垃圾焚燒爐氧量調(diào)整試驗(yàn)

孔偉佳，李 博，趙 京，楊 琪，梁 華，龍雅坤

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049； 2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190；3.中電國際新能源海南有限公司，?？?571924)

垃圾焚燒爐氧量調(diào)整試驗(yàn)

孔偉佳1，李 博2，趙 京2，楊 琪3，梁 華3，龍雅坤3

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049； 2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190；3.中電國際新能源海南有限公司，?？?571924)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，各類生活垃圾的產(chǎn)生量也在快速增加。垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)具有無害化和資源化等特點(diǎn)，是我國城市生活垃圾處理的重要發(fā)展方向。焚燒爐內(nèi)氧量的調(diào)整直接影響垃圾的著火、燃燒及燃盡情況，以余熱鍋爐省煤器出口的實(shí)測(cè)氧量為依據(jù)，分別分析爐內(nèi)氧量的變化對(duì)余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)、垃圾燃盡情況和污染物排放等的影響，為垃圾焚燒電廠科學(xué)調(diào)節(jié)爐內(nèi)氧量，實(shí)現(xiàn)焚燒爐的高效、環(huán)保和安全運(yùn)行提供重要的技術(shù)支撐。

垃圾；氧量；焚燒；試驗(yàn)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，我國各類生活垃圾的產(chǎn)生量也在快速增加[1]。2015年，我國246個(gè)主要城市的生活垃圾產(chǎn)生量超過1.8億t，而且近年來基本以10%的速度在增長(zhǎng)[2]。垃圾問題已經(jīng)成為影響我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的障礙之一[3]。

我國城市生活垃圾處理大多采用垃圾填埋處理[4]，但填埋方式易對(duì)地下水和大氣造成二次污染。早在20世紀(jì)90年代，日本和歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛地以垃圾焚燒發(fā)電作為垃圾處理的重要方式之一[5]。我國《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》提出：到2020年底，具備條件的各主要城市要實(shí)現(xiàn)原生垃圾“零填埋”。垃圾焚燒發(fā)電具有無害化、資源化的技術(shù)特點(diǎn)，是我國城市生活垃圾處理的重要發(fā)展方向[6]。

機(jī)械爐排爐在我國生活垃圾焚燒實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用[7]，垃圾在爐排上的層燃過程，本質(zhì)上就是垃圾經(jīng)干燥后劇烈氧化的過程，焚燒爐內(nèi)氧的供應(yīng)量是垃圾燃燒狀況的決定性因素之一。城市生活垃圾不同于常規(guī)燃料，其具有組分波動(dòng)大、水分含量高、可燃物熱值低而且不穩(wěn)定等特點(diǎn)[8]，因而，垃圾焚燒的余熱鍋爐出力很難穩(wěn)定。垃圾燃燒過程還需要控制爐膛溫度防止飛灰結(jié)焦，實(shí)現(xiàn)焚燒爐的安全運(yùn)行[9]；同時(shí)還要保證額度的蒸汽參數(shù)，保證后續(xù)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性；此外，還必須考慮電廠的生態(tài)效益[10]，即煙氣的排放必須達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)焚燒爐爐內(nèi)氧量的合理調(diào)節(jié)提出了較高要求。

本文通過試驗(yàn)測(cè)定焚燒爐的主要參數(shù)隨爐內(nèi)氧量變化的情況，分析爐內(nèi)氧量對(duì)主蒸汽參數(shù)、垃圾燃盡以及污染物排放的影響，研究結(jié)果可以為垃圾焚燒電廠科學(xué)調(diào)節(jié)爐內(nèi)氧量，保證焚燒爐的高效和安全運(yùn)行提供的技術(shù)支持。

1 垃圾焚燒系統(tǒng)

某垃圾焚燒電廠一期工程安裝兩臺(tái)日處理垃圾600 t的垃圾焚燒爐(以下簡(jiǎn)稱“垃圾爐”)，兩臺(tái)54.5 t/h余熱鍋爐，配套2臺(tái)12 MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。年處理垃圾量約40萬t，年發(fā)電量約1.58億kWh，其垃圾焚燒系統(tǒng)如圖1所示。

