城市生活垃圾焚烧锅炉的开发与应用VIP

工业锅炉 2 0 1 0年第 3期( 总第 1 2 1 期) 文章编号 ： 1 0 0 4 8 7 7 4 ( 2 O L O ) O 3 2 2 - 0 4 城市生活垃圾焚烧锅炉的开发与应用 刘乃宝 ， 孙倩 ( 山东华源锅炉有限公司， 临沂 2 7 6 0 0 4 ) 摘要 ： 对城市生活垃圾 的燃料特点 和燃烧机理进行 了论述 ， 并介 绍了 L c l 2 0 一 l 2 一1 2 5 型城市生活垃圾焚烧锅炉的设计与结构特点。 关键词 ： 城市生活垃圾 ； 焚烧炉 ； 设计 中图分类号： T K 2 2 9 9 1 文献标识码 ： A 第 一 作 者 ： 刘 乃 宝 Th e De s i g n， De v e l o p me n t a n d Ap p l i c a t i o n o f( 1 9 7 4一 ) ， 工程师， M u n i c i p a l S o l i d W a s t e I n c i n e r a t o r 热能工程专业， 9 9 7 一 年毕业 后 一 直 从 事 L I U N a i b a o S U N O i a n 锅炉及压力容器的 ( S h a n d o n g H u a y u a n B o i l e r C o L t d ， L i n y i 2 7 6 0 0 4， C h i n a ) 设计工作， 特别是生 物质锅 炉 及 垃 圾 焚 A b s t r a c t ： T h e f u e l c h a r a c t e r i s t i c a n d c o m b u s t i o n m e c h a n i s m o f m u n i c i p a l s o l i d w a s t e w e r e d i s 一 烧 锅炉 的研 究 与 开 c u s s e d T h e d e s i g n a n d s t r u c t u r a l f e a t u r e s o f t y p e L C 1 2 0 1 2 1 2 5 mu n i c i p a l s o l i d w a s t e i n c i n e r a t o r 发工作。 we r e i n t r o d u c e d Ke y wo r d s： mun i c i pa l s o l i d wa s t e；i nc i ne r a t or；de s i gn O 前言 随着社会 的进步及人类对环境保护意识 的加 强， 城市生活垃圾的处理已成为当前社会需要迫切 解决的重大热门课题。 目前 ， 城市生活垃圾的处理 方式主要有两种 ： 一种是填埋法 ， 这是当前被广泛采 用的处理方式 ， 但这种方式要 占用大量的土地， 浪费 了宝贵的土地资源； 另一种是焚烧法， 焚烧后的热能 产生的蒸汽供生产工艺使用或发电， 节约了能源， 同 时高温焚烧后的残渣无毒无害， 可直接填埋 ， 也可作 为建材原料综合利用 ， 真正实现了垃圾的资源化 、 减 量化、 无害化处理。 1 城市生活垃圾的预处理及燃料特点 城市生活垃圾在进行焚烧前都要进行先期的预 处理 ， 当前采用较多的预处理方式为蒸煮分解 +筛 选。