鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐的實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

歐文劍 沈賢鋒 楊鶴松 楊 召

（湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口越來(lái)越集中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾也變成了一個(gè)十分特殊的問(wèn)題。它既不像農(nóng)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(jīng)成為國(guó)內(nèi)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題、社會(huì)問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

縱觀國(guó)內(nèi)生活垃圾處理技術(shù)的理論研究和工程實(shí)踐，成熟且常用的生活垃圾處理技術(shù)主要有填埋、堆肥、焚燒三種 (見(jiàn)表1)?；厥绽眉夹g(shù)目前僅在少數(shù)幾個(gè)城市進(jìn)行試點(diǎn)工作。我國(guó)垃圾處理的常用方法是填埋，填埋方法中很大一部分為簡(jiǎn)易填埋，除了造成土地資源浪費(fèi)外也造成了城市地下水和周邊土壤的二次污染，已越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)城鎮(zhèn)發(fā)展的需要。

焚燒法處理垃圾的優(yōu)點(diǎn)是可大幅減少垃圾體積和重量，處理速度快，儲(chǔ)存期短；同時(shí)還可回收部分熱，通過(guò)合理組織燃燒和煙氣處理實(shí)現(xiàn)清潔處置，為國(guó)家的節(jié)能減排事業(yè)貢獻(xiàn)力量。因此，研制成本低、效率高、適用性強(qiáng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐具有很強(qiáng)的環(huán)保意義和經(jīng)濟(jì)意義。

通過(guò)調(diào)查研究可知，目前國(guó)內(nèi)小型垃圾焚燒爐主要存在燃燒效率不高、爐內(nèi)穩(wěn)定性差和煙氣處理不達(dá)標(biāo)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(nèi)溫度分布、垃圾燃燒時(shí)間等。本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，測(cè)得爐體內(nèi)溫度場(chǎng)的分布，并以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)設(shè)計(jì)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(zhì) （如二噁英、酸性氣體、粉塵等）的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐設(shè)備，同時(shí)也為其他焚燒爐的改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

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(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程。其燃燒過(guò)程可簡(jiǎn)述為：當(dāng)焚燒爐底部燃料引火點(diǎn)燃、鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)后，反應(yīng)室內(nèi)分為三個(gè)反應(yīng)區(qū)域，即氧化區(qū)、還原區(qū)、干燥區(qū)。

氧化區(qū)空氣比較充足，燃燒比較完全，溫度可達(dá)1000℃左右，主要反應(yīng)式為：

還原區(qū)主要是炭的不完全燃燒，溫度約700～900℃，主要反應(yīng)式為：

干燥區(qū)的溫度約600℃，主要是使垃圾中含的水分蒸發(fā)，干燥垃圾，以便燃燒。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

生活垃圾焚燒爐垃圾燃燒效率的影響因素是爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布和鼓風(fēng)機(jī)鼓入的空氣量，在現(xiàn)有的理論和參考文獻(xiàn)中，還沒(méi)能完全地總結(jié)出垃圾焚燒爐的溫度分布規(guī)律。為了測(cè)得垃圾焚燒爐的燃燒效率和日均處理垃圾的量，設(shè)計(jì)了一套生活垃圾焚燒爐實(shí)驗(yàn)裝置。焚燒爐主要由三個(gè)部分組成：點(diǎn)火及出渣部分，錐部，二燃室。燃燒爐錐部圓臺(tái)尺寸為515 mm×308 mm×570 mm （上圓直徑×下圓直徑×高），包括了氧化區(qū)和部分還原區(qū)。為了測(cè)爐內(nèi)各層溫度，從進(jìn)風(fēng)口到錐部上圓的爐壁上均布6層測(cè)溫孔，每層均布三個(gè)測(cè)溫孔，以便測(cè)得該層的平均溫度。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由爐體部分和測(cè)溫部分組成。采用三根熱電偶測(cè)同一層或同一列三個(gè)位置點(diǎn)的溫度。第3～6層屬于氧化還原反應(yīng)區(qū)，第1～2層屬于二燃室區(qū)域。