來自市區(qū)的生活垃圾運(yùn)至廠內(nèi)，稱重計(jì)量后卸入垃圾池內(nèi)貯存、發(fā)酵一段時(shí)間。垃圾抓斗起重機(jī)將發(fā)酵充分的垃圾由進(jìn)料口送入焚燒爐。垃圾焚燒爐采用L型往復(fù)式機(jī)械爐排，垃圾在爐排上依次經(jīng)過3個(gè)區(qū)段：干燥段、燃燒段和燃盡段，垃圾焚燒流程如圖1中的實(shí)心箭頭所示。爐排下方設(shè)置掉渣口，用于收集垃圾翻滾燃燒過程中掉落的爐渣，未掉落的燃盡爐渣由排渣口排出。

1.進(jìn)料口；2.干燥段；3.燃燒段；4.燃盡段；5.掉渣口；6.排渣口；7.輻射通道；8.前置蒸發(fā)器；9.過熱器(三級(jí))；10.蒸發(fā)器(兩級(jí))；11.省煤器(三級(jí))圖1 垃圾焚燒系統(tǒng)圖

余熱鍋爐為中溫中壓?jiǎn)纹匀谎h(huán)臥式水管鍋爐，位于焚燒爐的上部。焚燒爐產(chǎn)生850～1 200 ℃的高溫?zé)煔猓淞鞒倘鐖D1中的空心箭頭所示：高溫?zé)煔馐紫缺环贌隣t上部的輻射通道吸收部分熱量，然后依次通過前置蒸發(fā)器、三級(jí)過熱器、兩級(jí)蒸發(fā)器以及三級(jí)省煤器，通過輻射、對(duì)流換熱后排至煙氣凈化系統(tǒng)，煙氣出口溫度約為190～210 ℃。

2 試驗(yàn)方法

2.1 焚燒系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

爐內(nèi)氧量與焚燒爐內(nèi)垃圾的著火、燃燒及燃盡情況密切相關(guān)，進(jìn)而影響余熱鍋爐的出力以及污染物的排放等運(yùn)行參數(shù)。垃圾爐采用DCS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制焚燒系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，其主要功能為：過程監(jiān)視、生產(chǎn)操作、參數(shù)控制、事件報(bào)警、運(yùn)行聯(lián)鎖以及安全保護(hù)等。

爐膛溫度在一定程度上反映垃圾在爐內(nèi)的燃燒情況，較高的爐膛溫度有利于提高余熱鍋爐出力，但煙溫超過1 050 ℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致飛灰結(jié)焦。因此，爐膛溫度的控制，對(duì)焚燒爐的安全運(yùn)行具有重要的意義。為獲取爐膛溫度的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)采用手持式IMPAC數(shù)字測(cè)溫儀，通過垃圾爐現(xiàn)場(chǎng)的觀火口進(jìn)行非接觸式測(cè)量，爐膛溫度的測(cè)量過程如圖2所示。

1.垃圾爐觀火口；2.數(shù)字測(cè)溫儀圖2 爐膛溫度測(cè)量示意圖

2.2 垃圾焚燒爐灰渣含碳量

飛灰和爐渣的含碳量反映垃圾在爐內(nèi)的燃盡程度。在尾部煙道采用等速取樣槍，根據(jù)網(wǎng)格法(如圖3所示)對(duì)每組試驗(yàn)工況進(jìn)行飛灰取樣，在圖3中，對(duì)尾部煙道的矩形截面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置。用經(jīng)緯線將尾部煙道的矩形截面分割成接近于正方形的矩形，各小矩形對(duì)角線的交點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)位置，本次試驗(yàn)在尾部煙道截面共布置12個(gè)飛灰取樣測(cè)點(diǎn)；與此同時(shí)，對(duì)焚燒爐爐渣進(jìn)行撈渣取樣。飛灰和爐渣的樣本在現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)分析部門進(jìn)行可燃物含量分析，進(jìn)而探討氧量調(diào)整對(duì)垃圾燃盡程度的影響。

圖3 尾部截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖(前移)

2.3 省煤器出口氧量及污染物質(zhì)量濃度測(cè)量

爐膛內(nèi)氧氣的質(zhì)量濃度與NOx，CO等污染物的生成有著密切聯(lián)系。試驗(yàn)按照網(wǎng)格法進(jìn)行煙氣取樣，本次試驗(yàn)在尾部煙道截面共布置12個(gè)煙氣測(cè)點(diǎn)。采用德國MRU MGA5型煙氣分析儀測(cè)量尾部煙氣中的污染物質(zhì)量濃度，測(cè)量裝置如圖4所示。

