高溫煙氣引射器及其在垃圾發(fā)電鍋爐中的應用研究

卜銀坤

(北京航天動力研究所 北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京 100076)

當前，垃圾焚燒發(fā)電已成為垃圾減量化(減容70%～80%、減重50%～80%)、無害化(高溫焚燒+煙氣凈化)、資源化(主要是發(fā)電)的國際主流技術(shù)[1-3]。然而一直存在以下難以克服的技術(shù)難題以致嚴重影響其普及和良性發(fā)展：因為城市生活垃圾含水量高[1，4]，一般為40%～60%；發(fā)熱量低[3]，一般為3000～6000kJ/kg；容重小[4]，一般為0.25～0.5t /m3，所以需要的爐排面積是同功率燃煤鍋爐的近3倍，過大的過量空氣系數(shù)1.7～2.5[2-3]使鍋爐系統(tǒng)體積特別龐大，是同功率燃煤鍋爐的4倍左右，鍋爐的運行效率很難超過標準規(guī)定的75%[5]；投資和運行費用特別巨大[6]以至必須依靠國家政策經(jīng)濟補貼(目前平均焚燒每噸垃圾的項目投資為50～75萬元人民幣，每處理1噸垃圾的運行費用為120元人民幣左右)，使用壽命小于25年[6-7]，除了社會環(huán)保效益外，獨立的經(jīng)濟效益無從談起；另外，由于垃圾中含有較多的難以分類、分揀的含氯和重金屬元素的成分，所以垃圾焚燒的煙氣中，存在較多的酸性氣體、一定量的重金屬和劇毒性污染物二噁英，給焚燒達標排放帶來很大的技術(shù)和經(jīng)濟壓力，給興建垃圾發(fā)電企業(yè)帶來一定的鄰壁現(xiàn)象。

我國的垃圾發(fā)電產(chǎn)業(yè)屬于資本驅(qū)動型產(chǎn)業(yè)，企業(yè)引進的國外相關(guān)技術(shù)，基本上都是加工制造或仿造，自動化控制技術(shù)水平較低，嚴重缺少源頭的創(chuàng)新行為，解決問題的核心技術(shù)急待突破。為了趕超國際水平，我國垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)的標準體系日趨嚴格，然而嚴格執(zhí)行這些標準卻缺少相應的科學技術(shù)使排放真正達標，致使垃圾發(fā)電事業(yè)面臨更多的問題[8]。

筆者研究認為，過量空氣系數(shù)太大是垃圾發(fā)電企業(yè)改變不良現(xiàn)狀難以逾越的門檻，是急待突破的關(guān)鍵核心技術(shù)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于技術(shù)問題，國內(nèi)外現(xiàn)有垃圾焚燒技術(shù)的過量空氣系數(shù)普遍都很大[9、3、10]，我國標準[5,9,11-12]允許垃圾焚燒的過量空氣系數(shù)αb=2.1，在線垃圾焚燒發(fā)電鍋爐[13]的實際過量空氣系數(shù)αs=1.8～2.2，文獻[3]推薦αs=1.7～2.5。筆者計算發(fā)現(xiàn)：按過量空氣系數(shù)標準值αk=2.1、鍋爐排煙溫度為200℃，每焚燒低位發(fā)熱量為6639kJ/kg的1kg垃圾，要產(chǎn)生10.41m3需要凈化的煙氣量，實際在線垃圾發(fā)電鍋爐為了所謂的達標排放，超過這個數(shù)值的并不新鮮，這不僅使鍋爐運行效率ηg<75%、需要凈化的煙氣量超大，而且需要超大功率的鼓風機和引風機，造成建設投資和運行費用特別巨大、垃圾發(fā)電系統(tǒng)的體積特別龐大以至與其功率極不相稱。顯然：大幅降低過量空氣系數(shù)并充分燃盡，是垃圾發(fā)電廠投資和運營成本的降低、煙氣凈化系統(tǒng)的簡化、節(jié)能和減排、改變不良現(xiàn)狀需要突破的關(guān)鍵核心技術(shù)。

1 高溫煙氣引射器的工作原理

1-噴管 2-噴嘴 3-接收室 4-吸氣收縮管 5-喉部 6-混合管 7-擴壓管圖1 負壓吸氣式低壓引射器工作原理圖

2 高溫煙氣引射器的理論計算內(nèi)容

2.1 混合次高溫氣體的溫度及引射系數(shù)

