我國主流垃圾焚燒爐的焚燒機理
摘要：生活垃圾焚燒處理廠的關鍵地、重要地和中心技術設備是垃圾焚燒爐,其它與其配套的設備都是大同小異。在“簡述我國常用垃圾焚燒爐的特征”和“我國常用垃圾焚燒爐的特性比較”文中，已經(jīng)對國內(nèi)常見的幾種類型的垃圾處理焚燒爐的工作原理和特征已經(jīng)作為簡述。本文對道斯爐（Basic1）脈沖拋動式和（馬丁爐）往復式機械爐排爐垃圾焚燒爐的焚燒機理作重點介紹。另外二種形式垃圾焚燒爐只簡單敘述一下。
關鍵詞：垃圾焚燒爐焚燒處理
生活垃圾焚燒處理方式是主流.它具有：減容效果顯著（為原容積的1/5`1/6）、無害化程度高；焚燒處理設施占地面積小，對周圍環(huán)境沒有二次污染。還可利用生活垃圾中的熱值余熱發(fā)電或供熱，是綠色環(huán)保主流發(fā)展方向。在經(jīng)濟發(fā)達、生活垃圾較多的城市（如珠江、長江三角洲）中，逐步采用先進的垃圾焚燒技術來進行城市垃圾的處理。我國主流垃圾處理焚燒爐型有：道斯爐（Basic1）脈沖拋動式垃圾焚燒爐、馬丁爐往復式機械爐排爐等類型。這里對這二種垃圾焚燒爐的焚燒機理進行比較詳細的敘述。
2、垃圾焚燒爐焚燒機理
2、1道斯（Basic1）脈沖拋動式
垃圾入爐焚燒前不需進行任何預處理。生活垃圾經(jīng)自動給料機送入焚燒爐干燥爐爐排架上干燥、熱解，在干燥爐架上，接受主爐膛中的輻射熱后，蒸發(fā)出垃圾中的水分，使生活垃圾更加容易燃燒。此階段（干燥熱解氣化段）控制燃燒空氣量，供氧量不足。同時部分垃圾在高溫輻射作用下，開始進行化學分解，其中的部分高分子烴類和一氧化碳等可燃物揮發(fā)出來，干燥爐排處溫度控制在500℃~600℃左右，這樣就有了最佳的熱分解溫度，可以達到最好的分解效果，由于引風機的作用，部分氣體在主爐膛內(nèi)的停留時間很短，只有1~2秒鐘，由于氧氣供應并不充分，只有25%的碳氫化合物在主爐膛燃盡，15%的固定碳在爐排燃盡，其余60%左右的揮發(fā)性碳氫化合物進入再燃室。烘干后進入第一級爐排，在爐床上經(jīng)熱解產(chǎn)生出的揮發(fā)性物質和可燃物在高溫下燃燒。垃圾燃燒剩余的固體物留置在爐排上，通過與空氣的劇烈混合和爐排的拋動,垃圾被拋入下一級爐排繼續(xù)燃燒，脈沖焚燒爐排級數(shù)依據(jù)設計而定。直至進入最后一級爐排燃燒時，噴入的空氣量使廢料完全燃盡后，進入灰渣坑，由自動除渣裝置排出。此時就整個焚燒爐爐膛與再燃室接口狀態(tài)看，空氣、燃料顆粒、揮發(fā)分略呈不完全燃燒狀態(tài)由于各級爐排的燃燒強度和燃燒廢物量不一樣，所需的空氣量不同，因此每層爐排的振動頻率和擺動幅度也不一樣，完全視現(xiàn)場工藝情況來調整計算機控制，準確性高。根據(jù)燃燒特點和傳熱方式的不同,可分為三個階段：
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圖1：道斯爐燃燒工作原理示意圖
SoldWastefeeder：給料器PuseHearth：道斯爐爐排 CompressdAir：壓縮空氣DrverHearth：干燥器 AirBag：氣泵Stage1CombustionCnamber：1主燃燒室 Stage2CombustionAir：2燃燒室Stage3CombustionAir：3燃燒室AutemeticAshRemove:出渣系統(tǒng)Roburntunnel:再燃燒室 ToFlueGasTreatment：去鍋爐的煙氣
第一階段在爐膛內(nèi)布置有膜式水冷壁管，接受燃料燃燒的輻射熱能。燃燒空氣由每個爐排的下部風機送入，經(jīng)噴嘴進入爐膛，在氣流作用下廢物保持松散浮動燃燒，燃燒后的煙氣中有許多焦炭顆粒和未燃燒物質，此時溫度達860℃；
