垃圾焚燒發電廠爐排爐選型和設計研究

林 武，康 鋒，周志勇（.晉西裝備制造有限責任公司，太原 03007；.晉西車軸股份有限公司，太原 03007）

垃圾焚燒發電廠爐排爐選型和設計研究

林 武1，康 鋒2，周志勇2
（1.晉西裝備制造有限責任公司，太原 030027；2.晉西車軸股份有限公司，太原 030027）

介紹了國內外垃圾焚燒產業的發展現狀及垃圾焚燒發電廠的工藝流程。集中對垃圾焚燒行業主流的幾種焚燒爐結構、工藝進行了選型對比與分析，詳述了水平布置傾斜順推三段式爐排的設計要點，從給料系統、爐排供風、爐膛溫度場分布等方面進行了設計研究。

垃圾焚燒；爐排爐；選型與設計

據國家統計局2013年按照常住人口比例統計，我國城鎮化率達到了53.7%，但相比歐美國家80%以上的城鎮化率還有不小的差距。隨著城鎮化進程的繼續，我國各大中小城市的公共服務壓力驟增，不僅體現在基礎設施、教育資源、醫療保健、住房等方面，還涉及到了衛生環保領域。根據分析預計，我國2015、2020年城市生活垃圾產量將達到2.6億噸和3.23億噸，而目前全國各大中城市平均垃圾無害化處理率僅為66%左右［1］，其中占用大量土地的填埋處理方式占比高達70%。隨著城市及周邊用地的緊張，大力發展垃圾焚燒產業勢在必行。

1　垃圾焚燒行業的國內外發展現狀

20世紀初，在歐美國家就出現了垃圾焚燒處理技術，而可控焚燒、排放煙塵治理、余熱利用及發電的綜合處理技術，是在20世紀70年代之后才開始發展的，并以日本及歐美發達國家為先。

美國在2001年就實現了全國生活垃圾全部焚燒處理并關閉了全國的垃圾填埋場，填埋場原先填埋的垃圾則挖出送至新建焚燒廠焚燒處理［2］。歐洲以德法等國家為工業國家代表，也發展成了成熟的垃圾焚燒發電產業，并且配套發展了焚燒裝備及煙氣凈化設備。

20世紀60、70年代，日本由于工業發展以及城市化進程迅猛，環境問題爆發。因此，日本也是最早開始進行大規模垃圾焚燒處理的國家之一。從1965年以來，日本建設了超過3000臺焚燒爐，到了20世紀，日本的垃圾焚燒處理量已占到了垃圾處理總量的70%以上［3］，無害化處理比例超過90%。

我國從20世紀90年代以來，北京、上海、深圳等一線城市及沿海發達城市和省會城市等，人口規模增加了數倍。以山西省會太原市為例，至2014年，常住人口430萬，以每人每天0.8～1.1kg的垃圾產生量計算，每天約產生4000噸，而現有的侯村垃圾填埋場的日處理量為1500噸，庫容僅夠使用17年。因此，快速發展垃圾焚燒，是整個國家持續發展必然的舉措。

1985年，深圳引進了三菱的成套焚燒設備；2003年上海環境在上海市江橋鎮建成江橋垃圾焚燒發電廠，引進了德國斯坦米勒的順推爐排技術后，單爐在每日處理量400噸甚至500噸以上的大型現代化焚燒爐在全國各地大中城市開始迅速發展。

2　垃圾焚燒爐設備技術分析

國內的垃圾焚燒發電設備大部分都是引進國外的技術。以核心的焚燒爐來說，主要是回轉窯爐、流化床爐、熱解氣化爐和爐排爐。雖然還有其他的爐型等，但應用與規模都較小。

回轉窯爐是一個緩慢旋轉的回轉窯，內壁鋪設耐火磚或者是水冷壁，依靠窯體旋轉進行垃圾的攪拌，窯內燃燒溫度可達1200℃?；剞D窯爐處理垃圾不需要預處理，適應多種成分的垃圾，可以焚燒污泥。其缺點是單爐處理量較小。由于美國有眾多人口在30萬以下規模的中小型城市，回轉窯焚燒爐在美國有較多的應用。在20世紀80年代末期到90年代，美國發展了多種回轉窯焚燒爐。常見的有基本形式的回轉窯爐（如圖1）和帶干燥爐排的回轉窯爐［2］（如圖2）。

