转使垃圾得到搅拌、前进, 在窑的 一端装有烧嘴, 开炉前点燃烧嘴将炉温升高后再送入垃圾能焚烧生活垃圾, 也能焚烧其它固 态和液态废弃物, 焚烧温度 650 980 。 垃圾经干燥、燃烧、燃尽阶 段后排出窑外, 在窑内停留时间达 数小时。 由于传动装置设在窑外, 故不易出故障, 也便于维修广东东莞建有日烧 50 t/d 回转窑 式炉, 需对垃圾进行分拣式焚烧炉为代表炉型就其炉型结构和基本设计方法 作一阐述。图 1 所示为焚烧量 80 t/d、对烟气热量进 行综合利用的往复炉排式焚烧炉流程图。 图 2 为该 炉型当垃圾发热量为 6 200 kJ /kg、含水 50%、可燃 组分 38%、灰分 12% 时焚烧炉各流程段有关参数的 计算值。图 3 所示为往复炉排与链板炉排组合型焚烧炉 结构示意。 该炉型的特点是: 预热干燥段用往复炉 排、垃圾被翻动、塌落, 取得与往复炉排式炉同样的高系统负压, 烟气经袋式除尘器后其烟气黑度、排尘 浓度以及有害气体含量均可达到规定限值。3焚烧炉设计与计算3. 1炉膛尺寸的确定炉膛尺寸包括炉底 (宽长) 尺寸和炉膛高度两 个参数, 确定炉底尺寸时应选择合适的炉底热强度 (或称炉子焚烧率) 指标进行计算:炉底热强度P = 150 200 kg/(m 2 h)干燥效果; 其后的燃烧、燃尽段采用链板式炉排, 该段的料层厚达 1 1. 5 m , 可进行热解燃烧, 所形成由炉底面积 A = B L = Gm 2P(1)富含可燃成分的烟气由炉顶引至炉外专设的二燃 室, 与通入的二次风混合后, 二燃室温度达 1 000 左右。图 4 为二燃室及烟气处理系统示意图。 经高温 预热空气后, 再经空气喷射器对烟气进行降温和提式中: G 为炉子焚烧量, kg/h; B 为炉排两侧炉墙之间的距离, m ; L 为炉排有效长度, m。 求得炉底面积后, 按炉底长宽比确定炉底宽度与长度:对于往复炉排式炉 L /B 值见表 2。图 2 80 t/d 往复炉排式焚烧炉各流程段参数计算值图 3 组合型机械炉排焚烧炉结构示意图1. 往复炉排 2. 链板炉排 3. 出渣机 4. 主动链轮 5. 破渣机 6. 烟气出口 7. 垃圾料斗对于链板或链条式炉 L /B = (3. 5 4) 1。 炉膛高度按炉膛容积热强度指标 E 计算, E =(4 6) 105 kJ /(m 3 h)。焚烧炉设有二燃室时, 上述炉膛高度即为对应 的一燃室炉室高度。设计二燃室时, 其炉室高度除参照式(2) 计算外,炉膛高度 H = Q dGEAm(2)还应同时考虑烟气在二燃室内的流速不能大于 4 6m /s, 以保证烟气在二燃室内的停留时间2 s。式中: Q d 为垃圾低发热量, kJ /kg; A 为炉底面积,m 2。垃圾入炉料斗的容积应达到垃圾小时焚烧量体图 4 组合型机械炉排焚烧炉烟气处理系统示意图1. 冷却风 2. 二次风 3. 烟气进口 4. 点火烧嘴 5. 喷射器 6. 空气预热器 7. 风机 8. 袋式除尘机 9. 出灰车 10. 引风机 11. 烟囱积, 使料斗具有较大高度以保证炉膛的密闭性, 防止 烟气外逸。3. 2往复炉排各段配置数据 往复炉排多设计为阶梯状, 沿长度方向的倾斜度为 20左右, 根据垃圾物态状况, 干燥段和燃烧段 的炉排倾斜度也可略有不同。炉底宽度2 m 时, 沿炉底宽度方向可设计成单块炉排片; 炉底宽度 2 m 时, 可分解为多块小炉排片以便拆换检修。 炉排 片开口率, 即进风面积占炉排面积的 6% 10%。炉排片材质优先采用耐热铸铁。 不同炉底宽度 时, 干燥段和各燃烧段的炉排台阶数、炉排长度、炉 排面积、炉排长宽比的参数值列于表 2。