垃圾焚燒爐儲(chǔ)熱式煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

嚴(yán)江萍

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市生活垃圾產(chǎn)生量迅速膨脹。而在實(shí)際應(yīng)用中，垃圾焚燒爐對(duì)大瞬變工況焚燒響應(yīng)存在不足，針對(duì)這一問題，可在焚燒爐內(nèi)增加相變儲(chǔ)熱模塊的方法，來調(diào)整焚燒爐的溫度變化。基于此，本文探討了垃圾焚燒爐儲(chǔ)熱式煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)性能。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒爐；煙道；相變儲(chǔ)熱

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，生活垃圾產(chǎn)生量迅速膨脹。而垃圾焚燒爐在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)大瞬變工況焚燒響應(yīng)存在不足，可在焚燒爐內(nèi)增加相變儲(chǔ)熱模塊的方法，來調(diào)整焚燒爐的溫度變化。當(dāng)焚燒量過大，爐溫上升時(shí)，通過相變儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)存熱量，延緩升溫速度；同樣當(dāng)焚燒量較低時(shí)，爐溫下降，儲(chǔ)熱裝置釋熱，加熱焚燒煙氣。

1 焚燒爐儲(chǔ)熱壁結(jié)構(gòu)研究

針對(duì)焚燒爐煙道具體結(jié)構(gòu)，研究了鋸齒板和管殼式兩種儲(chǔ)熱換熱結(jié)構(gòu)在焚燒爐煙道上的應(yīng)用可行性。

1.1 鋸齒板儲(chǔ)熱換熱結(jié)構(gòu)在焚燒爐煙道上的應(yīng)用可行性

1.1.1實(shí)驗(yàn)分析

儲(chǔ)熱時(shí)，空氣在電加熱爐中加熱，經(jīng)高溫風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，熱氣體在封閉的回路中循環(huán)，對(duì)鋸齒板相變儲(chǔ)熱換熱器進(jìn)行充熱；釋熱時(shí)，關(guān)閉高溫風(fēng)機(jī)和相應(yīng)的儲(chǔ)熱循環(huán)閥門，打開相應(yīng)釋熱循環(huán)的閥門和低溫風(fēng)機(jī)，使環(huán)境空氣進(jìn)入儲(chǔ)熱循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)鋸齒板換熱器進(jìn)行釋熱。

實(shí)驗(yàn)中所使用的熱電偶為K型熱電偶，測(cè)量范圍273.15～1273.15 K（誤差范圍±2%）。在實(shí)驗(yàn)過程中，換熱器進(jìn)口溫度為590 oC，進(jìn)口速度～3.1 m/s，板封裝體為不銹鋼材質(zhì)。

換熱流體為空氣，相變材料為質(zhì)量比例為4：6的NaCl-MgCl2的混合物。

1.1.2結(jié)果分析

在相變材料熔化階段，實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果趨勢(shì)相符較好，相變材料工作時(shí)所特有的“臺(tái)階式”溫度分布顯現(xiàn)明顯，驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性，兩者之間數(shù)值差異的主要原因如下：（1）平板內(nèi)相變材料為粉體，導(dǎo)致相變材料的真實(shí)熱物性值小于模擬設(shè)置值，使更多的熱流從上游傳遞到下游；（2）板內(nèi)熱電偶的布置無法做到準(zhǔn)確定位，因此在開始階段的實(shí)驗(yàn)值要高于模擬值。在相變材料凝固階段，熱電偶測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值與模擬值也吻合的較好，可見所選取的計(jì)算模型在凝固階段使用也是合理的。數(shù)值差異的來源與融化階段類似。

1.2 管殼式儲(chǔ)熱換熱結(jié)構(gòu)在焚燒爐煙道上的應(yīng)用可行性

1.2.1實(shí)驗(yàn)分析

儲(chǔ)熱時(shí)，空氣在電加熱爐中加熱，經(jīng)高溫風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，加熱后的氣體在封閉的回路中循環(huán)，從而對(duì)管殼式相變儲(chǔ)熱換熱單元進(jìn)行充熱。待相變材料熔化后（從插入相變材料的熱電偶溫度判斷）進(jìn)行釋熱實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行釋熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉高溫風(fēng)機(jī)和相應(yīng)的儲(chǔ)熱閥門，打開相應(yīng)的釋熱閥門，使環(huán)境空氣進(jìn)入儲(chǔ)熱循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)管殼式相變儲(chǔ)熱換熱單元進(jìn)行釋熱。