圖1　基本形式的回轉窯焚燒爐

圖2　帶干燥爐排的回轉窯焚燒爐

1988年，日本的谷山大市發明了“大谷熱解氣化爐”后，這種焚燒爐開始逐步推廣。這種焚燒爐的爐內分干餾蒸發爐和高溫燃燒爐，干餾爐保持還原氛圍，將垃圾干餾氣化，然后進入第二高溫燃燒室，在900℃～1600℃的強氧化環境下充分燃燒［3］。熱解氣化爐只要保持高溫爐強氧化氛圍的監控，監控出口CO濃度，就能夠有效地控制二英的排放。不過，其缺點也明顯，對垃圾的熱值要求較高，含水量較多的垃圾或者成分混雜、不燃物過多的垃圾，不適用于熱解氣化爐。同時其單爐的處理規模也較小。

流化床爐沒有運動爐體或者爐排，只有主燃燒室和熱回收室，其將垃圾干燥破碎至粒徑在5cm以下后，投入爐中，與爐內燃煤加熱至600℃作為熱載體的石英砂混合，處于流化半懸浮狀態，然后在高溫下熱解氣化并高速燃燒，燃渣與不燃物與流動砂混合排出［5］。流化床中常見的有內循環流化床（ICFB）與回旋流流化床（TIF）（如圖3）。內部循環流化床焚燒爐熱效率高、床溫均勻、煙氣流速低，耐用性、可靠性都較好。但其的缺點是垃圾在流化狀態下，燃燒不夠完全，飛灰量大；在垃圾的熱值不足時，需要加入較多的燃煤進行助燃。國內一些采用流化床焚燒爐的垃圾焚燒廠存有小型燃煤火電的可能。

圖3　回旋流流化床焚燒爐

爐排式焚燒爐是當前垃圾焚燒行業應用最多的焚燒爐，國內近些年新建的焚燒廠中，其比例能占到7成左右。爐排爐的種類大致分為鏈條傳動式、液壓驅動往復式、滾動式［4］，其中應用較多的是液壓驅動的往復式爐排爐（如圖4）。

圖4　爐排爐核心設備爐排

本文所研究的是主流的液壓驅動往復式爐排。往復式爐排根據不同的廠家各自擁有的不同技術，針對不同國家地區的生活垃圾物化性狀態，也有多種不同的型式。

（1）水平布置傾斜順推爐排

這種爐排一般以15°～25°之間傾斜布置爐排片，以液壓機構驅動，固定爐排與可動爐排沿垃圾推進方向交替布置。垃圾整體在爐排上呈水平布置，前進動力完全來自于順推爐排，所有垃圾在爐排上干燥、燃燒的時間十分均勻，燃燒完全、熱酌減率較低。傾斜爐排之間有1～2mm的間隙，燃燒過程中，垃圾殘渣能夠從間隙中落入爐下灰斗中收集。同時爐下灰斗又作為一次風的進風通道，一次風最終從爐排片下方噴入，起到風冷與助燃的作用，穩定性與可靠性較好。日本JFE、EQ公司等制造的中小型爐排（500噸及以下），多數這種形式（如圖5）。

圖5　EQ公司的水平布置傾斜順推爐排

（2）傾斜逆推式爐排

爐排整體為傾斜布置，爐排片逆向推動。垃圾在爐排上依靠重力滾動前進，爐排片逆推使垃圾充分攪拌。其優點是：垃圾攪拌均勻，相比水平布置爐排的整體長度要短，投資較少。缺點是垃圾可能會成塊滾落，燃燒效果相對略差。這種爐排的技術主要為三菱-馬丁公司所掌握（如圖6），由于投資較低、效果尚可而受到市場較大程度的認同，尤其在500噸及以上的大中型爐排爐中采用得也較多。但逆推爐的爐排片承載較大，容易損耗。一般驅動多采用上拉下推的方式，較水平順推復雜。