炉宽 B /m炉排台阶数表 2 往复炉排各段炉排配置数据炉排长度/m炉排总炉排长宽比干燥段 燃烧段 燃尽段 总台阶数干燥段 燃烧段 燃尽段 总长度 L面积/m 2L /B1.6555152.2602.2602.2606.78010.8484.241.6565162.6802.6802.2607.20011.5204.501.6666182.6802.6802.6808.04012.8645.032.0565162.6802.6802.2607.20014.4003.602.0666182.6802.6802.6808.04016.0804.022.0776203.1003.1002.6808.88017.7604.442.4666182.6802.6802.6808.04019.2963.352.4776203.1003.1002.6808.88021.3123.702.4886223.5203.5202.6809.72023.3284.052.8776203.1003.1002.6808.88024.8643.172.8886223.5203.5202.6809.72027.2163.472.8996243.9403.9402.68010.56029.5683.773.2886223.5203.5202.6809.72031.1043.043.2996243.9403.9402.68010.56033.7923.303.210107274.3604.3603.10011.82037.8243.693. 3垃圾发热量计算 单位质量的垃圾完全燃烧后, 燃烧生成的烟气中所含水蒸汽冷凝为 0水时所放出的全部热量称 为高发热量; 反之, 烟气中所含水蒸汽冷却为 20汽 态水时所放出的全部热量称为低发热量, 进行垃圾 燃烧计算时应采用低发热热量, 用 Q d 表示。已知垃圾的元素组成, 按下式计算 Q d 值Q d = 339. 15 C + 1 030 H - 108. 86 (O - S) -25. 1 W kJ /kg(3)式中: C、H、O、S、W 分别为垃圾中碳、氢、氧、硫、水 分的质量百分数, %。如已知垃圾的物理组成, 按下式计算 Q d由于垃圾组分的特殊性必须采用高的空气过剩 系数才有可能实现完全燃烧。另外, 焚烧炉内除应保 持合适的焚烧温度、良好的搅拌混合程度、足够的烟 气停留时间 (所谓三 T ) 外, 确保烟气中含有 6% 12% 氧含量对抑制二恶英的生成十分重要。 基于上 述诸多原因, 通过采取过剩 50% 90% 的空气量, 即空气过剩系数 = 1. 5 1. 9。常用数据是: 一燃室= 1. 5 1. 6, 二燃室 = 0. 25 0. 3。3. 6助燃空气量计算理想条件下每 kg 垃圾完全燃烧时所必需的最 少空气量, 称单位理论空气量 L 0 (标准状态下)OQ d= 18 422 (1- a) + 32 570 a R - 2 512 WL 0 = 0. 01 8. 89 C + 26. 7 (H -38 ) + 3. 33 S (4)m/kg(5)式中: R 为垃圾中的可燃组分, % ; a 为可燃组分中 所含塑料百分数, % ;W 为垃圾含水百分数, %。北京燕山石化公司生活区垃圾的质量组分 (% )如下:式中: C、H、O、S 分别为垃圾中的碳、氢、氧、硫质量百分数, %。以过剩空气量进行燃烧时的单位实际空气量L (标准状态下)灰土 19. 52, 纸类 1. 73, 塑料 10. 4, 织物 0. 87,L = L 0m3 /kg玻璃 4. 34, 食品 32. 07, 金属 0. 44, 竹木 2. 17, 含水不知垃圾元素组分时按经验公式计算:28. 46L = ( 0. 2341 00 Q0d+ 0. 35)m 3 /kg(6)其中可燃物组分 R = 1. 73 + 10. 4 + 0. 87 +32. 07+ 2. 17= 47. 24 (% ) , 塑料占可燃组分 10. 4/47. 24= 0. 22, 由式 (4) 得Q d = 18 422 ( 1 - 0. 22) + 32 570 0. 22 0. 472 4- 2 5120. 284 6= 9 458 kJ /kg3. 4炉温的确定炉温代表垃圾的焚烧温度。 合适的焚烧温度能 使垃圾中有害组分在高温下氧化、分解, 适当提高焚 烧温度可抑制黑烟的产生, 但过高的焚烧温度会增 加垃圾中金属的挥发量和NO X 物的生成量, 因此不 能随意提高焚烧温度。 根据垃圾的物料组成和对有 害物的有效去除规定了垃圾的焚烧温度:一般垃圾焚烧温度850 1 000 含氰化物垃圾850 900 焚烧炉小时空气量 V K (标准状态下)V K = GL m 3 /kg(7)式中: G 为小时垃圾焚烧量, kg/h。 不同发热量的垃圾燃烧时所需理论空气量及产生的干、湿烟气量见图 5。3. 