第二階段是隨著煙氣進入第一級再燃燒煙道與定量高速噴入的空氣劇烈混合燃燒，仍有未燃燼繼續(xù)進入第二級再燃燒煙道與過量空氣劇烈混合繼續(xù)燃燒，溫度達1000℃，此過程沒有熱交換，主要目的是提高煙氣的溫度加快煙氣中有害物質的分解；
第三階段為控制余熱鍋爐進口溫度，從省煤器出口處抽取部分190℃的煙氣回送至余熱鍋爐前混合，使進入余熱鍋爐的煙氣溫度保持在760℃，燃燒完全的高溫煙氣經(jīng)過過熱器、省煤器、空氣預熱器進行對流換熱，然后經(jīng)干石灰與活性碳吸收處理，再經(jīng)過半干式煙氣處理設備和布袋吸塵器經(jīng)引風機抽出，由煙筒排往大氣，吸收塔下部飛灰與石灰等混合物由排灰裝置排出。
2、2馬丁爐往復式機械爐排爐焚燒機理
垃圾由垃圾車運來后，卸入垃圾池中，垃圾吊車將卸下的垃圾進行翻拌、混合，并按垃圾貯坑的作業(yè)程序進行分區(qū)堆棧、發(fā)酵、翻拌混合可使垃圾的組分均勻，避免進爐的垃圾熱值忽高忽低，從而導致爐溫過大的波動；堆棧發(fā)酵是解決高水分、低熱值垃圾焚燒的重要經(jīng)驗，其機理是析出部分水分且產(chǎn)生沼氣，既提高了進爐垃圾的熱值，又使垃圾容易著火燃燒。經(jīng)過二~三天左右堆棧發(fā)酵的垃圾，由吊車抓取投進垃圾料斗。料斗與料槽的接合處設有給料門，用于點火起爐和熄火停爐操作過程中，料槽內(nèi)沒有垃圾，關閉料門可使爐膛與外界隔開，維持爐內(nèi)負壓。按升溫曲線達到投放垃圾時，料門開啟，垃圾沿料槽下落到給料平臺并充滿整個料槽，給料裝置將垃圾推送落爐排上，垃圾在爐排翻送過程中受到燃燒器和爐內(nèi)的熱輻射以及一次風的吹烘，水分迅速蒸發(fā)，著火燃燒，爐溫逐步升高，當爐溫達到600℃時，燃燒器退出，垃圾焚燒進入正常狀態(tài)，爐溫繼續(xù)升高并維持在850℃左右。垃圾在爐排上依次通過干燥、燃燒和燃盡三個區(qū)域，垃圾中的可燃成份完全燃燒，不可燃的灰渣由爐渣滾筒送出落入出渣機中，出渣機貯有水并保持著一定的水位起到水封作用，確保爐內(nèi)負壓的穩(wěn)定，灰渣在出渣機內(nèi)熄火和降溫后被推送出來，由振動輸送帶送去灰渣貯坑，在拋灰機的作用下落入灰渣貯坑中，垃圾經(jīng)焚燒處理后成為穩(wěn)定、無害的灰渣。振動輸送帶還有一個作用是使灰渣中的金屬物暴露出來，便于懸掛在振動輸送帶上方的除鐵器將其吸出，匯集后打包回用。垃圾焚燒過程中，有些細灰從爐條之間的縫隙落到各風室中，這些灰稱之為‘漏灰’，定時由漏灰排出系統(tǒng)依次打開風室下面的活門，漏灰在風室的風壓作用下落入灰槽中，灰槽一端通出渣機，另一端帶有風門與公共風室連接，漏灰排出系統(tǒng)按程序將風門瞬時打開，將漏灰吹送入出渣機中，最后與灰渣一起被排走。
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圖：（馬丁爐型）逆推式+順推式機械爐排爐示意圖
灰渣貯坑上方裝有橋式抓斗起重機，用抓斗將匯集在灰渣貯坑中的灰渣抓取，裝車外運、填埋。