圖6　三菱-馬丁式傾斜逆推爐排

圖7　Waterleau、田熊、西格斯等水平順推爐排

（3）傾斜布置水平順推爐排

該型爐排的爐排片的推動方向為水平往復，爐排整體呈15°～20°傾斜布置（如圖7）。垃圾在爐排上的運動狀況類似于傾斜逆推爐排，但相比之下，攪拌效果不如逆推爐排，不過水平爐排片的載荷較小，爐排片的使用壽命要長于逆推爐。水平順推爐排燃燒過程中垃圾殘渣從爐排間隙下漏較少，因此殘渣混雜在垃圾中燃燒，一些廠家在爐排上設切割破碎裝置，以提高燃燒效率。

3　爐排爐垃圾焚燒發電廠工藝流程

采用爐排爐的垃圾焚燒廠的基本工藝流程如圖8。

該垃圾焚燒發電廠采用水平布置傾斜順推爐排爐技術，煙氣凈化系統采用半干法 + 活性炭、碳酸氫鈉噴射+干法的工藝（見圖9）。

垃圾轉運由所在市環衛部門負責，有專門的垃圾分揀與壓縮處理站，每日約有1800噸的原生垃圾運送到廠區，從卸料大廳卸入垃圾池中儲存，垃圾池的總容量足夠6日焚燒所需垃圾的堆放，垃圾池采用全密封結構，底部設池收集滲濾液統一凈化處理。

圖8　垃圾焚燒發電廠焚燒線工藝流程圖

圖9　半干法脫酸+碳酸氫鈉、活性炭噴射+干法布袋除塵煙氣凈化系統流程圖

用大型抓斗對垃圾進行堆垛攪拌，促使其熟化脫水發酵，以提高以廚余垃圾為主的我國城市垃圾的熟化度。給料時，抓斗抓取熟化垃圾，往焚燒線料斗內兩點均勻投料。投料時，垃圾料斗閘門閉合，垃圾落入后自然封閉其閘門間隙，起到了密封作用，防止干燥段的火苗上竄。

給料控制系統定時開合閘門將定量垃圾落入推料器中，由推料器推入焚燒爐排干燥段。點火燃燒器噴油或者天然助燃點火，垃圾在燃燒爐排上勻速推進并燃燒。一次助燃風吸口設置在垃圾池上部，將垃圾池中的沼氣、臭氣吸入，從爐排下灰斗處進風，經風管從爐排片下方爐排縫隙間噴入，助燃同時作為爐排片風冷。部分進風經由爐膛爐壁再匯入一次風，作為爐壁空冷，防止飛灰在爐壁上焦結。垃圾經由有段差的干燥爐排、燃燒爐排、燃盡爐排，最終減量80%左右，變成無害殘渣落入溜管進入出渣機水冷后，被干燥推出，落入渣坑，另行處理。

焚燒產生的煙氣在特殊設計的爐膛中上升，進入余熱鍋爐，在迂回結構的二次燃燒室中，繼續保持在850℃以上的溫度2s以上，以促使二英類在高溫下分解。然后煙氣經由過熱器、省煤器進入煙氣凈化系統。二次風從煙氣凈化系統出口處引回，經余熱，從爐膛中部噴入，使膛內煙氣產生湍流和渦流，減少CO的產生，遏制二英，使其處于低氧燃燒環境，抑制NOx的產生。

煙氣進入凈化系統之后，先經過水冷壁冷卻，然后從半干法脫酸反應塔頂部蝸型口進入，與霧化器噴出的霧狀Ca（OH）2霧滴進行反應，脫去煙氣中的HCl、SO2等酸性氣體，反應顆粒物部分沉降落入反應塔下部灰斗進入輸灰機。然后在煙氣進一步噴入弱堿性碳酸氫鈉中和，噴入活性炭顆粒吸附二英及重金屬等固體顆粒，之后煙氣進入布袋除塵器，經布袋過濾后，達到歐盟2000以及新國標《大氣污染物排放標準》。