圖1 焚燒爐實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)采用生活垃圾為燃料，實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下：

（1）將生活垃圾處理成適當(dāng)體積，測(cè)量垃圾質(zhì)量，取出料筒，裝上垃圾。注意應(yīng)該去除垃圾中金屬等不可燃成分。

（2）點(diǎn)火。打開(kāi)爐體下部的爐門，裝用一定的樹(shù)枝和樹(shù)葉并點(diǎn)燃，打開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)好風(fēng)量，記錄燃燒開(kāi)始的時(shí)間。待燃燒穩(wěn)定后，將鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)到最大，保證足夠的氧氣使垃圾完全燃燒。

（3）等火焰穩(wěn)定后，用容器裝一定量的水置于直燃爐上加熱，計(jì)量水的質(zhì)量以及水溫，并記錄下每次測(cè)水溫的時(shí)間。

（4）爐內(nèi)逐層溫度測(cè)量。將三根熱電偶同時(shí)插入爐體同一層的三個(gè)孔內(nèi)或者同一豎直位置的三個(gè)孔內(nèi)，其他位置的孔用螺栓擰入堵住。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，測(cè)量三個(gè)點(diǎn)的溫度。調(diào)節(jié)熱電偶插入的位置和深度，可以測(cè)出該垃圾焚燒爐內(nèi)的溫度分布。

（5）記錄爐內(nèi)垃圾燃盡的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)掉風(fēng)機(jī)，倒掉燃盡的灰渣，并用水澆滅灰渣中的火星。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 數(shù)據(jù)整理及分析

垃圾焚燒爐燃燒性能指標(biāo)的測(cè)試 （實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)于室外進(jìn)行，室外溫度為29.5℃。

表2 實(shí)驗(yàn)裝置燃燒性能測(cè)試 （垃圾處理量：8.0 kg）

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

表3 爐內(nèi)各層溫度分布

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

爐體內(nèi)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(diǎn)越靠近進(jìn)風(fēng)口，溫度越高，干燥區(qū)的溫度明顯下降。實(shí)驗(yàn)表明，爐體內(nèi)的溫度場(chǎng)溫度分布不均勻，靠近一次進(jìn)風(fēng)口和二次進(jìn)風(fēng)口的溫度較高，這與風(fēng)口的布置和進(jìn)風(fēng)方式有密切關(guān)系。風(fēng)機(jī)向一次、二次進(jìn)風(fēng)口分配風(fēng)量，爐內(nèi)垃圾獲得的風(fēng)量不相等，靠近進(jìn)風(fēng)口的爐層獲得的風(fēng)量大，燃燒充分，自然溫度就高。

圖2 爐體內(nèi)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(shí)驗(yàn)結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，垃圾焚燒爐的垃圾處理量為1800 kg/d，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐的性能為處理量20 t/d，所以要擴(kuò)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(qū)比靠近進(jìn)風(fēng)口的區(qū)域相差較大，靠近進(jìn)風(fēng)口的位置點(diǎn)溫度較高，說(shuō)明風(fēng)量沒(méi)有完全滲透到爐內(nèi)各個(gè)層面，導(dǎo)致有些爐層燃燒得不充分，這表明垃圾焚燒爐結(jié)構(gòu) （一次進(jìn)風(fēng)口、二次進(jìn)風(fēng)口、二燃室的設(shè)計(jì)等）需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，以提高燃燒效率。

3.3 垃圾焚燒爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能參數(shù)計(jì)算

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以明顯看到爐內(nèi)溫度不均導(dǎo)致部分垃圾得不到充分燃燒，影響垃圾焚燒爐的性能指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為此，改進(jìn)了一次風(fēng)口和二次風(fēng)口的位置，三個(gè)一次進(jìn)風(fēng)口平均布置在爐底部分的周圍，可保證爐內(nèi)通風(fēng)均勻。三個(gè)二次進(jìn)風(fēng)口均布在二燃室周圍，保證二燃室各個(gè)方向氧氣充足，保證同一爐層溫度達(dá)到850℃且分布均勻。采用螺旋式通風(fēng)，讓風(fēng)機(jī)鼓入的空氣沿著爐壁螺旋進(jìn)入爐內(nèi)，既能讓空氣得到預(yù)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(shí)間，使二噁英高溫分解，降低污染物質(zhì)的排放量。

