鄉鎮生活垃圾焚燒爐的實驗研究與優化設計

歐文劍 沈賢鋒 楊鶴松 楊 召

（湘潭大學機械工程學院)

0 引言

隨著經濟的迅速發展，鄉鎮人口越來越集中，鄉鎮生活垃圾也變成了一個十分特殊的問題。它既不像農村生活垃圾那樣少量分散，又不像大城市的生活垃圾那樣集中處理，但已經成為國內日益嚴重的環境問題、社會問題和經濟問題。

縱觀國內生活垃圾處理技術的理論研究和工程實踐，成熟且常用的生活垃圾處理技術主要有填埋、堆肥、焚燒三種 (見表1)。回收利用技術目前僅在少數幾個城市進行試點工作。我國垃圾處理的常用方法是填埋，填埋方法中很大一部分為簡易填埋，除了造成土地資源浪費外也造成了城市地下水和周邊土壤的二次污染，已越來越無法適應城鎮發展的需要。

焚燒法處理垃圾的優點是可大幅減少垃圾體積和重量，處理速度快，儲存期短；同時還可回收部分熱，通過合理組織燃燒和煙氣處理實現清潔處置，為國家的節能減排事業貢獻力量。因此，研制成本低、效率高、適用性強的鄉鎮生活垃圾焚燒爐具有很強的環保意義和經濟意義。

通過調查研究可知，目前國內小型垃圾焚燒爐主要存在燃燒效率不高、爐內穩定性差和煙氣處理不達標等缺陷。影響垃圾焚燒爐綜合效益的主要因素是垃圾的水分、灰分、物料熱值、爐內溫度分布、垃圾燃燒時間等。本文在實驗的基礎上，測得爐體內溫度場的分布，并以實驗為依據設計了提高燃燒效率、減少焦油、防止煙氣管道堵塞、綠色處理煙氣各種有害物質 （如二噁英、酸性氣體、粉塵等）的鄉鎮生活垃圾焚燒爐設備，同時也為其他焚燒爐的改進提供了理論依據。

1 垃圾焚燒爐的工作原理

生活垃圾在焚燒爐中的燃燒是比較復雜的物理、化學過程。其燃燒過程可簡述為：當焚燒爐底部燃料引火點燃、鼓風機通風后，反應室內分為三個反應區域，即氧化區、還原區、干燥區。

氧化區空氣比較充足，燃燒比較完全，溫度可達1000℃左右，主要反應式為：

還原區主要是炭的不完全燃燒，溫度約700～900℃，主要反應式為：

干燥區的溫度約600℃，主要是使垃圾中含的水分蒸發，干燥垃圾，以便燃燒。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

生活垃圾焚燒爐垃圾燃燒效率的影響因素是爐內溫度場分布和鼓風機鼓入的空氣量，在現有的理論和參考文獻中，還沒能完全地總結出垃圾焚燒爐的溫度分布規律。為了測得垃圾焚燒爐的燃燒效率和日均處理垃圾的量，設計了一套生活垃圾焚燒爐實驗裝置。焚燒爐主要由三個部分組成：點火及出渣部分，錐部，二燃室。燃燒爐錐部圓臺尺寸為515 mm×308 mm×570 mm （上圓直徑×下圓直徑×高），包括了氧化區和部分還原區。為了測爐內各層溫度，從進風口到錐部上圓的爐壁上均布6層測溫孔，每層均布三個測溫孔，以便測得該層的平均溫度。實驗裝置結構如圖1所示，整個實驗裝置由爐體部分和測溫部分組成。采用三根熱電偶測同一層或同一列三個位置點的溫度。第3～6層屬于氧化還原反應區，第1～2層屬于二燃室區域。

圖1 焚燒爐實驗裝置

2.2 實驗步驟

本實驗采用生活垃圾為燃料，實驗的具體步驟如下：

（1）將生活垃圾處理成適當體積，測量垃圾質量，取出料筒，裝上垃圾。注意應該去除垃圾中金屬等不可燃成分。

（2）點火。打開爐體下部的爐門，裝用一定的樹枝和樹葉并點燃，打開鼓風機調好風量，記錄燃燒開始的時間。待燃燒穩定后，將鼓風機的風量調到最大，保證足夠的氧氣使垃圾完全燃燒。