垃圾经过蒸煮以后含水量一般在 5 0 以上， 再 加上垃圾的热值较低， 燃烧时需较长的烘干过程， 给 焚烧炉的正常运行带来了一定 困难。我们结合 以前 设计开发的城市生活垃圾焚烧炉的运行经验 ， 城市 生活垃圾不经过蒸煮过程 ， 筛选处理后直接进入锅 炉进行焚烧更能保证垃圾的有效燃烧。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 -01 2 2 经过筛选后的生活垃圾其燃烧过程主要分为垃 圾的干燥 、 着火 、 燃烧及燃尽 3个阶段。燃烧过程中 燃料的主要特点为 ： ( 1 ) 垃圾的水分含量较大 ， 燃烧过程中需要较高 的干燥温度及较长的干燥时间。 ( 2 ) 垃圾入炉遇到强热会产生表面固化 ， 影响垃 圾内部的传热和气体的流动， 如不采取适当的措施， 会增大机械不完全燃烧损失 ， 使垃圾焚烧不完全。 ( 3 ) 垃圾的含土量较多 ， 焚烧炉的给料必须考虑 有可靠的动力源。 ( 4 ) 垃圾中含有大量 的塑料袋 ， 且相互缠绕 ， 很 多垃圾是以团状或大块状 的形式存在 ， 必须有可靠 的给料方式。 ( 5 ) 垃圾热值较低 ， 燃烧时料层较厚 ， 燃烧设备 及送风机要保证鼓风能有效穿透料层 ， 保证干燥及 燃烧。 ( 6 ) 垃圾具有明显的季节性及地域性 ， 不同季节 及不同地域的垃圾差别很大， 如夏天西瓜皮 的含量 较多 ， 而冬天居民采暖的煤灰较多， 这些都将影响到 锅炉的运行性能。 ( 7 ) 生活垃圾中含有大量的塑料制品， 塑料是由 高分子碳氢化合物组成 ， 受热后化学键不易断裂， 热 解曲线呈现多峰值 ， 主要表现在塑料着火慢， 燃尽时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 城市生活垃圾焚烧锅炉的开发与应用 2 3 J 司长 。 ( 8 ) 生活垃圾在焚烧过程中， 当烟气 中产生过多 的未燃尽物质或燃烧温度不高时， 会产生二恶英等 有害物质 ， 焚烧锅炉在设计时要充分考虑消除二恶 英 的问题 。 由此可见 ， 城市生活垃圾焚烧锅炉的设计要充 分考虑到当地 的垃圾特性 ， 才能保证 焚烧锅炉运行 的经济性和可靠性 ， 提高锅炉 的焚烧效率。 2 城 市生活垃圾焚烧锅炉 的炉型选择 目前城市生活垃圾焚烧锅炉主要有循环流化床 锅炉和往复炉排锅炉两种型式。 2 1 循环流化床锅炉 循环流化床锅炉 因其燃料适应性强 、 燃烧效率 高 、 燃烧稳定 、 低 N O 排放等优点被广泛应用 ， 也是 当前城市生活垃圾焚烧处理 的方式之一， 但在焚烧 生活垃圾时有以下缺点 ： ( 1 ) 为了使入炉的垃圾产生流态化 ， 要求垃圾的 粒度和重度差异较小 ， 而对高黏度半流体状污泥、 厨 余等生活垃圾 ， 更是难 以实现流化床燃烧 。因此这 种焚烧锅炉对垃圾的预处理要求严格 。 ( 2 ) 至今世界各国的垃圾预处理技术尚不成熟 ， 预处理装置的运行还不够稳定 ， 从 而在一定 程度上 影响了循环流化床式垃圾焚烧炉 的正 常运行及应 用 。 ( 3 ) 风机压头高， 电耗大。 ( 4 ) 投资高 ， 运行操作复杂。 2 2往复炉排锅炉 城市垃圾在加热干燥过程中， 当达到一定 温度 时会发生软化变形 ， 不利于燃料层的通风 ， 需不断拨 火 ， 以利于燃烧。由于倾斜往复炉排在推动燃料 向 前运动过程中有 自翻身拨火作用 ， 拨火效果明显 ， 且 垃圾层均匀， 燃烧稳定 ， 燃料更易燃尽， 这种焚烧方 式不需对入炉垃圾作严格 的预处理， 故垃圾处理效 率极高 ， 比较适合于城市生活垃圾的处理。 