換熱裝置中有兩根裝有PCM的儲(chǔ)熱換熱管，其中相變材料的相變溫度Tm為758.15～760.15 K，相變潛熱L為178 kJ/kg。

1.2.2結(jié)果分析

與鋸齒板結(jié)構(gòu)的結(jié)果類似，在相變材料熔化和凝固階段，實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果趨勢(shì)均相符較好，清晰可見相變材料的“臺(tái)階式”溫度分布，再次驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)之間的結(jié)果差異可能主要源于物性參數(shù)的選擇和熱電偶位置的誤差。

2 相變式儲(chǔ)熱垃圾焚燒爐模擬

下面將討論儲(chǔ)熱材料對(duì)于煙道溫度變化的調(diào)控能力。煙道溫度變化受到焚燒爐處理量、垃圾熱值和配風(fēng)等參數(shù)的影響。本文將通過調(diào)整焚燒爐垃圾熱值的方式來調(diào)整模擬煙道中的溫度變化。此外，垃圾焚燒爐通常的調(diào)整范圍通常為70%-110%。但實(shí)際運(yùn)行中仍然會(huì)有極端工況發(fā)生，煙氣溫度隨工況變化敏感、迅速，如不能及時(shí)調(diào)整，會(huì)造成污染物超標(biāo)排放和煙道燒蝕等不良現(xiàn)象的發(fā)生。本部分將研究?jī)?chǔ)熱煙道技術(shù)應(yīng)對(duì)極端工況的能力，因此將工況調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大至50%-140%。

2.1 儲(chǔ)熱材料未工作工況

焚燒爐一次煙道內(nèi)煙氣溫度隨垃圾熱值變化而改變，當(dāng)入爐垃圾總熱值下降為為正常焚燒情況的50%和70%時(shí)，爐內(nèi)溫度隨著時(shí)間逐漸降低，大約經(jīng)過20分鐘，降至850℃以下，經(jīng)過1小時(shí)后降至最低約600℃。而總熱值升高后，如升高至正常熱值的140%后，爐溫經(jīng)過1h約升至1500K。

通過對(duì)不同工況條件下的焚燒爐溫度分布進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在50%工況下，焚燒爐內(nèi)高溫區(qū)主要在爐膛內(nèi)，在二次風(fēng)口以上的一次煙道內(nèi)煙溫較低；在140%工況下，二次風(fēng)口及以上區(qū)域煙氣溫度較高。通過對(duì)不同工況條件下的焚燒爐沿高度方向溫度分布進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，50%工況下，二次風(fēng)口往上的煙氣溫度較低<850K（更遠(yuǎn)低于850℃），不利于二噁英類物質(zhì)的消減和控制；140%工況時(shí)，大量的可燃份在喉口區(qū)域二次燃燒，煙溫較高，可能發(fā)生燒灼現(xiàn)象。

2.2 儲(chǔ)熱材料工作工況

由上文分析可知，當(dāng)垃圾焚燒的工況惡化時(shí)，爐內(nèi)的煙氣溫度會(huì)會(huì)隨之變化。低能量輸入時(shí)（50%熱值），煙氣溫度迅速下降，僅15min左右，煙氣溫度就低于了850℃，現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，極易造成污染物超標(biāo)排放。

因?yàn)橄嘧儍?chǔ)熱材料可以自動(dòng)的在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定其能量交換介質(zhì)的溫度，相比較需要人工操作的溫度穩(wěn)定技術(shù)而言，如二次風(fēng)調(diào)節(jié)、輔助燃料加入等，尤其優(yōu)越性。研究結(jié)果表明，相變儲(chǔ)熱材料穩(wěn)定煙氣溫度的作用明顯，低能量輸入時(shí)，煙氣下降到850℃以下的時(shí)間由15min左右增加到了25min左右；高能量輸入時(shí)，煙氣溫度增加到1000℃的時(shí)間由25min左右增加到了45min左右。

3 結(jié)語

本文深入探討了垃圾焚燒爐儲(chǔ)熱式煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)性能，通過對(duì)比添加儲(chǔ)熱材料前后的極端工況運(yùn)行參數(shù)，驗(yàn)證了相變儲(chǔ)熱材料降低污染物超排、煙道燒蝕等不良現(xiàn)象發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的可行性，希望為垃圾處理技術(shù)的發(fā)展提供一定借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 李連杰，鄭雪艷. 焚燒爐及余熱鍋爐額定工況下第一、二煙道的熱態(tài)模擬[J]. 價(jià)值工程，2015（10）：87-89.

[2] 劉占斌，徐文君. 回旋流式垃圾焚燒爐煙道和受熱面積灰及其抑制方法分析[J]. 山西電力，2017（3）：52-54.

[3] 陶璐，趙伶玲，趙長(zhǎng)遂. 余熱鍋爐入口煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 鍋爐技術(shù)，2015，46（4）：12-17.

（作者單位：江蘇天楹環(huán)保能源成套設(shè)備有限公司）