（3）等火焰穩定后，用容器裝一定量的水置于直燃爐上加熱，計量水的質量以及水溫，并記錄下每次測水溫的時間。

（4）爐內逐層溫度測量。將三根熱電偶同時插入爐體同一層的三個孔內或者同一豎直位置的三個孔內，其他位置的孔用螺栓擰入堵住。調節轉換開關，測量三個點的溫度。調節熱電偶插入的位置和深度，可以測出該垃圾焚燒爐內的溫度分布。

（5）記錄爐內垃圾燃盡的時間。實驗結束后，關掉風機，倒掉燃盡的灰渣，并用水澆滅灰渣中的火星。

3 實驗數據及分析

3.1 數據整理及分析

垃圾焚燒爐燃燒性能指標的測試 （實驗數據）見表2。實驗于室外進行，室外溫度為29.5℃。

表2 實驗裝置燃燒性能測試 （垃圾處理量：8.0 kg）

當爐膛燃燒穩定后，觀察到明火火焰穩定，測得爐體內部溫度如表3所示。表中：m表示爐溫測試點分布的層次；Am表示第m層測溫孔到燃燒喉部底面的垂直距離；R表示測溫層爐壁的平均半徑；n為測溫位置點序號；Xn、Yn、Zn分別表示測量第一縱列、第二縱列、第三縱列的位置點n時，熱電偶伸進爐內的深度；Tn表示在測溫位置點n處（相應的深度下）測得的溫度。

表3 爐內各層溫度分布

由表3可以看出，距離二次進風口最近的位置上，即二燃室中的平均溫度達到970℃ （達到850℃以上），說明二燃室中垃圾燃燒完全。處于燃燒喉部的區域，靠近一次進風口的溫度高，而第3層到第4層溫度為600℃左右，說明該處垃圾燃燒不充分。

爐體內各層溫度Tm隨各層距離燃燒喉部底面的垂直距離Am的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，位置點越靠近進風口，溫度越高，干燥區的溫度明顯下降。實驗表明，爐體內的溫度場溫度分布不均勻，靠近一次進風口和二次進風口的溫度較高，這與風口的布置和進風方式有密切關系。風機向一次、二次進風口分配風量，爐內垃圾獲得的風量不相等，靠近進風口的爐層獲得的風量大，燃燒充分，自然溫度就高。

圖2 爐體內各層溫度Tm隨各層距離燃燒喉部底面的垂直距離Am的變化曲線

3.2 實驗結論

從實驗結果看，垃圾焚燒爐的垃圾處理量為1800 kg/d，而鄉鎮生活垃圾焚燒爐的性能為處理量20 t/d，所以要擴大垃圾焚燒爐的爐膛容積。另一方面，焚燒爐同爐層的溫度在干燥區比靠近進風口的區域相差較大，靠近進風口的位置點溫度較高，說明風量沒有完全滲透到爐內各個層面，導致有些爐層燃燒得不充分，這表明垃圾焚燒爐結構 （一次進風口、二次進風口、二燃室的設計等）需要進一步改進和優化，以提高燃燒效率。

3.3 垃圾焚燒爐的優化設計及性能參數計算

通過實驗數據，可以明顯看到爐內溫度不均導致部分垃圾得不到充分燃燒，影響垃圾焚燒爐的性能指標以及經濟指標。為此，改進了一次風口和二次風口的位置，三個一次進風口平均布置在爐底部分的周圍，可保證爐內通風均勻。三個二次進風口均布在二燃室周圍，保證二燃室各個方向氧氣充足，保證同一爐層溫度達到850℃且分布均勻。采用螺旋式通風，讓風機鼓入的空氣沿著爐壁螺旋進入爐內，既能讓空氣得到預熱，又能使煙氣在二燃室 （溫度在850℃以上）中徘徊2 s以上的時間，使二噁英高溫分解，降低污染物質的排放量。