燃燒用的空氣取自（垃圾池是密封）垃圾貯坑的上方，由鼓風機抽吸和壓送進行二級加熱，第一級為蒸汽暖風機，第二級為煙氣暖風機，風溫提高到250℃左右，然后分成一次風和二次風，一次風進入到爐排下方的公共風室，通過各風室風門的調節(jié)，獲得最佳的風量分配，最后經(jīng)爐條的風道穿過垃圾層進入爐膛，提供垃圾焚燒所需的氧量；二次風通過二次風風道經(jīng)調節(jié)風門從燃燒室上方前、后拱處的兩排噴嘴噴射進爐膛，對燃燒氣進行擾動和補充氧量，達到充分燃燒的目的。燃燒空氣從垃圾貯坑抽取是為了將這些被污染帶有惡臭的空氣送入爐內(nèi)進行高溫處理，并維持垃圾貯坑的負壓狀態(tài)，避免其外逸而造成周圍環(huán)境的污染。垃圾燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣在引風機的抽吸下首先通過鍋爐第一通道，第一通道水冷壁下部用耐火材料敷設有相當長的衛(wèi)燃帶，用以減緩熱交換的速度，使在此區(qū)域內(nèi)的煙氣溫度保持著不低于850℃，有利于二惡英最大限度的分解。敷設衛(wèi)燃帶還可避免水冷壁裸露在高溫煙氣中而產(chǎn)生的高溫腐蝕。煙氣經(jīng)凝渣管從上而下通過第二通道，采用輻射傳熱進行熱交換，再急轉進入滿布對流受熱面的第三通道和第四通道，加快了熱交換的速度，在鍋爐出口處煙溫降至380℃左右。隨后通過布置有管式煙氣暖風機的第五通道，與空氣進行最后的熱交換，被冷卻到270℃左右。為了保證靜電除塵器入口的煙氣溫度穩(wěn)定在設定的溫度值，鍋爐的第四通道設有旁路煙道和調節(jié)擋板，通過調節(jié)流經(jīng)第四通道的煙氣量來控制進入除塵器入口的煙溫。完成熱交換后的煙氣進入煙氣處理系統(tǒng)。
2、3、LXRF系列立式旋轉窯焚燒爐焚燒機理
該爐從結構上分為熱解氣化爐和二燃室。熱解氣化爐內(nèi)燃燒層次分布，如圖所示，從上往下依次分為干燥段、熱解段、燃燒段、燃盡段和冷卻段。進入熱解氣化爐的垃圾首先在干燥段由熱解段上升的煙氣干燥，其中的水分揮發(fā)；在熱解氣化段分解為一氧化碳、氣態(tài)烴類等可燃物并形成混合煙氣，混合煙氣被吸入二燃室燃燒；
熱解氣化后的殘留物（液態(tài)焦油、較純的碳素以及垃圾本身含有的無機灰土和惰性物質等）沉入燃燒段充分燃燒，溫度高達1100-1300℃，其熱量用來提供熱解段和干燥段所需能量。燃燒段產(chǎn)生的殘渣經(jīng)過燃段繼續(xù)燃燒后進入冷卻段，由熱解氣化爐底部的一次風冷卻（同時殘渣預熱了一次風），經(jīng)爐排的機械擠壓、破碎后，渣系統(tǒng)排出爐外。
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圖3
一次風穿過殘渣層給燃燒段提供了充分的助燃氧。空氣在燃燒段消耗掉大量氧氣后上行至熱解段，并形成了熱解氣化反應發(fā)生的欠氧或缺氧條件。
由此可以看出，垃圾在熱解氣化爐內(nèi)經(jīng)熱解后實現(xiàn)了能量的兩級分配：裂解成分進入二燃室焚燒，裂解后殘留物留在熱解氣化爐內(nèi)焚燒，垃圾的熱分解、氣化、燃燒形成了向下運動方向的動態(tài)平衡。在投料和排渣系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行時，爐內(nèi)各反映段的物理化學過程也持續(xù)穩(wěn)定進行，從而保證了熱解氣化爐的持續(xù)正常運轉。
2、4流化床垃圾焚燒爐焚燒機理
鍋爐采用異重流化床燃燒方式和低倍率分級分離循環(huán)返料的燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)由爐膛、物料分離收集器和返料器三部分組成。爐膛上部由膜式水冷壁組成，下部為一個倒錐體流化燃燒室，亦稱為密相區(qū)。底部為水冷布風板，布風板上布置有特殊形式的風帽。布風板下由水冷管構成等壓風室。一次風經(jīng)等壓風室、布風板風帽進入密相區(qū)使燃料開始燃燒，并將物料吹離布風板。二次風由床層上方的二次風口送人爐膛，一二次風比例約為7:3，并可根據(jù)燃料變化和運行情況進行調節(jié)，既能達到完全燃燒的目的，又能控制SO2和NOx的生成量。