4　水平布置傾斜順推爐排爐設計研究

水平布置傾斜順推爐排爐由以下幾部件組成：

（1）垃圾給料系統

每臺垃圾焚燒爐都配有垃圾料斗、溜管和推料器，料斗內的垃圾通過溜管落下，由推料器均勻地推至爐排上。推料器根據焚燒負荷和爐內燃燒狀況調節給料速度。

垃圾料斗的容積滿足焚燒爐在MCR工況（最大連續出力）下60min的垃圾消耗量。該工程MCR指垃圾的熱值LHV為設計平均值6699kJ/kg，垃圾處理量為20.83t/h（500t/d）時的工況。通過計算，獲得此工況爐排爐床層熱強度：

該項目垃圾低位熱值為4187kJ/kg，高位熱值8374kJ/kg。若以低位熱值，按照相同床層熱強度進行計算，可獲得最大所需要燃燒重量為：

按照垃圾高位堆密度值0.6t/m3計算，料斗最小容積為55m3，與詳細設計方案中給出4的最小容積152m3以上基本相符。按照0.2t/m3堆密度計算，需要156m3容積。

該項目的料斗長度為8.46m，側寬7.5m，閘門中心至料斗口高度5.5m，如果以閘門上部塔橋至料斗邊下方300mm水平，基本滿足了此容積的要求。18.07m2×8.46m = 152m3。料斗容積的二維概算見圖10。

圖10　料斗容積二維概算

料斗與溜管連接處設置料斗閘門，用于密封也兼做破拱裝置。每個垃圾料斗上安裝有工業電視（ITV）和超聲料位計，在垃圾吊車自動運行時，料位計按照上下限位置向吊車發送投料請求、投料停止指示信號。料斗溜管下設置水冷夾套以避免推料器與干燥爐排口輻射熱影響設備。冷卻水的回水溫度超過限值時，中央控制室會顯示報警信號。對于不同噸位的焚燒線，除了料斗容積相應通過計算設計變更，還可適當調整溜管高度，以適應土建及鋼結構的變化。

焚燒爐的給料機是可控制的給料裝置，采用液壓驅動。其操作由中央控制室的自動燃燒控制裝置追蹤爐排上的垃圾燃燒狀況來進行控制。推料器下面設滲濾液收集裝置，垃圾滲濾液通過管道自流至位于0m層的給料器滲濾液集水箱，再由滲濾液排出泵送至垃圾池的滲濾液收集池。給料機推料器返帶回的垃圾通過人工定期檢查清除。給料機側、底面內襯耐磨板及構件，機壁內澆注有耐熱隔熱層。

（2）爐排系統

爐排分為四個段：干燥段、燃燒I段、燃燒II段和燃盡段。爐床面積根據床層熱強度與垃圾低位熱值計算確定，一般順推爐排爐床層熱強度（或稱爐排面積熱負荷）為277～694kW/m2之間［7］。根據計算可知，在設計平均熱值時，其床層熱強度為393.1kW/m2。

順推爐排垃圾床層厚度為800～1000mm，順推爐垃圾水平前進速度約為油缸移動速度的0.6～0.8。以3～8mm/s的油缸移動速度估算，每小爐內推進25～38t（未干燥當量），垃圾停留時間40～105min，基本滿足了燃燒較為完全的要求。

爐床整體呈水平排列，爐排片上傾角度約20°。爐排片向上方動作，背面設有冷卻鰭片，一次燃燒空氣（一次風）在冷卻爐排片的同時從爐排片狹小縫隙間高速吹出。一次風由垃圾池抽取后從爐下灰斗進入，爐排片底部的中部爐排支座，支撐用的同時，設有噴口。

該項目的垃圾元素特性含量見表1、表2。根據表1、表2數值進行計算，在總體組分中，各質量分數如表3。

表1　可燃基中的元素質量比例

表2　熟化垃圾中的組分比例

表3　垃圾的元素組成質量分數

上式中，22.41為1mol標況下空氣的體積，21為空氣中氧含量百分比。

計算中的C、H等也約去百分計算。

Vo=0.0889C+0.2647H+0.0333S+0.030Cl-0.0333O= 0.0889×19.075+0.2647×2.73+0.0333×0.035+ 0.030×0.21- 0.0333×12.285 = 2.027 Nm3/kg