(1)

由此得引射系數(shù)

(2)

式(1)、(2)中：

qm,a、qm,f—工作空氣、高溫煙氣的質(zhì)量流量，kg/s；

Tamb,s—標準狀態(tài)下大氣的溫度，Tamb,s=273K，K；

um—引射器的質(zhì)量引射系數(shù)，um=qm,f/qm,a；

2.2 動量方程的創(chuàng)建

如圖1所示，兩股氣流從截面A-A流到截面B-B，按受力情況(兩股氣流匯流撞擊能量損失，屬工質(zhì)系統(tǒng)的內(nèi)力行為，不影響其動量守恒定理)，其動量方程[17-20]為

(3)

式(3)及其關(guān)聯(lián)的式中：

qm,m—混合次高溫氣體的質(zhì)量流量，qm,m=qm,a+qm,f，kg/s；

pamb,s—標準狀態(tài)下的大氣壓力，pamb,s=101325 Pa，Pa；

pamb—當?shù)氐拇髿鈮毫?，因為|pamb-pamb,s|相對pamb,s很小，所以取pamb/pamb,s≈1，Pa；

2.3 連續(xù)方程及相關(guān)的參數(shù)表達式

qm,m=qm,a+qm,f=qm,a(1+um)

(4)

qV,m=qV,a+qV,f=qV,a(1+um.s)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

由式(9)得

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式(4)—(14)中：

qV,a、qV,f、qV,m—工作空氣、高溫煙氣、混合次高溫氣體在標態(tài)下的體積流量，m3/s；

項目劃分的第三級為單元工程，單元工程是日常考核和質(zhì)量評定的基本單位，有具體的質(zhì)量標準和檢測檢驗要求。只有單元工程按照設計和施工質(zhì)量標準施工，才能使施工質(zhì)量達到優(yōu)良，提高單元工程的優(yōu)良率。這是實現(xiàn)分部工程、單位工程以至工程項目施工質(zhì)量等級優(yōu)良的重要條件之一。

ρa、ρf、ρm—工作空氣、高溫煙氣、混合次高溫氣體在標準狀態(tài)下的密度，kg/m3；

s—工作空氣和高溫煙氣在標態(tài)下的密度比值，s=ρa/ρf；

um.s—引射器的容積引射系數(shù)；

ka、kf、km—分別為工作空氣、高溫煙氣、混合次高溫氣體的絕熱指數(shù)，空氣的絕熱指數(shù)ka=1.40，大多數(shù)情況下，kf≈ka=1.40，km≈ka=1.40。

2.4 工作空氣在噴嘴出口的實際速度

(15)

(16)

由式(16)得

(17)

式(15)—(17)中：

需要說明的是，引進φa后，工質(zhì)流過噴嘴的能量守恒方程中不再考慮工質(zhì)的阻力損失。

2.5 高溫煙氣沿程阻力及其在噴嘴出口處的靜壓和實際速度

(18)

于是，噴嘴出口高溫煙氣的靜壓

(19)

(20)

在式(18)—(20)中：

∑ζf,i—高溫煙氣在噴嘴出口前各種阻力系數(shù)的總和，噴嘴阻力相對其它阻力可忽略；

Δpr,f—高溫煙氣在噴嘴出口前的管路總阻力，Pa；

2.6 混合次高溫氣體在混合管出口的速度、混合管內(nèi)的摩擦力和撞擊能量損失以及擴壓管對其壓力的恢復值

由此得

(21)

(22)

由式(21)=(22)，得混合次高溫氣體在擴壓管內(nèi)壓力的恢復值

(23)

(24)

實踐證明，混合管內(nèi)部對氣流的阻力很小以至可以忽略，即沿程流動可視為無外力作用的過程，因此，應用動量守恒定理得匯流發(fā)生的撞擊能量損失[18]

(25)

相當于壓力損失

(26)

因此，高溫煙氣因為噴嘴前流動阻力和在混合管中與工作空氣撞擊而引起的總壓力損失

(27)

式(21)—(27) 中：

ζf,m—混合管的摩擦阻力系數(shù)，與氣體的流態(tài)、混合管的加工質(zhì)量和長度有關(guān)；

Δpi,af—不同速度的兩股氣流，匯流過程中的撞擊壓力損失，Pa；

Δpt,f—高溫煙氣因為流動阻力和在引射器中與工作空氣撞擊而引起的總壓力損失，Pa；

2.7 混合管出口混合次高溫氣體的靜壓及噴嘴前鼓風機全壓

(28)