3 L C 1 2 O l 2 1 2 5型锅炉结构设计 在综合分析 了循 环流化床锅炉的优缺点后 ， 又 考虑到垃圾的成分 比较复杂 ， 经过试验对比， 并根据 国内外垃圾焚烧炉 的实际运行 经验 ， 我们采用新型 大阶梯分段式 往复 炉排燃烧 方式设 计开发 了 L C 1 2 0 1 2 一l 2 5型垃圾焚烧锅炉。 L C 1 2 0 1 2 1 2 5型城市生活垃 圾焚烧蒸 汽 锅炉为双锅简纵 向布置往复炉排锅炉( 见图 1 ) ， 锅 炉单层布置 ， 采用 自然循环方式 。垃圾经料斗进入 往复炉排上燃烧 ， 产生的高温烟气依次经过炉膛水 冷壁管 、 燃尽室、 对流管束 、 空气预热器 ， 最后烟气经 过处理后排入大气 。空气预热器出口热风一部分进 人往复炉排底部作为干燥及燃烧用风， 另一部分作 为二次风风源 。锅炉为轻型炉墙 ， 全封焊外包结构， 避免了锅炉房 内异味的产生。 图 1 L C 1 2 0 1 2 1 2 5锅 炉总体结构示意 图 3 1 锅炉设计参数 日处理垃圾量： 1 2 0 t d ； 额定蒸发量 ： 1 2 t h ； 给水温度 ： 1 0 5 ； 额定蒸汽压力 ： 1 2 5 MP a ； 额定蒸 汽温度 ： 1 9 3 ； 冷空气温度 ： 2 0。 3 2 燃 料特 性 本锅炉主要燃料为城市生活垃圾筛选后的可燃 物料 ， 其燃料特性为 ： C ：1 6 2 H。 =4 60 =1 1 4 3 N。 ：0 1 S =0 2 Wo ：4 4 2A ：2 3 2 7 f=2 3 4 4 Q 。 = 7 7 0 6 2 k J k g 3 3 燃烧设备的设计 3 3 1 结构设计 焚烧炉的燃烧设备为新型大阶梯分段式往复炉 排 ， 它主要 由料仓 、 给料机 、 倾斜往复炉排 、 传动与限 位装置等几部分组成。炉排的结构见图 2 。垃圾经 抓斗送到料仓 内， 再 由给料机送至往复炉排上， 燃料 在往复炉排前部经热空气加热干燥后着火燃烧 ， 并 在炉排的往复驱动下随炉排 由前到后移动 ， 从而完 成整个燃烧过程 。根据燃料的燃烧过程炉排分为干 燥 、 燃烧及燃尽三段 ， 为三级驱动 ， 每段 间可单独进 行调节。通过调节给料机的进料速度来控制进入焚 烧炉的燃料量 ， 燃料在往复炉排上的燃烧时间通过 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 0年第 3期 ( 总第 1 2 1 期 ) 调节各段往复炉排的移动速度来控制。为了使燃料 层在炉排上有 自翻身拨火作用 ， 焚烧锅炉的往复炉 排采用倾斜 1 6 。 的布置方式 ， 锅炉的进料 口及各段 炉排间采用大阶梯结构 ， 使遇到强热易表面固化的 垃圾在推动前进的同时有一个下落翻动、 破碎的过 程， 有利于完全燃烧 。另外 ， 我们对常规的往复炉排 片进行了改进， 新型大块蜂窝状炉排片采用了特殊 的风口型式 ， 极大地改善了燃料的干燥着火过程 ， 强 化了燃烧。 图 2新 型大 阶 梯 分段 式 往 复 炉 排 往复炉排的配风方式为分仓送风 ， 炉排风室按 燃烧过程分为 3个密闭独立风仓 ， 空气预热器加热 后的高温热空气经往复炉排两侧进入风仓 ， 每个风 仓均可根据炉排的燃烧情况及负荷变化单独调节送 风量 ， 以保证炉排上的燃料能够稳定充分地燃烧。 