另外，由一次風引出幾支風管從前后墻進入密相區(qū)，分別撥動垃圾、煤和返料灰，以便垃圾、煤和返料灰等物料均勻播撒到床料中去，同時加強密相區(qū)下部的擾動。密相區(qū)上部為懸浮段，為保證煙氣在爐膛中停留時間大于2秒，爐膛斷面有所擴大。煙氣攜帶物料繼續(xù)燃燒，同時向爐膛四周放熱。由于斷面擴大，并且煙氣經(jīng)懸浮段碰撞爐頂防磨層，部分粗物料返回密相區(qū)，煙氣只攜帶細物料離開爐膛進入一級分離器。
一級分離器為四排撞擊式分離器，由凝渣管構成，布置于爐膛出口處，作為爐內(nèi)分離裝置。煙氣通過一級撞擊式分離器時，物料中較粗部分被分離出來，落人分離器下方收集斗，返回爐膛后循環(huán)再燃燒。
經(jīng)一級分離后的煙氣攜帶較細的物料，再經(jīng)過過熱器后進入二級分離器——下排氣蝸殼式旋風分離器，將細物料進一步分離和收集起來，通過U型返料器返回到密相區(qū)中，繼續(xù)循環(huán)燃燒。
過熱器為純對流型，分二級，為防止高溫腐蝕，布置在爐膛出口，凝渣管后面。為保證管壁溫度不超溫，沿煙氣流動方向依次為低溫過熱器和高溫過熱器。兩級過熱器之間設有減溫器調節(jié)汽溫，考慮到焚燒垃圾煙氣量較大的特點，面式減溫器調溫幅度在0-40℃之間。
為防止過熱器管子磨損，除把過熱器布置在一級慣性分離器之后外，過熱器前兩排管子還采用了噴鍍鎳基合金防磨技術。
鍋爐采用兩只蝸殼鋼板式中溫旋風分離器，外部為鋼板結構，內(nèi)部敷設保溫、絕熱和防磨材料。分離器人口采用蝸殼式布置，能保證分離效率達到99.3％
回料閥采用非機械式“U”閥回料器，保證回料通道通暢，并能耐高溫、耐磨損和防粘結。
3、小結
3、1垃圾預處理系統(tǒng)
垃圾進入爐之前，應在垃圾貯存庫內(nèi)放置3~5天時間，對垃圾進行初步的干燥，主要將垃圾中含有的外水，進行干燥，這部分水分根據(jù)垃圾的來源和自然情況的不同，約占垃圾重量的10%~30%左右。這部分水分主要是通過蒸發(fā)的形式離開垃圾體。垃圾庫有相當大的換氣量，因此相應外水的蒸發(fā)量也是相當大的，垃圾中分離出來的水分與垃圾儲存庫中的空氣一起離開，并進入垃圾焚燒爐通過煙囪排放大氣。另有少量在垃圾坑深處的外水則向下匯集，被滲瀝水泵收集后噴入焚燒爐爐膛蒸發(fā)。由于滲瀝水要吸收一部分爐膛熱量，且水量不大，因此爐膛并不是時刻接受滲瀝水的噴入的。在滲瀝水需要處理時，先將爐膛溫度調整到上限，并在系統(tǒng)中逐步增加負荷，少量噴入滲瀝水后，再逐步調整。
3、2焚燒爐內(nèi)的垃圾干燥系統(tǒng)
垃圾被抓斗送入焚燒爐的垃圾已經(jīng)含有外水已經(jīng)不多了，但仍然有不少的內(nèi)水，由于水的汽化吸熱相當大，如果在燃燒過程中這部分水分蒸發(fā)，就會使爐內(nèi)溫度場受到一定的影響甚至影響到燃燒的穩(wěn)定。因此在燃燒之前將這部分內(nèi)水分解出來就是十分必要的。
3、2、1道斯垃圾焚燒爐
道斯（BASIC）垃圾焚燒爐爐膛的進口位置，設置了一個垃圾干燥架，主要就是為了將垃圾中的內(nèi)水分解出來的裝置。垃圾送進焚燒爐后，不是直接送進爐排表面，而是先放置在干燥架上。在這里，垃圾通過兩種方式來除去水分。一是接受爐膛的輻射熱；爐膛內(nèi)有一定的溫度場分布，必然有一部分熱量輻射到新進入的垃圾表面，當達到一定溫度后部分水分就會蒸發(fā)，并隨煙氣流出焚燒爐爐膛，進入后部的余熱鍋爐等設備的煙道中。二是接受干燥風的對流換熱；單憑爐膛輻射熱是不能將垃圾中的水分徹底分離出來的，因此在BASIC焚燒爐中，還設置有一個垃圾干燥系統(tǒng)來進一步在燃燒前分離水分。