可表示為

(29)

2.8 高溫煙氣引射器的效率

在論述引射器效率時，必須認清混合次高溫氣體的總壓力及其中組成氣體的分壓力。按道爾頓分體積理論[5]，高溫煙氣和工作空氣在引射器出口處的分壓分別為

(30)

(31)

引射器的效率是其性能的重要參數(shù)，各種書籍和文獻對其有不同的定義和計算方法[24]，其大小相差很大，甚至對引射器的科學設計有一定的誤導，使引射器的優(yōu)勢不能很好地被全面認識，且至今模糊不清。筆者認為，混合次高溫氣體必須要有足夠的機械能才能克服向下游流動的阻力，最終穿過爐排和燃料層為燃料助燃，否則，再高的氣體品質(zhì)也是沒有意義的。因此，高溫煙氣引射器的效率，應當基于實際機械能的轉(zhuǎn)換量的多少，即高溫煙氣機械能量的理論增加量與工作空氣機械能量的理論減少量的比值，即

(32)

在式(30)—式(32)中：

ηm—基于機械能轉(zhuǎn)換機理的高溫煙氣引射器機械功效率；

3 高溫煙氣引射器優(yōu)化設計

4 高溫煙氣引射器在垃圾發(fā)電鍋爐中的應用分析

筆者在一期國外垃圾發(fā)電鍋爐的設計過程中發(fā)現(xiàn)，具有高溫煙氣引射器[14]和超強聚熱反輻射型燃燒室[25]的垃圾發(fā)電鍋爐，不僅能夠免去常規(guī)的不銹鋼汽氣換熱器，在過量空氣系數(shù)1.05<αs<1.20的條件下使垃圾著火更容易、焚燒更完全、無害化更徹底，而且垃圾發(fā)電廠的設備更簡單、投資和運行費用減少近半，垃圾發(fā)電廠有望徹底改變當前的不良現(xiàn)狀。

圖2是高溫煙氣引射器和超強聚熱反輻射型燃燒室同時在SLC500-35/4.00/400生活垃圾發(fā)電鍋爐上的應用原理示意圖，該鍋爐為五驅(qū)動傾斜順推階梯形往復爐排爐，共有8個一次風室，每一個風室左右對稱進入的一次風量均可調(diào)節(jié)，一次風和燃燒室前后各三組二次風全部來自高溫煙氣引射器的出口，均為高溫低氧的助燃氣體。具有代表性的某市區(qū)生活垃圾的物理組成平均值[4]見表1，對應的生活垃圾元素分析統(tǒng)計修正平均值見表2，垃圾在無補充燃料、不同過量空氣系數(shù)條件下爐膛內(nèi)的理論燃燒溫度[26]如表3。按鍋爐額定負荷計算，當實際過量空氣系數(shù)αs=1.20、高溫煙氣引射器的引射系數(shù)u=0.40時：引射器出口高溫低氧助燃氣體的總風量19.05Nm3/s、總風壓為1000±100Pa、風溫為300±30℃、氧含量16%～18%、名義過量空氣系數(shù)αm=(1+u)×αs=(1+0.4)×1.20=1.68；和常規(guī)同等參數(shù)的垃圾發(fā)電鍋爐相比，配套風機的風量、風壓和功率[27]見表4。

圖2 高溫煙氣引射器在SLC500-35/4.00/400生活垃圾發(fā)電鍋爐上的應用設計原理示意圖

表1 某市區(qū)生活垃圾的物理組成平均值(干基重量比例)

表2 對應的生活垃圾元素分析統(tǒng)計修正平均值(用于垃圾焚燒發(fā)電鍋爐設計)