過量空氣系數m為1.6～2.0，500t/d單爐1h空氣量為：

Vo’= mVo×500×103/24 =（6.75-8.45）×104m3/h

二次風如從垃圾池空氣中抽取，一般為一二次風總量的0.34，采用再循環煙氣作為二次風，一般取值為0.2。

Vo”= 0.2×（6.75 - 8.45）×104m3/h =（1.35-1.69）× 104m3/h

（3）燃燒室（焚燒爐殼體）

燃燒室由爐墻構成。爐墻及外部殼體為抗震結構，爐墻及其支撐鋼結構安裝在鋼筋混凝土基礎上，并且采用與外部氣體完全隔斷的氣密結構。爐墻根據不同溫度區域采用相適應的耐磨爐墻、空冷耐火爐墻、耐火爐墻等結構，爐墻耐火磚采用分割支承。

爐拱傾斜角度根據燃燒狀態模擬及運行焚燒經驗進行設計，以充分將燃燒段產生的熱量輻射到干燥段。

爐拱材料容易澆鑄和修補、不易燒損，爐拱線型便于施工。在燃燒室爐墻上設置爐內壓力、燃盡段溫度等測量管座及燃燒器安裝座、預留垃圾滲濾液接口管座等。燃燒室在負壓下運行。燃燒室尾部設火焰監視器及看火口，使運行人員能夠在中央控制室隨時觀測爐膛內的燃燒狀況。二次燃燒室內的煙氣在不低于850℃的條件下滯留時間不小于2s。

5　結語

近年來，集中爆發的空氣污染問題尤為嚴重，全社會都深刻認識到環境治理的重要性。垃圾焚燒處理，是一項綜合集成了焚燒減量、可再生能源、脫硫脫硝凈化、除固體顆粒物、飛灰穩定化、污水處理、污泥處理等多項高端環保技術的朝陽產業，也是國家可持續發展的環衛利器?！笆濉庇媱澲?，對發展垃圾焚燒發電事業給予了高度支持。但仍有一些地方的民眾由于無知的恐懼，發生了抵制垃圾焚燒發電廠建設的群體事件。對此，垃圾焚燒發電行業應該提高自身技術管理、設備制造水平，在保證無害排放的前提下，深入群眾、加強宣傳，以服務社會的姿態，促成行業更大的發展。

［1］ 環保戰略升級，垃圾處理迎來黃金十年——垃圾處理行業深度研究報告［R］.世紀證券，2010.

［2］ 王國剛.美國生活垃圾的焚燒綜合處理［J］.中國環保產業，2002（3）：40-41.

［3］ 水濤.對日本垃圾焚燒發電的考察與思考—訪日記事［J］.土地和資源，2006 （5）：48-49.

［4］ 陳峰.機械爐排焚燒爐的技術及其應用［J］.科技信息，2010（9）：493-494.

［5］ 林仞.生活垃圾焚燒爐設備選型及機械設計［J］.福建農機，2013（1）：28-30.

［6］ 唐國勇，趙兵.垃圾焚燒爐爐排技術現狀與應用探討［J］.工業鍋爐，2011（4）：11-14.

［7］ 李靜，陳金強，張福錄.500t/d逆推式爐排爐工藝設計［J］.一重技術，2012 （1）：1-5.

［8］ 王志強，高攀峰，潘海東.順推階梯爐排垃圾焚燒控制探討［J］.綠色科技，2013 （12）：276-279.

Model Selection of Grate Furnace and Design Research in Power Plant of Refuse Incineration

LIN Wu1， KANG Feng2， ZHOU Zhi-yong2
（1.Jinxi Equipment Manufacture Co.， Ltd， Taiyuan 030027； 2.Jinxi Axle Co.， Ltd， Taiyuan 030027， China）

The paper introduces the development status of refuse incinerating industry abroad and at home and technology flow of power plant of refuse incineration. Based on the contrast and analysis of model selection on several incinerator structures and technology of refuse incinerating industry， the paper expatiates the designing main points of grate furnace with level disposal incline and three-sect model， and carries out the design researches from material supply system， grate furnace wind supply， hearth temperature and field distribution etc.

refuse incineration； grate furnace； model selection and design

X705

A

1006-5377（2016）08-0025-06