3.3.1 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾的日處理量：20 t/d。

實(shí)驗(yàn)裝置的爐膛容積V1：

實(shí)驗(yàn)焚燒爐垃圾日處理量W1：

水吸收熱量Q：

鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(chǎng)分布、投料以及爐型美觀等，設(shè)計(jì)爐膛的參數(shù)為：進(jìn)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(tái)半徑0.7 m。整個(gè)爐膛的實(shí)際容積為11.8 m3。此外，在爐體上部周圍爐壁間加一個(gè)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(jìn)一步提高熱效率。優(yōu)化后的垃圾焚燒爐外形見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化后的垃圾焚燒爐

3.3.2 整套設(shè)備設(shè)計(jì)方案

由垃圾粗分篩、儲(chǔ)料倉(cāng)、固定爐排垃圾焚燒爐、省煤器、空氣預(yù)熱器、石灰漿溶解制備系統(tǒng)、噴霧干燥器、活性炭吸附罐、布袋除塵器等組成。整個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾綠色焚燒技術(shù)的設(shè)計(jì)方案詳見(jiàn)圖4。

圖4 鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒設(shè)備工藝圖

3.3.3 性能分析

通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，焚燒爐的性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐主要性能指標(biāo)

本項(xiàng)目中的煙氣處理系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)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(fēng)機(jī)和煙囪。主要工藝是實(shí)現(xiàn)石灰漿液制備、石灰漿液計(jì)量輸送、活性炭計(jì)量輸送、管道清洗、布袋除塵等功能。

當(dāng)煙氣從垃圾焚燒爐內(nèi)排出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二噁英、酸性氣體和細(xì)微粉塵，二次鼓風(fēng)使得二噁英在二燃室內(nèi)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(nèi)，噴入活性炭粉末，可對(duì)殘留的二噁英進(jìn)行吸附。石灰乳裝置用來(lái)去除煙氣中的酸性物質(zhì)，活性炭更進(jìn)一步地除酸。最后煙氣通過(guò)布袋除塵器除去細(xì)微塵粒，然后再排向大氣。整個(gè)煙氣處理系統(tǒng)彰顯出綠色的含義，以實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒無(wú)害化和低排放，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

3.3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

垃圾日處理量20 t/d，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得每10 t垃圾可代替1 t標(biāo)準(zhǔn)煤，按煤價(jià)300元/噸換算，一日的垃圾處理量可換算成2 t標(biāo)準(zhǔn)煤，或600元。處理1 t垃圾政府給予80元 （60元～140元）補(bǔ)貼，這樣平均每天的收入超過(guò)2000元。整套鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐建造費(fèi)預(yù)計(jì)10萬(wàn)元左右，投入不大而產(chǎn)出高，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，非常適合中國(guó)廣大中小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾的處理，十分具有發(fā)展和普及的前景。鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐技術(shù)也會(huì)越來(lái)越成熟，并具有很大的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒設(shè)備，為中國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾處理提供了一種新途徑。該設(shè)備結(jié)構(gòu)小，價(jià)格便宜，產(chǎn)出投入比高，可實(shí)現(xiàn)工廠化大批量生產(chǎn)，適用于中國(guó)廣大農(nóng)村地方鄉(xiāng)鎮(zhèn)和中小城市，應(yīng)用價(jià)值大，發(fā)展前景相當(dāng)可觀。此外，其煙氣處理系統(tǒng)完備，煙氣排放達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。

在全國(guó)大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)和中小城市中，生活垃圾處理方式大部分為填埋，浪費(fèi)國(guó)家土地資源且污染環(huán)境，垃圾焚燒并利用垃圾燃燒的熱值是一項(xiàng)利民工程，且一勞永逸，這使得鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐設(shè)備的前景非常好，普及鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾焚燒爐也一定指日可待。

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