表3 不同過量空氣系數(shù)條件下爐膛內(nèi)的理論燃燒溫度

雖然按式(32)計算得到的高溫煙氣引射器的機械功效率只有ηj=10.59%，但它帶來的效益卻是巨大的。由表4不難看出，用高溫煙氣引射器替代常規(guī)不銹鋼的汽氣換熱器：不僅鍋爐的運行電耗減少了一半多，而且預算表明相關(guān)的建設費用減少了近一半；因為過量空氣系數(shù)的大幅減少從而使必須凈化的煙氣量減少了近一半，所以煙氣的凈化設備得到大大簡化，煙氣的凈化效果大大提高，煙氣的排放更容易達標，因此，垃圾發(fā)電廠的鄰避現(xiàn)象就會自然消除；過量空氣系數(shù)的大幅減少，大大提高了爐膛溫度從而避免輔助燃料的添加，同時可以將有害難以處理的垃圾滲濾液按文獻[26]的方法全部細霧入爐焚燒，從而免去了常規(guī)滲濾液處理系統(tǒng)建設和運行的昂貴費用；計算表明，圖2所示的垃圾發(fā)電鍋爐結(jié)構(gòu)，在沒有添加輔助燃料的情況下，其熱效率理論值為88%，遠超當前標準[5]要求的75%；從垃圾發(fā)電廠系統(tǒng)圖可以看出，其占地面積可減少近三分之一。

在圖2中，鼓風機的進風源自鍋爐前部密封的垃圾儲坑上方，高溫煙氣來自燃盡室頂部前墻的中部。為了減少1000℃高溫煙道的長度，將高溫煙氣引射器置于鍋爐前料倉頂部的鋼架上，且有可靠的防振、隔音措施，高溫煙道和高溫低氧風道均有可靠的耐火絕熱保護設施，管道外表溫度不高于50℃。

圖2所示的爐膛如同熱工學中的一個開口設備，高溫煙氣引射器使爐膛出口高溫煙氣再循環(huán)屬于開口體系的內(nèi)部循環(huán)，具有以下特點：因為高溫煙氣引射器沒有改變開口體系入口空氣的氧含量和過量空氣系數(shù)(1<αs<1.20)，所以，所述高溫煙氣引射器出口助燃空氣氧含量的減少，不同于系統(tǒng)外空氣氧含量的減少，不會減弱反而會因為溫度的大大提高、湍流效應的加大而增強垃圾原本的著火和燃燒的穩(wěn)定性；不會影響爐內(nèi)的理論燃燒溫度和理論煙氣量；忽略因這種內(nèi)循環(huán)而引起的爐膛壁面對外界散熱的差別，這種內(nèi)循環(huán)不會影響爐膛出口煙氣的理論溫度和流速，不會影響鍋爐尾部受熱面的布置；可以按傳統(tǒng)理論和標準設計這種新型垃圾發(fā)電鍋爐。

生活垃圾在圖2所示的結(jié)構(gòu)爐膛內(nèi)高溫、低氧、強湍流條件下焚燒，具有以下優(yōu)點：爐膛出口高溫煙氣連續(xù)不斷地被定量強制返回到爐膛低溫區(qū)即爐排底部，除了對爐膛內(nèi)的煙氣進行物理絞絆外，還增加了未燃燒物的活化分子與煙氣中多余活化氧分子的碰撞并化學反應的機會從而提高了氧的利用率，同等情況下過量空氣系數(shù)可以更?。晃锢斫g絆消除了局部高溫區(qū)從而使氮氧化物、二噁英等有害氣體失去了生成條件；因為大大提高了一次空氣的溫度，所以燃料的烘干時間短、著火和燃燒會更加容易和劇烈[27]。

5 結(jié)論

(1)垃圾焚燒的過量空氣系數(shù)太大是垃圾發(fā)電廠目前不良現(xiàn)狀的根本原因，大幅降低過量空氣系數(shù)并充分燃盡是環(huán)?？萍技贝黄频年P(guān)鍵核心技術(shù)。

(2)具有高溫煙氣引射器和超強聚熱反輻射型燃燒室的垃圾發(fā)電鍋爐，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾在過量空氣系數(shù)為1.05<αs<1.20、一次風和二次風溫度為300±30℃且氧含量為16%～18%的條件下，無需輔助燃料即能完全焚燒，而且較高的爐膛溫度能夠滿足垃圾滲濾液全部細霧回爐焚燒，污染從源頭得到真正有效的控制，是徹底改變垃圾發(fā)電廠當前不良現(xiàn)狀的科學路徑。

(3)高溫煙氣引射器是改變垃圾電廠不良現(xiàn)狀的可靠性強、成本低、容易實現(xiàn)的高科技設備，正確設計、制造、應用高溫煙氣引射器，是當前改變垃圾發(fā)電廠不良現(xiàn)狀的核心技術(shù)。

(4)高溫煙氣引射器使爐膛出口高溫煙氣再循環(huán)屬于開口體系的內(nèi)部循環(huán)，可以按傳統(tǒng)理論和標準設計這種新型垃圾發(fā)電鍋爐。