3 3 2 炉排面积的确定 炉排面积对燃料 的燃烧及燃尽起到非常重要的 作用， 根据国内外垃圾焚烧炉设计运行经验 ， 垃圾焚 烧炉的往复炉排燃烧率为 2 0 0 4 0 0 k g ( m h ) 比 较合理。综合预处理后垃圾 的实际状况， 往复炉排 燃烧率取约 2 7 0 k g ( m h ) 。考虑到炉墙及钢架 等尺寸因素， 选定炉排有效宽度为 2 8 0 0 m m， 长度 为 6 5 0 0 m m左右。炉排有效 面积约为 1 8 2 m ， 炉 排高温区采用耐热铸钢， 确保锅炉的安全运行。 3 4 炉膛结构设计 垃圾中的大量可燃物在炉膛悬浮燃烧需要足够 的炉膛空间和一定 的炉膛高度 ， 这样可燃物在炉膛 内有足够的停留时间， 以保证燃料在炉膛 内完全充 分燃烧。如果燃烧组织不 当， 很容易生成二恶英等 有害气体。建设部关于 垃圾焚烧炉 的设计规 范 中明确要求 ， 为防止二恶英的生成 ， 要求垃圾炉的炉 膛设计必须保证烟气在 8 5 0以上的烟温区内停留 2 s 以上。实验证明二恶英可在 8 5 0 o C以上 的高温 烟气区域 内分解燃烧 ， 所以炉膛设计时必须要考虑 到这一点 。此焚烧锅炉炉膛高度为 1 O 3 m， 炉膛宽 度为 2 8 m， 平均深度为2 6 m， 是一个细高型炉膛 。 经理论计算 ， 烟气在炉膛 内的温度高于 8 5 0 ， 烟气 在炉膛 内的停 留时间在 2 S以上 ， 符合建设部的规 定 ， 能有效抑制二恶英的产生。 由于燃料均为水分高、 热值低的生活垃圾 ， 为保 证炉膛温度 ， 炉膛设计采用上下两个大件， 上部炉膛 有水冷壁， 下部炉膛为绝热炉膛。上部炉膛两侧墙 水冷壁管节距较大 ， 设计为 1 6 0 m m， 以减少吸热量。 下部两侧墙无水冷壁管 ， 为耐火砖墙； 为方便前拱施 工， 布置有前拱水冷壁管 ， 但仅作为前拱骨架被埋在 耐火混凝土内， 后拱也属同样原因， 被砌在耐火混凝 土内， 以减少吸热量， 提高炉膛温度， 以利于燃料的 着火及 燃烧充 分 。 由于垃圾中的固定碳较难燃尽 ， 为了保证燃料 的及时着火和燃尽 ， 设计有较高的前拱和低而长的 后拱， 高前拱区为垃圾的燃烧提供了足够的空间， 低 而长的后拱有利于燃料的燃尽。后拱长度 占炉排有 效长度的6 0 ， 与炉排 面的倾角为 1 4 。 。在后拱 出 口上部设有一组二次风喷嘴 ， 这组二次风的作用是 将从后拱出来的高温烟气吹向前拱处 ， 以利于垃圾 干燥着火燃烧。 3 5 锅炉 受热面 的设计 锅炉采用双锅筒纵 向布置， 散装 出厂， 现场组 装。锅炉本体受热面由上下汽包 、 集箱 、 对流管束、 水冷壁管、 下降管等受压元件组成。尾部受热面布 置有空气预热器 ， 锅炉排烟温度为 2 3 0 c I = ( 锅炉尾 气进行脱酸及除尘所需参数 ) 。由于燃料的含水率 较高( 一般为 3 0 4 5 ) ， 为防止空气预热器的低 温腐蚀 ， 设计采用了较高的排烟温度及热风温度， 既 有利于燃料干燥着火 ， 又有利于提高炉膛理论燃烧 温度 。 整个锅炉本体受热面分为 5 个独立的水循环回 路 ， 即： 前墙水冷壁循环回路， 后墙水冷壁循环回路 ， 两侧水冷壁 回路及 由对流管束靠 自身热偏差组成的 回路 。5个水循环回路结构合理 ， 下降管与上升管 截面比 0 3 ， 水循环安全可靠。 