1.尾部煙道截面；2.不銹鋼管；3.混合器；4.煙氣分析儀圖4 污染物質(zhì)量濃度測(cè)量示意圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 焚燒系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)分析

在省煤器出口氧量調(diào)整試驗(yàn)中，垃圾處理量維持在600 t/d左右，控制一次風(fēng)量為40 Nm3/h，在5～30 Nm3/h的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)二次風(fēng)量，進(jìn)而改變爐內(nèi)的燃燒氧量，通過鍋爐省煤器出口實(shí)測(cè)氧量反映爐內(nèi)垃圾燃燒的當(dāng)量比。進(jìn)行了多組省煤器出口氧量調(diào)整試驗(yàn)，選取了其中有代表性的5個(gè)工況，即鍋爐省煤器出口實(shí)測(cè)氧量分別穩(wěn)定在3.7%、4.1%、5.1%、5.9%和9.3%左右進(jìn)行試驗(yàn)。

爐內(nèi)氧量對(duì)焚燒爐內(nèi)垃圾的燃燒有著重要的影響，圖5和圖6分別為爐膛溫度隨省煤器出口氧量變化的曲線和主蒸汽流量隨省煤器出口氧量變化的曲線。從圖5和圖6可見，二者的曲線呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。

當(dāng)省煤器出口氧量從3.7%增加到5.1%時(shí)，爐膛溫度由1 034 ℃逐漸上升至1 047 ℃，主蒸汽流量也相應(yīng)地由58.35 t/h增加至59.13 t/h，說明適度增加氧量可以促進(jìn)垃圾的充分燃燒，進(jìn)而提升余熱鍋爐出力。而隨著省煤器出口氧量繼續(xù)增加至5.9%時(shí)，爐膛溫度和主蒸汽流量同時(shí)開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)：爐膛溫度降至1 022 ℃，主蒸汽流量降至56.87 t/h。當(dāng)省煤器出口氧量進(jìn)一步增加至9.3%時(shí)，爐膛溫度和主蒸汽流量分別大幅度下跌至983 ℃和52.83 t/h，說明過高的氧量會(huì)降低爐內(nèi)燃燒溫度，無法保證焚燒爐的高負(fù)荷運(yùn)行，氧量存在最佳值。在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)省煤器出口氧量為5.1%時(shí)，爐膛溫度和主蒸汽流量同時(shí)取得最大值，為最佳氧量。

圖5 省煤器出口氧量對(duì)爐膛溫度的影響

圖7為省煤器出口氧量對(duì)主蒸汽溫度的影響曲線，圖8為省煤器出口氧量對(duì)主蒸汽壓力的影響曲線。如圖7和圖8所示，省煤器出口氧量在3.7%～5.9%的范圍內(nèi)變化時(shí)，主蒸汽壓力在3.4 MPa附近波動(dòng)，而主蒸汽溫度則在410 ℃附近小幅度波動(dòng)。當(dāng)省煤器出口氧量達(dá)到9.3%時(shí)，主蒸汽壓力、溫度和流量同時(shí)出現(xiàn)了顯著降低的趨勢(shì)，主蒸汽壓力和溫度隨焚燒爐蒸發(fā)量的變化并未表現(xiàn)出明顯的線性規(guī)律，印證了省煤器出口氧量為9.3%的大氧量不適合垃圾爐的運(yùn)行。因此，綜合上述垃圾爐的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)隨氧量變化的情況，省煤器出口氧量的推薦值為5.1%。