3.3.1 理論設計計算

鄉鎮生活垃圾的日處理量：20 t/d。

實驗裝置的爐膛容積V1：

實驗焚燒爐垃圾日處理量W1：

水吸收熱量Q：

鄉鎮生活垃圾焚燒爐的爐膛容積V：

綜合考慮垃圾焚燒的溫度場分布、投料以及爐型美觀等，設計爐膛的參數為：進料口高0.5 m，入口尺寸0.5 m×0.5 m；落料口尺寸0.3 m×0.3 m，高3 m；爐體底圓半徑1 m；排渣池高度0.5 m，半徑0.2 m；二燃室高度1 m，圓臺半徑0.7 m。整個爐膛的實際容積為11.8 m3。此外，在爐體上部周圍爐壁間加一個容量為300 L的水箱，既降低了排氣溫度，又可滿足幾家人的日常熱水需求，進一步提高熱效率。優化后的垃圾焚燒爐外形見圖3。

圖3 優化后的垃圾焚燒爐

3.3.2 整套設備設計方案

由垃圾粗分篩、儲料倉、固定爐排垃圾焚燒爐、省煤器、空氣預熱器、石灰漿溶解制備系統、噴霧干燥器、活性炭吸附罐、布袋除塵器等組成。整個鄉鎮生活垃圾綠色焚燒技術的設計方案詳見圖4。

圖4 鄉鎮生活垃圾焚燒設備工藝圖

3.3.3 性能分析

通過反復實驗測試，焚燒爐的性能指標見表4。

表4 鄉鎮生活垃圾焚燒爐主要性能指標

本項目中的煙氣處理系統主要包括以下幾個部分：石灰乳液制備裝置、活性炭貯存及輸送裝置、噴霧干燥器、活性炭吸附器、布袋除塵器、引風機和煙囪。主要工藝是實現石灰漿液制備、石灰漿液計量輸送、活性炭計量輸送、管道清洗、布袋除塵等功能。

當煙氣從垃圾焚燒爐內排出時，會產生二噁英、酸性氣體和細微粉塵，二次鼓風使得二噁英在二燃室內分解。為了最大限度地減少二噁英的生成排放，在噴霧干燥器和布袋除塵器之間的水平煙道內，噴入活性炭粉末，可對殘留的二噁英進行吸附。石灰乳裝置用來去除煙氣中的酸性物質，活性炭更進一步地除酸。最后煙氣通過布袋除塵器除去細微塵粒，然后再排向大氣。整個煙氣處理系統彰顯出綠色的含義，以實現垃圾焚燒無害化和低排放，達到節能減排的效果。

3.3.4 經濟性分析

垃圾日處理量20 t/d，根據實驗測得每10 t垃圾可代替1 t標準煤，按煤價300元/噸換算，一日的垃圾處理量可換算成2 t標準煤，或600元。處理1 t垃圾政府給予80元 （60元～140元）補貼，這樣平均每天的收入超過2000元。整套鄉鎮生活垃圾焚燒爐建造費預計10萬元左右，投入不大而產出高，經濟效益非常明顯，非常適合中國廣大中小城市和鄉鎮生活垃圾的處理，十分具有發展和普及的前景。鄉鎮生活垃圾焚燒爐技術也會越來越成熟，并具有很大的市場和經濟價值。

4 結語

通過實驗數據分析，優化設計了一套鄉鎮生活垃圾焚燒設備，為中國鄉鎮生活垃圾處理提供了一種新途徑。該設備結構小，價格便宜，產出投入比高，可實現工廠化大批量生產，適用于中國廣大農村地方鄉鎮和中小城市，應用價值大，發展前景相當可觀。此外，其煙氣處理系統完備，煙氣排放達到國家排放標準，符合國家節能減排的要求。

在全國大部分鄉鎮和中小城市中，生活垃圾處理方式大部分為填埋，浪費國家土地資源且污染環境，垃圾焚燒并利用垃圾燃燒的熱值是一項利民工程，且一勞永逸，這使得鄉鎮生活垃圾焚燒爐設備的前景非常好，普及鄉鎮生活垃圾焚燒爐也一定指日可待。

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