3 6二次风 的布 置 焚烧锅炉的配风与燃煤锅炉有较大不同。干燥 阶段风量仅占一次风量的 1 5 左右 ， 主燃区风量占 7 5 以上， 而燃尽区风量仅 占 1 0 左右。为了保证 挥发分大量集中析 出时的完全及时充分燃烧 ， 必须 有 占总风量 1 5 2 0 以上 的风量作为二次风。 鉴于此 ， 焚烧锅炉在前拱喉 口部位和后拱出 口位置 布置有 2组二次风喷嘴 ， 均是由7根 3 8 2 5的不 锈钢管组成， 喷出的高速二次风具有很大的动能， 使 高温烟气与可燃物充分地搅拌混合 ， 保证燃料的完 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 城市生活垃圾焚烧锅炉的开发与应用 全充分燃烧 ； 另一个作用是将后拱 出口处的高温烟 气吹到前拱区， 帮助刚人炉燃料 的干燥着火 ， 有利于 烟气 中的大颗粒物在炉排上的均匀分布及增加在炉 排上 的停留燃烧时间 ， 降低 了炉膛 出口处烟气 中的 飞灰含量 ， 减少 了对流受热面 的磨损。在每组二次 风喷嘴的总风道上装有 调节 阀门， 实 际运行时根据 现场燃料的燃烧情况及时调节每组的二次风量 。 4 锅 炉设计 特点 4 1 新型 大 阶梯 分段 式往 复炉 排 新型大阶梯分段式往复炉排 的设计中， 专 门针 对焚烧生活垃圾进行了优化设计 ， 拨火效果加强 ， 燃 烧更充分。 4 2 传动系统采用液压传动 在给料机及炉排三级驱动设计 中采用了液压传 动装置 ， 主要是由于液压传动装置具有重量轻、 体积 小 、 运动惯性小 、 反应速度快 、 操纵控制方便 、 可实现 大范围的无级调速等优点 ， 通过实际运行情况来看 ， 该 系统 性能 可靠 。 4 3 细高型炉膛设计 细高型炉膛 、 优化的前后拱设计及受热面的合 理布置 ， 保证 了生活垃圾 的完全焚烧 ， 降低了飞灰损 失 ， 使烟气在炉膛内有足够的停留时间， 提高了焚烧 效率。 4 4 采用框链式出渣机 由于生活垃圾焚烧时易结焦的特点 ， 焚烧后的 炉渣采用水平框链式除渣机将其送到锅炉房外面。 由于除渣机是安装在地平面以下的地坑 中， 上面有 盖板 ， 使锅炉房内部整洁干净 ， 降低了司炉工的劳动 强度 。 4 5 管束区设置声波吹灰器 城市生活垃圾焚烧中由于垃圾成分及运行负荷 的变化 ， 管束区飞灰量较大 ， 通过设置声波吹灰器 ， 能有效避免管束区的积灰现象。 5 结论 L C 1 2 0 1 2 1 2 5型城市生 活垃圾焚烧锅 炉 的投入运行不仅解决 了企业的生产工艺用汽， 更重 要 的是消除了城市生活垃圾填埋 给土壤 、 水和大气 带来的污染 ， 减少了土地的占用 ， 因而具有极高的经 济效益和社会效益 。该锅炉 自2 0 0 7年投建 以来 ， 至 今一直安全稳定运行 ， 但在运行过程 中， 也出现过因 垃圾的成分变化而发生着火慢 、 燃烧不充分的现象 ， 这就要求我们在今后的生活垃圾焚烧领域进行不断 的探讨。豁 参考文献 1 宋贵良， 等 锅炉计算手册 M 沈阳： 辽宁科学技术出 版社 ， 1 9 9 5 2 汪玉林 垃圾发电技术及工程实例 M ，北京： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 3 3 张益， 赵由才 ， 等 生活垃圾焚烧技术 M 北京 ： 化学工 、 I 出版社 ， 2 0