圖7 省煤器出口氧量對(duì)主蒸汽溫度的影響

圖8 省煤器出口氧量對(duì)主蒸汽壓力的影響

3.2 垃圾爐灰渣含碳量分析

飛灰和爐渣的含碳量反映垃圾的燃盡程度。圖9顯示了飛灰和爐渣的含碳量隨省煤器出口氧量的變化情況。如圖9所示，省煤器出口氧量在5.1%～5.9%的范圍內(nèi)時(shí)，飛灰和爐渣的含碳量均較低。其中在省煤器出口氧量為5.9%時(shí)，飛灰和爐渣的含碳量分別為1.53%和2.27%，在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)取得最小值。而省煤器出口氧量低于5.1%或者高于5.9%時(shí)，灰、渣含碳量均呈現(xiàn)了不同程度的增加趨勢(shì)，在省煤器出口氧量達(dá)到9.3%時(shí)，飛灰和爐渣的含碳量分別達(dá)到4.25%和2.74%。其原因是較低的氧量使得垃圾燃燒時(shí)缺氧，進(jìn)而影響垃圾的著火、燃燒以至燃盡；而過高的氧量，則會(huì)降低焚燒爐內(nèi)的煙氣溫度，不利于垃圾著火和充分燃盡。

圖9 省煤器出口氧量對(duì)灰渣含碳量的影響

3.3 污染物質(zhì)量濃度分析

污染物是伴隨著垃圾焚燒的過程，通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)而生成的。對(duì)于NOx，CO這兩種污染物，氧氣不僅是其生成反應(yīng)的組分，通過氧量的質(zhì)量濃度影響其反應(yīng)速率，同時(shí)還間接影響著爐內(nèi)燃燒溫度，進(jìn)而影響著反應(yīng)進(jìn)程。圖10顯示了省煤器出口氧量調(diào)整試驗(yàn)中NOx質(zhì)量濃度和CO質(zhì)量濃度隨省煤器出口氧量的變化情況。根據(jù)NOx的生成機(jī)理，垃圾燃燒過程產(chǎn)生的NOx主要有兩個(gè)來源，分別是燃料型和熱力型。熱力型NOx是空氣中的N2在高溫下氧化生成的，本文試驗(yàn)范圍的爐膛溫度在980～1 050 ℃之間，熱力型NOx所占比例較少，起主導(dǎo)作用的是燃料型NOx。燃料型NOx是垃圾中含有氮的氧化物在燃燒過程中氧化生成，爐內(nèi)氧氣質(zhì)量濃度的增加和爐內(nèi)燃燒溫度的升高均會(huì)促進(jìn)燃料型NOx的生成。

隨著省煤器出口氧量值由3.7%增加至5.1%，爐內(nèi)氧氣質(zhì)量濃度增加，圖5中所示的爐膛溫度也由1 034 ℃上升至1 048 ℃，二者的疊加作用促使NOx質(zhì)量濃度從3.7%氧量時(shí)的143.5 mg/Nm3顯著增加至5.1%氧量時(shí)的183.2 mg/Nm3。在省煤器出口氧量從5.1%上升為5.9%的過程中，雖然爐內(nèi)氧氣質(zhì)量濃度仍然在增加，爐膛溫度卻由1 048 ℃下降至1 022 ℃，氧氣質(zhì)量濃度與爐膛溫度的變化對(duì)NOx的生成有著相反的作用。NOx的質(zhì)量濃度繼續(xù)升高至187.6 mg/Nm3，說明在此過程中氧氣質(zhì)量濃度的增加對(duì)于NOx的生成起著主導(dǎo)的作用。在省煤器出口氧量值由5.9%增加至9.3%的過程中，氧氣質(zhì)量濃度大幅度升高，爐膛溫度卻降低至983 ℃，NOx的質(zhì)量濃度則出現(xiàn)了明顯的下降，說明在此過程中溫度的降低對(duì)于NOx的生成起著主導(dǎo)的作用。

CO的質(zhì)量濃度也與省煤器出口氧量相關(guān)，當(dāng)省煤器出口氧量由3.7%增加至5.9%時(shí)，CO質(zhì)量濃度由43.7 mg/Nm3顯著降低至22.7 mg/Nm3，而當(dāng)省煤器出口氧量由5.9%增加至9.3%時(shí)，CO質(zhì)量濃度變化不明顯。這個(gè)現(xiàn)象反映當(dāng)氧氣質(zhì)量濃度較低時(shí)，CO質(zhì)量濃度對(duì)于省煤器出口氧量的改變十分敏感，隨著氧量的增加，爐內(nèi)燃盡效果不好，CO質(zhì)量濃度不斷降低；而當(dāng)省煤器出口氧量比較充足時(shí)，繼續(xù)增加省煤器出口氧量對(duì)CO質(zhì)量濃度的變化影響有限。同時(shí)，也進(jìn)一步說明在省煤器出口氧量為5.9%時(shí)，垃圾已經(jīng)基本燃盡，這與前述飛灰和爐渣含碳量數(shù)據(jù)反映的信息一致。此外，省煤器出口氧量由5.9%增加至9.3%的過程對(duì)應(yīng)著爐膛溫度的顯著降低，而CO的質(zhì)量濃度并未因此而增加，說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，爐膛溫度對(duì)CO的質(zhì)量濃度影響較小。