7燃烧烟气量计算 单位理论燃烧烟气量 V 0 (标准状态下)V 0 = 0. 79L 0 + 0. 01 (1. 867 C + 11. 2 H + 0. 7 S+ 1. 244 W + 0. 8 N )m 3 /kg(8)单位实际燃烧烟气量 V (标准状态下)V = (- 0. 21)L 0 + 0. 01 (1. 867 C+ 11. 2 H + 0. 7 S+ 1. 244 W + 0. 8 N )m 3 /kg(9)不知垃圾元素组分时按经验公式计算 0. 27含氯化物垃圾800 850 去除二恶英的焚烧温度925 上述焚烧温度多通过增设二燃室引入一燃室富含可燃气的烟气进行二次燃烧后取得, 初步认为: 垃 圾发热量低于 5 500 kJ /kg 时, 如不附加燃料将难 以达到 1 000 炉温。 二燃室内烟气流速取 4 6 m /s, 在保证烟气流速2 s 的条件下确定二燃室高 度或长度。3. 5 空气过剩系数的确定V = (Q d+ 0. 65)m 3 /kg(10) 1 000焚烧炉小时烟气量 V y (标准状态下)V y= GV m 3 /h(11)4焚烧炉主要技术指标根据 GW KB 3 - 2000 生活垃圾焚烧污染控制 标准, 设计合格的焚烧炉必须达到下述各项技术指 标。4. 1焚烧炉技术性能指标图 5 单位理论空气量、实际烟气量计算图表烟气出口温度850 时, 烟气停留时间2 s, 出口烟气中氧含量 6% 12% , 炉渣热灼减率 5%。二氧化硫小时均值260 m g/m 3氯化氢小时均值75 m g/m 3汞测定均值0. 2 m g/m 33热灼减率 P = A - B 100%(12)A式中: A 为干燥后的原始焚烧炉渣在室温下的质量, g; B 为焚烧炉渣经 60025 , 3 h 灼热, 经冷却至 室温后的质量, g。4. 2 烟囱高度要求镉测定均值0. 1 m g/m铅测定均值 1. 6 m g/m 3 二恶英类测定均值ng T EQ /m 3 另外尚需检验垃圾焚烧后的减量比, 以衡量炉子的减量效果。m b - m a炉子焚烧量 300 t/d时, 最低高度 60 m。4. 3大气污染排放限值烟尘测定均值80 m g/m 3 烟气黑度测定值林格曼黑度 1 级 一氧化碳小时均值150 m g/m 3氮氧化物小时均值400 m g/m 3式中: m a 为焚烧残渣的质量, kg; m b 为投加的垃圾质量, kg; m c 为残渣中不可燃物质量, kg。 良好的M R C 值应达到 80% 90%。 本文所述有关焚烧炉的技术观点、技术数据和一些设计计算方法仅是初步的实践总结和理论推 导, 十分需要今后垃圾焚烧技术在广泛深入发展中 进一步加以验证、完善和提高。征订启事欢迎订阅理化检验2物理分册理化检验2物理分册系中国机械工程学会理化检验 分会会刊, 近年来被评为机械行业及上海市优秀科技期刊, 在行业中颇具影响。理化检验2物理分册主要报道材料的金相检验、物理 测试和力学性能试验等专业领域的新技术、新方法、新经验 以及相应的研究成果和应用成果, 即金相样品的制备及光学 显微镜分析技术; 定量金相和图象分析技术; 热加工 (铸锻焊 及热处理) 质量分析技术; 断口分析技术; 电子显微分析技 术; X 射线衍射分析技术; 离子束分析技术; 废品分析及失效 分析技术; 新颖材料 (陶瓷、高分子、复合材料和功能材料等) 的测试技术; 相分析与研究; 材料力学性能测试; 材料工艺性能测试; 材料强度的变化规律和内外因素的关系; 物理测试 的数据统计处理方法和误差分析及计算机的应用; 物理性能 测试领域的新设备、新技术以及新的研究动向; 质量控制及 寿命评估; 安全评估及风险评估; 材料的成分、组织、性能的 关系; 机械产品的可靠性分析及材料强度研究的新成果等, 可供工矿企业、大专院校及科研单位中从事理化检测及材料 研究人员参阅。理化检验2物理分册国内外公开发行, 月刊, 大 16 开 48 页, 彩色胶印, 每册 6 元, 邮发代号: 4- 183。 欢迎广大读 者于 10 月 20 日前到当地邮政局 (所) 订阅。漏订者请与本刊 发行处联系, 地址: 上海市邯郸路 99 号, 邮编: 200437, 电话: (021) 65556775311