對道斯（BASIC）焚燒爐來說，采用了較大的爐排面積來減低熱灼減率。為此，使熱量集中也是一個相當重要的環(huán)節(jié)。該爐型的爐排結構采用的是六級階梯形，由爐排兩側向中間逐級向下，并且各個階梯也有一定向下的傾斜度。這樣，隨著爐排的拋動，垃圾在向下一級爐排拋出的過程中，也隨著垃圾減容，向中間匯集。在配風上，也是中間的空氣量大于兩邊空氣量的趨勢，因此垃圾能夠不斷減少，并集中，在爐排中部強化燃燒，這樣的效果。所以，在爐排中部的傳熱、傳質是最強烈的。爐膛其它位置的溫度相對爐排中間位置的溫度要低一些，但這并不影響垃圾的燃燒完成。垃圾在從一級爐排落入另外一級爐排的時候，能夠變的非常疏松，這樣使內(nèi)部的垃圾也能充分接觸新鮮空氣，在內(nèi)部燃燒，這樣也可以使整個主要熱量集中在待燃燒的垃圾中，提高垃圾的燃燒速度和燃燒效率。
3、3、2馬丁爐
往復逆推+順推式機械爐排。逆推式爐排呈傾斜布置，垃圾依靠自身的重力作用在爐條上,爐排逆向推動時,垃圾翻轉并沿爐床向前移動，爐排與水平面成260C夾角。爐床的寬度(350噸/日)的爐排寬約6米，而爐床的長度和爐排的級數(shù),則決定于垃圾的質量和對灰渣熱灼量的要求，有9段、11段、13段和15段等系列設計，采用15段的爐床長約9.5米，由于爐條的逆向推送使垃圾容易著火燃燒，并延長了垃圾在爐床上的停留時間。爐排以列為單元，根據(jù)爐排的寬度分成兩列，列間設置固定的分隔帶，每列固定爐條與活動爐條相間排列，各列活動爐條分別由液壓系統(tǒng)的油缸單獨驅動，按燃燒控制裝置的指令和程序協(xié)同動作。爐排的動作包括：各列給料器的往復運動；各列逆推+順推式機械爐排的往復運動；出渣機的往復運動以及料門的開閉。這些運動都是由油缸分別驅動，由液壓站集中控制。根據(jù)燃燒的要求，由燃燒控制盤的可編程序控制器（PLC）發(fā)出指令，使各動作按照預定的程序依次進行，實現(xiàn)燃燒過程的自動控制。
爐排的爐床由眾多的爐條組成，垃圾的燃燒過程是在爐床上進行，爐條的逆推+順推運動使垃圾移動和翻拌，使得垃圾充分燃燒。由于爐條的工作條件比較惡劣，容易磨損或燒壞，是機械爐排的易損件。爐條的頭部作有各種形狀的凸臺，爐條作往復運動時使爐床上的垃圾得到均勻的攪拌和翻轉，對于燃燒時產(chǎn)生表面固化的垃圾團還有破碎的作用，讓垃圾得到足夠的空氣進行燃燒，利于燃燼。爐排用高鉻耐熱、耐磨鑄鐵制造，材質性能較為優(yōu)異，結構上也有獨到之處，爐條的筋板做成封閉的一次風通道，利用一次風的高速流動將爐條的熱量帶走，起到散熱翅片的作用，有效地降低爐條的工作溫度，從而延長了爐條的使用壽命。
5、結束語
很榮幸地參加了二個不同類型（道斯爐和馬丁爐）的生活垃圾焚燒發(fā)電廠工程項目的建設，使得有機會對目前我國常見的幾種垃圾處理焚燒爐有了一定認識、了解和熟知，并且對垃圾焚燒發(fā)電廠的工程建設項目的程序也比較了解、
和熟悉。
參考文獻：
1、晉江市垃圾焚燒發(fā)電廠可研報告晉江創(chuàng)冠環(huán)保資源開發(fā)有限公司2003年8月
2、順能垃圾發(fā)電廠建設方案順能垃圾發(fā)電廠有限公司2002年3月
3、龍崗中心城市垃圾焚燒發(fā)電廠建設方案深圳道斯工程有限公司2003年
4、深圳漢氏固體廢物處理廠建設項目方案深圳市漢氏固體廢物處理設備有限
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