圖10 省煤器出口氧量對(duì)NOx和CO質(zhì)量濃度的影響

4 結(jié)語

本文進(jìn)行了調(diào)整省煤器出口氧量的多組試驗(yàn)，選取了其中有代表性的5個(gè)工況，鍋爐省煤器出口實(shí)測(cè)氧量分別為3.7%、4.1%、5.1%、5.9%和9.3%左右，通過分析爐膛溫度、主蒸汽流量、主蒸汽溫度和壓力、飛灰和灰渣含碳量以及NOx的排放等，得到以下結(jié)論：

1)省煤器出口氧量對(duì)焚燒爐爐膛溫度和主蒸汽流量有著重要的影響，而對(duì)主蒸汽壓力和溫度的影響相對(duì)較小。適當(dāng)增加爐膛氧量有利于提高鍋爐出力，而氧量過大反而不利于垃圾焚燒。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)省煤器出口氧量為5.1%時(shí)，爐內(nèi)燃燒溫度和主蒸汽流量同時(shí)取得最大值。

2)省煤器出口氧量在5.1%～5.9%的范圍內(nèi)時(shí)，飛灰和爐渣的含碳量較低，說明在該省煤器出口氧量范圍垃圾的燃盡程度較高。氧量過高會(huì)降低爐膛溫度進(jìn)而影響垃圾的著火和燃燒情況，不利于垃圾的燃盡。

3)省煤器出口氧量的大小對(duì)NO的生成均具有重要的影響。氧量由3.7%增加至5.1%的過程，由于爐內(nèi)氧氣質(zhì)量濃度的升高和爐內(nèi)燃燒溫度的提升的共同作用，NO的質(zhì)量濃度明顯升高。氧量從5.1%上升為5.9%的過程，氧氣質(zhì)量濃度的增加對(duì)于NOx的生成起著主導(dǎo)的作用。而省煤器出口氧量值由5.9%達(dá)到9.3%時(shí)，爐膛溫度的降低對(duì)于NOx的生成影響較大。

4)CO質(zhì)量濃度在省煤器出口氧量由3.7%增加至5.9%的過程中出現(xiàn)顯著下降，反映在低氧量時(shí)CO質(zhì)量濃度對(duì)于氧量的改變十分敏感。當(dāng)氧量比較充足時(shí)，繼續(xù)增加氧量對(duì)CO質(zhì)量濃度的變化影響有限，說明在省煤器出口氧量5.9%時(shí)，垃圾已經(jīng)基本燃盡。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，爐膛溫度對(duì)CO的質(zhì)量濃度影響較小。

5)在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，省煤器出口氧量的推薦值為5.1%左右。

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The Oxygen Adjustment Test of a Waste Incinerator

KONG Wei-jia，et al.

(SchoolofEnergyandPowerEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China)

With the steady progress of urbanization，the amount of all kinds of household wastes in China is increasing rapidly.The technology of waste incineration and power generation has the characteristics of harmlessness and resourcefulness，and has become an important development direction of municipal solid waste disposal in China.The adjustment of the oxygen content in the incinerator directly influences the ignition，combustion and burnout of wastes.This paper is based on measured oxygen content at the outlet of the economizer of the waste heat boiler，and analyzes the influence of the change of oxygen content to the main steam parameters of the waste heat boiler，the burnout situation and the pollutant concentration respectively，which can provide important technical support for the scientific control of the oxygen content in the incinerator and the safe efficient environmental operation of the incinerator.

waste；oxygen；incineration；test

2017-05-22

國家重大專項(xiàng)計(jì)劃(2016YFB0601403)

孔偉佳(1993-)，男(漢)，石家莊，碩士 主要研究能量轉(zhuǎn)換與流動(dòng)換熱。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.018

TK224

A

1009-8984(2017)02-0072-05